解放军总医院第一医学中心 李清刚教授
由于疾病、创伤等原因造成的肾脏损伤或功能缺失，导致全球需要替代治疗患者大量增多，因为肾源短缺，基于人工肾的血液净化技术是主要替代治疗手段。目前肾脏替代治疗模式，主要是基于血液透析以及腹膜透析技术发展起来的各种透析模式以及技术（见图1），对尿毒症患者提供部分肾脏替代功能。近年来，中国尿毒症患者增长速度很快，每年递增10%，截至2022年底，我国已登记有100万例透析患者。可见，当前肾脏替代治疗需求之大。
图1 肾脏替代治疗
但是，目前的透析装置与人体生理肾相比并不完备。除具有滤过功能外，还缺乏一些生理功能，如没有重吸收功能，更没有调节免疫、内分泌等功能。另外，人工肾体积、重量较大，不方便移动。随着组织工程学技术、干细胞技术等发展，医工交叉融合，多种生物人工肾技术得到发展，是颇具前景的替代治疗方案。生物人工肾与传统人工肾设备不同，生物人工肾结合了活细胞，以增强设备的性能并模仿人类肾脏的生物功能，是颇具前景的替代治疗方案。因此，希冀构建出新的生物人工肾，来满足尿毒症患者的需求。
1. 肾小管辅助装置（RAD）
RAD是早期的生物人工肾模式，1997年，Hums等把猪肾小管细胞种植在管状纤维生物反应膜内，获得了具有单层上皮细胞的肾小管，具备了肾脏的部分重吸收和排泄功能。
该RAD由约108个肾近端小管细胞种植于透析器的中空纤维膜上组成，然后将RAD连接到常规血液过滤器以组装生物人工肾。经透析器处理后的滤液进行再处理，吸收葡萄糖、氨基酸等丢失的成分，并摄取、代谢和排除透析器处理后滤液中的毒物、代谢产物和炎症因子。体外和体内研究均表明，RAD可替代部分肾小管重吸收、代谢活动和分泌功能。
其中，Hums等在种植细胞的过程中，应用到了不同的活性材料修饰有效提高纤维膜上细胞粘附生长，如将3，4-二基-1-苯丙氨酸（I-DOPA）和Ⅳ型胶原（Co Ⅳ）的双重涂层应用于纤维，获得高质量细胞单层；阳离子和阴离子尿毒症毒素，可以跨上皮转运；涂覆hPTEC的中空纤维生物反应器，可以主动转运尿毒症毒素和营养物质，分泌生物活性分子。在此基础上，Hums等展开了RAD对感染性休克动物模型的免疫调节，发现通过降低炎症反应可以提高生存率。在一项纳入58例急性肾损伤患者的Ⅱ期多中心临床试验中，使用连续性肾脏替代治疗联合RAD装置与单独使用肾脏替代治疗患者相比，28 d病死率降低了50%，且RAD可同时提高急性肾损伤患者的肾脏功能恢复能力。另外，RAD在治疗上还可上调急性肾损伤患者活性维生素D水平，下调G-CSF、IL-6、IL-10的水平，发挥内分泌调节和免疫抑制的作用。
总而言之，RAD具备肾小球滤过、肾小管代谢活性、活性转运特性和关键内分泌等功能，为患者提供更全面的治疗，肾细胞ciPTECs可帮助清除活性蛋白结合毒素，ciPTECs在体外或体内不表现出致瘤和/或致癌潜力以及免疫原性。
但RAD未能开展Ⅲ临床试验和应用，与其局限性有关，具体包括：（1）治疗设施的储存、分发以及治疗的标准化。（2）细胞源的可用性、储存、分配和护理点设施重建。（3）不能完全替代内分泌功能，如促红细胞生成素。
2. 生物人工肾小管上皮细胞体系（BRECS）
虽然RAD研究取得了成功，由于无法冷冻，使贮存、分发和应用受到限制。但新型BRECS代表了第一个一体化培养容器、冷冻储存装置和细胞治疗递送系统，可以长期低温保存备用，使细胞具备生物学功能。BRECS由碳基圆盘制成，将细胞接种到铌涂层碳的圆盘。它实际上是包括细胞培养、贮存、治疗在内的多功能合一的体系；有20个细胞种植孔板，由培养液灌注；当每板的细胞数量达到5×106，细胞总数达到108个，可将BRECS冷冻至零下80°或零下140°；使用时解冻，复苏后可以确定细胞活性、代谢、分化表型。
BRECS使用时，在前后各有1个65 kd截留值的滤器，使BRECS分泌产生的小分子蛋白和激素可到达体内，机体的免疫系统不会对BRECS细胞造成损伤。
