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Niere: Zeit für eine Turbo-Dialyse

Bei der Behandlung von Nierenerkrankungen hat sich seit Jahrzehnten kaum etwas getan. Endlich packen Forscher es an: Sie wollen Dialysepatienten das Leben erleichtern.
Schematische Darstellung der NierenLaden...

Mat Risher hatte sich geschworen, dass die Dialyse sein Leben nicht auf den Kopf stellen würde. Er hatte in einer Softwarefirma gearbeitet und einen Autorennsimulator mitentwickelt. Dann kam der Nierenschaden durch die Autoimmunerkrankung Lupus. Plötzlich musste er dreimal pro Woche zur Blutfilterung.

Fünf Jahre sind inzwischen vergangen, und die Entschlossenheit, mit der er sein altes Leben aufrechterhalten wollte, ist stark zurückgegangen. Jetzt arbeitet der 33-Jährige in Teilzeit. An guten Tagen probiert er gerne neue Rezepte aus. An schlechten Tagen flammt der Lupus auf, und die Belastung durch die ständige Dialyse zermürbt ihn. »In der Zeit zwischen den Dialysetagen habe ich kein soziales Leben, kein Beziehungsleben«, sagt Risher, der in der Nähe von Seattle, Washington, lebt. »Ich bin zu einem Einsiedler in meinem Zimmer geworden.«

Dabei hat Risher relativ viel Glück; er hat Zugang zu medizinischer Behandlung. Die Zahl jener, denen es nicht so geht und die sterben, weil sie keine Versorgung erhalten, könnte pro Jahr bei bis zu sieben Millionen liegen. Gerade aber wartet Risher, der einem Patientenbeirat des Center for Dialysis Innovation (CDI) in Seattle beigetreten ist, ungeduldig auf eine Variante der Dialyse, die mehr Lebensqualität verspricht. Es wäre die erste Innovation einer Behandlung, die über die vergangenen 50 Jahre nahezu gleich geblieben ist.

Wer eine Dialyseeinrichtung besucht, sagt CDI-Kodirektor Buddy Ratner, findet bei jedem Patienten eine große Maschine am Bett. »Heutzutage gibt es LCD-Bildschirme und moderne Steuerungen«, sagt er. »Aber sehen Sie sich Fotos dieser Maschinen aus den 1960er Jahren an. Die sehen denen von heute ziemlich ähnlich.« Die Überlebensraten sind zwar gestiegen. Doch nur 42 Prozent der US-amerikanischen Patienten, die mit einer Hämodialyse beginnen, sind fünf Jahre später noch am Leben. Das ist weniger als bei vielen Krebsarten. Ratner gehört einem internationalen Kader von Ärzten, Bioingenieuren und Unternehmern an, die daran arbeiten, die Behandlung von Nierenschäden zu revolutionieren. Dazu entwerfen sie tragbare Geräte, die man zur Arbeit mitnehmen oder an seiner Taille befestigen kann. Einige Mitglieder entwickeln sogar künstliche Nieren, die chirurgisch implantiert werden könnten.

Die Dialyse verschlingt enorme Mengen Energie, Material und Wasser: »Es ist nicht gerade eine grüne Therapie«
(John Sedor)

Die Komplexität des Organs ist nach wie vor eine Herausforderung. Die Dialyse wird einer echten menschlichen Niere kaum gerecht. Für bessere oder tragbare Versionen bräuchte man miniaturisierte Komponenten, auch müsste man die nötige Wassermenge drastisch reduzieren. Alle Ansätze, bei denen biologisches Material verwendet werden soll, müssen zudem bei der Zulassung hohe Hürden überwinden.

Zum Glück trägt ein neues Finanzierungspaket dazu bei, den jahrelangen Stillstand zu beenden. Im Jahr 2019 erließ US-Präsident Donald Trump eine Verordnung zur Verbesserung der Nierenmedizin. Ihr Ziel ist es, Strategien gegen den Mangel an Spendernieren zu entwickeln, die Dialyse im eigenen Zuhause zu fördern und die Forschung an künstlichen Nieren zu unterstützen. Dazu haben die US-Regierung und die American Society of Nephrology eine Partnerschaft mit dem Namen KidneyX gegründet. Sie will in den nächsten fünf Jahren 250 Millionen US-Dollar aufbringen. 2019 vergab sie insgesamt 1,1 Millionen Dollar an 15 in den USA ansässige Forschungsteams, die sich mit verschiedenen Bereichen des Dialyseproblems befassen, etwa Gruppen, die sich mit tragbaren Dialysegeräten und biotechnologisch hergestellten Nierentransplantaten beschäftigen.

