कृत्रिम अंग विशेषज्ञ कृत्रिम किडनी के विकास की स्थिति, चुनौतियों और अवसरों के बारे में बात करते हैं

वर्तमान में, गुर्दे की विफलता दुनिया भर में एक प्रमुख सार्वजनिक स्वास्थ्य समस्या बन गई है। 2021 के आंकड़ों के अनुसार, लगभग 4.7 मिलियन मरीज़ रीनल रिप्लेसमेंट थेरेपी प्राप्त कर रहे हैं। गुर्दे के संसाधनों की कमी और अन्य कारकों के कारण, गुर्दे की विफलता वाले अधिकांश रोगियों को हेमोडायलिसिस और पेरिटोनियल डायलिसिस के साथ गुर्दे की प्रतिस्थापन चिकित्सा प्राप्त होती है, लेकिन दोनों डायलिसिस तरीकों के अपने नुकसान हैं। हेमोडायलिसिस में जीवन की खराब गुणवत्ता और अपेक्षाकृत उच्च मृत्यु दर है। पेरिटोनियल डायलिसिस के जीवन की गुणवत्ता उच्च है, और मृत्यु दर अपेक्षाकृत कम है, लेकिन लागत अधिक है, और कुछ वर्षों के बाद, तकनीकी विफलता जैसे कारकों के कारण पेरिटोनियल डायलिसिस रोगियों को हेमोडायलिसिस पर स्विच करना पड़ सकता है। उपरोक्त कारणों को देखते हुए, लोग हमेशा एक कृत्रिम किडनी प्रणाली विकसित करने की आशा करते हैं, जो रोगियों को पारंपरिक डायलिसिस की कमियों से मुक्त कर सके, और रोगियों की स्वायत्तता को बढ़ा सके ताकि वे सामान्य जीवन और काम के अधिकारों का आनंद ले सकें।

गुर्दे की बीमारी के लिए सिस्टैंच ट्यूबुलोसा कैप्सूल के लिए क्लिक करें

5 जून, 2023 को नेचर रिव्यूज़ नेफ्रोलॉजी ने यूरोपीय कृत्रिम किडनी विकास टीम और कृत्रिम अंग विकास टीम के विशेषज्ञों द्वारा लिखित एक समीक्षा प्रकाशित की। कृत्रिम किडनी के वर्तमान प्रोटोटाइप की समीक्षा करने के बाद, विशेषज्ञों ने कृत्रिम किडनी को दो श्रेणियों में विभाजित किया, पहनने योग्य डायलिसिस मशीन और जैव कृत्रिम किडनी। इन दो प्रकार की कृत्रिम किडनी के अपने फायदे और नुकसान हैं, और अवसर और चुनौतियाँ सह-अस्तित्व में हैं। इसके अलावा, नई अर्ध-पारगम्य झिल्ली तकनीक कृत्रिम किडनी के विकास में मदद करेगी और मौजूदा हेमोडायलिसिस तकनीक में भी सुधार करेगी।

पहनने योग्य डायलिसिस मशीन

पहनने योग्य डायलिसिस मशीनों का दर्द बिंदु बहुत महत्वपूर्ण है, अर्थात् डायलीसेट का पुनर्जनन। उदाहरण के तौर पर पारंपरिक हेमोडायलिसिस को लेते हुए, 4 घंटे के डायलिसिस के लिए 120-150L डायलीसेट की आवश्यकता होती है। मरीज़ अपने साथ इतना डायलीसेट नहीं ले जा सकते। इसलिए, एक पहनने योग्य मशीन को एक उपकरण लागू करना चाहिए जो एक बंद-लूप प्रणाली में लगातार डायलीसेट को पुनर्जीवित करता है।

