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Shuvo Roy 박사는 말기 신장 질환 환자를 위한 신장 이식이나 투석의 유망한 대안인 외과적 이식이 가능한 인공 신장의 프로토타입을 보유하고 있습니다. 사진 제공: Susan Merrell
말기 신장 질환 환자를 위한 신장 이식이나 투석의 유망한 대안인 외과적 이식이 가능한 인공 신장의 개발이 NIBIB(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)의 새로운 보조금 덕분에 600만 달러의 지원을 받았습니다. , 국립 보건원(National Institutes of Health) 중 하나인 UC San Francisco 생명공학자인 Shuvo Roy 박사와 Vanderbilt 대학 신장 전문의 William Fissell 박사가 이끄는 연구원들에게.
Roy는 “우리는 향후 10년 내에 이식 가능한 공학적 장기에 대한 임상 시험을 수행하는 것을 목표로 하며 NIH 및 미국 식품의약국(FDA)과 협력하고 있습니다”라고 말했습니다.
Roy는 약학대학 및 의과대학의 생명공학 및 치료과학과 교수이자 여러 기관이 협력하는 UCSF 신장 프로젝트의 기술 책임자입니다. 신장 프로젝트 팀은 인간의 신장 기능을 모방한 커피 컵 크기 장치의 주요 구성 요소를 프로토타입화하고 테스트하기 시작했습니다.
Roy와 Fissell은 미국 신장학회(American Society of Nephrology) 주요 회의의 일부인 샌디에이고에서 열리는 2015년 신장 주간(Kidney Week 2015)에서 11월 3~8일에 장치 개발에 대한 업데이트를 발표할 예정입니다.
NIBIB는 예방, 탐지, 진단 및/또는 치료에 있어 심오한 패러다임 전환을 가져올 생물의학 기술 개발을 지원하기 위해 만들어진 Quantum 프로그램을 통해 협력 계약에 따라 4년 동안 작업 지속을 감독하고 자금을 지원하고 있습니다. 중대한 질병이나 국가 공중 보건 문제의 원인입니다.” 이는 연구원들이 프로그램을 통해 받은 두 번째 주요 보조금입니다.
신부전은 점점 커지는 문제
부분적으로는 미국 인구가 노령화되고 무거워지고 고혈압과 당뇨병(종종 신부전과 관련된 질환)이 발생할 가능성이 높기 때문에 신부전 진단을 받는 사람의 수가 전년 대비 증가하여 57% 증가했습니다. 국립신장재단(National Kidney Foundation)에 따르면 2000년 이후. 현재 615,000명 이상의 사람들이 신부전증 치료를 받고 있습니다. 미국 정부 통계에 따르면 신부전으로 인해 미국 의료 시스템에 드는 비용은 연간 400억 달러이며 메디케어 지출의 6% 이상을 차지합니다.
미국의 신장 이식 대기자 명단은 10만 명 이상으로 늘어났습니다. 이용 가능한 신장의 수는 지난 10년 동안 정체되어 있으며 현재 목록에 있는 5명 중 1명만이 이식을 받을 것으로 예상됩니다.
현재 신부전증 환자 중 430,000명 이상이 투석을 받고 있는데, 이는 이식보다 비용이 더 많이 들고 효과도 덜하며 일반적으로 주 3회, 몇 시간 동안 병원에 입원해야 합니다. 투석을 시작한 환자 3명 중 1명만이 5년 이상 생존하는 반면, 이식 수혜자 5명 중 4명 이상이 생존합니다.
Vanderbilt 의과대학 부교수이자 The Kidney Project의 의료 책임자인 Fissell은 이렇게 말했습니다. “이 프로젝트는 장기 이식의 부족 문제에 대한 영구적인 해결책을 찾는 것입니다. 우리는 투석을 강요당하는 만성 신장 질환 환자를 위한 선택권을 늘리고 있습니다.”
UCSF의 Roy와 Vanderbilt의 Fissell과 함께 대학 및 중소기업의 과학자 및 엔지니어로 구성된 국가팀은 이식 가능한 인공 신장을 환자에게 제공하기 위해 노력하고 있습니다.
