科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
這種生物人工腎臟已經(jīng)給那些渴望擺脫透析機(jī)的患者帶去了希望。每周，全世界有200萬(wàn)人要靜坐數(shù)小時(shí)，把自己連接到一臺(tái)呼呼作響、指示燈忽閃、用于清洗血液的透析機(jī)。他們也有其他選擇：腎臟移植，或是死亡。在美國(guó)，血液透析是一門(mén)400億美元的生意，46
這種生物人工腎臟已經(jīng)給那些渴望擺脫透析機(jī)的患者帶去了希望。
每周，全世界有200萬(wàn)人要靜坐數(shù)小時(shí)，把自己連接到一臺(tái)呼呼作響、指示燈忽閃、用于清洗血液的透析機(jī)。他們也有其他選擇：腎臟移植，或是死亡。
在美國(guó)，血液透析是一門(mén)400億美元的生意，46.8萬(wàn)名終末期腎病患者要依靠它活命。
透析治療遠(yuǎn)非完美，但這并沒(méi)有阻礙該行業(yè)的增長(zhǎng)。這得益于美國(guó)聯(lián)邦政府強(qiáng)制執(zhí)行的一項(xiàng)醫(yī)療保險(xiǎn)福利，它保證了所有需要透析的美國(guó)人——不管他們年齡或財(cái)務(wù)狀況如何——都能得到透析，而且可以通過(guò)醫(yī)保報(bào)銷。
自從45年前透析被納入醫(yī)保以來(lái)，它無(wú)疑拯救了成千上萬(wàn)人的生命。不過(guò)，這種治療方法在歷史上享有的特殊待遇也阻礙了創(chuàng)新。
如今，相比起資助腎病研究、以改善治療效果并發(fā)現(xiàn)新療法，美國(guó)政府對(duì)私營(yíng)透析公司的投入大約是前者的50倍。在這樣的資金分配背景下，科學(xué)家進(jìn)展緩慢，難于拿出比透析機(jī)更好的解決方案。我們只能看到擺滿這些機(jī)器的私營(yíng)公司為大量病情嚴(yán)重的患者提供著生死攸關(guān)的服務(wù)。
現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)20多年的努力，一支由醫(yī)生和研究人員組成的團(tuán)隊(duì)用不了多久，就可以向患者提供一種可植入式人工腎臟。
這是一款仿生設(shè)備，它使用了與制造筆記本電腦芯片和智能手機(jī)芯片相同的技術(shù)。
科學(xué)家把精心設(shè)計(jì)的硅納米孔過(guò)濾器堆疊起來(lái)，然后把它們跟生長(zhǎng)在生物反應(yīng)器里的活腎細(xì)胞組合在一起，將其封裝在一個(gè)對(duì)人體友好的盒子當(dāng)中，并連接到患者的循環(huán)系統(tǒng)和膀胱，不需要體外插管。
這種人工腎臟不僅能使患者遠(yuǎn)離折磨人的透析治療——同普通人相比，接受透析的患者更容易出現(xiàn)身體疲勞、慢性疼痛以及抑郁癥——它還能解決可移植器官嚴(yán)重短缺的問(wèn)題。（盡管近些年的器官捐贈(zèng)有所增加。）就去年而言，每有1個(gè)人接受了腎臟移植，等待名單上對(duì)應(yīng)就有5個(gè)人沒(méi)那么幸運(yùn)，4,000人不幸去世。
前方仍然存在著不少監(jiān)管障礙——人體試驗(yàn)定于明年初開(kāi)始——但這種生物人工腎臟已經(jīng)給那些渴望擺脫透析機(jī)的患者帶去了希望。
被阻礙的創(chuàng)新
腎臟可以說(shuō)是身體的記賬員，它負(fù)責(zé)對(duì)體內(nèi)好的和壞的東西進(jìn)行分類，這個(gè)過(guò)程對(duì)于維持身體化學(xué)物質(zhì)平衡來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
但有時(shí)，腎臟會(huì)出現(xiàn)故障。
糖尿病、高血壓以及某些形式的癌癥都會(huì)引起腎臟損傷，從而破壞這種器官的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這就是為什么醫(yī)生長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找各種方法，試圖在體外模仿腎臟的功能。