Weltweit gibt es Fortschritte bei den klinischen Studien zu tragbaren Geräten. Ein Lowtech-Ansatz, von dem Forscher hoffen, dass er in Weltgegenden zum Einsatz kommt, in denen sauberes Wasser rar ist, befindet sich in der finalen Phase. Die Aufwendungen für diese Forschung sind verschwindend gering verglichen mit dem, was es kostet, Patienten mit Nierenerkrankung im Endstadium zu behandeln. Allein in den USA sind das mindestens 35 Milliarden Dollar pro Jahr. Aber die Fachwelt ist optimistisch: Ein mobileres Gerät werde in den nächsten fünf Jahren zur Verfügung stehen, sagt John Sedor, Nephrologe an der Cleveland Clinic in Ohio, der den Vorsitz im Hauptausschuss von KidneyX innehat. Und das erste Gerät, das man am Körper tragen kann, soll im nächsten Jahrzehnt auf den Markt kommen: »Es sind spannende Zeiten. Unsere Forschung ist an einem Wendepunkt angelangt.«

Diese Innovation sei längst überfällig, sagt Valerie Luyckx, Nephrologin am Kantonsspital Graubünden in der Schweiz. Sie erforscht die globale Belastung durch Nierenerkrankungen. Die Dialyse sei »eine Multimilliarden-Dollar-Industrie«, die seit den frühen 1960er Jahren mehrere Milliarden Gewinn abwerfe, sagt sie. »Niemand hat sich je die Mühe gemacht, sie zu verbessern. Erst jetzt, wo es plötzlich Forschung und Fördermittel dafür gibt.«

Ein schlaues Organ

Nieren sind komplexe und widerstandsfähige Organe, die etwa die Größe einer Faust haben. Sie filtern täglich rund 140 Liter Blut und produzieren ein oder zwei Liter Abwasser in Form von Urin.

Jede Niere verfügt über ein Gitterwerk aus etwa einer Million winziger Filtereinheiten, den Nephronen. Das Blut, das in ein Nephron eintritt, durchläuft ein Knäuel winziger Gefäße, das als Glomerulus bezeichnet wird. Abfall, Wasser und andere kleine Moleküle können die dünnen Wände des Glomerulus durchdringen, während größere wie Proteine und Blutzellen zurückgehalten werden. Die gefilterte Flüssigkeit fließt weiter in die Nierenkanälchen, auch Tubuli genannt, wo ein Gleichgewicht von Mineralien, Wasser, Salzen und Glukose eingestellt wird. Moleküle, die für die Körperfunktionen wichtig sind, werden dabei wieder in den Blutkreislauf aufgenommen.

Viele Krankheiten, darunter Diabetes, Fettleibigkeit und Bluthochdruck, können die Nieren belasten. Und diese Erkrankungen werden immer häufiger. Bis zum Jahr 2030 werden voraussichtlich 5,4 Millionen Menschen weltweit eine Dialyse oder eine Transplantation erhalten, und noch viel mehr müssen wohl ohne eine solche Behandlung sterben.

»Die meisten unserer Patienten werden die Therapie auf halbem Weg abbrechen, nachdem sie ihren gesamten Besitz verkauft und die Kinder die Schule abgebrochen haben«
(Gloria Ashuntantang)

Wer eine Dialyse braucht, muss sich in aller Regel in eine Klinik begeben. Dort werden die Patienten an eine mehr als 100 Kilogramm schwere Maschine angeschlossen, die das Blut durch eine halbdurchlässige Membran filtert. Sie soll die Funktion des Glomerulus nachbilden. Dann wird eine Dialyselösung auf Wasserbasis verwendet, um die Blutbestandteile wieder ins Gleichgewicht zu bringen und Giftstoffe auszuschwemmen.

