Искусственная почка

Почки обладают впечатляющим запасом прочности и продолжают самоотверженно выполнять свои функции по выведению продуктов обмена, электролитов и токсических веществ даже при гибели 70–90 % нефронов. Стойкость этого парного органа выходит его владельцу боком: к моменту появления серьезных жалоб при хронической болезни почек (ХБП) возможность повлиять на дальнейшее прогрессирование, как правило, уже упущена. Трансплантацию донорской почки проводят не более 20 процентам нуждающихся, большинство пациентов пожизненно находятся на заместительной почечной терапии — программном ­гемодиализе.

Можно лишь в очередной раз удивиться тому, как быстро человечество смогло приспособить под медицинские цели законы физики. Короткую, но бурную историю аппаратного диализа творили врачи, обладавшие, помимо умных голов, очень умелыми руками, горячими сердцами и непоколебимой верой в себя и ­диффузию.

Упрощенно принцип работы «искусственной почки» выглядит так. Кровь циркулирует внутри трубки, стенки которой выполнены из материала, проницаемого для низкомолекулярных веществ, таких как ионы калия, глюкоза, мочевина и креатинин. Трубка помещается в диализный раствор, по составу близкий к плазме крови в ­норме.

Если в плазме больного повышено содержание каких‑либо веществ, то они диффундируют в диализный раствор, стремясь уровнять концентрации по обе стороны мембраны. Чем больше ее рабочая площадь и скорость потока крови (в разумных пределах, зависящих от параметров и состояния пациента) — тем больше отфильтруется. При создании более высокого давления с внутренней стороны мембраны будут выделяться излишки воды — процесс, называемый ультрафильтрацией. Чтобы кровь, чувствительная к механическим воздействиям, не свернулась, нужен ­антикоагулянт.

«Почки один раз царице!»

Документальная история почек начинается с древних египтян и иудеев, у которых этот орган пользовался большим уважением и вовсе не с гастрономической точки зрения. Например, египтяне при мумификации знатных людей оставляли в теле сердце и почки, которые считались ответственными за нравственность человека. Древние иудеи представляли почки «местом жительства» эмоций и чувств, поэтому этот орган (наряду с сердцем) подвергается пристальному вниманию Бога и о нем упоминается даже в Библии (Пс. 7:10, Откр. 2:23). Существовала и обратная связь: у евреев почки болели от сожаления и раскаяния, а у древних китайцев — от постоянного страха или ­печали.

В дальнейшем почки были лишены сакральной составляющей и низведены в ранг органа для сброса лишней воды. Древние греки, римляне и персы в лице Гиппократа, Галена и Ибн Сины активно продвигали учение о четырех жидкостях (слизи, крови, черной и желтой желчи), в котором моче места не нашлось. Предполагалось, что почки самостоятельно «привлекают» избыток воды из крови и выводят в виде ­мочи.

При этом упомянутые светила медицины правильно отмечали, что при нарушениях функции почек их роль частично берут на себя потовые железы, и рекомендовали таким больным различные способы хорошо пропотеть: от песочных ванн до бани. Последние в средневековой Европе не прижились, так как считалось, что частые водные процедуры провоцируют болезни. На Руси и затем в России баню традиционно уважали и рекомендовали, в том числе при заболеваниях ­почек.

Невероятно, но факт: до конца XVIII века об отсутствии пользы мочи для организма можно было только догадываться, благодаря чему история уринотерапии исчисляется веками. Наконец, в 1797 году французы Антуан де Фуркруа и Луи Воклен при изучении химического состава мочи помимо натрия, калия и различных солей обнаружили мочевину и предположили ее опасность для здоровья. Во второй половине XIX века другие французские медики, Виктор Фельтц и Эжен Риттер, доказали токсичность содержащегося в моче ­калия.

Физик-предсказатель

К этому времени шотландский физик Томас Грэм, используя фильтр из пергаментной бумаги, разделил растворы на кристаллоидные и коллоидные. Первые содержали неорганические соли и сахара, быстро проникали через фильтр и обладали способностью образовывать ­кристаллы.