這方面的第一次成功嘗試出現(xiàn)在二戰(zhàn)期間。
1940年春天，一位名叫威廉·科爾夫（Willem Kolff）的荷蘭醫(yī)生從任職的大學(xué)逃到了一所鄉(xiāng)下醫(yī)院，等待納粹結(jié)束對(duì)荷蘭的占領(lǐng)。在那里，他用大約45米的腸衣、旋轉(zhuǎn)的木桶和鹽水浴制造了一臺(tái)笨重的裝置，用于治療那些因腎衰竭而生命垂危的患者。
半滲透性的腸衣可以過(guò)濾掉小分子的腎臟有毒廢物，同時(shí)讓較大的血細(xì)胞和其他分子保持完好。科爾夫的裝置可以抽取患者的血液，讓它們通過(guò)浸在鹽水中的腸衣，過(guò)濾掉有毒雜質(zhì)之后，再輸回患者體內(nèi)。
在某些方面，透析技術(shù)自1943年以來(lái)已經(jīng)進(jìn)步了很多。（比如腸衣已經(jīng)被淘汰，代之以批量生產(chǎn)的纖維素管。）不過(guò)，在70多年的時(shí)間里，它的基本功能沒(méi)有發(fā)生變化。
這并非因?yàn)闆](méi)有太多的東西需要改進(jìn)。與真正的腎臟相比，設(shè)計(jì)和制造上的缺陷使得透析在對(duì)身體“去蕪存菁”時(shí)，顯得非常低效。而且，對(duì)于腎臟的其他生物功能，它根本無(wú)法復(fù)制。然而，任何對(duì)該技術(shù)進(jìn)行大幅改進(jìn)（或者代替它）的努力都被45年前做出的一項(xiàng)未能預(yù)見(jiàn)經(jīng)濟(jì)影響的政治承諾給阻礙了。
上世紀(jì)60年代，當(dāng)透析技術(shù)開(kāi)始在治療慢性腎功能衰竭的醫(yī)生中開(kāi)始流行時(shí)，大多數(shù)患者都無(wú)力承受其高達(dá)3萬(wàn)美元的價(jià)格，而且透析費(fèi)用也不在醫(yī)保的報(bào)銷范圍之內(nèi)。這導(dǎo)致治療時(shí)出現(xiàn)了定量配給的局面，美國(guó)人覺(jué)得，這就像是一個(gè)“死亡判刑委員會(huì)”。
1972年，美國(guó)總統(tǒng)理查德·尼克松（Richard Nixon）簽署了一份行政令，要求政府為所有需要透析治療的人埋單。當(dāng)時(shí)人們覺(jué)得，如果未能提供這種救命措施，其道德成本要大于提供這種措施所帶來(lái)的財(cái)政損耗。
然而，政府部門(mén)的會(huì)計(jì)師們未能預(yù)見(jiàn)到美國(guó)即將出現(xiàn)的肥胖大流行以及隨之而來(lái)的各種健康問(wèn)題，他們大大低估了國(guó)家未來(lái)的需求。
在之后的數(shù)十年里，需要做透析的患者人數(shù)增長(zhǎng)了50倍。目前，美國(guó)聯(lián)邦政府每年用于治療腎病的開(kāi)支將近310億美元，與國(guó)立衛(wèi)生研究院（簡(jiǎn)稱NIH）全年的預(yù)算資金相當(dāng)。NIH今年拿出了5.74億美元用于腎病研究，以期改進(jìn)療效、發(fā)現(xiàn)新的治療方法。相對(duì)于美國(guó)每年在治療腎病上的花銷，這筆經(jīng)費(fèi)只相當(dāng)于它的1.7%。
不過(guò)，舒沃·羅伊（Shuvo Roy）在上世紀(jì)90年代末時(shí)還對(duì)此一無(wú)所知，當(dāng)時(shí)，這位來(lái)自加州大學(xué)舊金山分校藥學(xué)院的教授正在研究如何把自己的電氣工程學(xué)知識(shí)用于研發(fā)醫(yī)療器械。
這位剛剛畢業(yè)的博士在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心找到了一份新工作，他希望找到一些有趣的問(wèn)題，然后去解決。心臟病學(xué)和神經(jīng)外科看起來(lái)就是這樣一個(gè)令人興奮且資金充裕的領(lǐng)域。于是，他開(kāi)始從事心臟超聲檢查的研究。直到有一天，在工作了幾個(gè)月后，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)一位名叫威廉·費(fèi)塞爾（William Fissell）的內(nèi)科醫(yī)生找到了羅伊，并問(wèn)他，“你有沒(méi)有想過(guò)研究腎臟？”
