Böbreklerimiz; kan kimyamızı sabit tutan ‘Kimyasal Bilgisayarımız’.
Her böbrek yaklaşık bir milyon karmaşık yapılandırılmış nefron içerir. Kan hücrelerini; proteinleri ve mineralleri bloke ederken sıvı ve atık ürünlerin geçmesine izin veren filtreler olan nefronları kullanarak temizler.
Dünya nüfusunun yüzde 10'u bir çeşit böbrek hastalığından muzdariptir. Türkiye’de de böbrek nakli bekleyen hasta sayısı oldukça fazla. Bilim insanları böbrek hastalıklarına uygun tedaviler bulmak için uzun yıllar mücadele ediyorlar. Böbrek nakli için donör organların yetersizliği, giyilebilir veya implante edilebilir bir cihazın geliştirilmesi de dahil olmak üzere alternatif tedavilerin geliştirilmesi için bilim insanlarını bu konuya yoğunlaştırmıştır. Bu çalışmalarda böbreklerin karmaşıklığı, sentetik olarak yeniden üretilmesinin inanılmaz derecede zor olduğu ortaya koymuştur.
İlk başarılı yapay böbrek, 1940'ların başında Hollanda'da Willem Kolff tarafından geliştirildi. Ancak İkinci Dünya Savaşı sırasında Almanya'nın Hollanda'yı işgal etmesinden sonra çalışmalarına devam etmek için küçük bir kasaba hastanesine taşındı. Savaş sırasında mevcut kısıtlı kaynakları kullanarak Dr. Kolff, çamaşır küvetlerinden, ahşap bir tamburdan, metalden, yarı geçirgen bir sosis muhafazasından ve bir elektrik motorundan ilk böbrek makinesini üretti. Kovanı kanla doldurdu, havayı dışarı attı, böbrek atık ürününe üre ekledi ve cihazı tuzlu suda salladı. Küçük üre molekülleri kasadan suya geçerken, daha büyük kan molekülleri yerinde kaldı. Dr. Kolff'un ilk birkaç hastası makinede sadece birkaç gün yaşadı, ancak 1945'te yapay böbrek bir kadının yedi yıl daha yaşamasına yardımcı oldu. Kolff'un geliştirilmiş makinesi, akut böbrek yetmezliğini ve son dönem böbrek hastalığını tedavi etmek için yeterince iyi çalışmıştır [1].
Hadi şimdi Dr. Kolff’dan sonra geliştirilen yöntemleri inceleyelim.
Hemodiyaliz; böbrekler böbrek yetmezliğinde olduğunda kreatinin ve üre gibi atık ürünlerin yanı sıra kandan serbest suyun uzaklaştırılması için bir yöntemdir. Hastaların kanını temizlemek için kullanılan mekanik cihaza yapay böbrek olarak da bilinen diyalizör denir. Modern diyalizörler tipik olarak, genellikle tescilli bir formülasyon olan bir polimer veya kopolimerden kalıplanmış veya ekstrüde edilmiş içi boş lifleri çevreleyen silindirik sert bir muhafazadan oluşur. Birçok grup tarafından, atıkların kandan diyalizata verimli bir şekilde aktarılmasını sağlamak, diyalizör içindeki kan ve diyalizat akışlarını optimize etmek için yoğun araştırmalar yapılmıştır [3].