वर्तमान में, पहनने योग्य डायलिसिस मशीनों में उपयोग किए जाने वाले डायलीसेट पुनर्जनन उपकरणों में आमतौर पर पॉलीस्टाइनिन रेजिन जैसे कटियन एक्सचेंजर्स/झिल्ली शामिल होते हैं। वे पोटेशियम, सोडियम और हाइड्रोजन आयन जैसे धनायन हटा देते हैं। और आयनों को विभिन्न तरीकों से भी हटाया जाता है, जैसे फॉस्फेट को आधार में परिवर्तित करने के लिए स्थिर धातु आयनों (जैसे लोहा या लैंथेनम) के साथ जिरकोनियम ऑक्साइड/पॉलीस्टाइरीन बेस। उपरोक्त विधि डायलीसेट के पीएच मान को समायोजित कर सकती है, जिससे रोगी के एसिड-बेस और आयन संतुलन को बहाल किया जा सकता है। कार्बनिक विलेय को हटाने में, आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि सक्रिय कार्बन सोखना है। अध्ययनों से पता चला है कि डायलीसेट में पाए जाने वाले 81 प्रतिशत कार्बनिक यूरेमिक विलेय प्रोटीन-बाउंड विलेय सहित सक्रिय कार्बन द्वारा सोख लिए जाते हैं।

हालाँकि, सक्रिय कार्बन का उपयोग यूरिया हटाने के लिए नहीं किया जा सकता क्योंकि यूरिया के लिए सक्रिय कार्बन की आत्मीयता काफी कम है (आमतौर पर 1-0.2 mmol/g), और यूरिया की उपज अन्य की तुलना में अधिक है कार्बनिक यूरेमिक विलेय। इसलिए, निष्कासन के लिए अन्य तरीकों का उपयोग किया जाना चाहिए, जैसे कि एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस, इलेक्ट्रोकेमिकल अपघटन और सोखना।

1 एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस

यूरिया हाइड्रोलिसिस एक बहुत ही प्रभावी रणनीति है, 30 ~ 50 ग्राम सक्रिय यूरिया 4 घंटे के डायलिसिस के दौरान उत्पादित यूरिया को पूरी तरह से हटा सकता है। हालाँकि, यूरिया के अपघटन से अमोनियम उत्पन्न होता है, जो अधिक विषैला होता है। ज़िरकोनियम फॉस्फेट अमोनियम को बांध सकता है, लेकिन साथ ही, ज़िरकोनियम फॉस्फेट डायलीसेट में कैल्शियम, मैग्नीशियम और पोटेशियम आयनों को भी पूरी तरह से हटा सकता है, जिसके लिए पुन: संयोजन की आवश्यकता होती है। हालाँकि, इससे डायलिसिस मशीन का आकार और वजन बढ़ जाता है। यदि एक नए प्रकार की अर्धपारगम्य झिल्ली केवल अमोनियम को सोख सकती है, तो एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया जा सकता है।

2 विद्युतरासायनिक अपघटन

सैद्धांतिक रूप से, विद्युत रासायनिक अपघटन यूरिया को नाइट्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड में सीधे परिवर्तित करने की अनुमति दे सकता है। ये दोनों पदार्थ जहरीले नहीं हैं और इन्हें सीधे वायुमंडल में छोड़ा जा सकता है। हालाँकि, इलेक्ट्रोकेमिकल अपघटन विधि रक्त में क्लोराइड आयनों को हाइपोक्लोराइट में परिवर्तित कर सकती है, और आगे ऑक्सीकरण से नाइट्राइट, नाइट्रेट, अमोनियम आदि बन सकते हैं। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलिसिस के लिए आवश्यक वोल्टेज और बिजली भी पहनने योग्य डायलिसिस मशीनों के लिए दर्द बिंदु हैं।

अन्य इलेक्ट्रोड सामग्रियों को आज़माने से उपरोक्त दर्द बिंदुओं में सुधार होता प्रतीत होता है। ग्रेफाइट, निकल-कॉपर मिश्र धातु, और टाइटेनियम डाइऑक्साइड सभी अच्छे समाधान हैं। तटस्थ या थोड़ी क्षारीय स्थितियों के तहत, उपरोक्त इलेक्ट्रोड यूरिया को ऑक्सीकरण/इलेक्ट्रोलाइज कर सकते हैं, जिससे कम विषाक्त पदार्थ पैदा होते हैं। हालाँकि, क्या उपर्युक्त इलेक्ट्रोड जटिल और परिवर्तनशील और प्रयुक्त डायलीसेट वातावरण में बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं या नहीं, इसके लिए अभी और अधिक शोध की आवश्यकता है।