羅伊沒(méi)有想過(guò)。
但費(fèi)塞爾告訴他，腎臟領(lǐng)域的研究陷入了停滯，而另一方面，對(duì)透析進(jìn)行技術(shù)改革的條件已經(jīng)成熟。
這些事情聽(tīng)得越多，羅伊就變得越感興趣。隨著他開(kāi)始熟悉透析機(jī)及其背后的工程原理，羅伊開(kāi)始意識(shí)到透析技術(shù)的局限性以及創(chuàng)新的潛力。
孔徑問(wèn)題就是局限之一。
透析可以非常好地把廢物從血液中清理出去，但它也會(huì)濾掉那些有用的東西：鹽、糖分和氨基酸。這要?dú)w咎于聚合物的制造工藝：我們無(wú)法復(fù)制腎臟天然過(guò)濾器“腎元”7納米的精度。
制造透析膜的過(guò)程中，有一道名為“擠制”的程序，它會(huì)導(dǎo)致孔徑大小不一——大多數(shù)都在7納米左右，但有些會(huì)大得多，有些則會(huì)小得多。這意味著，一些有害物質(zhì)（比如尿素和過(guò)量的鹽）可能成為漏網(wǎng)之魚(yú)，而一些有益物質(zhì)（比如必不可少的血糖和氨基酸）則會(huì)被過(guò)濾掉。
7納米正好也是白蛋白的尺寸，這是一種防止血液從血管中滲出、給身體組織提供營(yíng)養(yǎng)以及在體內(nèi)傳輸激素、維生素、藥物和其他物質(zhì)（比如鈣）的重要蛋白質(zhì)。如果血液中流失了太多的白蛋白，情況就不妙了。此外，對(duì)于腎臟的其他天然功能，比如分泌調(diào)解血壓的激素，透析根本做不到，只有活的細(xì)胞才可以。
“我們?cè)日務(wù)摰氖侨绾沃谱饕环N更好的‘創(chuàng)可貼’。”羅伊說(shuō)。
但當(dāng)他和費(fèi)塞爾了解到活體組織工程技術(shù)取得的進(jìn)步之后，他們的想法開(kāi)始不再局限于一種更好、更小和更快的過(guò)濾器。
“我們當(dāng)時(shí)就想，如果人們可以在老鼠的背上培殖耳朵，為什么我們不能培殖腎臟呢？”
事實(shí)證明，有人已經(jīng)嘗試過(guò)了，從某種意義上說(shuō)算是吧。
顛覆傳統(tǒng)
早在1997年，當(dāng)費(fèi)塞爾和羅伊在凱斯西儲(chǔ)大學(xué)接受培訓(xùn)時(shí)，密歇根大學(xué)腎病學(xué)家大衛(wèi)·休姆斯（David Humes）就已在研究如何分離一種見(jiàn)于腎元后端的特定類型腎細(xì)胞。休姆斯找到了一種方法，可以從不適合移植的死尸腎臟中提取它們，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培殖。然后，他把那些細(xì)胞涂覆在布滿中空纖維膜的導(dǎo)管內(nèi)側(cè)，這些導(dǎo)管類似于現(xiàn)代透析機(jī)所使用的筒式濾芯。這樣，他就發(fā)明了一種可以依靠持續(xù)血流在人體之外存活的人工腎臟，而它所能做的不僅僅限于過(guò)濾。
試驗(yàn)結(jié)果非常鼓舞人心。
在密歇根大學(xué)醫(yī)院進(jìn)行的臨床試驗(yàn)中，它讓重癥監(jiān)護(hù)室中急性腎功能衰竭患者的死亡率降低了50%。只不過(guò)還有一個(gè)問(wèn)題：要讓這個(gè)人工腎臟發(fā)揮作用，患者必須一直連接在占到病房一半空間、由導(dǎo)管和泵組成的裝置上。
當(dāng)羅伊第一次看到休姆斯發(fā)明的裝置，他立刻看出了它的潛力——和局限性。他相信，這項(xiàng)技術(shù)能夠行得通。只不過(guò)對(duì)于實(shí)際使用的人來(lái)說(shuō)，它太過(guò)笨重了。
這個(gè)生物人工腎臟是一款緊湊的獨(dú)立設(shè)備，可通過(guò)手術(shù)植入患者體內(nèi)，用于治療終末期腎病。它具備天然腎臟絕大多數(shù)的生物功能。
2000年，費(fèi)塞爾加入休姆斯的團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始在密歇根大學(xué)從事腎臟學(xué)研究。羅伊則留在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心，繼續(xù)研發(fā)心臟病領(lǐng)域的醫(yī)療器械。