Verhältnismäßig gut gelinge es der Hämodialyse, der gebräuchlichsten Variante der Blutfilterung, die Filterfunktion nachzuahmen, sagt Jonathan Himmelfarb, der andere Kodirektor des CDI. Problematisch sei eher die fein abgestimmte Rekalibrierung, die in den Nierenkanälchen erfolgt. Gesunde Nieren nähmen rund um die Uhr subtile Anpassungen vor, bei den Hämolysepatienten finde der gleiche Vorgang dagegen nur an zwölf Stunden pro Woche, über drei Sitzungen verteilt, statt. Eine so abrupte Wiederherstellung des Gleichgewichts im Blut kann für den Körper einen Schock darstellen und stundenlange Erholung fordern. Risher, der mit der Bahn zur Dialyse fährt, schläft auf dem Heimweg oft ein.

Die ineffiziente Behandlung ist auch sehr teuer: In den USA kostet sie bis zu 91 000 Dollar – pro Jahr und Patient. Das Verfahren verschlingt viel Energie und Material, etwa Kunststoffe, und vor allem Wasser: »Wir verbrauchen riesige Mengen an Wasser«, sagt Sedor, »es ist nicht gerade eine grüne Therapie.«

Außerdem ist der Zugang dazu weltweit lückenhaft. Gerade einmal ein Drittel der Menschen in Asien und noch weniger in Afrika erhalten eine Dialyse (siehe Infografik »Ein vernachlässigtes Bedürfnis«). Und selbst wenn Patienten in Afrika südlich der Sahara mit der Behandlung beginnen, können sie diese selten länger als einige Monate aufrechterhalten.

Viele Menschen mit Nierenerkrankungen bekommen nicht die Behandlung, die sie bräuchten.Laden...
Ein vernachlässigtes Bedürfnis | Ein großer Teil der Menschen, die an chronischen Nierenerkrankungen leiden, hat keinen Zugang zu medizinischer Behandlung.

Der Hauptgrund dafür sind die Kosten. Selbst wenn der Staat für die Sitzungen bezahlt, muss die Familie des Patienten oft die Rechnung für Labortests, Medikamente und alles Weitere übernehmen, sagt Gloria Ashuntantang, Nephrologin am Yaounde General Hospital in Kamerun. »Die meisten unserer Patienten werden die Therapie auf halbem Weg abbrechen, nachdem sie ihren gesamten Besitz verkauft und die Kinder die Schule abgebrochen haben.«

Dennoch fehlt offenbar der Ansporn, das Verfahren zu verbessern. Das liege unter anderem daran, dass die Behandlung äußerst profitabel für Dialyseanbieter auf der ganzen Welt sei, sagt Murray Sheldon, Arzt und Mitarbeiter am Center for Devices and Radiological Health bei der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA). »Sie haben einen Goldesel. Dadurch besteht keine Notwendigkeit, irgendeine Neuerung vorzunehmen.« Dialysefirmen wollen das nicht gelten lassen. Laut Brad Puffer, Sprecher von Fresenius Medical Care in Waltham, Massachusetts, investiert sein Unternehmen sehr wohl in Verbesserungen, zum Beispiel in ein Dialysegerät, das die Blutgerinnung reduzieren soll. Patienten müssten dann womöglich keine vorbeugenden Medikamente gegen diese Nebenwirkung der Hämodialyse einnehmen.

Die Niere im Rucksack

Eines der größten Probleme der aktuellen Dialyse ist, dass die Maschinen große Mengen an Wasser benötigen: 120 bis 180 Liter für jede vierstündige Sitzung, sagt Himmelfarb. »So viel kann natürlich niemand mit sich herumtragen.« Es gibt Modelle für zu Hause, die als tragbar vermarktet werden: Fresenius verkauft beispielsweise ein Gerät, das den Patienten mehr Mobilität ermöglichen soll. Es wiegt 34 Kilogramm und kann über einen normalen Wasserhahn betrieben werden, sofern das Wasser bestimmte Qualitätsstandards erfüllt. Doch eine echte Erleichterung gibt es erst, wenn die Geräte nicht mehr auf eine externe Wasserversorgung angewiesen sind.

