Fin dall’inizio, Mat Risher ha giurato che la dialisi non avrebbe sconvolto la sua vita. Lavorava in una società di software, conducendo ricerche su un simulatore di corse automobilistiche, quando i danni ai reni causati dal lupus lo hanno costretto a iniziare i trattamenti di filtraggio del sangue tre volte a settimana.
Cinque anni sono passati e le sessioni hanno indebolito la sua determinazione. Il 33enne ora lavora part-time. Nei giorni buoni, si diverte a provare nuove ricette. Nei giorni cattivi, il suo lupus si infiamma e la tensione della dialisi incessante lo lascia svuotato. “Le volte in mezzo, non ho una vita sociale, nessuna vita di incontri”, dice Risher, che vive appena fuori Seattle, Washington. “Sono diventato un recluso nella mia stanza.”
Risher è relativamente fortunato; ha accesso alle cure, mentre fino a sette milioni di persone potrebbero morire ogni anno senza ottenere tali cure1. Ma Risher, membro del comitato consultivo dei pazienti del Center for Dialysis Innovation (CDI) di Seattle, è impaziente di avere un’opzione più vivibile della dialisi – che è rimasta in gran parte la stessa per 50 anni.
Entra in qualsiasi struttura, dice il co-direttore del CDI Buddy Ratner, e troverai una grande macchina al letto di ogni persona sottoposta a dialisi. “In questi giorni avrà schermi LCD e controlli moderni”, dice. “Ma guardate le immagini degli anni ’60 di quelle macchine. Sembrano piuttosto simili a quello che facciamo oggi”. La sopravvivenza è aumentata, ma ancora, solo il 42% dei pazienti statunitensi che ricevono la forma più comune di trattamento, nota come emodialisi, vivono anche per cinque anni – meno che per molti tumori.
Le macchine per la dialisi utilizzano ancora la stessa tecnologia di 50 anni fa.Credit: Walter Nurnberg/SSPL/Getty
Ratner è tra un gruppo internazionale di medici, bioingegneri e imprenditori che stanno lavorando per rivoluzionare il trattamento dell’insufficienza renale, progettando dispositivi che sono abbastanza portatili da portare al lavoro o da legare intorno alla vita. Alcuni stanno anche sviluppando reni artificiali che potrebbero essere impiantati chirurgicamente.
Le complessità rimangono scoraggianti. La dialisi imita male la sofisticazione del rene umano, e le versioni migliorate e più portatili avranno bisogno di componenti miniaturizzati e di una sostanziale riduzione della quantità di acqua richiesta. Tutti gli approcci che fanno uso di materiali biologici dovranno affrontare ostacoli normativi ripidi, anche.
Ma una nuova ondata di finanziamenti sta aiutando a invertire gli anni di stagnazione. L’anno scorso, il presidente degli Stati Uniti Donald Trump ha emesso un ordine esecutivo sulla salute dei reni, comprese le strategie per ridurre la carenza di reni disponibili per il trapianto, incoraggiare più dialisi a casa e incentivare la ricerca sui reni artificiali attraverso una partnership chiamata KidneyX. La partnership è guidata dal governo degli Stati Uniti e dall’American Society of Nephrology e prevede di raccogliere 250 milioni di dollari nei prossimi cinque anni. L’anno scorso, ha assegnato un totale di 1,1 milioni di dollari a 15 gruppi di ricerca con sede negli Stati Uniti che affrontano vari pezzi del puzzle della dialisi, compresi gruppi che perseguono dispositivi di dialisi indossabili e innesti di reni bioingegnerizzati.
In tutto il mondo, i test clinici dei dispositivi portatili stanno avanzando, e i ricercatori stanno finalizzando un approccio low-tech che sperano possa raggiungere le regioni del mondo dove l’acqua pulita è inaffidabile e la dialisi è scarsa.
Tutti questi sforzi sono una goccia nel mare rispetto al conto salato per trattare le persone che vivono con la malattia renale allo stadio terminale – almeno 35 miliardi di dollari all’anno solo negli Stati Uniti. Ma il campo è rialzista. John Sedor, un nefrologo della Cleveland Clinic in Ohio, che presiede il comitato direttivo di KidneyX, prevede che un dispositivo molto più portatile sarà disponibile nei prossimi cinque anni, e il primo dispositivo indossabile nel prossimo decennio. “Penso che questo sia un momento straordinario e siamo a un punto di svolta nel nostro campo”, dice.
