Das Team wird berichten, dass Wissenschaftler der UC San Francisco erfolgreich einen Prototyp eines Nieren-Bioreaktors, der funktionale menschliche Nierenzellen enthält, ohne nennenswerte Sicherheitsbedenken in Schweine implantiert haben. Das Gerät, das etwa die Größe eines Kartenspiels hat, löste bei den Tieren keine Immunreaktion aus und verursachte auch keine Blutgerinnsel – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu zukünftigen Versuchen am Menschen.
„Dies ist der erste Nachweis, dass Nierenzellen erfolgreich in ein großes Tier ohne Immunsuppression implantiert werden können und dabei gesund genug bleiben, um ihre Funktion zu erfüllen. Dies ist ein wichtiger Meilenstein für uns“, sagte der Co-Leiter des Nierenprojekts, Shuvo Roy, PhD, ein Fakultätsmitglied im Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences, einer gemeinsamen Abteilung der UCSF Schools of Pharmacy und Medicine. „Auf der Grundlage dieser Ergebnisse können wir uns nun darauf konzentrieren, den Bioreaktor zu vergrößern und ihn mit der Blutfiltrationskomponente der künstlichen Niere zu kombinieren.“
UCSF-Vanderbilt Kidney Project Aims to Eliminate Dialysis
Nahezu 750.000 Amerikaner – und zwei Millionen Menschen auf der ganzen Welt – werden wegen einer Nierenerkrankung im Endstadium (ESRD) behandelt, und die Zahl der Nierenerkrankungen nimmt rapide zu, was zu einem dringenden Mangel an Nieren für die Transplantation führt. Im Jahr 2016 standen in den USA nur 21.000 Spendernieren für eine Transplantation zur Verfügung, auf einer Warteliste von fast 100.000, die sich über fünf bis zehn Jahre erstreckt.
Die meisten Patienten, die auf eine Nierentransplantation warten, überleben, indem sie sich mehrmals wöchentlich langen und beschwerlichen Dialysebehandlungen unterziehen, um Giftstoffe aus ihrem Blut zu entfernen, aber die Dialyse ersetzt nicht viele lebenswichtige Nierenfunktionen und im Durchschnitt sind nur 35 Prozent der Dialysepatienten nach fünf Jahren noch am Leben. Dialyse und andere Behandlungen für ESRD, die allgemein von Medicare abgedeckt werden, kosteten im Jahr 2016 35 Milliarden Dollar, was sieben Prozent des Jahresbudgets von Medicare ausmacht.
Das Kidney Project wird von Roy und dem Nephrologen William H. Fissell, MD, die seit mehr als einem Jahrzehnt an der Entwicklung einer implantierbaren bio-artifiziellen Niere arbeiten, mit dem Ziel, die Dialyse zu eliminieren und den Mangel an Spendernieren zu lindern.
Das implantierbare Gerät, das von The Kidney Project entwickelt wird, besteht aus zwei Komponenten: einem Blutfiltrationssystem, dem sogenannten Hämofilter, der Giftstoffe aus dem Blut entfernt, indem er es durch Siliziummembranen leitet, die mit präzise geformten Poren im Nanometerbereich versehen sind, und einem Bioreaktor, der gezüchtete menschliche Nierenzellen enthält, die andere Nierenfunktionen übernehmen sollen, wie z. B. die Aufrechterhaltung eines angemessenen Flüssigkeitsvolumens und Blutdrucks, die Regulierung des Salzgehalts und die Produktion wichtiger Hormone.
Nach vielversprechenden Studien an Großtieren wartet das Hämofiltrationssystem von The Kidney Project derzeit auf die Genehmigung der FDA für eine erste klinische Studie, um seine Sicherheit zu untersuchen. Die Bioreaktortechnologie wurde bereits in Laborexperimenten getestet, aber bisher nicht in Tiere implantiert.
