Dispositivo e Investigación

El riñón bioartificial implantable se basa en el dispositivo de asistencia renal (RAD) extracorpóreo existente, que es un riñón bioartificial que combina un hemofiltro de membrana y un biorreactor de células tubulares renales humanas para imitar muchas de las funciones metabólicas, endocrinas e inmunológicas de un riñón sano.

Aunque los ensayos clínicos confirmaron que el RAD puede tratar con seguridad la insuficiencia renal aguda en un entorno de cuidados críticos, la adopción del RAD para el tratamiento rutinario de pacientes con insuficiencia renal se ve obstaculizada por su funcionamiento complejo y laborioso, su gran tamaño y su elevado coste marginal.

El objetivo final de The Kidney Project es aplicar sistemas microelectromecánicos (MEMS) y nanotecnología para miniaturizar el RAD extracorpóreo y convertirlo en un riñón bioartificial quirúrgicamente implantable, auto-monitoreable y autorregulador.

Después de una única cirugía para establecer una conexión sanguínea permanente, el riñón bioartificial procesa la sangre continuamente durante 24 horas al día, lo que mitiga los inconvenientes y las morbilidades asociadas con la hemodiálisis intermitente.

El riñón bioartificial implantable presenta varios beneficios, entre ellos la eliminación de la necesidad de una supervisión médica constante y de un régimen intenso de fármacos y medicamentos inmunosupresores.

Para imitar el trabajo de un riñón natural, el riñón bioartificial debe contener membranas de ultrafiltración de alta eficiencia, ser capaz de regular el flujo sanguíneo y estabilizar las células necesarias dentro de un entorno diseñado.

Se necesitaron tres desarrollos tecnológicos clave para implementar estas funciones:

• membranas de ultrafiltración de alta eficiencia
• control de las interacciones entre la sangre y los materiales, como la trombosis y el ensuciamiento
• función diferenciada estable de las células renales en una construcción diseñada

Se requirieron avances en la nanotecnología de silicio para poder producir en masa membranas confiables, de alta porosidad, robustas y compactas. Se necesitaron mejoras en los recubrimientos moleculares que imparten biocompatibilidad sanguínea y técnicas para recubrir membranas de silicio sin bloquear los poros. Y se tuvieron que resolver los problemas de origen y almacenamiento de células. Todas estas tecnologías ya están implementadas.

Nuestro hemofiltro utiliza nanotecnología de silicio para producir una membrana altamente eficiente y compacta, que depende de la presión arterial del cuerpo para realizar la filtración sin necesidad de bombas ni fuente de alimentación. El hemofiltro debe ser capaz de generar volúmenes significativos de ultrafiltración a presiones de accionamiento similares a la presión de perfusión capilar, al tiempo que se mantiene libre de incrustaciones durante meses. Además, si esta tecnología se va a generalizar a terapias continuas implantables, las pérdidas de proteínas deben ser mínimas.

Para el biorreactor celular, estamos aplicando los avances recientes en el campo de la ingeniería de tejidos para cultivar y mantener células de túbulos renales. El biorreactor debe ser capaz de reabsorber grandes volúmenes de sal y agua del ultrafiltrado, manteniendo una barrera para la reabsorción de toxinas. Además, debe impartir actividad biológica como la autorregulación de la presión arterial y la producción de vitamina D.

Al principio de nuestro proceso de diseño identificamos dos grandes obstáculos para miniaturizar el RAD:

1. tamaño y requisitos de la bomba de las unidades de diálisis modernas
2. volumen de agua necesario para la diálisis

Al mismo tiempo, nos inspiró el éxito de las membranas poliméricas de fibra hueca utilizadas en el tratamiento extracorpóreo de la insuficiencia renal. Sin embargo, observamos que las fibras naturales del riñón eran estructuras uniformes, alargadas y en forma de hendidura, en lugar de los poros irregulares y de forma más cilíndrica de las membranas poliméricas. Nuestro equipo ha aplicado la tecnología MEMS para la producción de membranas de nanoporos de silicio con poros en forma de hendidura que están adaptados para su implementación en un riñón bioartificial.