Questa innovazione è attesa da tempo, dice Valerie Luyckx, una nefrologa dell’ospedale cantonale dei Grigioni in Svizzera che fa ricerche sul peso globale delle malattie renali. La dialisi “è un’industria multimiliardaria, con molti miliardi di profitti dai primi anni ’60”, dice. “E nessuno si è preoccupato di cercare di innovare fino a quando, all’improvviso, ci sono ricerche e finanziamenti per questo.”
Un organo intelligente
I reni sono organi complessi e resistenti, ciascuno delle dimensioni di un pugno. Filtrano circa 140 litri di sangue ogni giorno, lasciando uno o due litri di acqua e rifiuti sotto forma di urina.
Ogni rene ha un reticolo di circa un milione di piccole unità filtranti, chiamate nefroni. Il sangue che entra in un nefrone passa attraverso un gruppo di piccoli vasi chiamati glomeruli. Le pareti sottili del glomerulo permettono il passaggio di rifiuti, acqua e altre piccole molecole, mentre bloccano quelle più grandi come le proteine e le cellule del sangue. Da lì, il fluido filtrato scorre nei tubuli renali, dove l’equilibrio di minerali, acqua, sali e glucosio viene calibrato e le molecole necessarie per le funzioni corporee vengono riassorbite nel flusso sanguigno.
Ma molte condizioni mediche possono affaticare i reni, tra cui diabete, obesità e pressione alta. E queste condizioni stanno diventando sempre più comuni. Entro il 2030, si prevede che 5,4 milioni di persone in tutto il mondo si sottoporranno a dialisi o a un trapianto, e molte altre moriranno senza1.
Per l’emodialisi, i pazienti di solito devono recarsi in una clinica, dove vengono collegati a una macchina che pesa più di 100 chili e che filtra il sangue del paziente attraverso una membrana semipermeabile, progettata per replicare la funzione del glomerulo. Poi una soluzione di dialisi a base d’acqua viene utilizzata per riequilibrare i componenti del sangue e portare le tossine giù per lo scarico. L’emodialisi è molto meglio nel replicare il filtraggio che nel raggiungere la sottile ricalibratura fornita dai tubuli del rene, dice Jonathan Himmelfarb, l’altro co-direttore del CDI. I reni sani fanno sottili aggiustamenti intorno all’orologio, mentre i pazienti ottengono solo 12 ore di dialisi attraverso 3 sessioni ogni settimana, dice. Riequilibrare il sangue così bruscamente può essere uno shock per il corpo e richiedere ore per recuperare. Questo è chiamato washout da dialisi. Risher, che prende una navetta per la dialisi, spesso si addormenta sulla strada di casa.
Il trattamento inefficiente è anche molto costoso, fino a 91.000 dollari all’anno per paziente negli Stati Uniti. E oltre a usare molta acqua, l’approccio attuale consuma grandi quantità di energia e materiali come la plastica. “Usiamo enormi quantità d’acqua – non è una terapia verde”, dice Sedor.
Inoltre, l’accesso è irregolare in tutto il mondo. Non più di un terzo delle persone in Asia ottiene la dialisi, e ancora meno in Africa1 (vedi “Un bisogno trascurato”). E anche quando i pazienti dell’Africa sub-sahariana iniziano i trattamenti, raramente sono in grado di sostenerli per più di qualche mese2.
La ragione, in gran parte, è il costo. Anche quando il governo paga per le sessioni, la famiglia del paziente spesso deve pagare il conto per le analisi di laboratorio, i farmaci e altri costi, dice Gloria Ashuntantang, una nefrologa presso l’ospedale generale di Yaounde in Camerun. “La maggior parte dei nostri pazienti interrompe la terapia a metà strada, dopo aver venduto tutti i beni, e i bambini hanno abbandonato la scuola.”
Ancora, c’è stata una mancanza di spinta per migliorare la procedura, in parte perché il trattamento si è dimostrato altamente redditizio per i fornitori di dialisi in tutto il mondo, dice Murray Sheldon, un medico e direttore associato per la tecnologia e l’innovazione presso il Centro per i dispositivi e la salute radiologica presso la US Food and Drug Administration (FDA). “Hanno una vacca da mungere. E non c’è bisogno di fare alcuna innovazione”. Le aziende di dialisi sfidano questo argomento. Brad Puffer, un portavoce statunitense di Fresenius Medical Care a Waltham, Massachusetts, dice che la sua azienda sta investendo in miglioramenti, tra cui un dispositivo di emodialisi che incorpora un materiale progettato per ridurre la coagulazione del sangue, un potenziale effetto collaterale che i pazienti di oggi devono prendere farmaci per prevenire.