但之后的三年中，幾乎每個(gè)周四的下午，費(fèi)塞爾都會(huì)驅(qū)車三個(gè)小時(shí)來(lái)到羅伊的實(shí)驗(yàn)室，整個(gè)周末都泡在那里，只為解決21世紀(jì)一道典型的工程難題：小型化。
他們那時(shí)候沒(méi)有資金，也沒(méi)有人手。
不過(guò)，他們趕上了一個(gè)好時(shí)機(jī)：硅制造技術(shù)的進(jìn)步。
正是這種進(jìn)步讓各種電子產(chǎn)品的屏幕和電池組不斷縮小。
“硅是地球上最完美的人工材料。”羅伊在加州大學(xué)舊金山分校真空封閉無(wú)塵室的入口處說(shuō)道，他手下的研究生就是在這里制造過(guò)濾器的。如果他們想得到7納米寬的狹縫，他們每次都能在硅上做出來(lái)，誤差率不到1%。
硅質(zhì)過(guò)濾器還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
由于羅伊和費(fèi)塞爾想打造的是一種小型植入式裝置，他們需要確保患者不會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)（類似于移植排斥反應(yīng)）。堆疊起來(lái)的硅質(zhì)過(guò)濾器可以充當(dāng)屏風(fēng)，把身體的免疫細(xì)胞隔離在休姆斯培殖的腎細(xì)胞之外，而后者會(huì)被嵌入另一側(cè)的微型支架中。唯一能通過(guò)它們的只有鹽和廢水，這些東西會(huì)被腎細(xì)胞進(jìn)一步濃縮為尿液，然后導(dǎo)向膀胱。
到2007年時(shí)，這三位研究人員已經(jīng)取得了足夠大的進(jìn)展，他們提出申請(qǐng)，成功從NIH獲得了三年300萬(wàn)美元的科研經(jīng)費(fèi)。憑借這筆資金，他們?cè)谝粋€(gè)動(dòng)物模型中，對(duì)植入式生物人工腎臟的概念進(jìn)行了驗(yàn)證。
與此同時(shí)，他們開(kāi)始申請(qǐng)第二階段的經(jīng)費(fèi)，這次的金額是1,500萬(wàn)美元，足以讓他們完成人體臨床試驗(yàn)。
羅伊在實(shí)驗(yàn)室
羅伊搬到西部，加入了加州大學(xué)舊金山分校，以便跟灣區(qū)的半導(dǎo)體制造行業(yè)保持更近的距離。費(fèi)塞爾在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心又為這個(gè)項(xiàng)目工作了幾年，之后他去了范德堡大學(xué)。休姆斯則一直留在密歇根大學(xué)，繼續(xù)研究他的那些細(xì)胞。然而，他們的申請(qǐng)沒(méi)有通過(guò)。在缺乏經(jīng)費(fèi)的情況下，研究工作開(kāi)始陷入停滯。
不過(guò)那個(gè)時(shí)候，他們的腎臟研究項(xiàng)目已經(jīng)引起了一些人的關(guān)注。
來(lái)自世界各地的患者都希望它能成功。
隨后幾年間，這些人開(kāi)始捐款，一些人寄來(lái)5美元的鈔票，也有人簽出了100萬(wàn)美元的支票。紐約州有一個(gè)6歲的小女孩，她的哥哥需要接受透析治療，在征得母親同意后，她在路邊擺了一個(gè)攤子賣蔬菜，把收入都捐了出來(lái)。
大學(xué)院校也提供了支持，科學(xué)家開(kāi)始取得更多的進(jìn)展。
他們利用3D打印對(duì)新的原型產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，并利用液壓流體的計(jì)算機(jī)模型，對(duì)所有部件的組裝方式進(jìn)行了優(yōu)化。他們開(kāi)始同醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)生合作，以找出裝置的最佳植入步驟。2015年，NIH再次對(duì)這個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生了興趣，未來(lái)四年中計(jì)劃投入600萬(wàn)美元。接著，美國(guó)食品藥品管理局（FDA）也產(chǎn)生了興趣。
