人工腎的發展與應用

蔡東江，曾強生

中山大學附屬第五醫院 a.設備科；b.核醫學科，廣東 珠海 519000

1 人工腎的定義與原理

血液透析機俗稱“人工腎”，是一種能代替部分腎功能，清除血液中有害物質，糾正體內電解質與維持酸堿平衡的體外血液透析裝置。

工作原理[11]：主要是根據半透膜原理，將患者血液與透析液引入透析器中，血液與透析液被透析器中的透析膜(半透膜)分隔在兩側，反方向流動，利用各自不同的濃度和滲透壓互相進行擴散和滲透，血液內多余的有毒物質可向透析液中擴散，透析液中的有用離子物質向濃度高的一側滲透，經過透析的血液回流進患者體內，循環往復，達到清除血液中的代謝廢物和毒物，調節血液中水、電解質及酸堿平衡的目的，達到治療效果。

由于在透析的過程中，透析液的滲透濃度接近或高于患者血漿中的滲透濃度，因此，有時需在透析液一側增加負壓，可有效地增加體內水分的排出，該過程為超濾作用。血液透析主要通過超濾作用達到排除體內過多水分的目的。在透析過程中，滲透、擴散、濾過和超濾等作用同時進行。

2 人工腎應用范疇的擴展

人工腎主要用于急性腎功能衰竭及慢性腎功能衰竭治療，特別是慢性腎功能衰竭，還可以用于急性中毒和其它一些疾病，如肝性昏迷、 肝腎綜合癥、肝硬化、頑固腹水、高尿酸血癥、高膽紅素血癥、嚴重水和電解質紊亂、酸堿失衡等使用常規療法無效時，亦可考慮應用血液透析治療。

隨著新技術的發展和臨床治療的需要，血液透析的概念已演化為血液凈化，治療對象從最初單一腎臟病領域發展到臨床各個科室。現在的血液凈化技術包括血液透析、血液濾過、血液透析濾過、血液灌流、血漿置換、連續性腎臟替代治療、腹膜透析等[12]。它的作用已遠遠超出了當初單純清除血液中有害物質的概念,而是同時具有維持其它重要器官功能及調整機體內環境平衡的作用。

由透析基本原理發展的各種治療模式，已延伸應用于肝衰 、胰腺炎、高脂血癥、多臟器功能衰竭等病癥的治療。針對某些毒物不能由透析膜透出情況，均可考慮采用血液灌流、血液濾過等方法。

血液灌流是利用體外循環灌流器的吸附作用清除血液中的毒素及代謝廢物；血漿置換是將患者的異常血漿非選擇性地分離后棄去， 然后將血漿的有形成分以及所補充的平衡液和白蛋白輸回體內，以清除大分子物質。但存在治療費用高，有病毒(肝炎)傳染的可能等缺點。

3 人工腎的發展歷程

19世紀中葉，蘇格蘭化學家格萊姆（Thomas Graham）發現“透析”現象。1912年11月阿貝爾(John Abell)通過實驗發現了火棉膠膜具有半透膜的功能，該發現為透析技術在醫學上的應用奠定了理論基礎，同時用火棉膠膜設計了簡單透析器，命名為“人工腎”；1943年，荷蘭27歲的醫生考爾夫（Kolff）與工程師玻克（Berk），用塞璐芬膜代替火棉膠，共同研制出世界上第一臺轉鼓式人工腎，被后人稱為“KOLFF人工腎”[2]；1946年,加拿大 Murray 等研制成功第一臺蟠管(Coil)型人工腎 ,并應用臨床。1947年，瑞典人Alwall研制成功固定管型透析器[1]。1953年,Engelberg成功研制改良型蟠管透析器；1955年，Kolff進一步研制成功雙蟠管型人工腎，并應用于急性腎衰竭和藥物中毒的治療，并由美國 Travenol 公司批量生產。

1960年,挪威 Kill研制成功Kill型平板透析器，促進了血液透析的發展及普及，一直沿用至1970年左右，隨后瑞典學者將 Kill 型透析器改良為小型多層平板透析器，又稱積層型透析器[3]。1967年，Lipps把醋酸纖維拉成直徑200μm的空心纖維，將800～10000根纖維裝在1個透析器硬殼內，全世界第1個空心纖維( hollow fiber)透析器問世[2]。它的優點是體積小、透析效率高、脫水能力強，延用至今。

