整理: 蔡鎧任 醫師
慢性腎臟病是一個全球性的健康議題，而且患者人數正在持續不斷地上升中，預估約佔全世界人口的8%~16%。進展到末期腎臟病之後，必須進行透析治療或腎臟移植治療。最新統計資料顯示，在美國所有末期腎臟病的病人中，有63%使用血液透析，7%使用腹膜透析，而只有30%的病人能進行腎臟移植治療。由於適合移植的腎臟數量太少，大部分患者仍需使用透析治療，而透析治療會給生活帶來諸多不便，預估全世界有超過兩百萬患者深受其苦，本篇文章引CJASN 2020年的Ambulatory Hemodialysis-Technology Landscape and Potential for Patient-Centered Treatment，介紹不需臥床的兩種血液透析方式，第一種是可穿戴式的透析裝置(Wearable artificial kidney)，第二種是植入型的腎臟替代療法(Implantable Kidney Replacement Therapy)，期待能改善透析治療患者的生活品質。
現行血液透析方式比一比
健康的腎臟是以24小不打烊的方式替我們身體移除過多的水分及離子，因此，理想的血液透析治療應該是每次透析時間較長及每次透析間隔較短為佳。目前血液透析兩種方式為
- 到診所或醫院進行血液透析(In-center hemodialysis): 由於患者及透析中心都希望能減少透析的時間換取更好的生活品質，所以大部分患者是以每週三次，每次四小時的週期性方式進行，由於透析時間不足的關係，常常會有體液過多或是磷離子累積造成的高磷酸鹽血症(hyperphosphatemia)，會使心血管風險上升，與長期存活率息息相關。改善的方法為增加透析次數或是延長每次透析時間至6~8小時。
- 在家進行血液透析(Patient-centered): 好處是患者飲食及水分的攝取較不受限制，隨時能在家透析也減少體液過多及高磷酸鹽血症的風險；不過麻煩的是，透析機器笨重又佔空間，操作機器需有專業的技術人員，患者本身睡眠不足及疲勞也是常見問題。因此，在美國只有2% 的患者選擇在家進行血液透析。
可穿戴式的透析裝置須具備哪些科技新條件
透析模(Dialysis Membranes)
傳統的透析模是聚合物組成的中空纖維，厚度30~100 mm，透析孔洞不規則分布，會影響液體的通透性和莫耳分子的選擇性。新的矽奈米孔洞透析模(silicon nanopore membranes)只有0.1–1.0 mm厚，使用抗血栓(Thromboresistant)及無生物汙染(avoid biofouling)材質，擁有高度統一及平行隙縫狀分布的孔洞(parallel slit–shaped pores)
可再生的透析液(Dialysate Regeneration)
由於透析時流速標準設定在500ml/min，所以每位病人每次洗腎中(約四小時)，會接觸到 120~200公升的水，而可穿戴式透析液只有375ml，因此，需要有一套系統能使「髒」的透析液再生，重複循環使用，其中共有三道潔淨透析液的關卡: 酵素(enzyme)，陰陽離子交換裝置(cation and anion exchangers)，活性炭及吸附劑(activated carbon and sorbent)。下文會詳細介紹如何使「髒」的透析液再生。
血管通路(Vascular Access)
血管通路是透析治療的「Achilles heel」，常發生一些感染、出血、血栓、空氣栓塞等等併發症，其中，靜脈端留置針脫落是非常危險且致命的。傳統的瘻管是「兩針單泵(Double needle, Single pump)」，如同傳統洗腎，動脈端引血，經過一個泵調節，再由靜脈端送回血液；改良式的是「一針雙泵(Single needle, Double pump)」，只要被扎一針，體外兩個泵決定血液由動脈端流出(此時靜脈端的泵阻斷血流)，再由靜脈端流入人體(此時動端的泵阻斷血血流)。
兩針式的透析方式，若發生靜脈端留置針脫落，出血量非常大，可能造成休克甚至死亡；但是改良型的瘻管，為新型一針式的透析方法，若不慎針頭脫落，最大出血量僅為透析循環裝置的體積而已，相對來說，安全許多。
血液驅動幫浦(Blood Pump): 安全、安靜及體積小是必備的，另外，因為可穿戴式裝置在透析時流速較慢，所以較低能量驅動(lower-power)及較小型電池(smaller battery packs)即可達成目標。
病患安全監測系統(Patient Monitoring): 遠距、自動化及危險警示為三大特色。新一代安全監測系統希望能整合壓力、流速、溫度及導電度等等，系統能自動化的調節，降低人為化的操作，治療數據還能上傳雲端並且與電子醫療紀錄系統做整合連結。
前人的努力及成果
不需臥床的透析治療，這個觀念及構想最早出現在1960年代，像是學者Newhart教授提到，可以利用病患自身產生的壓力差(patient-generated pulses)來驅動血液透析，例如，動脈脈搏壓或者呼吸時產生的壓力差。此外，學者Lande等人則提出一套系統，藉由週期性阻斷瘻管(fistula)產生的動靜脈壓力差來驅動血液，還提到使用吸附劑(sorbent)來使透析液再生(Dialysate regeneration)的觀念。
到了1970年代，Willem Kolff教授提出了可穿戴式人工腎臟裝置(Wearable artificial kidney)，重達3.5Kg，當時並沒有空氣氣泡(air bubble)或者滲血(blood leak)偵測器，而且還需要定期與20L的透析液槽(dialysate bath)作連接。
