Niewydolność nerek to stan upośledzenia nerek, w którym nie są w stanie usunąć nadmiaru wody i toksycznych produktów przemiany materii z organizmu. Niedostateczne oczyszczenie krwi prowadzi do wzrostu stężenia odpadów takich jak potas, mocznik i kreatynina, co przekłada się na pogorszenie stanu zdrowia. Badania naukowców z National Institute for Materials Science (NIMS) w Japonii doprowadziły do wytworzenia kompozytu z polimeru EVOH oraz zeolitów, pochłaniającego toksyny mocznicowe. Wynalazek daje nadzieję pacjentom z niewydolnością nerek na opracowanie przenośnego urządzenia do oczyszczania krwi.
Na świecie przybywa chorych z różnymi stadiami niewydolności nerek. Szacuje się, że na to schorzenie cierpi kilkanaście procent ludności. U większości niewydolność jest niezbyt zaawansowana, ale liczba pacjentów wymagających przeszczepu lub dializowania stale rośnie. Ostatnia metoda jest czasochłonna, a dodatkowe kryteria – dostęp do specjalistycznego sprzętu, czystej wody, elektryczności, dializatu utrudniają jej rozpowszechnienie. Rzadsze oddawanie moczu, obrzęki rąk, nóg i całego ciała mogą być pierwszymi oznakami choroby niebezpiecznej dla zdrowia i życia każdego człowieka. Rozróżnia się dwa rodzaje niewydolności nerek: ostrą i przewlekłą. Ostra ma zwykle bardziej gwałtowny przebieg, ale jest jednak odwracalna. Przewlekła jest stanem nieodwracalnego uszkodzenia kłębuszków nerkowych, prowadzącym do utraty funkcji nerek. Wymaga ona leczenia nerkozastępczego dla dalszego utrzymania chorego przy życiu. Potrzeba opracowania prostego, taniego i dostępnego sposobu ratowania pacjentów z niewydolnością nerek, zwłaszcza w środowiskach o ograniczonych zasobach (np. obszar katastrof lub krajów gdzie niedostępne są konwencjonalne zabiegi hemodializy) wpłynęła na przygotowanie kompozytowych nanowłókien oczyszczających krew przez adsorpcję. Fabrykacja materiału wiążącego na powierzchni toksyny została opublikowana w czasopiśmie Biomaterials Science.
Tradycyjna technika dializowania jest nadal uciążliwa i kosztowna. To inaczej oczyszczanie roztworów koloidalnych z elektrolitów przy użyciu błony półprzepuszczalnej. Z tej perspektywy zaproponowana przez badaczy z Japonii selektywna metoda adsorpcji toksyn mocznicowych z krwi pacjenta wydaje się być krokiem naprzód. Bazując na ostatnich ulepszeniach technologi filtracji wody, inżynierowie dostrzegli medyczny potencjał zeolitów. Zeolity to glinokrzemiany z regularnymi, mikroporowatymi strukturami, występujące naturalnie lub wytwarzane syntetycznie. Wielkość porów danego typu zeolitu określa rozmiar obiektu, który zostanie zatrzymany albo przepuszczony. Zeolity wykorzystywane są często w charakterze sit molekularnych, umożliwiających osuszanie rozpuszczalników oraz rozdział różnych mieszanin i substancji. Te unikalne cechy, jak również fakt, że zeolity są nietoksyczne i nie ulegają degradacji w warunkach fizjologicznych sprawiają, że zeolity są idealnym kandydatem na ich użycie w charakterze sztucznej nerki.
