這種生物人工腎臟已經給那些渴望擺脫透析機的患者帶去了希望。每周，全世界有200萬人要靜坐數小時，把自己連接到一臺呼呼作響、指示燈忽閃、用于清洗血液的透析機。他們也有其他選擇：腎臟移植，或是死亡。在美國，血液透析是一門400億美元的生意，46

這種生物人工腎臟已經給那些渴望擺脫透析機的患者帶去了希望。

每周，全世界有200萬人要靜坐數小時，把自己連接到一臺呼呼作響、指示燈忽閃、用于清洗血液的透析機。他們也有其他選擇：腎臟移植，或是死亡。

在美國，血液透析是一門400億美元的生意，46.8萬名終末期腎病患者要依靠它活命。

透析治療遠非完美，但這并沒有阻礙該行業的增長。這得益于美國聯邦政府強制執行的一項醫療保險福利，它保證了所有需要透析的美國人——不管他們年齡或財務狀況如何——都能得到透析，而且可以通過醫保報銷。

自從45年前透析被納入醫保以來，它無疑拯救了成千上萬人的生命。不過，這種治療方法在歷史上享有的特殊待遇也阻礙了創新。

如今，相比起資助腎病研究、以改善治療效果并發現新療法，美國政府對私營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，科學家進展緩慢，難于拿出比透析機更好的解決方案。我們只能看到擺滿這些機器的私營公司為大量病情嚴重的患者提供著生死攸關的服務。

現在，經過20多年的努力，一支由醫生和研究人員組成的團隊用不了多久，就可以向患者提供一種可植入式人工腎臟。

這是一款仿生設備，它使用了與制造筆記本電腦芯片和智能手機芯片相同的技術。

科學家把精心設計的硅納米孔過濾器堆疊起來，然后把它們跟生長在生物反應器里的活腎細胞組合在一起，將其封裝在一個對人體友好的盒子當中，并連接到患者的循環系統和膀胱，不需要體外插管。

這種人工腎臟不僅能使患者遠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身體疲勞、慢性疼痛以及抑郁癥——它還能解決可移植器官嚴重短缺的問題。（盡管近些年的器官捐贈有所增加。）就去年而言，每有1個人接受了腎臟移植，等待名單上對應就有5個人沒那么幸運，4,000人不幸去世。

前方仍然存在著不少監管障礙——人體試驗定于明年初開始——但這種生物人工腎臟已經給那些渴望擺脫透析機的患者帶去了希望。

被阻礙的創新

腎臟可以說是身體的記賬員，它負責對體內好的和壞的東西進行分類，這個過程對于維持身體化學物質平衡來說至關重要。

但有時，腎臟會出現故障。

糖尿病、高血壓以及某些形式的癌癥都會引起腎臟損傷，從而破壞這種器官的正常運轉。這就是為什么醫生長期以來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在二戰期間。

1940年春天，一位名叫威廉·科爾夫（Willem Kolff）的荷蘭醫生從任職的大學逃到了一所鄉下醫院，等待納粹結束對荷蘭的占領。在那里，他用大約45米的腸衣、旋轉的木桶和鹽水浴制造了一臺笨重的裝置，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濾掉小分子的腎臟有毒廢物，同時讓較大的血細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，讓它們通過浸在鹽水中的腸衣，過濾掉有毒雜質之后，再輸回患者體內。

在某些方面，透析技術自1943年以來已經進步了很多。（比如腸衣已經被淘汰，代之以批量生產的纖維素管。）不過，在70多年的時間里，它的基本功能沒有發生變化。

這并非因為沒有太多的東西需要改進。與真正的腎臟相比，設計和制造上的缺陷使得透析在對身體“去蕪存菁”時，顯得非常低效。而且，對于腎臟的其他生物功能，它根本無法復制。然而，任何對該技術進行大幅改進（或者代替它）的努力都被45年前做出的一項未能預見經濟影響的政治承諾給阻礙了。

上世紀60年代，當透析技術開始在治療慢性腎功能衰竭的醫生中開始流行時，大多數患者都無力承受其高達3萬美元的價格，而且透析費用也不在醫保的報銷范圍之內。這導致治療時出現了定量配給的局面，美國人覺得，這就像是一個“死亡判刑委員會”。

1972年，美國總統理查德·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。當時人們覺得，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的財政損耗。