Forscher des CDI haben eine Technik entwickelt, bei der die gebrauchte Dialyselösung durch eine Kartusche gedrückt wird, die den Harnstoff – einen der zentralen Giftstoffe, die bei der Dialyse aus dem Blut gefiltert werden – mit Hilfe von Licht in Stickstoff und Kohlendioxid umwandelt. So kann die Lösung wiederverwertet werden. Die Methode könne binnen 24 Stunden 15 Gramm Harnstoff entfernen, was für die meisten Menschen mit Nierenschäden ausreiche, und benötige nur 750 Milliliter Lösung, sagt Himmelfarb.

Das frei stehende Hämodialysegerät des Teams könnte so kompakt gebaut werden, dass es in einen Rollkoffer passe und nicht mehr als neun Kilogramm wiege, sagt Himmelfarb. Im Idealfall würden die Patienten es täglich benutzen.

»Die eigene Nierenfunktion zu regenerieren oder zu verlängern, wäre letztlich viel besser als jedes Gerät«
(Ton Rabelink)

Eine weitere Forschergruppe, die versucht, die Dialysegeräte zu verkleinern, wurde vor Kurzem von der Niederländischen Nierenstiftung, der Medizintechnikfirma Debiotech in Lausanne und gemeinnützigen Versicherungsorganisationen gegründet. Ihr neuester Prototyp, den sie den Patienten bis 2023 zur Verfügung stellen will, wiegt etwa zehn Kilogramm und wird laut Ton Rabelink, einem Nephrologen am Leiden University Medical Center in den Niederlanden, nur sechs Liter Lösung benötigen. Rabelink gehört dem medizinischen Beirat des Unternehmens NextKidney an. Das Gerät, das zu Hause verwendet werden könnte, komme mit so wenig Dialyselösung aus, weil darin ein absorbierendes Material verbaut sei, das die Giftstoffe aufsaugt, sagt Rabelink.

Forscher des Medizintechnikunternehmens AWAK in Singapur haben sogar ein noch leichteres Gerät getestet. Es wiegt gerade einmal drei Kilogramm und ist für die Peritonealdialyse konzipiert. Das ist eine Technik, bei der ein Katheter verwendet wird, um die Dialyselösung in die Bauchhöhle zu leiten, wo sie durch das Bauchfell Giftstoffe aus dem Blut absorbiert. Lösung samt Giftstoffen fließen anschließend in einen Beutel, der außen am Körper getragen wird. Mit Hilfe einer Pumpe und einer Kartusche wird die gebrauchte Lösung wiederaufbereitet und in den Kreislauf zurückgeführt. Die tägliche Behandlung würde sieben bis zehn Stunden dauern.

Das Unternehmen schloss 2018 eine Sicherheitsstudie mit 15 Erwachsenen im Singapore General Hospital ab. Es wurden keine schwer wiegenden Nebenwirkungen gemeldet, einige Patienten litten aber unter Bauchbeschwerden oder einem Blähgefühl. Das Gerät ist eines von mehreren tragbaren Produkten, deren Entwicklung die FDA durch ihr Programm für »breakthrough devices«, also besonders innovative Geräte, beschleunigen will.

Eine solche Neuerung in der kontrollierten Umgebung eines Krankenhauses zu testen, sei jedoch etwas ganz anderes als im täglichen Leben, sagt Arshia Ghaffari, Leiter des Dialysezentrums an der University of Southern California in Los Angeles. Darüber hinaus sei es möglich, dass die ständige Zirkulation der Dialyselösung die empfindlichen Membranen beanspruche und das Bauchfell schneller auslauge. Dem entgegnet ein Sprecher des Unternehmens, dass die Flüssigkeit in kleinen Schritten wieder eingespeist würde – nur 250 Milliliter auf einmal sollen es sein.

Wegen des teuren Versands der schweren Beutel mit Lösung ist die Peritonealdialyse in einigen Regionen der Welt keine Option. 2015 hat darum das George Institute for Global Health im australischen Camperdown einen internationalen Wettbewerb ausgerichtet, um Menschen ärmerer Regionen einen besseren Zugang zur Dialyse zu ermöglichen.

Es gewann eine Technologie, die der irische Ingenieur Vincent Garvey entwickelt hat. Das Set besteht aus sterilen Beuteln mit einer Trockenmischung aus Dextrose und Salzen sowie einem Destillationsapparat von der Größe eines Brotkastens. Dieser sterilisiert das Wasser, das zur Herstellung der Mischung benötigt wird.