UCSF 약학대학 학장이자 PharmD인 B. Joseph Guglielmo에 따르면, “NIBIB의 보조금은 이 장치와 관련된 약속에 대한 놀라운 확언이자 신장 프로젝트의 궁극적인 성공에 대한 NIH의 확신입니다. 만성 신부전 환자에게는 이식과 투석에 대한 대안이 절실히 필요합니다. 이 약학대학과 캠퍼스 우선순위는 공동 연구에 따른 연구 성과를 분명히 보여줍니다.”
9월에 이 프로젝트는 생명을 위협하거나 회복 불가능하게 쇠약하게 만드는 질병과 싸우기 위해 충족되지 않은 주요 요구 사항을 충족하는 의료 기기의 개발, 평가 및 검토를 가속화하기 위해 FDA의 새로운 Expedited Access Pathway 프로그램에 포함되도록 지정되었습니다. 이 프로그램은 혁신 경로 2.0(Innovation Pathway 2.0)이라는 초기 FDA 프로그램에서 발전했습니다. 이 프로그램에서 신장 프로젝트 팀은 신부전에 초점을 맞춘 파일럿 이니셔티브를 위해 선택된 3개의 장치 개발 그룹 중 하나였습니다. FDA 규제 직원은 Roy 및 기타 프로젝트 리더와 지속적으로 소통하여 장치 테스트 및 데이터 수집 기준을 안내하는 데 도움을 주었습니다.
새로운 프로그램의 목표는 FDA의 시판 전 승인(PMA) 프로세스를 가속화하는 것입니다.
r 클래스 III 의료기기의 안전성과 유효성에 대한 과학적, 규제적 검토 – 큰 이점을 제공할 가능성이 있지만 잠재적으로 큰 위험을 초래할 수도 있는 의료기기.
Roy는 “새로운 프로그램은 FDA 검토자, 과학자 및 리더십을 우리 팀과 함께 모아 규제 승인 및 제품 출시에 대한 로드맵을 정의합니다.”라고 말했습니다.
인공 신장 프로토타입에 대한 초기 연구는 고무적입니다
새로운 인공 신장의 한 구성 요소는 혈액에서 독소, 염분, 일부 작은 분자 및 물을 제거하는 실리콘 나노 필터입니다. Roy의 연구팀은 반도체 전자공학 및 미세전자기계 시스템(MEMS) 생산에 사용되는 제조 방법을 기반으로 이를 설계했습니다. Roy에 따르면 새로운 실리콘 나노필터는 현재 투석 기계에 사용되는 필터에 비해 더 균일한 기공 크기를 포함하여 여러 가지 장점을 제공합니다. 실리콘 나노필터는 펌프나 전력 없이 혈압만으로 작동하도록 설계되었습니다.
Shuvo Roy가 그의 팀의 인공 신장 프로토타입이 어떻게 작동하는지 설명합니다.
두 번째 주요 구성 요소는 미세한 비계 내에 내장된 인간 신장 세뇨관 세포를 포함하는 “생물반응기”입니다. 이 세포는 대사 기능을 수행하고 여과액에서 물을 재흡수하여 혈액량을 조절합니다. 프로젝트 공동 연구자이자 미시간 대학 내과 교수인 H. David Humes 박사는 이전에 외부 장치에서 한외여과와 함께 사용된 이러한 생물반응기가 투석만 사용한 것에 비해 생존율을 크게 높였다는 것을 보여주었습니다. 병원 중환자실에서 급성 신부전 환자의 치료.
Roy와 Fissell이 개발 중인 인공 신장은 환자의 혈액 공급 장치와 방광에 내부적으로 연결되고 제거되지 않는 환자 자신의 신장 근처에 이식되도록 설계되었습니다.
Roy에 따르면 인간 신장 이식 환자와 달리 이식 가능한 인공 신장 환자는 면역 억제 요법이 필요하지 않습니다. 예비 전임상 연구에 따르면 장치 부품용으로 개발된 비반응성 코팅은 필터 막힘이나 면역 반응으로 이어질 가능성이 없으며 생물반응기 세포는 시뮬레이션된 생리학적 조건에서 최소 60일 동안 생존할 수 있다고 그는 말했습니다.