Un rene in uno zaino
Uno dei grandi problemi della dialisi moderna è che le macchine richiedono grandi quantità di acqua: 120-180 litri per ogni sessione di 4 ore, dice Himmelfarb. “Ovviamente nessuno può portarsela dietro perché peserebbe tonnellate”. Ci sono alcuni modelli in casa commercializzati come portatili: Fresenius vende un dispositivo che dice che dà ai pazienti più mobilità. Pesa 34 chilogrammi e può essere usato con un rubinetto di casa, purché l’acqua soddisfi certi standard di qualità. Ma la prima priorità nel rendere la dialisi più conveniente è quella di rimuovere la necessità di una fornitura di acqua esterna.
A Seattle, i ricercatori del CDI hanno sviluppato una tecnica che spinge la soluzione di dialisi usata attraverso una cartuccia che usa la luce per convertire l’urea – una tossina chiave presa di mira dalla dialisi – in azoto e anidride carbonica, in modo che la soluzione possa essere riciclata3. Il metodo può rimuovere 15 grammi di urea in 24 ore, sufficienti per la maggior parte delle persone con insufficienza renale, e richiede solo 750 millilitri di soluzione, dice Himmelfarb.
Il dispositivo di emodialisi autonomo del team potrebbe essere reso abbastanza compatto da essere inserito in una valigia, dice Himmelfarb, pesando non più di 9 kg. Idealmente, i pazienti lo userebbero quotidianamente, dice.
Un altro gruppo che cerca di ridimensionare la dialisi è stato recentemente formato dalla Dutch Kidney Foundation, l’azienda di dispositivi medici Debiotech di Losanna, Svizzera, e assicuratori senza scopo di lucro. Il suo ultimo prototipo, che spera di rendere disponibile ai pazienti entro il 2023, pesa circa 10 chilogrammi e richiederà solo 6 litri di soluzione, secondo Ton Rabelink, un nefrologo presso il Leiden University Medical Center nei Paesi Bassi che è nel comitato consultivo medico della società, chiamata NextKidney. Il dispositivo, che potrebbe essere usato a casa, limita la quantità di soluzione di dialisi necessaria utilizzando un materiale assorbente per assorbire le tossine, dice Rabelink.
A Singapore, i ricercatori della società di tecnologia medica AWAK hanno testato un dispositivo ancora più leggero, uno che pesa non più di 3 chilogrammi. È progettato per la dialisi peritoneale, una tecnica che utilizza un catetere per inviare la soluzione di dialisi nella cavità addominale, dove un rivestimento (il peritoneo) filtra le tossine dal sangue in modo che possano drenare, insieme alla soluzione, in un sacchetto vuoto.
Il dispositivo AWAK si basa su una pompa e una cartuccia per assorbire le tossine dalla soluzione usata in modo che possa essere ricircolata. Ogni trattamento giornaliero durerebbe dalle sette alle dieci ore.
Questi reni di maiale sono stati rimossi dalle loro cellule e vengono seminati con cellule umane per sviluppare un rene artificiale biologico. Credit: Miromatrix
L’azienda ha completato uno studio di sicurezza che ha coinvolto 15 adulti al Singapore General Hospital nel 2018. Non ha riportato eventi avversi gravi, anche se alcuni pazienti hanno sperimentato disagio addominale o gonfiore. Il dispositivo è uno dei diversi prodotti più portatili in sviluppo che la FDA ha accettato di accelerare attraverso il suo programma “breakthrough devices”.
Ma testare un dispositivo nell’ambiente controllato di un ospedale è molto diverso dall’usarlo nella vita quotidiana, dice Arshia Ghaffari, un ricercatore che dirige i servizi di dialisi alla University of Southern California di Los Angeles. Inoltre, è possibile che il costante ricircolo della soluzione di dialisi potrebbe sforzare le membrane delicate e “bruciare il peritoneo più velocemente”, dice. Un portavoce dell’azienda ha escluso questa preoccupazione, dicendo che il fluido viene ricircolato in piccoli incrementi, solo 250 millilitri alla volta.
