Nierenversagen: Neuartige tragbare künstliche Niere entwickelt

Forscher der Seoul National University College of Engineering, Südkorea, haben ein kompaktes Peritonealdialysegerät entwickelt, das als tragbare künstliche Niere eingesetzt werden kann.

Das Forschungsteam demonstrierte, dass ein tragbares Peritonealdialysegerät realisiert werden kann, indem verbrauchte Dialyseflüssigkeit kontinuierlich extern gereinigt und in die Bauchhöhle zurückgeführt wird. Die Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift „Journal of Nanobiotechnology“ veröffentlicht.

Das Team schlug einen neuartigen Reinigungsmechanismus mithilfe der Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) vor. Dieser nutzt die Coulomb-Kraft, um Ionen und Partikel schnell zu trennen und so Abfallprodukte effektiv aus dem Körper zu entfernen. ICP ist ein nanoelektrokinetisches Phänomen, bei dem aufgrund der selektiven Ionendurchlässigkeit einer nanoporösen Membran ein steiler Konzentrationsgradient in der Nähe dieser auftritt. In diesem Fall kann die gereinigte Lösung, die aus dem niedrig konzentrierten Bereich in der Nähe einer nanoporösen Membran gesammelt wird, für die Dialyse verwendet werden. Wird ein elektrisches Feld an die nanoporöse Membran angelegt, beschleunigt die Coulomb-Kraft die Ionentrennung und erweitert so den Reinigungsbereich, erklären die Autoren.

Spezieller Reinigungsmechanismus

Herkömmliche Elektrodialyseverfahren sind bei der vollständigen Reinigung von Dialyseflüssigkeit eingeschränkt, da Harnstoff elektrisch neutral ist und von der Coulomb-Kraft nicht beeinflusst wird. Um dieses Problem zu lösen, aktivierte das Forschungsteam die selektive Ionendurchlässigkeit der nanoporösen Membran zusätzlich. Dies ermöglichte die elektrochemische Zersetzung und Entfernung nicht nur geladener Abfallprodukte wie Kreatinin, sondern auch neutraler Moleküle wie Harnstoff. Dieses Prinzip wurde experimentell mithilfe eines mikrofluidischen Geräts validiert, das den Flüssigkeitsfluss durch Mikrokanäle steuert und so chemische Reaktionen auslöst.

Die letzte Herausforderung für das Forschungsteam bestand darin, die Dialyseflüssigkeitsflussrate zu erhöhen. Um als tragbares Dialysegerät einsetzbar zu sein, musste das Gerät eine Flüssigkeitsverarbeitungskapazität von Millilitern pro Minute erreichen. Herkömmliche mikrofluidische Geräte haben jedoch eine zweidimensionale Struktur, die ihre Kapazität auf Mikroliter pro Minute begrenzt, was eine ausreichende Erhöhung der Flussrate erschwert.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team eine Mikronetzstruktur, die eine nanometergroße elektrohydrodynamische Umgebung nur in der Nähe der nanoporösen Membran bildet und so den Flüssigkeitsdurchsatz deutlich erhöht. Das Ergebnis war die erfolgreiche Entwicklung eines dreidimensionalen Dialysegeräts. Das Gerät erreichte eine Flüssigkeitsverarbeitungsrate von bis zu einem Milliliter pro Minute. Bei der Anwendung an einem Rattenmodell mit Nierenversagen zeigte das Gerät eine durchschnittliche Abfallentfernungsrate von etwa 30 Prozent pro Dialysezyklus.

Anwendung von Nanotechnologie

Prof. Gun Yong Sung von der Hallym University, Südkorea, betonte: „Dieser Erfolg markiert die erste erfolgreiche Anwendung von Nanotechnologie in künstlichen Organen. Es ist erfreulich zu wissen, dass diese Forschung Patienten mit Nierenversagen im Endstadium, die aufgrund der Dialyse unter mangelnder Zufriedenheit leiden, eine bessere Lebensqualität bieten kann.“

Forschungsleiter Prof. Sung Jae Kim betonte: „Diese Forschung geht über die Entwicklung eines fortschrittlichen, kompakten Dialysegeräts hinaus. Sie hat weitreichende gesellschaftliche Auswirkungen, darunter die Verbesserung der Lebensqualität der Patienten, die Verbesserung des Zugangs zur Gesundheitsversorgung, die Senkung der medizinischen Kosten und die Weiterentwicklung der Medizintechnikbranche. Obwohl unsere Tests an Rattenmodellen deutliche Einschränkungen aufwiesen, können Patienten im Endstadium einer Nierenerkrankung durch die Integration unserer auf Ionenkonzentrationspolarisation basierenden Technologie zur Abfallbeseitigung und Flüssigkeitsexpansion in künstliche Nieren ihre Mobilität zurückgewinnen und ihren Lebensstandard deutlich verbessern.“