riñón artificial

Los riñones son órganos vitales pares ubicados detrás de la cavidad abdominal, en la parte inferior de la caja torácica, correspondientes a las vértebras T12-L3 de la columna vertebral. Realizan alrededor de una docena de funciones fisiológicas y son relativamente susceptibles a sufrir daños. Algunas de estas funciones incluyen la filtración y excreción de productos de desecho metabólicos , la regulación de los electrolitos y fluidos necesarios y la estimulación de la producción de glóbulos rojos. ^{[ 2 ]} Estos órganos filtran habitualmente entre 100 y 140 litros de sangre al día para producir entre 1 y 2 litros de orina, compuesta por desechos y exceso de líquido. ^{[ 3 ]}

La insuficiencia renal produce una acumulación lenta de desechos nitrogenados, sales, agua y una alteración del equilibrio normal del pH del cuerpo. Esta insuficiencia suele ocurrir durante un período prolongado, y cuando la función renal del paciente disminuye lo suficiente durante el curso de la enfermedad, se conoce comúnmente como enfermedad renal terminal (ERT; también conocida como enfermedad renal de nivel 5 o 6, dependiendo de si se utiliza diálisis o terapia de reemplazo renal). Detectar la enfermedad renal antes de que los riñones comiencen a fallar es poco común, siendo la presión arterial alta y la disminución del apetito síntomas que indican un problema. ^{[ 4 ]} La diabetes y la presión arterial alta se consideran las dos causas más comunes de insuficiencia renal. ^{[ 5 ]} Los expertos predicen que la demanda de diálisis aumentará a medida que aumente la prevalencia de la diabetes. ^{[ 6 ]} Hasta la Segunda Guerra Mundial, la insuficiencia renal generalmente significaba la muerte para el paciente. Durante la guerra se realizaron varios avances en la comprensión de la función renal y la insuficiencia renal aguda. ^{[ 7 ]}

Uno de cada tres adultos estadounidenses corre el riesgo de desarrollar enfermedad renal. Más de 35,5 millones de adultos estadounidenses padecen enfermedad renal y la mayoría lo desconoce. Más de 808 000 de ellos sufren insuficiencia renal y 557 000 están en diálisis. La gran cantidad de personas con insuficiencia renal impulsa los continuos avances en la tecnología de riñones artificiales para que más personas puedan acceder a los tratamientos. ^{[ 8 ]}

La hemodiálisis domiciliaria se ha vuelto poco común debido a sus desventajas. Es costosa, requiere mucho tiempo y ocupa poco espacio. En 1980, el 9,7 % de la población en diálisis recibía hemodiálisis domiciliaria, pero en 1987 la proporción había disminuido al 3,6 %. ^{[ 9 ]}

Según un informe de 2011 de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE), Estados Unidos tiene la segunda tasa más alta de diálisis entre los países desarrollados, después de Japón. Estados Unidos tiene la tasa de mortalidad más alta entre los pacientes con enfermedad renal terminal (ERT). En promedio, el 20 % de los pacientes estadounidenses con ERT fallecen anualmente, lo que representa más del doble que en Japón. El crecimiento de los centros de diálisis en Estados Unidos es consecuencia del aumento de estadounidenses que desarrollan enfermedad renal terminal. Entre 2001 y 2011, el número aumentó aproximadamente un 49,7 %, pasando de 411.000 a 615.000 ciudadanos. En 2001, solo 296.000 estadounidenses recibían algún tipo de diálisis. Diez años después, esa cifra aumentó a más de 430.000 como resultado del desarrollo de enfermedades crónicas como la diabetes y la hipertensión. ^{[ 6 ]}

Más de 300.000 estadounidenses dependen de la hemodiálisis como tratamiento para la insuficiencia renal, pero según datos del USRDS de 2005, 452.000 estadounidenses padecen enfermedad renal terminal (ESKD). ^{[ 10 ]} Investigaciones interesantes realizadas por grupos en Londres, Ontario y Toronto, Ontario, han sugerido que los tratamientos de diálisis que duran de dos a tres veces más y se administran con mayor frecuencia que los tratamientos convencionales tres veces por semana podrían estar asociados con mejores resultados clínicos. ^{[ 11 ]} Implementar la diálisis nocturna seis veces por semana sobrecargaría los recursos existentes en la mayoría de los países. Esto, así como la escasez de órganos donados para trasplantes renales, ha impulsado la investigación para desarrollar terapias alternativas, incluido el desarrollo de un dispositivo portátil o implantable. ^{[ 12 ]}