3 सोखना

वर्तमान में, डायलीसेट में यूरिया को घोलने के लिए सोखना सबसे अच्छा तरीका प्रतीत होता है। सोखना को रासायनिक सोखना (सहसंयोजक बंधन) और भौतिक सोखना (हाइड्रोजन बंधन द्वारा गठित द्विध्रुवीय अंतःक्रिया) में विभाजित किया जा सकता है, जिसमें रासायनिक सोखना स्थिर, अपरिवर्तनीय लेकिन धीमा है; भौतिक अधिशोषण तेज़ लेकिन अस्थिर है। वर्तमान में, कुछ मिश्र धातुएँ और नई सामग्रियाँ उपरोक्त दर्द बिंदुओं में सुधार कर सकती हैं। चिटोसन एक ऐसा पदार्थ है जो भौतिक सोखना द्वारा यूरिया को सोख लेता है। यद्यपि चिटोसन सोखने का बंधन बल कम है (केवल {{0%).2mmol/g), तांबे के आयनों जैसे धातु आयनों के साथ एक कॉम्प्लेक्स बनाने के बाद, बंधन बल 4.4mmol/g तक बढ़ सकता है।

इसके अलावा, पॉलीस्टाइरीन निनहाइड्रिन, पॉलीइथर्सल्फ़ोन और पॉलीविनाइलपाइरोलिडोन से बनी मिश्रित बेसमेंट झिल्ली (एमएमएम) ने भी एक अच्छा बंधन बल दिखाया। एमएमएम का सोखना सिद्धांत उच्च दर और स्थिरता के साथ रासायनिक सोखना और भौतिक सोखना है। ध्यान देने योग्य बात यह है कि MMM की सोखने की क्षमता 70 डिग्री पर सबसे अधिक होती है। इसलिए, एमएमएम को 37 डिग्री पर उच्च सोखने की क्षमता कैसे बनाई जाए, इसके लिए अभी और अध्ययन की आवश्यकता है।

जैव कृत्रिम किडनी

बायोआर्टिफिशियल किडनी (BAK) एक कृत्रिम किडनी है जो जीव विज्ञान और भौतिक रसायन विज्ञान को जोड़ती है। BAK में वृक्क समीपस्थ कोशिकाएँ होती हैं और इसमें परिवहन, चयापचय और अंतःस्रावी गतिविधियाँ होती हैं, जो मानव वृक्क नलिकाओं के कार्य की नकल कर सकती हैं। पहनने योग्य डायलिसिस मशीनों के विपरीत, BAK जैविक तरीकों (कोशिकाओं) द्वारा आंशिक रूप से कार्यात्मक है। तीव्र गुर्दे की चोट (एकेआई) वाले रोगियों पर अध्ययन से पता चलता है कि बीएके रोगियों की जीवित रहने की दर में सुधार कर सकता है। हालाँकि, BAK के साथ सबसे बड़ी समस्या कोशिकाओं का अधिग्रहण और भंडारण है। यदि चिकित्सा संस्थान या संबंधित कंपनियां उपरोक्त कोशिकाओं के उत्पादन, परिवहन, भंडारण और प्रभावी वितरण का समाधान नहीं कर सकती हैं, तो BAK की पहुंच हमेशा कम रहेगी। इसके अलावा, यह अध्ययन करना भी संभव है कि BAK के उपयोग की लागत को कम करने के लिए कोशिकाओं के जीवन को कैसे बढ़ाया जाए।

टिप्पणियाँ: रोगी का रक्त पहले प्रोटीन से बंधे एल्ब्यूमिन, छोटे अणुओं और यूरीमिक विषाक्त पदार्थों को हटाने के लिए पारंपरिक डायलिसिस उपकरण से गुजरता है, और फिर जैविक प्रतिक्रिया उपकरण में प्रवेश करता है। बायोरिएक्शन डिवाइस में, ट्यूबलर कोशिकाएं कुछ पदार्थों को पुन: अवशोषित और परिवहन करती हैं, एल्ब्यूमिन और अन्य उपयोगी पदार्थों को शरीर में रक्त में लौटाती हैं।

इसके अलावा, BAK की चुनौती लघुकरण है। वर्तमान में, पहनने योग्य BAK ने पशु मॉडल (किडनी रहित भेड़/सूअर) में प्रारंभिक सफलता हासिल की है। किडनी रहित भेड़ मॉडल में, भेड़ में कोई अस्वीकृति नहीं हुई और सफल जीवित रहने का समय 7 दिनों से अधिक था। सुअर मॉडल में, BAK के आरोपण के बाद, सूअरों को अस्वीकृति का अनुभव नहीं हुआ, और उपचारात्मक प्रभाव आदर्श था।