然而，政府部門的會計師們未能預見到美國即將出現的肥胖大流行以及隨之而來的各種健康問題，他們大大低估了國家未來的需求。

在之后的數十年里，需要做透析的患者人數增長了50倍。目前，美國聯邦政府每年用于治療腎病的開支將近310億美元，與國立衛生研究院（簡稱NIH）全年的預算資金相當。NIH今年拿出了5.74億美元用于腎病研究，以期改進療效、發現新的治療方法。相對于美國每年在治療腎病上的花銷，這筆經費只相當于它的1.7%。

不過，舒沃·羅伊（Shuvo Roy）在上世紀90年代末時還對此一無所知，當時，這位來自加州大學舊金山分校藥學院的教授正在研究如何把自己的電氣工程學知識用于研發醫療器械。

這位剛剛畢業的博士在克利夫蘭醫學中心找到了一份新工作，他希望找到一些有趣的問題，然后去解決。心臟病學和神經外科看起來就是這樣一個令人興奮且資金充裕的領域。于是，他開始從事心臟超聲檢查的研究。直到有一天，在工作了幾個月后，凱斯西儲大學一位名叫威廉·費塞爾（William Fissell）的內科醫生找到了羅伊，并問他，“你有沒有想過研究腎臟？”

羅伊沒有想過。

但費塞爾告訴他，腎臟領域的研究陷入了停滯，而另一方面，對透析進行技術改革的條件已經成熟。

這些事情聽得越多，羅伊就變得越感興趣。隨著他開始熟悉透析機及其背后的工程原理，羅伊開始意識到透析技術的局限性以及創新的潛力。

孔徑問題就是局限之一。

透析可以非常好地把廢物從血液中清理出去，但它也會濾掉那些有用的東西：鹽、糖分和氨基酸。這要歸咎于聚合物的制造工藝：我們無法復制腎臟天然過濾器“腎元”7納米的精度。

制造透析膜的過程中，有一道名為“擠制”的程序，它會導致孔徑大小不一——大多數都在7納米左右，但有些會大得多，有些則會小得多。這意味著，一些有害物質（比如尿素和過量的鹽）可能成為漏網之魚，而一些有益物質（比如必不可少的血糖和氨基酸）則會被過濾掉。

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、給身體組織提供營養以及在體內傳輸激素、維生素、藥物和其他物質（比如鈣）的重要蛋白質。如果血液中流失了太多的白蛋白，情況就不妙了。此外，對于腎臟的其他天然功能，比如分泌調解血壓的激素，透析根本做不到，只有活的細胞才可以。

“我們原先談論的是如何制作一種更好的‘創可貼’。”羅伊說。

但當他和費塞爾了解到活體組織工程技術取得的進步之后，他們的想法開始不再局限于一種更好、更小和更快的過濾器。

“我們當時就想，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？”

事實證明，有人已經嘗試過了，從某種意義上說算是吧。

顛覆傳統

早在1997年，當費塞爾和羅伊在凱斯西儲大學接受培訓時，密歇根大學腎病學家大衛·休姆斯（David Humes）就已在研究如何分離一種見于腎元后端的特定類型腎細胞。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，并在實驗室中進行培殖。然后，他把那些細胞涂覆在布滿中空纖維膜的導管內側，這些導管類似于現代透析機所使用的筒式濾芯。這樣，他就發明了一種可以依靠持續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濾。

試驗結果非常鼓舞人心。

在密歇根大學醫院進行的臨床試驗中，它讓重癥監護室中急性腎功能衰竭患者的死亡率降低了50%。只不過還有一個問題：要讓這個人工腎臟發揮作用，患者必須一直連接在占到病房一半空間、由導管和泵組成的裝置上。

當羅伊第一次看到休姆斯發明的裝置，他立刻看出了它的潛力——和局限性。他相信，這項技術能夠行得通。只不過對于實際使用的人來說，它太過笨重了。

這個生物人工腎臟是一款緊湊的獨立設備，可通過手術植入患者體內，用于治療終末期腎病。它具備天然腎臟絕大多數的生物功能。

2000年，費塞爾加入休姆斯的團隊，開始在密歇根大學從事腎臟學研究。羅伊則留在克利夫蘭醫學中心，繼續研發心臟病領域的醫療器械。

但之后的三年中，幾乎每個周四的下午，費塞爾都會驅車三個小時來到羅伊的實驗室，整個周末都泡在那里，只為解決21世紀一道典型的工程難題：小型化。

他們那時候沒有資金，也沒有人手。

不過，他們趕上了一個好時機：硅制造技術的進步。

正是這種進步讓各種電子產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。”羅伊在加州大學舊金山分校真空封閉無塵室的入口處說道，他手下的研究生就是在這里制造過濾器的。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，誤差率不到1%。