El riñón bioartificial implantable es un proyecto desarrollado conjuntamente por el nefrólogo William H. Fissell IV, MD, del Centro Médico de la Universidad de Vanderbilt, y el profesor Shuvo Roy , bioingeniero de la Universidad de California en San Francisco . El objetivo de este proyecto es crear un dispositivo biohíbrido capaz de eliminar los productos de desecho del torrente sanguíneo para evitar que el paciente necesite diálisis o un trasplante de riñón, e imitar las funciones de un riñón sano, mejorando así la calidad de vida y la longevidad.

La clave del éxito de este dispositivo reside en el uso de una membrana de nanoporos de silicio (SEM) fabricada mediante tecnología MEMS, similar al proceso de fabricación de semiconductores. Estas membranas SEM presentan poros lo suficientemente grandes como para permitir la transferencia de fluidos y electrolitos, pero demasiado pequeños para que el sistema inmunitario interactúe con las células renales vivas contenidas en el dispositivo.

Por consiguiente, el SEM no solo funcionará como hemofiltro, sino también como plataforma para que las células renales vivas residan y se desarrollen dentro de la unidad. Estas células podrán así realizar las funciones metabólicas y endocrinas de un riñón sano. Al estar protegidas por el SEM, las células renales se mantendrán sanas y viables dentro del dispositivo. Una ventaja adicional del iBAK es que los pacientes que lo utilicen no necesitarán tomar medicamentos inmunosupresores de por vida, como los receptores de trasplantes renales. Además, dado que las células renales del iBAK realizarán funciones de regulación hormonal como un riñón natural, los receptores gozarán de mejor salud y sufrirán menos morbilidades que los pacientes en diálisis. El dispositivo se diseñará para ser lo suficientemente pequeño como para caber dentro del cuerpo del paciente y se alimentará del flujo sanguíneo natural. En otras palabras, el dispositivo no requiere baterías, componentes electrónicos ni mantenimiento. El dispositivo también producirá orina como un riñón natural y estará conectado a la vejiga; los receptores recuperarán la capacidad de orinar de forma natural.

En 2020, un experimento de prueba de concepto demostró que los prototipos de dispositivos iBAK no presentaban coágulos sanguíneos ni rechazo. Los prototipos contenían células renales humanas que se mantuvieron sanas durante los 7 días de implantación en cerdos jóvenes sanos de Yucatán (n=5). Se necesitarán más pruebas con un mayor número de células renales en los dispositivos, en cerdos con insuficiencia renal, para demostrar que el biorreactor puede realizar funciones fisiológicamente similares a las de un riñón natural. Los profesores Roy y Fissell y su equipo de investigación siguen avanzando y esperan que el dispositivo haya completado los ensayos de la FDA para 2030. ^{[ 13 ]}