Naukowcy z NIMS wyprodukowali nanokompozytową siatkę z polimerowych włókien, na których osadzone były cząsteczki zeolitowego pyłu. Nanowłókna z biokompatybilnego, kopolimerowego alkoholu etylowinylowego (z ang. poly(ethylene-co-vinyl alcohol, EVOH) stanowiły matrycę dla materiału o właściwościach adsorpcyjnych. EVOH jest powszechnie stosowany jako bariera dla tlenu w opakowaniach żywności oraz węglowodorów w sztucznych zbiornikach paliwowych. Pozwala zachować smak, nie przepuszcza powietrza, jest bardzo przejrzysty, odporny na warunki atmosferyczne, oleje i rozpuszczalniki. Włókna na siatkę przygotowano metodą elektroprzędzenia z koloidu kopolimeru i pyłu. W ciągu ostatniej dekady zainteresowanie tą technologią wzrosło, gdyż uzyskane za jej pomocą obiekty w skali nano zapewniają bardzo duża powierzchnię właściwą i porowatość, a w skali makro umożliwiają łatwą manipulację. Inną zaletą jest możliwość elektroprzędzenia funkcjonalizowanych nanowłókien. Znane są polimerowe obiekty z dodatkiem nanocząsteczek, nanorurek węglowych, ceramiki i biomolekuł.
W niniejszym badaniu inżynierowie zastosowali kilka rodzajów zeolitowych pyłów z serii HSZ o wysokim stosunku Si/Al (z ang. high silica zeolites) – 320-HOA (USY), 500-KOA (L), 690-HOA, 720-KOA (ferieryt), 840-HOA (ZSM-5), 940-HOA oraz 980-HOA. Różniły się one także rozmiarami porów. Średnica cząsteczki pyłu wynosiła około 2-3 mikrometry, co powodowało tworzenie agregatów z gładkimi i cienkimi nanowłóknami i jednocześnie zapobiegało uwalnianiu ich do krwiobiegu. Następnie zbadano zdolność siatki do adsorpcji kreatyniny z roztworu. Ten organiczny związek chemiczny, pochodna kreatyny, występuje we krwi i moczu. Stanowi produkt metabolizmu, a w praktyce medycznej jest jednym z markerów biochemicznych pozwalającym monitorować stan nerek. Najwyższe parametry wykazał kompozyt z zeolitem 940-HOA (stosunek Si/Al wynosił 37, a rozmiary porów 0,66 x 0,67 oraz 0,56 x 0,56). Włókna EVOH obniżyły właściwości adsorpcyjne zeolitu, a pojemność kompozytu wynosiła 67% w porównaniu do niepokrytych cząsteczek. Badacze obliczyli, że kompozytowa siatka o masie 170 gram wystarczy, aby usunąć całą porcję kreatyniny wytworzoną w ciągu jednego dnia w organizmie człowieka. Teoretycznie filtr z EVOH i zeolitu zajmowałby 10 cm^3.
Inżynierowie podkreślają, że największym wyzwaniem było dokładne kontrolowanie krystaliczności mieszanki polimeru i zeolitu, tak by siatka była nierozpuszczalna i hydrofilowa. Naukowcy pracują obecnie and zwiększeniem zdolności absorpcyjnych przy mniejszej objętości. Docelowo urządzenie do oczyszczania krwi ma być wielkości zegarka. Zespół planuje także badania nad usuwaniem innych toksyn mocznicowych związanych z chorobą nerek.
Źródło:
[1] Fabrication of zeolite–polymer composite nanofibers for removal of uremic toxins from kidney failure patients. Koki Namekawa, Makoto Tokoro Schreiber, Takao Aoyagia and Mitsuhiro Ebara. Biomater. Sci., 2014, DOI: 10.1039/C3BM60263J
[2] http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/bm/c3bm60263j#!divAbstract [19.02.2014]
[3] http://www.rsc.org/suppdata/bm/c3/c3bm60263j/c3bm60263j.pdf [19.02.2014]
[4] http://pubs.rsc.org/en/content/pdf/article/2014/bm/c3bm60263j [19.02.2014]
[5] Framed Embroidery Kidney Anatomy Art. Hand Embroidered. by Hey Paul Studios, flickr.com, CC BY 2.0