İmplante edilebilir yapay böbrek
İmplante edilebilir yapay böbrek; San Francisco'daki California Üniversitesi'nden Profesör Shuvo Roy ile Vanderbilt Üniversitesi Tıp Merkezi'nden William H. Fissell tarafından ortaklaşa geliştirilen bir projedir. Bu projenin amacı, bir hastanın diyaliz tedavisine ihtiyaç duymasını önlemek için yeterli atık ürünleri çıkararak sağlıklı bir böbreğin işlevlerini taklit edebilen bir biyo-hibrit cihaz üretmektir. Bu cihazın başarısının anahtarı, gözenekli olan ve doğal bir filtre görevi görebilen silikon nanoteknoloji ve mikroçip kullanmaktır. Fissell ve ekibi, belirli bir işlevi yerine getirmek için filtrenin her gözeneğini tasarladılar. Mikroçipler, böbreğin doğal işlevlerini taklit etmek amacıyla canlı böbrek hücrelerinin filtrelerde ve çevresinde büyüyeceği bir platform görevi görecektir. Biyo-hibrit cihaz, vücudun bağışıklık tepkisinin ulaşamayacağı bir yerde olmayacak ve bu da hastanın vücudu tarafından reddedilmeye karşı korunmasını sağlayacaktır. Cihaz, hastanın doğal kan akışıyla başarılı bir şekilde çalışacak, bir hastanın vücuduna sığacak kadar küçük olacak şekilde tasarlanacaktır [4]. “Nano” kelimesini birkaç kez kullanmamıza rağmen, bu cihaz tam olarak küçük değil; bir kahve fincanının büyüklüğündedir, bu yüzden muhtemelen gerçek bir böbreğin büyüklüğünden çok uzak değildir. Ancak bunun için yer açmak için böbrekleri çıkarmaya gerek yoktur; sahte böbrek, hem hastanın kan dolaşımına hem de mesanesine yakın yerleştirilecek ve bağlanacak şekilde tasarlanmıştır.
Giyilebilir bir yapay böbrek
Giyilebilir bir yapay böbrek; son dönem böbrek hastalığı olan bir kişinin günlük veya sürekli olarak kullanabileceği giyilebilir bir diyaliz makinesidir. Amaç, normal böbreğin işlevlerini taklit edebilecek taşınabilir bir cihaz geliştirmektir. Bu cihaz, bir hastanın günde yirmi dört saat tedavi edilmesine izin verecektir. Minyatür pompaların gelişmesiyle birlikte, etkili bir giyilebilir hemodiyaliz cihazı umudu gerçekleştirilebilir hale geldi. Bazı hastalar zaten ayaktan kalmalarına izin veren sürekli periton diyalizi tedavisi alırlar. Sağlıklı bir kişinin böbrekleri, diyaliz tedavi planı haftada yaklaşık 12 saat olan son dönem böbrek hastalığı olan bir kişiye kıyasla günde 24 saat, haftada 168 saat kan filtrelemektedir. Tedavi, son dönem böbrek hastalığı (ESRD) olan hastalar için daha düşük bir yaşam kalitesi ve daha yüksek bir ölüm oranı ile sonuçlanır. Bu nedenle, ESRD hastalarının normal bir yaşamı korurken sürekli diyaliz almasını sağlayacak bir saat boyunca bir cihaza ihtiyaç vardır [6].
Giyilebilir yapay böbrek prototipi, bir hastaya bir kateter yoluyla bağlanan ve 500 ml'den daha az diyalizat kullanması gereken dokuz voltluk pillerle çalışan 10 kiloluk bir cihazdır. Cihaz, geliştirilmiş ses kontrolü, azalmış hipertansiyon ve sodyum retansiyonu gibi hastanın sağlığının diğer fizyolojik yönlerini iyileştirmek, kardiyovasküler hastalık ve inme oranını azaltmak için tasarlanmıştır [5].
İmplante edilebilir böbrek yardım cihazı
Cleveland Clinic'in Lerner Araştırma Enstitüsü'ndeki Biyomems ve Renal Nanoteknoloji Laboratuvarları, son dönem böbrek hastalığı için implante edilebilir veya giyilebilir bir tedavi geliştirmek için membran teknolojisini geliştirmeye odaklanmıştır. Mevcut diyaliz kartuşları çok büyüktür ve kan dolaşımı için süperfizyolojik basınç gerektirir. Mevcut polimer membranlardaki gözenekler çok geniş bir boyut dağılımına ve düzensiz özelliklere sahiptir. Dar gözenek boyutu dağılımlarına sahip bir silikon nanopor membran üretmek, membranın filtrelenmiş ve tutulan moleküller arasında ayrım yapma yeteneğini geliştirir. Ayrıca, ortalama gözenek boyutunun zarın istenen kesimine yaklaşmasına izin vererek hidrolik geçirgenliği arttırır. Toplu üretim sürecinin kullanılması, gözenek boyutlarının dağılımı ve geometrisi üzerinde sıkı kontrol sağlar [7]. Çalışmalarda, insan böbrek hücrelerinin transplantasyon için uygun olmayan bağışlanan organlardan toplanıp bu zarlarda yetiştirilmiştir. Kültürlenmiş hücreler zarları kaplar ve yetişkin böbrek hücrelerinin özelliklerini korur. MEMS materyalleri üzerindeki renal epitel hücrelerinin farklılaşmış büyümesi, implantasyon için uygun minyatür bir cihazın mümkün olabileceğini göstermektedir.