In alcune regioni del mondo, la dialisi peritoneale non è un’opzione, a causa dei costi di spedizione delle pesanti borse di soluzione. Un concorso internazionale guidato dal George Institute for Global Health di Camperdown, in Australia, nel 2015 ha cercato modi per migliorare l’accesso.
La tecnologia vincente, sviluppata dall’ingegnere irlandese Vincent Garvey, incorpora un kit leggero che comprende sacchetti sterili contenenti una miscela secca (destrosio e sali), insieme a un distillatore d’acqua delle dimensioni di una scatola di pane, che sterilizza l’acqua utilizzata per fare la miscela. Un mese di rifornimenti potrebbe essere spedito in una scatola che pesa 3 chilogrammi – un grande miglioramento rispetto al tipico rifornimento giornaliero, che pesa 8 chilogrammi, dice John Knight, amministratore delegato di Ellen Medical Devices a Camperdown, che è stato formato per sviluppare il prototipo. L’obiettivo di Knight è di completare una sperimentazione clinica entro la fine del prossimo anno.
Ricreare il rene
Ricercatori dell’Università della California, San Francisco (UCSF), e della Vanderbilt University di Nashville, Tennessee, hanno bypassato i dispositivi esterni e si sono invece concentrati sullo sviluppo di un prototipo di rene che sperano un giorno possa essere impiantato chirurgicamente nel corpo di un paziente. Non richiederebbe una pompa perché sarebbe attaccato alle arterie chiave e alimentato dalla pressione sanguigna, dice il nefrologo di Vanderbilt William Fissell, che co-dirige la ricerca con Shuvo Roy dell’UCSF.
Il dispositivo contiene due parti chiave: un sistema di filtraggio del sangue e un modulo di ricalibrazione infuso di cellule. Il filtro è fatto di membrane di silicio con pori su scala nanometrica che sono progettati per imitare il glomerulo. Il modulo di ricalibratura utilizza cellule del tubulo provenienti da reni umani scartati per riequilibrare i componenti del sangue, dice Fissell.
A fine dell’anno scorso, i ricercatori hanno riferito a una riunione dell’American Society of Nephrology di aver condotto il primo test di sicurezza del modulo di ricalibratura nei maiali, senza nessuno dei gravi problemi spesso osservati con dispositivi impiantati, tra cui una reazione immunitaria o coaguli di sangue.
I nefrologi di San Francisco sperano di impiantare un giorno questo rene artificiale nei pazienti e hanno testato alcuni dei suoi componenti negli animali.Credit: Susan Merrill/UCSF
Ma Rabelink pensa che i dispositivi impiantabili saranno più difficili da sviluppare, dato che si basano su un mix di elementi ingegnerizzati e biologici, complicando il design e creando ulteriori ostacoli normativi. Nel frattempo, egli postula che i progressi nella ricerca sulle cellule staminali potrebbero superare tali sforzi. “Alla fine, sarebbe molto meglio di qualsiasi dispositivo, avere la propria funzione renale rigenerata o prolungata”, dice.
Ma Fissell e Roy sostengono che le tecniche delle cellule staminali sono state lente a pagare in altre aree, come il trattamento del diabete, quindi dispositivi come le pompe di insulina automatizzate hanno aperto la strada. Fissell descrive l’ostacolo principale del progetto come assicurare un finanziamento sufficiente per produrre il dispositivo, che è approssimativamente la dimensione di una lattina di soft-drink, su una scala più grande e standardizzata in modo che possa essere valutato dai regolatori statunitensi. “
Nonostante la fiducia di alcune squadre, Sheldon pensa che ricreare la sofisticazione di un rene sia troppo complesso per una singola squadra, e probabilmente richiederà un mix di ingegneria e biologia, oltre a molto più denaro. Ha proposto l’idea di una coalizione internazionale in una riunione della Società Americana di Nefrologia l’anno scorso, e ha pianificato una serie di incontri in Europa più tardi quest’anno con le parti interessate e i gruppi medici.
Per Risher e altri pazienti, l’accesso a qualsiasi dispositivo portatile sarebbe liberatorio, fornendo “quella libertà e flessibilità per fare la dialisi quando voglio farla”, dice. Come un appassionato di auto, sogna di gettare la sua macchina sul sedile del passeggero e dirigersi verso la strada aperta, solo l’orizzonte davanti a lui