Процесс диффузии кристаллоидов был назван «диализом». Растворы белков через мембрану практически не просачивались. В своих опытах Грэм использовал желатин, по греческому названию которого («kolla») было дано имя всему классу растворов — ­коллоиды.

Символично, что «отец диализа» был знаком с работами основоположника нефрологии Ричарда Брайта, и в своем опыте 1854 года продемонстрировал диффузию компонентов мочи (солей и мочевины) через мембрану в емкость с дистиллированной водой, предсказав возможность лечения болезней почек с использованием этих свойств в недалеком ­будущем.

Изобретательные врачи

История диализа учит нас тому, что мало иметь голову и придумывать что‑то хорошее, необходимы также растущие из нужного места руки, чтобы это хорошее материализовать. Так, в 1912 г. американские медики Джон Абель, Леонард Роунтри и Бенджамин Тернер смастерили и использовали первый экспериментальный диализатор для удаления продуктов обмена и салицилата из крови ­собак.

Изобретение представляло собой восемь параллельных трубок из нитроцеллюлозы (целлоидина), по которым циркулировала кровь. Конструкция была помещена в стеклянный сосуд, заполненный 0,6‑процентным раствором хлорида натрия. Все работы над устройством врачи провели самостоятельно, от создания целлоидиновых трубок и получения экстракта из пиявок (антикоагулянта гирудина) до стеклянных восьмиконечных «переходников», удаления почек у собак и биохимических ­анализов.

Немецкий врач Георг Хаас, наблюдая неудовлетворительные результаты постельного режима, диетотерапии и кровопусканий при терминальной почечной недостаточности, самостоятельно собрал сходный с изобретением Абеля аппарат и в 1924 г. провел первый сеанс гемодиализа пациенту с уремией. Процедура длилась 15 минут, клинического значения не имела, однако факт диффузии вредных веществ в диализный раствор был биохимически доказан. Начало было ­положено.

К сожалению, гирудин как антикоагулянт слабо поддавался дозированию, вызывал кровотечения и был токсичен, а целлоидин был очень хрупок и поэтому плохо поддавался стерилизации. Отдельные энтузиасты пытались использовать в качестве материала для трубок обработанные кишки цыплят или брюшину с аппендикса коров, однако широкого признания не ­получили.Поэтому следующим толчком к всплеску конструкторской активности среди нефрологов послужили распространение гепарина, выделенного из печени собаки в 1916 году, и доступность целлофана, использовавшегося в пищевой промышленности с начала века для упаковки сосисок. В 1938 году американский врач-лаборант Вильям Талхаймер объединил эти два компонента в одном диализаторе и провел успешную серию экспериментов на нефрэктомированных ­собаках.

Первый успех

История аппаратного диализа также учит нас упорству даже при отсутствии умелых рук. Пример тому — голландский доктор Виллем Кольфф, создатель первой «искусственной почки», спасшей жизнь человеку.

По традиции многих медицинских открытий, посвятить жизнь работе над диализатором начинающего врача подвигла смерть от уремии молодого пациента и последовавший тяжелый разговор с его ­матерью.

В 1938 г. Кольфф устроился волонтером в Университет Гронингена и в 1940 г. начал эксперименты с плазмой и целлофаном. Немногим позже Голландию захватили нацисты, глава медфакультета, поддерживавший исследования Кольффа, покончил жизнь самоубийством, и наш герой перебрался в небольшой городок Кампен на должность ­терапевта.

На новом месте он продолжил носиться с идеей диализатора. В отличие от идейных предшественников, Кольфф ничего не мастерил сам, зато сумел получить под свое начало пять опытных технологов, договорился с эмалевой фабрикой, и в 1943 году аппарат был ­готов.