Die Vorräte für einen Monat könnten in einer drei Kilogramm schweren Kiste verschickt werden. Das sei eine große Verbesserung gegenüber einem herkömmlichen Tagesvorrat, der acht Kilogramm wiege, sagt John Knight, Geschäftsführer von Ellen Medical Devices. Die Firma im australischen Camperdown wurde zur Entwicklung des Prototyps gegründet. Knights Ziel ist es, bis Ende 2021 eine klinische Studie abzuschließen.

Die eigene Niere wiederherstellen

Forscher der University of California in San Francisco (UCSF) sowie der Vanderbilt University in Nashville wollen dagegen ganz auf externe Geräte verzichten. Sie konzentrieren sich stattdessen auf die Entwicklung eines Nierenprototyps, von dem sie hoffen, dass er eines Tages chirurgisch in den Körper eines Patienten eingesetzt werden kann.

Eine Pumpe wäre nicht erforderlich, weil das Organ an Arterien angeschlossen und durch den Blutdruck angetrieben würde, sagt der Nephrologe William Fissell von der Vanderbilt University, der das Forschungsprojekt gemeinsam mit Shuvo Roy von der UCSF leitet.

Die Kunstniere enthält ein Blutfiltrationssystem und ein zellbasiertes Rekalibrierungsmodul. Der Filter besteht aus Siliziummembranen mit nanometergroßen Poren, die den Glomerulus nachbilden sollen. Um die Blutbestandteile wieder ins Gleichgewicht zu bringen, nutzen die Forscher dagegen Tubuluszellen aus menschlichen Nieren, die nicht mehr transplantiert werden können.

Ende 2019 berichteten Forscher auf einer Tagung der American Society of Nephrology, sie hätten einen ersten Sicherheitstest des Rekalibrierungsmoduls an Schweinen durchgeführt. Schwer wiegende Komplikationen wie eine Immunreaktion oder Blutgerinnsel, die bei implantierten Geräten häufig auftreten, seien dabei ausgeblieben.

Die Kombination aus technischen und biologischen Bestandteilen mache solche implantierbaren Geräten in Entwicklung und Zulassung allerdings viel komplizierter, findet Rabelink. Bis so ein Kombigerät auf den Markt komme, könnte es womöglich schon durch Fortschritte in der Stammzellforschung obsolet geworden sein. »Die eigene Nierenfunktion zu regenerieren oder zu verlängern, wäre letztlich viel besser als jedes Gerät«, sagt er.

Fissell und Roy sind jedoch skeptisch, was baldige Erfolge durch Stammzelltechniken angeht. Bei der Diabetesbehandlung beispielsweise liege die nahe Zukunft auch eher in automatischen Insulinpumpen. Die größte Hürde für sein eigenes Projekt sieht Fissell in der Finanzierung, die nötig ist, um das implantierbare Gerät in ausreichender Zahl und Standardisierung herstellen zu lassen, damit die US-Regulierungsbehörden es bewerten können. Der Prototyp hat ungefähr die Größe einer Cola-Dose. »Ich habe ihn auf meinem Schreibtisch – er ist quasi einsatzbereit«, sagt er.

FDA-Mitarbeiter Sheldon hält es dagegen für unwahrscheinlich, dass eine einzelne Arbeitsgruppe es schafft, die Komplexität einer Niere nachzubilden, mögen manche Teams auch noch so optimistisch sein. Gefragt sei eine Mischung aus Technik, Biologie und viel mehr Geld. Auf einer Tagung der American Society of Nephrology im Jahr 2019 schlug er vor, eine internationale Koalition zu bilden. In den kommenden Monaten plant er eine Reihe von Treffen mit Interessenvertretern und medizinischen Forschergruppen in Europa.

Für Risher und andere Patienten wäre der Zugang zu jedem tragbaren Gerät eine Befreiung. Sie biete »die Freiheit und Flexibilität, die Dialyse zu machen, wann immer ich will«, sagt Risher. Als Autoliebhaber träumt er davon, sein Gerät auf den Beifahrersitz zu stellen und einfach loszufahren, immer geradeaus und nur den Horizont vor Augen.

Dieser Artikel erschien unter dem Titel »Turbocharging dialysis« in »Nature«

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