這套系統被用來完整治療一位病人，每週6天，每次3小時，共計35天。也間歇性地治療了其他四位病人，透析流速達到了700 ml/h，每日的尿素清除量為14~20克，每日的肌酸酐清除量為1.5~2.0克。
目前最新發展及進展
現今可使用的可穿戴式人工腎臟裝置(Wearable artificial kidney)是綁帶式(belt-like)的，重量高達5Kg，擁有可充電的電池，使用傳統的人工腎臟(dialyzer)，型號是Gambro Polyflux 6H，還有以吸附劑為主的透析液再生系統(sorbent system)，此裝置以兩套分開的管路來分別驅動血液及透析液，使用三個連接在一起的吸附劑槽來再生透析液(Dialysate Regeneration)
透析液再生(Dialysate Regeneration)分為以下幾個步驟
- 尿素酶(Urease)將尿素(Urea)轉換為氨(ammonia)及碳酸鹽(carbonate)
- 碳酸鹽加氫離子變成二氧化碳，透過氣泡移除系統(bubble removal system)排出
- 磷酸鋯層(zirconium phosphate layer)吸收氨(ammonia)及其他陽離子(鉀、鈣、鎂)，並釋出鈉離子與氫離子作為交換(exchange)
- 水合氧化锆層(hydrous zirconium oxide layer)負責吸收銅與鉛之類的重金屬離子，也吸收磷酸鹽類的陰離子，並釋出醋酸鹽類(acetate)作為交換(exchange)
- 活性碳(Activated charcoal)負責中型溶質(medium-sized solutes)及有機化合物(organic compounds)的吸收。
目前由多國主導的三個大型研究，正在評估這套可穿戴式人工腎臟裝置(Wearable artificial kidney)的可行性，最新的研究收了10位病人，並進行24小時的透析，但在進行到第七位病人時，因為氧化碳氣泡過多，還有血液及透析液流速變化過大等問題，終止了研究。不過整個研究過程中，病人都保持穩定的血液動力學(hemodynamic)，穩定的血紅素及電解質平衡，平均血流速達到42±24 ml/min，平均透析液流速達到43±20 ml/min. 24小時平均尿素清除率17±10 ml/min，24小時平均肌肝酸清除率16±8 ml/min，24小時平均b2-microglobulin清除率5±4 ml/min 。在2018年的年度透析會議中(Annual Dialysis Conference)，Victor Gura醫師表示，可穿戴式透析裝置(Wearable artificial kidney)的版本3.0，總重量只有1Kg，正在研發中。
植入型腎臟替代療法(Implantable Kidney Replacement Therapy)
植入型人工腎臟最大的好處是不需針具，可避免所有因為針頭脫落造成的併發症，這個新型裝置植入到體內的髂窩(iliac fossa)，使用兩階段的透析系統達到療效，第一階段是高效率的矽奈米孔洞透析模(silicon nanopore membranes)，第二階段利用生物科技的腎小管細胞(bioreactor of kidney tubule cells)來維持電解質平衡，利用心臟搏動的能量作為驅動，所以不需要任何的電池裝置，而過多的體液則直接排入到膀胱成為尿液。
動物實驗方面，已經成功植入在6隻小狗身上進行治療，並且只使用了一種抗凝血藥物(acetylsalicylic acid)，即使透析膜有些微的破損或是白蛋白滲漏(albumin leakage)，整個裝置完全沒有任何的血栓形成。在2018年美國腎臟醫學會發表了裝置植入小豬的研究，小豬在植入手術的前三天開始持續使用兩種抗凝血藥物(acetylsalicylic acid and clopidogrel)，手術後使用外接幫浦透析液經過皮下導管進入小豬體內，每日三小時持續治療三日，治療效果達到肌肝酸清除率11~42 ml/min per m2 及尿素清除率26~74 ml/min per m2。現在最新的人體試驗pilot trial正在計畫中。
結論
- 可穿戴式的透析裝置(Wearable artificial kidney)還需要更新的科技來幫忙，例如更棒的透析膜，更好的透析液再生系統，更少併發症的血管通路，更完整自動化的監測系統
- 植入型的腎臟替代療法(Implantable Kidney Replacement Therapy)最大優點為不需血管通路及血液驅動幫補，但需考慮裝置的使用期限，以及多久需要保養維修，還有該如何控制透析速率等等。無論是穿戴型或是植入型的裝置，使用抗凝血藥物的劑量、時機等等都需更多研究佐證，不需臥床的血液透析有很大的潛力及吸引力，但對病人或是照顧者的照顧能力要求也相對提高許多。
參考資料
Nina Hojs, William H. Fissell and Shuvo Roy. Ambulatory Hemodialysis-Technology Landscape and Potential for Patient-Centered Treatment. CJASN January 2020, 15 (1) 152-159; DOI: https://doi.org/10.2215/CJN.01970219