1960年，美國西雅圖市昆頓 （Quinton）和斯雷玻納（Seribner），發明了動靜脈外瘺，供長期慢性透析之用，生存時間得以延長數周至數月，1966年紐約退伍軍人管理局醫院的外科醫生布魯舍（Brescia），將血液透析的動靜脈外瘺改為內瘺，使生存時間延長至數年[3]。動靜脈內瘺的建立是透析史上的一個里程碑，使人工腎逐漸在臨床上得到廣泛應用(見表1)。

表1 人工腎發展過程

今天的人工腎不管在性能還是功能都有不小的改進，再生、改良纖維素膜、合成聚合物膜等透析效果及生物相容性更好的透析膜的選用；采用安全和合理的科學方法配制透析液；透析設備反饋控制、自動監測等功能，全面的保證了血液透析的安全和有效。

隨著人工腎設備的不斷改進和科學技術的不斷進步，近年來，世界各國救治的急、慢性腎衰竭患者的數量逐年增加，治療質量和效果逐年提高。據文獻顯示，依比較保守的估計，全世界每天約有10.6萬個新病人進入常規血透治療，其中僅5%可望進行腎移植。目前我國慢性腎功能衰竭發病率為每年每百萬人口50～100人[3]，不僅病人家屬，還有政府的醫療、保健部門都帶來巨大的負擔和壓力。所以，如何快速、有效地救治慢性腎衰竭患者成為醫學領域需要面對的難題。

4 人工腎的未來展望

目前，對于慢性腎衰竭的病人主要有兩種治療方法，一種就是長期持續地進行血液的透析濾過，每周兩到三次；由于腎移植技術已日趨成熟，所以另一種方法就是腎器官移植，但隨著腎功能衰竭病人的逐漸增加，缺乏合適的腎源是一個制約因素。所以目前主要的治療手段還是血液透析。

現在，空心纖維型人工腎尚在臨床廣泛使用，吸附型人工腎、超濾型人工腎正在研制中，最終使人工腎朝多功能、小型化的方向發展，我們期待佩戴式或便攜式透析系統早日應用于臨床。

但是，血液透析濾過并非完全的腎替代治療，它們只是提供了腎臟的清除濾過功能，并沒有替代腎臟的自我平衡、調節、代謝和內分泌功能。所以，尋找一種能長期、完全的腎功能替代治療的方法，是科研人員和醫務工作者急需解決的問題。

組織工程是一個迅速發展的領域，應用組織工程的有關技術研制的生物人工腎，對急慢性腎功能衰竭的治療、完全的腎功能替代治療帶來了希望。

美國密歇根大學的休姆博士從1989年就開始對生物人工腎進行系列的實驗研究[4]。他研究的生物人工腎主要由生物人工血濾器和生物人工腎小管兩部分組成，前者使用人工生物膜包裹具有活性的內皮細胞，有效避免宿主對移植細胞的排異反應，同時多種腎源性物質通過轉基因技術合成來實現；后者具有再生、分裂、分泌的功能，使得具有腎小球的濾過、分泌和腎小管細胞的重吸收、代謝和內分泌功能，讓我們看到未來仿生腎應用臨床的希望。據報道，該項目目前正在臨床實驗階段，到時對慢性腎衰竭的病人只需進行仿生腎的移植手術即可。

未來的人工腎將向著植于體內的仿生腎發展[13,14]，使患者能擺脫費時費力，冗長的血液透析。它的發展與完善，必將成為人工腎發展史上的里程碑，給腎功能衰竭的治療帶來革命性的改變，更有效地挽救或延長了無數寶貴的生命。

腎臟是第一個用人工裝置替代部分功能的實質器官,也是第一個被成功移植的器官,同時也很有可能成為第一個被生物人工裝置完全替代的臟器。

21世紀是真正的生命科學的世紀，醫學技術的發展將繼續得益于分子生物學、化學、物理學等最新理論的應用，特別是正在進行的人類基因研究工程，其必將促進醫學技術走向新的高峰，人類對許多頑疾的最終攻克將有望從基因水平找到答案。

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