Un riñón artificial portátil es una máquina de diálisis que una persona con enfermedad renal terminal podría usar a diario o incluso de forma continua. Si bien aún no está disponible, varios equipos de investigación están trabajando en su desarrollo. El objetivo es crear un dispositivo portátil capaz de imitar las funciones de un riñón natural. Este dispositivo permitiría tratar a un paciente las veinticuatro horas del día. Gracias al desarrollo de bombas en miniatura, la posibilidad de contar con un dispositivo de hemodiálisis portátil eficaz se ha hecho realidad. Algunos pacientes ya reciben diálisis peritoneal continua, lo que les permite mantenerse activos. Sin embargo, solo una pequeña parte de los pacientes utiliza este tratamiento, ya que requiere almacenar y desechar grandes cantidades de líquido de diálisis . Los riñones de una persona sana filtran la sangre las 24 horas del día, 168 horas a la semana, en comparación con una persona con enfermedad renal terminal, cuyo tratamiento de diálisis dura aproximadamente 12 horas semanales. Este tratamiento conlleva una menor calidad de vida y una mayor tasa de mortalidad para los pacientes con enfermedad renal terminal . Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo que funcione las 24 horas del día y que permita a los pacientes con ESRD recibir diálisis de forma continua mientras mantienen una vida normal. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} La FDA aprobó el primer ensayo clínico en humanos en los Estados Unidos para un riñón artificial portátil diseñado por Blood Purification Technologies Inc. El prototipo del WAK es un dispositivo de 10 libras, alimentado por baterías de nueve voltios, que se conecta a un paciente a través de un catéter y debería usar menos de 500 ml de dializado. ^{[ 14 ]} Está diseñado para funcionar continuamente con baterías, lo que permite a los pacientes permanecer ambulatorios mientras usan el dispositivo, lo que conduce a una mayor calidad de vida. El dispositivo está diseñado para mejorar otros aspectos fisiológicos de la salud del paciente, como un mejor control del volumen, una disminución de la hipertensión y la retención de sodio, así como una menor tasa de enfermedad cardiovascular y accidente cerebrovascular . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

El riñón artificial portátil (RAP) se ha modificado constantemente a lo largo de los años para el beneficio de las personas con insuficiencia renal. Para lograr que el RAP sea funcional, se han realizado varios experimentos. Al realizar estos experimentos, se buscan alcanzar objetivos similares. Por ejemplo, uno de los principales objetivos es asegurar que el RAP funcione como un riñón natural. ^{[ 14 ]}

Un experimento realizado incluyó a ocho personas que usaron el WAK durante cuatro a ocho horas. Mientras los participantes usaban el WAK, se produjeron varios resultados. Por ejemplo, uno de los resultados del experimento fue que la extracción de fluidos del WAK fue controlada correctamente por una bomba de ultrafiltración. Otro resultado que se produjo durante este experimento fue que una aguja conectada al WAK terminó desconectándose. Cuando esto sucedió, el WAK pudo detectarlo y la sangre dejó de bombear. Cuando la sangre dejó de bombear, la aguja pudo reinsertarse sin que el cuerpo perdiera una gran cantidad de sangre. ^{[ 14 ]} En otras investigaciones realizadas, se ha argumentado que el uso de una bomba de ultrafiltración podría no ser la mejor bomba para el WAK. Por ejemplo, una investigación ha encontrado que el uso de una bomba peristáltica permitiría a una persona conocer su tasa de flujo sanguíneo sin necesidad de un sensor, que es necesario en la bomba de ultrafiltración utilizada en el experimento mencionado anteriormente. Un cambio en el tipo de bomba utilizada para el WAK podría ser crucial, ya que podría ayudar a que el dispositivo sea más económico y confiable para el público al no tener un sensor. ^{[ 17 ]}

Tras una considerable cantidad de investigación sobre el WAK, se han respondido varias preguntas de investigación. Por ejemplo, los investigadores han descubierto que el WAK puede funcionar sin una toma de corriente porque ha podido funcionar con una batería de nueve voltios . ^{[ 14 ]} Sin embargo, algunos investigadores han argumentado que el uso de baterías de nueve voltios no es suficientemente eficaz para el WAK porque no alimenta el dispositivo durante el tiempo suficiente e indirectamente lo hace menos asequible al tener que cambiar las baterías constantemente. ^{[ 18 ]} Debido a esto, se están explorando otras fuentes de energía; por ejemplo, los investigadores están viendo si las pilas de combustible , la transmisión inalámbrica de energía desde una fuente activa o la recolección de energía del entorno serían mejores formas de alimentar el WAK durante períodos de tiempo más prolongados. ^{[ 18 ]} Se han respondido varias preguntas sobre el WAK, pero muchas preguntas de investigación aún quedan sin respuesta. Los investigadores todavía están tratando de determinar si el WAK puede ser energéticamente eficiente, asequible y si puede reutilizar pequeñas cantidades de dializado . ^{[ 14 ]}