Bioreaktor mit menschlichen Nierenzellen in Schweinen ohne Immunreaktion oder Blutgerinnsel implantiert
In der Präsentation des Kidney Project zur Kidney Week am 7. November wird Rebecca Gologorsky, MD, eine UCSF Surgical Innovations Fellow des Teams, zeigen, wie Siliziummembranen im Inneren des implantierten Bioreaktors die eingeschlossenen menschlichen Nierenzellen vor dem Immunsystem des Wirts schützen, indem sie blutübertragbare Immunzellen und Proteine aus dem Gerät fernhalten.
„Es ist ein heiliger Gral der Transplantationstherapien gewesen, Wege zu finden, um die Notwendigkeit für lebenslange immunsuppressive Medikamente zu vermeiden, die oft erforderlich sind, um Immunabstoßung zu verhindern“, sagte Roy. „Diese Medikamente setzen die Patienten nicht nur Infektionen und anderen schädlichen Nebenwirkungen aus, sondern schädigen nachweislich auch direkt die transplantierten Zellen und Organe, wodurch der therapeutische Nutzen der Transplantation mit der Zeit schwindet.“
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Vermeidung der Immunsuppression sind die Kosten für die Patienten, so Roy: „Medicare deckt derzeit die Dialyse für das ganze Leben ab, aber immunsuppressive Medikamente sind nur für die ersten drei Jahre nach der Transplantation abgedeckt. Viele Patienten, die eine Nierentransplantation erhalten, verlieren letztendlich das neue Organ, weil sie sich die immunsuppressiven Medikamente, die zur Gesunderhaltung des Organs notwendig sind, nicht leisten können.“
Roys Team hat den Prototyp des Bioreaktors auch sorgfältig so konstruiert, dass er keine Blutgerinnsel auslöst, die zu einer Lungenembolie oder einem Schlaganfall führen könnten – eine große Herausforderung für alle Patienten mit medizinischen Langzeitimplantaten. Sie erreichten dies, indem sie die Siliziummembran-Filter, die mit dem Blut in Kontakt kommen, mit biologisch freundlichen Molekülen beschichteten und das Gerät so konstruierten, dass es den turbulenten Blutfluss vermeidet, der ebenfalls Blutgerinnsel auslösen kann.
„Wir konnten die standardmäßigen blutfreundlichen Beschichtungen, die für Herzklappen, Katheter und andere Geräte entwickelt wurden, nicht verwenden, weil sie so dick sind, dass sie die Poren unserer Siliziummembranen vollständig verstopfen würden“, so Roy. „Eine unserer Errungenschaften war es, eine geeignete Oberflächenchemie auf unseren Siliziummembranen zu entwickeln, die sie biologisch blutfreundlich macht.“
Die Ergebnisse, so Roy, zeigen Fortschritte auf dem Weg zum erhofften klinischen „Dreiklang“ des Kidney Project: ein herzbetriebenes Gerät, das ohne Batterien oder andere externe Verbindungen läuft, die ein Infektionsrisiko darstellen könnten, und das das Blut ohne Anti-Abstoßungsmedikamente oder Blutverdünner reinigen kann.
Die Forscher wollen nun den Prototyp des Bioreaktors vergrößern, um mehr Zellen zu enthalten und zu testen, ob das implantierte Gerät die Nierenfunktion bei Tieren mit Nierenversagen ergänzen kann, mit dem ultimativen Ziel, das Gerät schließlich in Sicherheitsversuchen am Menschen zu testen.
„Eine komplexe Zelltherapie wie diese in die Klinik zu bringen, wird keine triviale Aufgabe sein – zum Beispiel wird es erhebliche Investitionen in die Zellproduktion und -charakterisierung in kontrollierten GMP-Einrichtungen erfordern, um jede Möglichkeit der Kontamination zu vermeiden“, sagte Roy. „Jetzt haben wir bestätigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind, um mit diesen Bemühungen voranzukommen.“