硅質過濾器還有另一個優點。

由于羅伊和費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產生免疫反應（類似于移植排斥反應）。堆疊起來的硅質過濾器可以充當屏風，把身體的免疫細胞隔離在休姆斯培殖的腎細胞之外，而后者會被嵌入另一側的微型支架中。唯一能通過它們的只有鹽和廢水，這些東西會被腎細胞進一步濃縮為尿液，然后導向膀胱。

到2007年時，這三位研究人員已經取得了足夠大的進展，他們提出申請，成功從NIH獲得了三年300萬美元的科研經費。憑借這筆資金，他們在一個動物模型中，對植入式生物人工腎臟的概念進行了驗證。

與此同時，他們開始申請第二階段的經費，這次的金額是1,500萬美元，足以讓他們完成人體臨床試驗。

羅伊在實驗室

羅伊搬到西部，加入了加州大學舊金山分校，以便跟灣區的半導體制造行業保持更近的距離。費塞爾在克利夫蘭醫學中心又為這個項目工作了幾年，之后他去了范德堡大學。休姆斯則一直留在密歇根大學，繼續研究他的那些細胞。然而，他們的申請沒有通過。在缺乏經費的情況下，研究工作開始陷入停滯。

不過那個時候，他們的腎臟研究項目已經引起了一些人的關注。

來自世界各地的患者都希望它能成功。

隨后幾年間，這些人開始捐款，一些人寄來5美元的鈔票，也有人簽出了100萬美元的支票。紐約州有一個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，她在路邊擺了一個攤子賣蔬菜，把收入都捐了出來。

大學院校也提供了支持，科學家開始取得更多的進展。

他們利用3D打印對新的原型產品進行了測試，并利用液壓流體的計算機模型，對所有部件的組裝方式進行了優化。他們開始同醫學院的外科醫生合作，以找出裝置的最佳植入步驟。2015年，NIH再次對這個項目產生了興趣，未來四年中計劃投入600萬美元。接著，美國食品藥品管理局（FDA）也產生了興趣。

當年秋天，FDA把這個腎臟研究項目納入了一項新的加速審批計劃，該計劃旨在讓患者更快地享受到醫學創新成果。

羅伊和費塞爾繼續對設備進行改進，而休姆斯的實驗室每周都會寄來低溫冷凍的細胞，為他們的研究提供幫助。與此同時，FDA的官員指導他們完成了為期兩年的臨床前測試——大部分測試是在豬身上進行的，結果顯示良好。4月，FDA把自家的20位科學家派到加州，為他們的下一步行動提供建議，也就是人體試驗階段。

他們計劃從小部分人做起，也許最多招募10位患者參與人體試驗，在此過程中，對硅質過濾器材料的安全性進行測試。

血液凝結是最大的擔憂，所以他們會通過手術把過濾器植入受試者腹部，為期一個月，以確保不會出現這種現象。

如果人體試驗進展順利，他們將開展后續研究，確保裝置能夠以設計好的方式過濾血液。

只有在這一切都完成后，他們才會把過濾器和裝置的生物反應器部分（也就是休姆斯培殖的腎細胞）組合起來，進而對人工腎臟的完整功能進行測試。

科學家預計，他們將在2020年通過監管機構的審批，進入臨床試驗的最后階段。這聽上去或許很快，但他們有一個步驟已經提早完成，即招募患者。已有近9,000人加入了該項目的申請人名單，他們都在等待臨床試驗獲批后被項目選中。

這些患者之所以愿意承受風險，去嘗試“第三種選擇”，是因為一方面，腎移植手術對大多數人來說太過昂貴也太難獲得機會，另一方面，透析又太過折磨人。

美國國家腎臟基金會首席醫療官、腎臟科醫生約瑟夫·瓦薩洛蒂（John Vassalotti）指出，“患者擁有的選擇越多越好”，盡管他本人對這款設備能否在未來幾年內成為現實持懷疑態度。

植入式人工腎臟將能大幅提高患者的生活質量，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新。

“二戰期間，我們曾經認為透析是無法實現的。”瓦薩洛蒂說，“現在，有50萬美國人正在接受透析治療。短短數十年所能取得的進步是驚人的。”

翻譯：何無魚

來源：WIRED

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