NIBIB의 새로운 자금 지원은 생물반응기의 신장 세포 성능을 최적화하는 방법에 대한 실험실 연구에 중점을 둘 것입니다. 일부는 나노필터 장치의 기계적 설계를 개선하고 인공 신장의 생체 적합성을 조사하는 데 사용됩니다. 필터는 안정적인 한외여과 달성을 목표로 하는 전임상 연구에서 평가될 예정입니다.
민간 자선 활동과 UCSF 지원은 이미 신장 프로젝트를 유지하는 데 필수적이며 FDA의 새롭고 보다 유연한 경로가 있더라도 프로젝트 일정을 충족하려면 추가 자금이 필요할 것이라고 Roy는 말했습니다.
공개: Roy와 Fissell은 실리콘 멤브레인 기술의 상용화를 촉진할 신생 기업인 Silicon Kidney의 소유권을 보유하고 있습니다.
UC 샌프란시스코(UCSF)는 첨단 생물 의학 연구, 생명 과학 및 보건 전문 분야의 대학원 수준 교육, 우수한 환자 치료를 통해 전 세계적으로 건강 증진에 전념하는 선도적인 대학입니다. 여기에는 치과, 의학, 간호 및 약학 분야의 일류 대학원, 기초, 생물의학, 중개 및 인구 과학 분야에서 전국적으로 유명한 프로그램을 갖춘 대학원 과정, 뛰어난 생물의학 연구 기업 및 두 개의 최고 병원인 UCSF Medical이 포함됩니다. 센터 및 UCSF Benioff Children’s Hospital San Francisco.
Through UCSF Collaboration
Shuvo Roy, PhD, holds a prototype of a surgically implantable, artificial kidney, a promising alternative to kidney transplantation or dialysis for people with end-stage kidney disease. Photo by Susan Merrell
Development of a surgically implantable, artificial kidney – a promising alternative to kidney transplantation or dialysis for people with end-stage kidney disease – has received a $6 million boost, thanks to a new grant from the National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), one of the National Institutes of Health, to researchers led by UC San Francisco bioengineer Shuvo Roy, PhD, and Vanderbilt University nephrologist William Fissell, MD.
“We aim to conduct clinical trials on an implantable, engineered organ in this decade, and we are coordinating our efforts with both the NIH and the U.S. Food and Drug Administration,” Roy said.
Roy is a professor in the Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences in the Schools of Pharmacy and Medicine, and technical director of The Kidney Project at UCSF, a multi-institutional collaboration. The Kidney Project team has prototyped and begun testing key components of the coffee-cup-sized device, which mimics functions of the human kidney.
Roy and Fissell will present updates on development of the device November 3-8 at Kidney Week 2015 in San Diego, part of a major meeting of the American Society of Nephrology.
NIBIB is overseeing and funding the continuation of their work for four years under a cooperative agreement through its Quantum Program, created to support the development of “biomedical technologies that will result in a profound paradigm shift in prevention, detection, diagnosis, and/or treatment of a major disease or national public health problem.” This is the second major grant the researchers have received through the program.
Kidney Failure a Growing Problem
In part because the U.S. population has grown older and heavier and is more likely to develop high blood pressure and diabetes, conditions often associated with kidney failure, the number of individuals diagnosed with kidney failure is growing year-over-year and has risen 57 percent since 2000, according to the National Kidney Foundation. More than 615,000 people now are being treated for kidney failure. U.S. government statistics indicate that kidney failure costs the U.S. healthcare system $40 billion annually and accounts for more than six percent of Medicare spending.
The waiting list for kidney transplants in the United States has grown to more than 100,000 people. The number of available kidneys has remained stagnant for the past decade, and only about one in five now on the list is expected to receive a transplant.
More than 430,000 of those with kidney failure now undergo dialysis, which is more costly and less effective than transplantation and typically requires hours-long stays at a clinic, three times weekly. Only about one in three patients who begins dialysis survives longer than five years, in comparison to more than four in five transplant recipients.
Fissell, associate professor in the Department of Medicine at Vanderbilt and medical director for The Kidney Project, said, “This project is about creating a permanent solution to the scarcity problem in organ transplantation. We are increasing the options for people with chronic kidney disease who would otherwise be forced onto dialysis.”
