人工智能制造肾脏新型人工肾：让透析不再是患者救命的“最后底牌”|智慧城市|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

新型人工肾：让透析不再是患者救命的“最后底牌”

关注人工器官发展③

目前，科学家在研究新型人造生物肾的征途上已经迈出了“万里长征第一步”，3D技术打印生物肾、干细胞培养的生物肾以及将动物肾进行改造后移植给人等路径都有科学家在进行实践。随着肾脏替代技术的发展，这些新型人工肾最终或将用于临床，让为透析所困的患者重获新生。

自1943年荷兰医生Kolff与工程师Berk共同研制出世界上第一台体积庞大的转鼓式人工肾后，血液净化技术取得了非常大的进步和发展，挽救了无数生命。然而，这种被称为尿毒症患者救命的“最后底牌”的透析技术，却往往因为透析频次多、时间长、可能出现透析失衡、感染等并发症，让许多患者望而生畏。

据2020世界顶级医学期刊《柳叶刀》公布的全球慢性肾脏病流行病学报告显示：截止到2017年，全球慢性肾脏病患者人数达6.975亿，中国患病人数达1.323亿。我国国家肾脏病医疗质量控制中心数据显示，我国透析患者数量已接近80万人，而且呈逐年增长趋势。

目前，随着纳米科技、3D打印、生物医学、人工智能等新技术的广泛应用，新型人工肾的研发取得了重要进展，有望将患者从透析中解放出来。

人工肾可挽救肾衰竭患者生命

人体内的每个器官都各司其职。肾脏担负着人体内代谢废物的排泄，以及维持酸碱平衡及各种电解质稳定的功能。一旦肾脏失去功能，人体内毒素和废物的代谢将受到很大影响，毒素和废物排出不畅，就会堆积在体内，对身体造成伤害。目前肾替代治疗的主要方式仍然是在医院或血液净化中心进行透析治疗。

“人工肾是可以模拟人体肾脏功能进行肾脏替代治疗的装置的统称，主要包括目前临床广泛使用的血液透析、腹膜透析等技术设备，用于救治急、慢性肾功能衰竭患者的生命。”天津市医学会肾病学分会委员、武警特色医学中心肾病学科主任医师宋洁介绍，血液透析是将血液引出体外流经人工合成的生物膜，通过弥散、对流、吸附等原理将血液中的代谢废物、毒素、过多的水分等清除，然后再让经过净化的血液回流到人体内。

“虽然人工肾可以挽救生命，但也存在很多弊端。”宋洁介绍，全球有将近400万人接受人工肾的替代治疗，但由于透析相关并发症多，死亡风险高，患者平均5年生存率只有50%左右。

血液透析患者往往需每周往返医院3—4次，每次透析耗时3—4小时，治疗过程中患者需要躺在治疗床上，通过特殊的管路与透析机连接。这种频繁且被固定机器所束缚的治疗模式，使患者的自由受限，严重影响了他们的正常生活。从能源和环保方面看，目前人工肾工作需要消耗大量的水和电。据统计，如果按每人每次血液透析4小时，透析液流速500毫升/分计算，每分钟就需要用约1升的市政供水来准备透析液，4小时的透析需要消耗240升市政供水。此外，血液透析的电力消耗也非常大，每年全球血液透析估计消耗27.5亿千瓦时电力。

“因此，近年来，人工肾的创新性研究方向主要集中在如何提高尿毒症患者长期生存率、改善其生活质量，以及使用过程中如何节能环保。”宋洁表示。

可穿戴人工肾有望改善患者生活

近年来，科研人员一直在孜孜不倦地研发更高科技、更便携，不影响工作、生活的人工肾。其中，离临床最近的当属便携式可穿戴人工肾。

随着吸附剂技术、纳米技术和细胞培养技术的进步，重量小于2公斤的可穿戴式人工肾（AWAK）已进入临床试验阶段。“AWAK人工肾是一款重量很轻、内含特殊吸附剂的新型腹膜透析装置。与传统腹膜透析相比，它不需要依赖大量的透析液体，患者背着它可以随意走动。”宋洁介绍，“今年3月，还有一种名为WAK3.0的穿戴式人工肾获批美国专利，WAK3.0仅重0.9公斤，体积更小，可像腰带一样佩戴。它可以模拟肾脏，24小时持续稳定地清除患者体内的毒素和水分，不影响患者日常活动。”

