Борьба – один из движущих факторов эволюции. Наш организм постоянно даёт отпор вирусам и инфекциям: но не на все болезни есть иммунный ответ. Одна из таких – хроническая почечная недостаточность (ХПН). Сотрудники кафедры БМС готовы помочь людям со сложным диагнозом – представляем вам их разработку носимый аппарат «искусственная почка».

Фото: Никита Потримайло

Почки – естественный фильтр крови. Они чистят её от мусора, выводят излишки воды и минеральных солей. Почки полезные. Это наша система утилизации отходов.

Представьте, в общежитии перестают работать мусоропроводы, а клининг-компании внезапно отказываются обслуживать район. Через неделю баки будут переполнены. Через месяц у вас прямо под окнами будет собственная мусоросвалка. Так случается с нашим организмом, когда отказывают почки. В крови задерживается мочевина – продукт расщепления белка в организме. Растёт уровень креатинина – это то, что остаётся после энергетического обмена в мышцах. Если вы вдруг отравились мышьяком или этиловым спиртом, это тоже останется в организме – он просто не сможет самостоятельно избавиться от токсинов. Это почечная недостаточность – синдром нарушения всех функций почек. Хроническая почечная недостаточность – диагноз, который ещё несколько десятков лет назад не давал больному шанса на жизнь.

Когда почек не достаточно

Сегодня ХПН не приговор. Учёные придумали, как очищать кровь вне организма. Процедура называется гемодиализом  (греч. haima кровь + dialysis разложение, отделение). Работает просто – кровь пациента из вены попадает в аппарат с искусственной полунепроницаемой мембраной. По одну её сторону течёт загрязнённая кровь больного, а по другую – диализирующий раствор или диализат. По законам диффузии вредные вещества из жидкости с высокой концентрацией через поры в мембране проникают в жидкость с меньшей концентрацией – кровь очищается. 

Кровь разносит по организму необходимые для жизни элементы: ионы натрия, калия, кальция, магния и хлора. Чтобы они не диффузировали в диализат, раствор содержит все нужные химические элементы примерно в той же концентрации, что и плазма здорового человека. Излишек электролитов «вытягивается»в диализат, а нужное количество остаётся в крови. Вещества переходят не только из крови в раствор: бикарбонат натрия проникает из раствора в плазму, а затем в эритроциты, обеспечивая кровь основаниями. Так поддерживается кислотно-щелочной баланс организма. Ещё немножко физики: кровь течёт под давлением благодаря насосу, а в колбе с диализатом давление низкое. Благодаря разнице давлений лишняя жидкость переходит в диализат. Это помогает устранить отеки лёгких, суставов, мозга, удалить жидкость, которая скапливается вокруг сердца.

Если уровень мочевины после процедуры снизился, то гемодиализ  прошёл успешно. Пациент может жить – до следующего сеанса. Это дорого – в год на одного тратится около 80 000 евро; нужна специальная аппаратура, которая есть только в диализных центрах. Минимум чистить кровь надо трижды в неделю по 3-4 часа сеанс. А если центр в соседнем городе? Если и там его нет? Мы уже не говорим о том, чтобы съездить на море летом или на недельку на дачу к бабушке – вдали от центров больные обречены.

Конечно, люди с ХПН сегодня счастливее, чем век назад – они живут. Но совсем не так, как мы с вами. Доцент кафедры БМС Николай Александрович Базаев вместе с коллегами с 2013 года работает над тем, чтобы сделать жизнь таких пациентов лучше. Их разработка – носимый аппарат «искусственная почка» (ИП), уже прошёл первые испытания, сегодня изготовлен экспериментальный образец. Диализ крови можно будет проводить в домашних условиях – ничего похожего в России пока нет.

Принцип работы

Аппарат работает по методу перитонеального диализа. Схема та же: кровь-мембрана-диализат, – но кровь очищается внутри тела. 

Наша брюшная полость выстлана перитонеальной мембраной. Она нужна, чтобы петли кишечника свободно скользили в брюшной полости, перемещая внутри себя содержимое. В брюшине проходит много кровеносных сосудов, всасывающих питательные вещества из кишечника в кровь. 

Если придать дополнительные функции слизистой оболочке брюшины и сосудам брюшины, получается «новая почка» внутри тела. Есть естественная мембрана, которая может заменить диализатор, и кровоток: остаётся подвести диализирующий раствор. Для этого хирург имплантирует пациенту в брюшину два катетера: мягкие силиконовые трубки примерно 30 см длиной и диаметром с карандаш. Теперь они – часть человека. Через первый вливают диализат, а дальше всё по схеме: кровь отдаёт уремические токсины, избавляется от лишней воды и электролитов, получает полезные вещества. Через второй катетер раствор сливается.