BRECS与RAD的不同点在于：BRECS支持多孔碳盘的细胞，而RAD支持中空纤维上的细胞；BRECS可低温保存，而RAD不具备此功能；BRECS有一个单独后过滤器来保留细胞碎片，而RAD不需要。BRECS与RAD的相同点在于：BRECS和RAD都使用免疫隔离预过滤器生成超滤液；都是提供补充代谢和分泌性肾功能的可再生细胞设备；都利用体外回路作为治疗平台；小分子清除通过血液滤过实现。
BRECS的特点和局限性：BRECS设计用于超滤血液或腹膜透析装置，不依赖体外连续滤液来源，朝着可穿戴甚至可植入应用迈出重要一步；整个系统可以冷冻保存，从而能够按需用于急性适应证；缺少了矢量运动潜能。
我们利用新型材料设计构建了生物人工肾所需的关键单元，包括完成肾系细胞在3D微载体和静电纳米纺丝材料上的培养；完成体外3D肾脏类器官的培养；设计打印新型生物人工肾细胞治疗单元反应器；申请相关专利3项。
3. 脱细胞支架肾脏再细胞化
我们在2016年承担了国家的重点研发计划，利用一些种子细胞和脱细胞支架，构建组织工程化肾，成功建立肾元祖细胞诱导分化体系，并将iPSC细胞定向诱导为类肾器官，形成肾小球、肾小管、集合管等肾脏结构功能单位。另外，我们还基于肾系祖细胞和发育微环境重塑成功构建工程化肾。通过利用肾元祖细胞灌注仿生修饰的脱细胞支架，构建新型生物人工肾；在体内动物移植后建立血运，存在血流灌注，实现体内结构功能重建；工程化肾构建技术体系为肾脏仿生制备提供了实验基础和技术支撑。遗憾的是，该研究花费大、周期长，未来还需进一步探索。
肾脏脱细胞支架再细胞化的特点及局限性：（1）首先考虑的是再细胞化的细胞来源。理想情况下，代表肾单位不同部分的肾细胞类型的混合物，应用于肾支架的再细胞化。iPSC衍生的肾脏类器官可满足条件。（2）目前大多数概念验证研究都是在动物模型进行的，使用人类肾脏支架的研究仍然有限。（3）需要在脱细胞的人肾支架显示EGM支架的可行性，以及在大型动物模型进行移植，观察其生理功能。
4.可植入式生物人工肾（IBAK）
IBAK装置结合了两个部分，分别是血液过滤器和生物反应器。它的特点是通过微机电系统和硅纳米技术，将透析滤过装置和肾脏辅助装置做成可植入体内；经过过滤器过滤血液，去除毒素和过量的水盐；细胞生物反应器的肾细胞回收水盐，激活维生素D及免疫保护功能。
IBAK被植入血管系统，利用患者的血压将血液泵入具有模仿足细胞狭缝状孔隙的膜的Hemo Cartridge，然后通过含有活肾小管细胞的Bio Cartridge中，从而模仿肾脏的肾小球-小管排列。
IBAK的优点是：IBAK肾小管细胞与受体的免疫细胞或抗体分离，不需要免疫抑制剂，血液的细胞或大分子不能通过过滤器的纳米孔；与BRECS相比，将肾近端小管细胞扩展到硅支架上，但不扩展到传统血液过滤器表面；细胞可以将盐、糖和大部分水重新吸收回血液，并将毒素排泄到膀胱等。
IBAK的局限性是：为了制造生物反应器组件，需要大量高质量的人类近端小管细胞；生物人工肾移植后的长期耐久性和有效性仍有待确定：硅血液过滤器中的纳米孔可能会随着时间的推移而堵塞；近端小管细胞是否长期保持其分化的表型和功能性；基于目前设计患者将依靠补充水和电解质以及饮食限制来维持体内平衡等。
生物人工肾要解决的关键问题是细胞，这是由于患者至少在20%～30%的正常肾功能下生活良好，但构建一个生物人工肾约需要109个细胞。另外应关注技术创新，方向包括：（1）生物材料研发：针对生物相容性、透析效率等关键问题进行材料创新，提高人工肾的耐用性和性能。（2）智能化技术集成：将传感器、控制算法等智能化技术集成到人工肾中，实现自动化监测和调节。（3）小型化与便捷化：通过微型化技术和工程设计，实现人工肾的小型化和便携化，方便患者使用。
关于生物人工肾研制与临床应用展望主要包括这5个方面：（1）最佳细胞群和细胞源，可大规模低成本生产。（2）确定最佳的冷冻保存条件，以确保解冻和重建后保持活细胞安全和功能，安全使用。（3）透析中心附属的细胞培养设施和质量控制措施。（4）提高人工肾制造工艺，确保一致、可重复和高质量的产品。（5）人工肾装置的安全性和有效性评价。