Along with Roy at UCSF and Fissell at Vanderbilt, a national team of scientists and engineers at universities and small businesses are working toward making the implantable artificial kidney available to patients.
According to B. Joseph Guglielmo, PharmD, dean of the UCSF School of Pharmacy, “The grant from NIBIB is a striking affirmation of the promise associated with this device, as well as NIH confidence in the ultimate success of The Kidney Project. Patients with chronic kidney failure are in real need of alternatives to transplant and dialysis; this School of Pharmacy and campus priority clearly demonstrates the research rewards of working collaboratively.”
In September, the project was designated for inclusion in the FDA’s new Expedited Access Pathway program to speed development, evaluation, and review of medical devices that meet major unmet needs in fighting life-threatening or irreversibly debilitating diseases. The program evolved from an earlier FDA program called Innovation Pathway 2.0, in which The Kidney Project team was one of three device-development groups selected for a pilot initiative focused on kidney failure. Members of the FDA regulatory staff have continually been in communication with Roy and other project leaders to help guide device testing and criteria for data collection.
The aim of the new program is to speed the FDA’s premarket approval (PMA) process for scientific and regulatory review of safety and effectiveness of Class III medical devices — those with the potential to provide major benefits, but that also might potentially pose major risks.
“The new program brings FDA reviewers, scientists, and leadership together with our team to define a roadmap to regulatory approval and product launch,” Roy said.
Early Studies of Artificial Kidney Prototype Are Encouraging
One component of the new artificial kidney is a silicon nanofilter to remove toxins, salts, some small molecules, and water from the blood. Roy’s research team designed it based on manufacturing methods used in the production of semiconductor electronics and microelectromechanical systems (MEMS). The new silicon nanofilters offer several advantages — including more uniform pore size — over filters now used in dialysis machines, according to Roy. The silicon nanofilter is designed to function on blood pressure alone and without a pump or electrical power.
Shuvo Roy explains how his team’s prototype of the artificial kidney works.
The second major component is a “bioreactor” that contains human kidney tubule cells embedded within microscopic scaffolding. These cells perform metabolic functions and reabsorb water from the filtrate to control blood volume. A project collaborator, H. David Humes, MD, professor in the Department of Internal Medicine at the University of Michigan, earlier showed that such a bioreactor, used in combination with ultrafiltration in an external device, greatly increased survival in comparison to dialysis alone in the treatment of patients with acute kidney failure in a hospital intensive care unit.
The artificial kidney being developed by Roy and Fissell is designed to be connected internally to the patient’s blood supply and bladder and implanted near the patient’s own kidneys, which are not removed.
Unlike human kidney transplant recipients, patients with the implantable artificial kidney will not require immunosuppressive therapy, according to Roy. Preliminary preclinical studies indicate that the non-reactive coatings developed for device components are unlikely to lead to filter clogging or immune reactions, he said, and that bioreactor cells can survive for at least 60 days under simulated physiological conditions.
The new funding from NIBIB will focus on lab studies on methods for optimizing performance of the bioreactor’s kidney cells. A portion will be used to enable refinements for the mechanical design of the nanofilter unit and investigate biocompatibility of the artificial kidney. The filter will be evaluated in preclinical studies aimed at achieving stable ultrafiltration.
Private philanthropy and UCSF support already have been vital in sustaining The Kidney Project, and even with the FDA’s new and more flexible pathway, additional funding will be required to meet project timelines, Roy said.
Disclosure: Roy and Fissell have ownership in Silicon Kidney, a start-up company that will advance the commercialization of silicon membrane technology.
UC San Francisco (UCSF) is a leading university dedicated to promoting health worldwide through advanced biomedical research, graduate-level education in the life sciences and health professions, and excellence in patient care. It includes top-ranked graduate schools of dentistry, medicine, nursing and pharmacy, a graduate division with nationally renowned programs in basic, biomedical, translational and population sciences, as well as a preeminent biomedical research enterprise and two top-ranked hospitals, UCSF Medical Center and UCSF Benioff Children’s Hospital San Francisco.