Оба катетера на время сеанса подключаются к небольшому рюкзаку весом в 3.5 килограмма – это и есть ИП. Внутри него происходит магия: диализат, в который кровь сбросила весь накопившийся мусор, регенерирует.

Разбор прибора

Загрязнённый диализат попадает в ИП. Два насосных модуля гонят его в диализатор, где раствор избавляется от шлаков и избытка жидкости. На следующем этапе из диализатора через насосы раствор поступает в сорбционные колонки. В них он очищается от билирубина и желчных кислот. Далее следует испытание электролизёром и дегазатором. В электролизёре ионы, слагающие сложное вещество, расщепляются на атомы, а в дегазаторе происходит обеззараживание (дегазация) поступившего в него вещества, которое идёт во вторую сорбционную колонку и при дальнейшем следовании встречает на своём пути мешок для ультрафильтрата (УФ). Там оседает что-то (вроде). Раствор проходит через фильтр, затем через насос она поступает в диализатор и возвращается по второму катетеру в брюшную полость пациента.

Не недостатки, а перспективы

Регенерация и рециркуляция диализата позволяет за одну процедуру обойтись двумя литрами раствора. При гемодиализе используется 150 литров. Общая стоимость процедуры на пациента за год снижается примерно на 20 000 евро. 

Про физиологичность

Разработка далека от идеала. ИП работает, но учёные уже думают над ИП 2.0. Массу рюкзака можно снизить: за счёт преобразования конструкции. Вместо двух катетеров в перспективе останется один. Сейчас в электролизёре используются 24 титановых электрода с платиновым покрытием, общая площадь 1200 квадратных сантиметров. Если заменить драгоценные металлы на углеродные соединения, стоимость конечного продукта существенно снизится. 

Студенты МИЭТа тоже подключились к работе над ИП. Наталья Россова (ЭКТ-42) анализирует модели насосов для диализирующего раствора. Изучает характеристики, старается найти оптимальное решение для аппарата. Это станет её дипломной работой. Вывод об эффективности выбранного насоса надо будет обосновать теоретически и проверить на практике уже в следующем семестре.

Управлять собственной почкой

В ИП два контура: гидравлический отвечает за рециркуляцию и регенерацию диализата: это сорбционные колонки, мешок для УФ, фильтр и диализатор. Управление и связь реализуются в электрическом контуре. 

В составе устройства есть аккумулятор: ИП может работать и от сети, и от батареи. В блоке управления через Bluetooth устанавливается связь с ноутбуком или смартфоном. Первое пока в перспективе, а вот мобильное приложение уже есть: его написал программист Никита Жило (БМС-21). 

Приложение позволяет проводить самые простые операции: можно измерить скорости забора жидкости или поставить на паузу ИП. Через него отслеживаются текущие изменяемые данные: расход насоса, скорость очищения крови, давление в контуре. Программа также извещает о том, что пора заменить расходные материалы: например, одноразовая магистраль, по которой течёт диализирующий раствор. 

Собака Павл Базаева

В этой истории есть ещё один герой – один из самых важных. Имени его редакция узнать так и не смогла. Восьмого августа прошлого года этический комитет Тверского государственного медицинского университета единогласно одобрил проведение исследования ИП на дворняжке. Согласно исследованиям, собаки – подходящая животная модель для оценки эффективности перитонеального диализа.

Обычная здоровая собака весом в 15 килограммов теперь стала лабораторным животным. Выбирали по массе, у испытуемого должна была быть достаточно большая брюшная область. Сначала провели операцию по установке катетеров. Когда они прижились и ранки зажили, перешли к основной части эксперимента. Он проходил в два этапа.

Сначала провели диализ собаке с работающими почками, чтобы убедиться, что аппарат никак не повлияет на биохимические параметры крови здорового животного. В течение 5 часов работы ИП состояние собаки не ухудшилось. Теперь надо было вызвать острую почечную недостаточность (ОПН). Для этого собаке ввели 200 миллилитров рентгеноконтрастного вещества, которое временно забивает почечные канальцы. Креатинин в крови вырос в два раза, моча перестала поступать в мочевой пузырь. Почки не справились с нагрузкой – наступила ОПН. 

Собаку подключили к аппарату ИП. В ходе эксперимента исследователи регулярно следили за содержанием метаболитов в диализате и в крови животного. Через 34 часа непрерывного перитонеального диализа с регенерацией диализного раствора показатели биохимии животного пришли в норму. 

Собачка выжила. Всё было хорошо.

***

«Бороться и побеждать» - таков девиз человека, который столкнулся с хронической почечной недостаточностью. Успех в сражении с болезнью гарантирован, если пациент обладает таким ценным ресурсом, как аппарат ИП.

Пелагея Панаитова

Карина Шемарова