Çok uzak değil birkaç ay önce yapay böbrek çalışmalarıyla ilgili umut verici bir haber verildi. Arkansas Üniversitesi'ndeki Kimya Mühendisliği araştırmacılarından gelen yeni ilerleme, işleyen yapay böbrekleri bir adım daha yaklaştırdı. Araştırmacılar, kanı biyolojik nefronlara benzer şekilde filtreleyebilen bir cihaz ürettiler. Bu cihazı Nature Communications Materials dergisinde yayınlanan yakın tarihli bir makalede tanımladılar [2]. Kan böbreklerden geçtiğinde meydana gelen iki temel süreç vardır. İlk olarak, glomerül adı verilen kan damarlarının kümeleri; proteinler ve kan hücreleri geride kalırken, küçük moleküller, atıklar ve su ayrıştırır. Bu ilk filtreden geçen malzeme daha sonra nefron ağına akar ve burada iyon aktarımı adı verilen bir işlemde filtrelenir [2]. Araştırmacıların çalışmaları ikinci aşamaya odaklandı, ‘iyonların taşınması’. İyonları bir elektrik alanı kullanarak zarlardan iten bir kafes yapısı oluşturmak için iki iyon değişim kafesi arasına platinden yapılmış gözenekli bir ağ yerleştirdiler. Platin kafesler, voltaj uygulandığında elektrot görevi görmektedir. Teknolojiyi çeşitli iyonlarla test ettiler ve böbrekler tarafından yapılan iyon taşınımını başarılı bir şekilde taklit edebildiler [2].
Ne dersiniz sizce de insanoğlu yapay böbrek üretebilmeyi başarabilecek mi?
Kaynakça
2. Hestekin, C.N., Hestekin, J.A., Paracha, S. et al. Simulating nephron ion transport function using activated wafer electrodeionization. Commun Mater 1, 20 (2020). https://doi.org/10.1038/s43246-020-0016-3
3. Daugirdas J. T., Black P.G., Ing T.S. In "Handbook of Dialysis". 4th ed. Philadelphia, PA:Lippincott Williams & Wilkins, a Wolters Kluwer Business; 2007.
4. "Implantable artificial kidney project making progress - Nephrology News & Issues". Nephrology News & Issues. 2016-02-25. Retrieved 2016-12-07.
5. Ronco, Claudio; Davenport, Andrew; Gura, Victor (2008-07-01). "Toward the wearable artificial kidney". Hemodialysis International. 12: S40–S47. doi:10.1111/j.1542-4758.2008.00295.x. ISSN 1542-4758. PMID 18638240.
6. Gura, Victor; Rivara, Matthew B.; Bieber, Scott; Munshi, Raj; Smith, Nancy Colobong; Linke, Lori; Kundzins, John; Beizai, Masoud; Ezon, Carlos (2016). "A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease". JCI Insight. 1 (8). doi:10.1172/jci.insight.86397. ISSN 2379-3708. PMC 4936831. PMID 27398407.
7. Fissell W, Fleischman AJ, Roy S, Humes HD (2007). "Development of continuous implantable renal replacement: past and future". Translational Research. 150 (6): 327–336. doi:10.1016/j.trsl.2007.06.001. PMID 18022594.