नई डायलिसिस झिल्ली

ठीक वैसे ही जैसे एयरोस्पेस प्रौद्योगिकी अंततः नागरिक प्रौद्योगिकी में सुधार करेगी। चरम स्थितियों (लघुकरण, कम ऊर्जा खपत, डायलीसेट की थोड़ी मात्रा इत्यादि) के लिए डिज़ाइन की गई कृत्रिम किडनी प्रणाली ने अंततः डायलिसिस झिल्ली की प्रगति को बढ़ावा दिया और मौजूदा हेमोडायलिसिस तकनीक को और भी अनुकूलित किया।

1 पॉलिमर फिल्म

डायलाइज़र के जीवनकाल को बढ़ाने और रोगियों को डायलिसिस मशीन के हिस्सों को बदलने की आवश्यकता को कम करने के लिए। शोधकर्ता डायलिसिस झिल्ली की जैव अनुकूलता से जूझ रहे हैं। पॉलिमर झिल्ली एक प्रभावी विचार है। पॉलीविनाइल अल्कोहल और चिटोसन द्वारा संशोधित पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड झिल्ली प्रभावी ढंग से जैव अनुकूलता में सुधार कर सकती है। सोचने का दूसरा तरीका यह है कि पॉलीसल्फोन झिल्ली में अर्गाट्रोबन या हाइड्रोफिलिक पदार्थ जोड़ने से घनास्त्रता का खतरा कम हो सकता है और हेमोडायलिसिस की सुरक्षा बढ़ सकती है।

2-नैनोमीटर सिलिकॉन बेस फिल्म

पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित झिल्लियों में खराब जैव-अनुकूलता, कम सेवा जीवन और थ्रोम्बस बनने का खतरा होता है। हालाँकि, इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी, विशेष रूप से फोटोलिथोग्राफी मशीनों के विकास के साथ, नैनो-सिलिकॉन-आधारित फिल्मों का सूक्ष्मता से निर्माण करना अब मुश्किल नहीं रह गया है। नैनोसिलिका-आधारित झिल्ली विवो हेमोडायलिसिस उपकरणों की शुरुआत हो सकती है। 2022 में, एक नैनो-सिलिकॉन-आधारित झिल्ली हेमोडायलाइज़र को सूअरों में सफलतापूर्वक प्रत्यारोपित किया गया था। यह हेमोडायलाइज़र स्वचालित रूप से हेमोडायलिसिस कर सकता है। इसकी क्रिएटिनिन और यूरिया क्लीयरेंस दर पारंपरिक फाइबर डायलाइज़र के बराबर है, लेकिन रक्त प्रवाह दर केवल 1/20 है। इसलिए अब रक्त पंप की आवश्यकता नहीं है। रक्त प्रवाह शारीरिक धमनी-शिरापरक दबाव अंतर से प्राप्त होता है। इसके अलावा, इस प्रकार का हेमोडायलाइज़र 5×5m2 सिलिकॉन चिप के साथ मिलकर इलेक्ट्रॉनिक सेंसर और माइक्रो-मोटर सिस्टम को एकीकृत कर सकता है, जो वास्तविक समय में हेमोडायलिसिस की स्थिति की निगरानी के लिए एक बहु-पैरामीटर चिकित्सा निगरानी प्रणाली उत्पन्न कर सकता है, जो अनुकूल है व्यक्तिगत चिकित्सा उपचार के लिए.

