211service.com
Dialyse débranchée
La dialyse conventionnelle, dans laquelle le sang d'un patient est pompé à travers un filtre externe pour évacuer les toxines accumulées, est loin d'être idéale pour les 1,4 million de personnes atteintes d'insuffisance rénale dans le monde dont la vie en dépend. Le régime commun de trois séances de nettoyage du sang d'une demi-journée par semaine élimine, en moyenne, seulement 17 % des toxines qu'un rein sain éliminerait, de sorte que seulement un tiers de tous les patients dialysés survivent plus de cinq ans de traitement.
La nanotechnologie pourrait offrir une alternative, selon un néphrologue Guillaume Fissell à l'Université du Michigan. Lui et ses collègues travaillent sur des membranes à nanopores qui pourraient permettre de miniaturiser la dialyse dans des dispositifs implantables qui fournissent une élimination des toxines 24 heures sur 24, en détachant les patients dialysés des pompes et des cliniques encombrantes. Il s'agit d'une technologie fondamentalement libératrice, déclare Fissell.
Fissell et son collègue Shuvo Roy, ingénieur biomédical au Fondation de la clinique de Cleveland , affirment avoir résolu la moitié du défi : concevoir des nano-membranes suffisamment efficaces pour supporter un implant compact et de faible puissance. L'équipe a obtenu un brevet pour le concept plus tôt cette année. Cependant, la conception de pores avec la sélectivité requise – des pores qui drainent les pires toxines sans priver le corps de protéines critiques telles que l'albumine, les facteurs de coagulation sanguine et les anticorps – s'avère plus difficile que prévu.
Telle qu'elle est actuellement pratiquée, la dialyse est une procédure grossière. Les patients sont reliés par voie intraveineuse à une pompe puissante qui fait circuler leur sang à travers une cartouche de fibres plastiques poreuses. Les fluides, les toxines dissoutes et les sels traversent les fibres et sont rejetés, tandis que les protéines et les cellules sanguines capturées dans le tamis sont supplémentées en électrolyte avant de retourner au patient. La mauvaise dynamique des fluides du filtre est fonction de son imprécision : la fabrication du filtre produit une large gamme de pores, donc pour éviter d'avoir trop de gros pores, qui aspireraient de précieuses protéines, les fibres doivent être fabriquées avec une prépondérance de très petits pores. La pompe de la machine fait la différence, forçant le sang à traverser ces tamis inefficaces.
En revanche, Fissell et Roy gravent des pores dans des plaquettes ultrafines de silicium avec une précision lithographique. Le résultat est un réseau homogène de pores, chacun capable de débits de plusieurs ordres de grandeur supérieurs au pore moyen dans un filtre conventionnel. Les pores imitent les diaphragmes extrêmement précis mais efficaces qui filtrent le sang dans un rein humain, ressemblant à un panneau de stores vénitiens, explique Fissell.
Les prototypes actuels contiennent environ 10 000 pores par millimètre carré, selon Fissell. Les membranes de nouvelle génération, actuellement en cours de conception, auront plus de 100 000 pores ou fentes par millimètre carré et fourniront plus de 10 fois le débit. Un dispositif implanté portant plusieurs centaines de centimètres carrés de cette membrane de nouvelle génération devrait, selon Fissell, filtrer au moins 30 millilitres de sang par minute à des pressions artérielles moyennes, soit environ un tiers de la fonction rénale normale. L'implant serait caché sous la peau; de petites poches de fluide portées à l'extérieur pourraient recevoir l'ultrafiltrat et fournir des électrolytes de remplacement.
Le contrôle de ce qui passe par les fentes reste cependant un problème. Alors que même les plus grosses toxines sanguines glissent facilement à travers les fentes de la membrane, des expériences avec des prototypes suggèrent que la plus petite des protéines précieuses, l'albumine, s'écoulera également à travers. Le dextran, un sucre complexe utilisé comme substitut de l'albumine dans les tests de filtration, vole à travers les pores du prototype, bien qu'il mesure environ 40 nanomètres de diamètre, ce qui est trois à quatre fois plus large que les pores. Fissell pense que le dextrane, une molécule à longue chaîne normalement froissée comme une liasse de papier, s'étire lorsqu'il rencontre les pores fendus et se faufile, ce qu'une chaîne protéique comme l'albumine pourrait également faire.
L'équipe de Fissell teste si le rein trie non seulement par taille, mais aussi en générant des charges électriques qui repoussent les chaînes de protéines, qui sont également chargées. Ils modélisent diverses modifications chimiques pour introduire des charges à la surface des pores de silicium.
Pour rendre le système pratique, il faudra rendre les membranes biocompatibles. Le silicium non modifié attire fortement les protéines, et donc une membrane à nanopores de silicium se boucherait rapidement si elle était implantée dans le corps. Le collègue de Fissell à l'Université du Michigan, David Humes, a lancé des études animales avec les nano membranes pour identifier des traitements de surface ou des matériaux de membrane alternatifs qui empêcheront le colmatage des implants.
Humes espère utiliser les membranes pour façonner une version plus sophistiquée de l'implant qui contiendrait des cellules rénales vivantes, analogue à son dispositif d'assistance rénale bioartificiel qui est actuellement en phase deux d'essais cliniques (voir Saving Lives with Living Machines, juillet/août 2003). Dans une version implantable du rein bio-artificiel, des membranes à nanopores protégeraient les cellules rénales vivantes des cellules immunitaires et des anticorps, qui ont contrecarré la plupart des implants d'organes bio-artificiels à ce jour. Les cellules rénales vivantes, à leur tour, amélioreraient la fonction de l'implant en réabsorbant et en renvoyant dans la circulation sanguine une partie des fluides et des sels qui traversent la membrane des nanopores. À terme, les implants bio-artificiels qui récupèrent les fluides et les sels et détournent l'ultrafiltrat restant vers la vessie pourraient même éliminer le besoin de poches externes d'électrolyte et d'ultrafiltrat.
Le néphrologue de la faculté de médecine de l'UCLA, Allen Nissenson, qui a beaucoup travaillé pour soutenir le développement d'appareils de dialyse portables, dit qu'il reste à voir si les chercheurs de l'Université du Michigan peuvent compresser leurs systèmes de filtration dans un emballage suffisamment petit et robuste pour l'implantation. Mais il dit que leur objectif d'émuler plus précisément la fonction du rein est juste et une alternative bienvenue aux améliorations progressives des technologies plus conventionnelles qui ont dominé les développements de la dialyse au cours des 20 dernières années. Les innovations qui imitent plus fidèlement la façon dont les reins naturels fonctionnent sont vraiment à la pointe du futur de la thérapie, dit-il.
Les 30 millilitres par minute de filtration de Fissell fourniraient plus de 30 pour cent de la fonction rénale normale, une énorme amélioration, selon William Harmon, directeur de la néphrologie à l'hôpital pour enfants de Boston. C'est un seuil important, dit-il, au-dessus duquel de nombreux symptômes de maladie rénale s'estomperaient : si vous êtes à 30 pour cent, vous vous en sortez plutôt bien.