Диализатор Кольффа представлял собой 30‑метровую целлофановую трубку, обмотанную вокруг горизонтально-ориентированного барабана из алюминиевых или деревянных планок, наполовину погруженного в 100‑литровую емкость с диализирующим ­раствором.

Барабан вращали вручную. Кровь самостоятельно поступала порциями в трубку из катетеризированной периферической вены или артерии. По мере вращения барабана она перетекала по трубке, на конце которой располагался небольшой насос и ловушка для тромбов и пузырьков воздуха. Очищенную таким образом кровь возвращали в периферическую ­вену.

В течение двух лет та же участь постигла следующих 14 пациентов Кольффа, 15‑й — с острой задержкой мочи — выжил благодаря катетеризации мочевого пузыря, а не диализу, но изобретатель энтузиазма не растерял. 16‑я — и первая выжившая — больная с острой почечной недостаточностью была выведена из уремической комы с помощью «искусственной почки» в 1945 ­году.

Многие коллеги отнеслись к изобретению Кольффа скептически, продолжая отдавать предпочтение более привычной безбелковой диете. Однако со временем, претерпев технологические улучшения, аппарат Кольффа — Бригхэма в 1950‑х гг. начал входить в практику нефрологов некоторых больниц США и Европы и был использован в полевом военном госпитале во время Корейской войны для лечения гиперкалиемии.

В 1947 году швед Нильс Олуолл поместил целлофановую трубку между двух металлических сеток, что позволило увеличить прочность мембраны и, создавая разницу гидростатического давления, удалять излишки воды из ­организма.

Другой подход

При кажущейся логичности и простоте конструкции «барабанный» диализатор Кольффа — Бригхэма был довольно сложным в сборке, громоздким и часто непредсказуемым в объеме «потребляемой» ­крови.

Американцы Леонард Скеггс и Джек Леонардс пошли другим путем и в 1948 году создали пластинчатый диализатор. Вместо длинной трубки кровь текла между 2 пластинок из целлофана с резиновыми стенками по бокам, с наружной стороны омываемых потоком жидкости. Аппарат стал компактнее, потреблял меньше диализной жидкости и был более ­эффективным.

Норвежский уролог Фредерик Киил в 1960 г. доработал диализатор Скеггса — Леонардса, в частности, заменил целлофан на более прочный и пористый купрофан — в итоге «почка» Киила состояла на вооружении нефрологов до 1990‑х ­гг.

В 1960 году был впервые наложен наружный артерио-венозный шунт: в периферические артерию и вену были введены тефлоновые канюли, соединенные на поверхности тела силиконовой трубкой. Для подключения к контуру диализатора трубки разъединялись. В 1965 году сформировали артериовенозную фистулу: периферические артерия и вена были сшиты бок в бок, вена, расширявшаяся под давлением крови, становилась доступна для многочисленных ­пункций.

Дальнейшее развитие химической промышленности привело к появлению полых волокон, послуживших материалом для наиболее современных «капиллярных» диализаторов. Тысячи тонких — около 200 микрометров — капилляров спиральной формы с полупроницаемыми стенками упакованы в пластиковый контейнер. Кровь течет по капиллярам, снаружи омываемым диализной жидкостью. Благодаря малому диаметру и большому количеству полых волокон удалось впихнуть большую рабочую площадь — до 2 и более квадратных метров — в компактный цилиндр, по обхвату умещающийся в ладони и длиной около 30 см. Параллельно с возрастающей сложностью конструкции аппараты для гемодиализа всё больше автоматизировались и обзаводились всевозможными датчиками и системами ­контроля.

Бурное развитие диализной службы привело к значительному увеличению продолжительности жизни пациентов с хронической болезнью почек. Люди, которые 70 лет назад не протянули бы и месяца, в наши дни имеют большие шансы прожить годы и десятилетия, хотя и с некоторыми неудобствами. Парадокс в том, что вследствие постоянного прироста больных с терминальной стадией хронической болезни почек, центров диализа не хватает ни в одной стране ­мира.