但由于便携式设备经常与人体进行连接、断开的操作，可能会导致感染风险。于是，也有科研人员尝试将小型透析装置直接植入人体内。

“植入式人工肾（IAKs）是一种结合了硅纳米技术和人工培养生物肾小管上皮细胞的模拟人工肾，重量只有约0.5公斤，目前也已植入动物体内进行实验。”宋洁认为，从动物实验过渡到人体临床试验，还需进一步观察硅纳米膜材料与人体的生物相容性，验证其清除废物、净化血液的效能。“虽然最终达到植入人体的目标可能还需要更多研究充分验证，但IAKs的研制仍然让人兴奋，不久的将来可能会改变许多透析患者的命运。”

目前，计算机、通信技术和互联网技术的飞速发展，Quanta SC+、NxStage System One等各种智慧化的血液透析系统的研发成功和推广应用，已经使家庭透析进入远程智能化时代，患者在家中就可以安全地完成治疗，时间更自由，也更节约水电，将来有望在全球范围内推广。

“在我国，天津大学、四川大学、武警特色医学中心等多家单位的专家团队也一直致力于小型便携式人工肾、可穿戴式人工肾的研发，关键技术已经取得了突破性进展。”宋洁举例说，“比如武警特色医学中心研制了一种便携式人工肾，重量约12公斤，和家用电脑主机箱一样大小，单人即可携带，电池驱动，方便医护人员携带到地震等灾害现场救治重症肾功能衰竭患者。四川大学的专家团队也采用新材料及微型化技术，正在研制能像腰带一样戴在身上的佩戴式人工肾。”

人造生物肾或将让患者摆脱透析

“目前研发的人工肾，还仅仅只是一个机器。各种人工生物材料对人体来说仍然是外来物，它可以模仿人类肾脏的功能，但可能永远无法取代它。”宋洁介绍，肾移植仍然是终末期肾病患者的最佳治疗方式。但用于移植的器官供求之间存在巨大差距，因此国内外科学家们进行了大量实验，尝试研制出更接近天然肾脏的人造生物肾。

目前，科学家在研究新型人造生物肾的征途上已经迈出了“万里长征第一步”，3D技术打印生物肾、干细胞培养的生物肾以及将动物肾进行改造后移植给人等路径都有科学家在进行实践。

“目前要想通过3D技术打印生物肾脏还面临许多挑战。”宋洁解释，一方面肾脏结构十分复杂，由26种不同类型的细胞组成，要达到或接近天然肾脏的功能，上皮细胞、内皮细胞和系膜细胞都是必需具备的，这些细胞不仅要达到足够的数量，还要能模拟天然肾脏的自分泌和旁分泌功能，来达到传递生物信号的作用；另一方面还需要有丰富的人类肾脏细胞来源，这就涉及到医学伦理问题；此外，还需具备纳米尺度分辨率的高速生物打印技术；最后，生物打印的肾脏在植入人体前还要经过严格的生理成熟性和功能性测试。

目前，还有一些研究人员正在开展将去细胞肾脏作为移植肾脏替代方案的实验，去细胞化是指去除所有细胞材料，即去除了出现负面影响的免疫原，只保留肾脏的支架结构，包括基质结构和固有的生物连接，这样动物肾脏也可以作为人体肾脏移植的潜在来源，在去细胞化后的支架结构上重新植入一个祖细胞群，包括诱导多能干细胞、胚胎干细胞、骨髓来源的间充质干细胞等，形成人体新的肾脏。

尽管目前还存在很多困难，但随着肾脏替代技术的发展，这些新型人工肾最终或将用于临床，让为透析所困的患者重获新生。（陈曦）

来源：科技日报

完胜人类选手后，“冷扑大师”想用人工智能提高肾脏移植效率

利用不完美信息的博弈，“冷扑大师”（德州扑克人工智能程序）今年4月份在海南完胜中国“学霸”队。对于“冷扑大师”的设计者托马斯•桑德霍姆（Tuomas Sandholm）来说，赢下比赛是第一步，他更期待的是利用“冷扑大师”的算法，在现实生活中找到实际的应用场景。

