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膜技术革新: 更接近肾脏

Membrane innovation: closer to native kidneys

 

前言:

早在透析用于治疗 ESRD 之初,人们就已认识到并非所有和 ESRD 相关的并发症都归因于小的水溶性溶质(比如尿素)的蓄积。当时有两个比较明显的佐证,其一是尿素清除量的增加并没有给 HD 患者带来明显的预后改善;另一个则是尽管 PD 患者相对于 HD 患者有着更高的血尿素氮浓度,但两者之间的预后相似。因此,人们提出了「中分子假说」,认为一些和 ESRD 相关的发病率及死亡率与分子量介于 500-5000Da 溶质蓄积有关。但由于当时一方面尚缺少中分子毒素对临床预后影响的确切证据,又因在更高通量膜研发上存在难以维持体液平衡的技术难点,使得人们当时并不急于追求具有更好溶质清除效率的透析膜。

 

在上世纪 80 年代中后期,随着β2 微球蛋白的发现以及对其和临床预后关系的认知,人们确定了更大分子量毒素的存在,这也再次掀起了寻求能够清除此类毒素透析膜的热潮。随后,分析生物化学的发展又进一步扩宽了人们对中分子毒素谱的认知。到目前为止,已知的尿毒症毒素分子量最高可达 60k Da,人们迫切追求新的策略以应对这些毒素的清除需求,这其中就包括寻找性能和自然肾脏更相近的透析膜。本文就现有透析膜的性能做一综述,并举例阐述透析膜技术进展在毒素清除能力方面是如何实现更接近自然肾的。

 

现有透析膜的特点:

通常情况下,人们根据β2 微球蛋白的清除率和筛分系数将透析膜分为低通和高通两大类。然而,随着中截留量、蛋白渗漏以及高截留量膜又或者超通量、超高通量膜的问世,上述简单的分类方法已不再适用,因此目前亟需制定一套新的透析膜分类方案。

最初的一些观察性研究提出使用高通量膜可改善患者的发病率和死亡率,因此人们试图通过 HEMO 和 MPO 这两项大型 RCT 研究来验证高通量 HD 是否真的能改善患者的预后。然而,这两项研究均未能证明高通量膜具有更明显的生存获益,仅 MPO 亚组分析提示高通量膜能带来一定的获益。根据 HEMO 和 MPO 研究结果,人们推测通过高通量 HD 清除中分子毒素不足以达到生存获益。这是因为在 HD 模式下,溶质清除方式以弥散为主,其效果与溶质分子大小呈反比。与此相反,对流清除方式受溶质分子量的影响较小。因此,人们认为 HDF 这种结合了弥散和对流的透析模式相比于高通量 HD 更能达到有效清除中分子毒素的目的。这种观点促使人们进行了 Contrast、Turkish 和 Eshol 三项 RCT 研究来验证在线后稀释 HDF 相比于低通量或高通量 HD 在改善 ESRD 患者全因死亡率方面的优越性。出乎意料的是,仅 Eshol 一项 RCT 研究肯定了在线后稀释 HDF 的优越性,具体表现在其较高通量 HD 有着更低的全因和感染相关性死亡率。事后分析则提示只有更高的对流量才能得到更好的生存获益。尽管高对流量在线 HDF 能够通过增加中分子毒素清除来获得生存获益,但同时它也有着所需设备昂贵、透析用液量大以及透析相关风险增加等不利因素。因此,开发一种能在 HD 模式下使用,且在溶质渗透性上更接近自然肾脏的新型透析膜似乎是一个解决目前困境的好方案。

 

膜技术发展所面临的挑战——如何更趋近于自然肾:

制膜技术目前所面临的挑战是如何在追求更接近自然肾渗透特性的同时又不造成有益蛋白的丢失。基于白蛋白在维持血浆胶体渗透压以及和患者预后相关等因素,临床上格外重视透析过程中白蛋白的丢失情况。需要注意的是,炎症可影响白蛋白的代谢并最终反应在血白蛋白水平上,因此在评估透析过程中白蛋白的丢失是否会对血白蛋白水平造成影响时应考虑机体炎症状态的有无。

 

实际上,白蛋白在常规 HD 模式下丢失极少,在后稀释 HDF 模式下则相对增多。根据相关研究报道,在使用最常用透析器进行的后稀释 HDF 模式下,每次治疗丢失的白蛋白量在 0.5-4.2 g 之间。另有四项 RCTs 研究发现,HDF 治疗组的血白蛋白水平略低或相当于常规 HD 治疗组。值得注意的是,当使用白蛋白通透性较大的透析器时,HDF 模式下丢失的白蛋白量不容忽视。Kaplan 等使用复用聚砜膜透析器进行 HDF 治疗,发现平均白蛋白丢失量可高达 20-30 g/周,而当停用这些透析器时,患者的血白蛋白水平可明显上升。相关研究也提示,在排除炎症状态的前提下,使用那些每周白蛋白丢失量 ≤ 12 g 的透析器是相对安全的。

 

透析膜分类:

如何分类这些新的、具有更好渗透性的透析膜,至今人们尚未达成共识。基于这些新型透析膜的研发就是为了满足增加中分子毒素清除的需求,因此比较合理的方法就是根据透析膜对这类毒素的清除能力进行分类。以下是有关高通量膜的分类设想:1、标准的高通量膜对应于目前广泛使用的透析膜;2、延展性膜指的是在不使用置换液的条件下,通过弥散+对流的方式达到比标准高通量膜更广的毒素清除谱而又不会导致白蛋白明显丢失;3、蛋白渗漏膜则是在不使用置换液的前提下具有比标准高通量膜更广的毒素清除谱,但在临床上会引起明显的白蛋白丢失。β2 微球蛋白的清除率或筛分系数可用于进行低通和高通膜的区分,但很明显其不适用于上述三类高通量膜的划分。因此在临床上需要建立新的评估标准,比如以更大分子量的中分子毒素(YKL-40、PTX3 等)的清除率或筛分系数作为上述三种高通量膜的分类标准。白蛋白的丢失量可用来进一步划分延展性膜和蛋白渗透膜,根据目前资料认为延展性膜的白蛋白平均丢失量应 ≤ 4 g/次,最高不超过 6.7 g/次。

 

研发新透析膜的途径:

过去数十年来,透析膜技术的发展一直是以模仿自然肾的转运特性以及肾小球滤过屏障(GFB)的筛分特性为导向。人们通过多种研究手段试图提高对肾小球渗透及截留特性的认识,比如利用惰性多糖标志物不会在肾小管被吸收或代谢这一特点来研究 GFB 筛分特性和选择性。利用葡聚糖和聚蔗糖进行滤过试验得到的大鼠肾脏筛分曲线则提示了 GFB 的特点是具有均一大小的孔径,能够将中分子量蛋白和更大分子量蛋白(如白蛋白等)进行快速分离。Rippe 等提出了利用两孔模型来描述肾小球毛细血管壁的渗透性。尽管 GFB 包括机械屏障以及电荷屏障,但研发具有孔经大小均一以及形态固定的透析膜是在实际操作中更容易实现的膜革新途径。

 

透析膜的传统量产技术,如相位反转技术,常常使得膜孔结构随机化以及膜孔隙分布不均匀,进而导致分子量高于截留目标值的溶质截留不足。因此,目前的透析膜设计的平均膜孔大小小于这些希望被清除的溶质大小,以避免其在透析过程中丢失大量大分子物质。这也是近年来膜技术发展着眼于追求更窄的膜孔大小分布范围和高孔隙率的原因。

 

在膜生产过程中,通过对聚合物分子特性,聚合电解质、聚两性电解质和无机离子等添加物以及后续相关程序的严格把控进一步提高了膜孔大小均匀性。膜孔尺寸差异性的降低为制备具有更大孔径但同时又不会导致白蛋白等有益物质丢失的透析膜提供了可能。中截留量透析膜是新问世的一种透析膜,相关研究显示其具有与自然肾接近的筛分曲线。致密的膜孔径分布以及更接近自然肾的筛分曲线赋予了其高滞留起始值。因此,相比于常规的高通量膜,中截留量透析膜具有更广的毒素清除谱,最高可清除分子量达 45 kDa 的大分子毒素。

 

除了完善筛分曲线,膜技术科学家和工程师同时也致力于减少中空纤维的直径和壁厚来追求最大化的弥散转运。大分子毒素的弥散效率低下,因此需要通过对流方式才能实现有效清除。即使在无净超滤的 HD 模式下,基于内超滤的作用,也会有一定量的毒素通过对流模式被清除。在透析器的近段,纤维腔内的压力高于腔外,在压力梯度的作用下促使水份从血液进入透析液;在透析器远端,顺着压力梯度反转,水份反而会渐进性的被重吸收回血液。

 

在给定血流量和透析液流量的情况下,跨膜对流转运量取决于纵径向阻力比的大小,也就是常说的膜压力系数值。纵向阻力与中空纤维长度成正比,与纤维内经的 1/4 成反比,决定了血流途径的压力落差。径向阻力则指的是膜本身对对流的阻力作用。因此,中空纤维长度、直径以及膜通透性的改变会显著影响内超滤率。值得注意的是,纤维直径的降低可导致血流阻力以及压力梯度的升高并由此增加透析相关风险。因此,新的透析膜在设计过程中要把控好纤维长度/直径比,充分利用其比值的升高能增加对流转运率这一特点来达到安全有效清除毒素的目的。利用核成像技术进行对内超滤率的直接量化结果显示:通过调整膜的通透性和纤维几何形状可使内超滤率最高>50 ml/min。在通过强化弥散和对流效率来增加对中分子毒素清除的同时,尚需注意避免细菌源性致热物从透析液进入血液。目前透析膜所用的材料可通过吸附,这种与分子量大小无关的截留模式,来避免透析过程中内毒素以及细菌产物入血。

 

展望:

未来膜技术发展的主旨仍是探索具有更好筛分曲线,更高毒素清除效率的透析膜。纳米技术的发展和应用为实现量产具有均一孔径大小、更薄的膜壁以及高孔隙率特征的高选择性透析膜提供了可能。双层混合基质膜集合了透析和吸附的特点,其在对蛋白结合毒素清除方面业已如预期般的显示出了优势。最后,通过将人工合成膜与肾小管上皮细胞结合所得的仿生肾可能会成为血液净化领域最大的突破。

 

推荐理由:

寻找一种在溶质清除功能上接近自然肾的透析膜一直是过去、现在以及未来膜技术发展的宗旨。本文不仅阐述了近代透析膜工艺的发展,也描绘了未来透析技术发展的可能发现,或许能带您「遇见」未来的透析。

 

【文献出处:Nephrol Dial Transplant. 2018 Oct 1;33(suppl_3):iii22-iii27 

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