當(dāng)年秋天，F(xiàn)DA把這個(gè)腎臟研究項(xiàng)目納入了一項(xiàng)新的加速審批計(jì)劃，該計(jì)劃旨在讓患者更快地享受到醫(yī)學(xué)創(chuàng)新成果。
羅伊和費(fèi)塞爾繼續(xù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，而休姆斯的實(shí)驗(yàn)室每周都會(huì)寄來(lái)低溫冷凍的細(xì)胞，為他們的研究提供幫助。與此同時(shí)，F(xiàn)DA的官員指導(dǎo)他們完成了為期兩年的臨床前測(cè)試——大部分測(cè)試是在豬身上進(jìn)行的，結(jié)果顯示良好。4月，F(xiàn)DA把自家的20位科學(xué)家派到加州，為他們的下一步行動(dòng)提供建議，也就是人體試驗(yàn)階段。
他們計(jì)劃從小部分人做起，也許最多招募10位患者參與人體試驗(yàn)，在此過(guò)程中，對(duì)硅質(zhì)過(guò)濾器材料的安全性進(jìn)行測(cè)試。
血液凝結(jié)是最大的擔(dān)憂，所以他們會(huì)通過(guò)手術(shù)把過(guò)濾器植入受試者腹部，為期一個(gè)月，以確保不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
如果人體試驗(yàn)進(jìn)展順利，他們將開(kāi)展后續(xù)研究，確保裝置能夠以設(shè)計(jì)好的方式過(guò)濾血液。
只有在這一切都完成后，他們才會(huì)把過(guò)濾器和裝置的生物反應(yīng)器部分（也就是休姆斯培殖的腎細(xì)胞）組合起來(lái)，進(jìn)而對(duì)人工腎臟的完整功能進(jìn)行測(cè)試。
科學(xué)家預(yù)計(jì)，他們將在2020年通過(guò)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的審批，進(jìn)入臨床試驗(yàn)的最后階段。這聽(tīng)上去或許很快，但他們有一個(gè)步驟已經(jīng)提早完成，即招募患者。已有近9,000人加入了該項(xiàng)目的申請(qǐng)人名單，他們都在等待臨床試驗(yàn)獲批后被項(xiàng)目選中。
這些患者之所以愿意承受風(fēng)險(xiǎn)，去嘗試“第三種選擇”，是因?yàn)橐环矫妫I移植手術(shù)對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)太過(guò)昂貴也太難獲得機(jī)會(huì)，另一方面，透析又太過(guò)折磨人。
美國(guó)國(guó)家腎臟基金會(huì)首席醫(yī)療官、腎臟科醫(yī)生約瑟夫·瓦薩洛蒂（John Vassalotti）指出，“患者擁有的選擇越多越好”，盡管他本人對(duì)這款設(shè)備能否在未來(lái)幾年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)持懷疑態(tài)度。
植入式人工腎臟將能大幅提高患者的生活質(zhì)量，而且在治療方式多年未變的情況下，它將成為人們期待已久的創(chuàng)新。
“二戰(zhàn)期間，我們?cè)?jīng)認(rèn)為透析是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。”瓦薩洛蒂說(shuō)，“現(xiàn)在，有50萬(wàn)美國(guó)人正在接受透析治療。短短數(shù)十年所能取得的進(jìn)步是驚人的。”
翻譯：何無(wú)魚(yú)
來(lái)源：WIRED
造就：劇院式的線下演講平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)最有創(chuàng)造力的思想
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