3 आयन पुन:अवशोषित

AWEDI एक आयन पुनर्अवशोषित है जो चयनात्मक आयन पुनर्अवशोषण प्राप्त करने के लिए आयन एक्सचेंज राल, आयन एक्सचेंज झिल्ली और लागू वोल्टेज को जोड़ता है, प्रभावी ढंग से गुर्दे की नलिकाओं की क्रिया की नकल करता है। अध्ययनों से पता चला है कि AWEDI प्रणाली सोडियम, पोटेशियम, मैग्नीशियम और कैल्शियम आयनों को प्रभावी ढंग से पुन: अवशोषित कर सकती है, और यहां तक ​​कि ग्लूकोज को भी पुन: अवशोषित किया जा सकता है। हालाँकि, AWEDI प्रणाली को तीन चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है। सबसे पहले, AWEDI प्रणाली में आणविक भार> 180 Da के साथ यूरेमिक विषाक्त पदार्थों को हटाने की खराब क्षमता है; दूसरा, आयन परिवहन दक्षता वोल्टेज से संबंधित है। यदि वोल्टेज बहुत अधिक है, तो पानी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन बनाने के लिए विभाजित हो सकता है; यदि वोल्टेज बहुत कम है, तो पुनर्अवशोषण दक्षता अधिक नहीं होगी; अंततः, विभिन्न क्रिस्टलों की आयन चयनात्मकता में बड़ा अंतर (42 प्रतिशत तक) होता है, और ये अंतर AWEDI के आकार, डायलीसेट एकाग्रता, पीएच मान और यहां तक ​​कि वोल्टेज से संबंधित होते हैं।

कृत्रिम किडनी/पहनने योग्य डायलिसिस मशीन का प्रोटोटाइप

वर्तमान में, PAK और WAK कृत्रिम किडनी/पहनने योग्य डायलिसिस मशीनों के प्रोटोटाइप हैं जिनका उपयोग नैदानिक ​​​​अनुसंधान में किया गया है, जिनमें से WAK सबसे प्रसिद्ध है। WAK का वजन लगभग 5 किलोग्राम है। नैदानिक ​​अध्ययनों ने पुष्टि की है कि WAK 4~8 घंटे या 24 घंटे तक लगातार काम कर सकता है। WAK 24 घंटों के भीतर प्रभावी अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रदान कर सकता है, और यूरिया, क्रिएटिनिन और फास्फोरस की निकासी दर क्रमशः 17±10, 16±8, और 15±9ml/मिनट है। हालाँकि, 24-एच नैदानिक ​​अध्ययन के दौरान, डायलिसिस में अत्यधिक कार्बन डाइऑक्साइड गैस और एक्स्ट्राकोर्पोरियल सर्किट में जमाव के परिणामस्वरूप अध्ययन जल्दी समाप्त हो गया।

If hemodialysis is not considered, automatic WAK (AWAK) is a smaller (2kg) peritoneal dialysis device, which can significantly reduce the consumption of dialysate, and most adult patients can carry it with them. A study in 2022 showed that in 14 patients with peritoneal dialysis, AWAK could work 10.5 hours a day for 3 consecutive days. The study showed that AWAK significantly cleared urea (20.8 to 14.9mm; P = 0.001), creatinine (976 to 668uM; P = 0.001), and phosphorus (1.7 to 1.5mM; P = 0.03), and weekly peritoneal Urea clearance index, Kt/V>1.7. रोगियों में कोई गंभीर प्रतिकूल घटना नहीं घटी। हालाँकि कुछ रोगियों को पेट में परेशानी का अनुभव हुआ, लेकिन डायलिसिस या शौच के बाद उन्हें राहत मिली।

अन्य 4 PAK प्रोटोटाइप जारी किए गए हैं और संबंधित नैदानिक ​​​​अनुसंधान चल रहा है। हालाँकि, इन PAK प्रोटोटाइप का वजन 10 किलोग्राम से अधिक या उसके बराबर है। इसलिए, पोर्टेबिलिटी के मामले में, यह WAK के समान है।

सामान्य तौर पर, कृत्रिम किडनी और BAK के प्रोटोटाइप एक के बाद एक सामने आए हैं। हालाँकि कई चुनौतियाँ हैं, चिकित्सा और अन्य विषयों की प्रगति के साथ, ये चुनौतियाँ एक के बाद एक हल हो जाएंगी। इसके अलावा, कृत्रिम अंगों को सूक्ष्म-संवेदन प्रणालियों (जैसे द्रव भार और विशिष्ट रक्त घटकों की निगरानी) में जोड़ा जा सकता है, और व्यक्तिगत चिकित्सा सलाह बनाने के लिए एआई जैसी प्रौद्योगिकियों के साथ जोड़ा जा सकता है।

सन्दर्भ:

1. रमाडा डीएल, डी व्रीस जे, वोलेनब्रोएक जे, एट अल। पोर्टेबल, पहनने योग्य और प्रत्यारोपित कृत्रिम किडनी प्रणाली: आवश्यकताएँ, अवसर और चुनौतियाँ। नेट रेव नेफ्रोल. 2023 जून 5:1-10।