近日，在杉树科技人工智能大师圆桌会议上， “冷扑大师”设计者、美国卡内基梅隆大学（CMU）的计算机系教授托马斯•桑德霍姆（Tuomas Sandholm）告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），相比AlphaGo下围棋时能得到的完美信息，在日常生活中，我们更多的会遇到不完美信息博弈的场景，比如医疗领域里的肾脏移植。在桑德霍姆的帮助下，美国器官移植网络的非营利性组织（United Network for Organ Sharing，简称UNOS）成功建立了更有效的肾脏分配制度。

在德州扑克中，玩家不知道对手手中是什么牌，不知道五张公共牌会开出怎样的结果，也不知道对手猜测自己握有怎样的手牌。要想取胜，计算机需要找到一个无论对方怎么做，自己都不会产生损失的策略。不完美信息的博弈就是让人工智能学会找到平衡风险与收益的方法。这与器官移植有着相似点。因为对于等待器官移植的病人来说，他只知晓自己的情况，无法了解整个器官供应链条中的信息。这种情况下，我们就需要在 “不完美信息”的情景中做出决策。

用算法提高肾脏捐赠的匹配率和捐赠效率

目前，传统的器官移植主要有两类：一类是亲属捐献，即病人亲属捐献，这类捐献的好处就是病人往往不用等；另外一类是死者捐献，一些死者在死前会签署捐献协议，承诺死后捐献器官。但不论是哪一种，器官捐献的数量都远远落后于病人数量。

除了移植器官数量稀少外，器官移植还涉及到移植分配和效率问题。举例来说，移植的器官与接受器官移植的病人，因为血型不符或白血球抗原过敏，导致器官移植之后，病人的身体与器官相互排斥。这样一来，不见得等到有移植的器官，病人就能得救，他同样冒着极大的风险。

因此，如何让有限的器官，送到有需要的病人那，成为关键，这就需要设计一个合理的分配机制。从目前的医疗实践来看，肾脏移植有两种方式。一是建立多人交换循环。比如，A家属给自己的病人A捐献不了，但却适合另外一家的病人B。而B的亲属的器官刚好适合病人A。在这种情况发生的时候，双方可以通过交换捐献的方式解决问题。依此类推，建立更完整的病人数据库就能扩大受益家庭和病人。但是，这种移植方案也有一个漏洞，即多台手术必须同时做。一旦有肾脏移植的捐赠者出现反悔，就会导致整个捐赠链条不可进行。

多人交换移植

第二种方式是链式匹配。简单的说就是将死者捐献的器官移植给某个病人，但前提条件是病人的亲属答应把肾捐给下一个病人，这个病人的亲属又答应把肾捐给下一个，形成链式反应。链式移植的最大好处是并不需要严格同时执行，每一个家庭都是病人先得到肾再由捐赠人捐献器官。如果有人反悔，虽然会有一些负面的影响，但是相对来说影响会小很多。链式移植的另一个好处是可选择性高，相对来说，会大大提高系统的移植效率。不过，缺点是会消耗一部分死者捐献的肾源。

选择死者肾源的链式移植

在这的情况下， UNOS建立了捐赠者和病人的数据库，内容包括需要移植器官的病人和捐献者的身体情况、血型、身型，还有病人的地理位置，并努力地搜集病人的数据和愿意捐献器官的亲属的数据，更好地把这些亲属匹配起来。最后，利用人工智能算法建立并设计一套算法以在万亿次交换的可能性当中，找到条件匹配的捐赠者和受赠者，从而提高捐赠的效率。

上海财经大学教授，中国运筹学会青年科技奖获得者何斯迈告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），目前美国于2007年已经正式立法，允许交换移植。在桑德霍姆建立算法并应用到UNOS平台后，该平台的肾移植的数量从每年28000例提升到33600例。

效率与公平，最后由谁来决定

虽然利用人工智能算法提高了肾脏移植的匹配率，但因为死者捐赠的肾远远不够满足无亲属捐赠的病人需求。一个肾在一方面可以通过链式移植救很多的病人，同时一定会有病人因此无法得到合适的器官移植。这样一来就会出现经典的电车难题：一辆电车脱轨了，一边的轨道上有一群小朋友在玩。如果你是火车司机，你可以选择将火车扳一个岔道从而拯救这些小朋友，但是会害了在岔道上工作的另一个人。你会怎么做呢？