肾脏罢工以后——透析技术的发明史

作者:赵言昌来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-04-18

几代科学家,人类200多年的不懈研究,让血液净化技术挽救了无数尿毒症患者的命。

尿毒症算是明星疾病之一了,隔三差五就能从新闻中见到。[1] 所谓“尿毒”,顾名思义,它肯定跟肾脏有关。

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血液,生命之树的养料(图片来源:singularityhub)

每个细胞都需要养分,而对养分的利用,会产生代谢废物。养分是通过血液循环到达细胞的,代谢废物也最终被排放到血液里。血液是“一视同仁”的,它不光运输养分、血细胞,也承载尿素、多胺等有毒物质。“鱼龙混杂”没关系,因为人体是由多个系统构成的,只要在某个部位,把有害物质清出去、把有益成分留下来就好。

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肾小球的滤过功能(图片来源:mednur)

正常情况下,肾脏扮演着这种清洁工角色。假如肾脏功能异常,代谢废物在人体内大量堆积,便会伤害各器官,引起头昏、烦躁、食欲下降、心率紊乱等症状。这就是常说的“尿毒症”。尿毒症是急慢性肾功能衰竭的共同归途,也是这两种疾病最严重的症状。[2]

一言以蔽之,尿毒症,就是肾脏罢工了。肾脏罢工的解决方案有两个:第一,可以移植一颗健康的肾脏;第二,可以通过某种机械,替代肾脏、清洁血液。

科学怪咖

既然这种机械是用来代替肾脏的,那么,它首先必须学会辨别,哪些物质是对人体有害的。

解决方案也很简单,就在我们周围,只是在我们看不到的地方。

1805年,一个男孩在苏格兰诞生了。这两年流行“人设”,而托马斯·格雷姆(Thomas Graham)的各个方面,都符合天才的设定——他是个不擅长交际的人,一辈子都没有什么朋友;也是个不受家庭欢迎的人,因为择业问题和父亲闹翻;还是一个兴趣广泛的人,虽然他的主业是化学,但是他对其他的领域的贡献,也是良多,比如生理学。[3]

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格雷姆的塑像(图片来源:commons.wikimedia)

19世纪中叶,格雷姆对法国学者René Joachim Henri Dutrochet的研究产生了兴趣。后者是植物学“大拿”,在研究植物的过程中,他注意到一个很好玩的现象——植物有时会吸水,有时则会失水。因此,他发明了一种仪器,用来测量植物细胞壁上的压力,他认为,这种压力,就是所谓的“生命力”。[4]

为了验证这一说法,格雷姆设计了一种特殊的器材。器材的主体,看上去像是一口钟。钟的上部是一个玻璃毛细管,毛细管上有刻度,可以显示水压;下部,蒙着一层膜;底部,则由穿孔的金属管支撑。通过往钟内灌注各种液体,格雷姆观察了不同液体的扩散现象,推翻了前辈的研究——液体运动是自发的,跟“生命力”无关,液体中的小分子物质会主动穿越半透膜,大分子物质则被隔绝在外。[5]

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格雷姆的装置[5]

天才构想

在格雷姆之前,透析(dialysis)指身体虚弱;在他开创了渗透学说之后,学者们不禁开始思索:能不能利用这种技术,实现物质分离呢?

答案在半个世纪之后揭晓。

1914年,《纽约时报(New York Times)》报道了约翰·雅各布·阿贝尔(John Jacob Abel)和他的“人工肾脏”。

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《纽约时报》的报道[6]

阿贝尔,1857年出生于美国。和当时很多青年才俊一样,他在大学毕业后,选择了去欧洲游学。最终拜入著名家者卡尔.路德维希门下,对生理学产生了浓厚的兴趣。不过,人生大事,穿衣吃饭。游学虽好,却不能游学一辈子。在返回美国之前,阿贝尔“悲哀”地发现,做临床医生似乎是自己唯一的选择。[7]

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阿贝尔(图片来源:en.wikipedia)

尽管如此,阿贝尔并没有轻易妥协,他积极争取科研岗位,并且,很幸运地,在存款所剩无几时,得到了密歇根大学医学院的全职教职。

生理研究,可以分为两部分:或者研究物质对器官的影响,或者研究器官对物质的代谢。不管哪一种,都得首先把物质提纯出来。所以,渐渐地,阿贝尔对渗透学说产生了兴趣。

要想用渗透原理分离物质,首先得找到合适的渗透膜。阿贝尔选择了火棉胶,一是因为它的半渗透属性,二是因为常见。另一个难题,是效率。这一方面,还是要得研究人体学。人体内,大血管下面有小血管,小血管又连着毛细血管;虽然越来越细,但是物质交换的总面积,大大增加,因而物质代谢的效率十分高。这给了阿贝尔很大启发,他也在大管道下面,设置了很多平行的、细小的管道,用以增加渗透面积。

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“Vividiffusion”,人工肾脏的雏形[3]

16,影响人类的数字

阿贝尔离清洁血液只有一步之遥了,这一步,却始终没能迈出去。

如果霍金可以多活一年,也许就能等到诺贝尔委员会的贺电;如果海森堡没有弄错原子弹的计算公式,也许,第二次世界大战还在打;如果阿贝尔能够预知到第一次世界大战的发生,也许,透析机会早三十年出现。

历史是充满偶然的!

要想为患者清洁血液,必须使用抗凝剂。当时,肝素尚未发明,水蛭素,一种从水蛭唾液中提取的物质,是唯一的选择;而安全有效的水蛭素,大部分由法国生产。随着第一次世界大战的爆发,法国陷入战火、水蛭素的来源断绝,阿贝尔无奈地终止了自己的研究。[5]

历史又是必然的。只要还存在尿毒症,就会有人向着人工肾脏的目标进发。

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科尔夫(图片来源:thelancet)

和两位前贤比起来,威廉·科尔夫的学者气质不太浓——他更像是一位工程师。

第一次世界大战打了4年,接着是20年的中场休息。1940年5月,德国入侵荷兰。跟所有良知未灭的人一样,科尔夫不愿意跟纳粹组织合作。于是,他转移到了坎彭市的一所小医院。在那里,他充分发挥了自己“能用就行”的哲学,不但建立了欧洲第一个血库,而且成功完成了人类历史上第一例透析治疗。[8]

“能用就行”很容易被当作“凑合”。 “凑合”是对结果的妥协,“能用就行”却是尽量简化条件的智慧。科尔夫一直是一个追求简洁的人,他的人工肾脏,正是这种简洁的代表。[9]没有透析膜,他就用香肠肠衣;效率不够高,就增加肠衣的长度,一直加到了50码(约合46米);为了把血液安全送回患者体内,他还研究了汽车发动机的水泵设计。

接受透析治疗的前15名患者,并没有出现明显好转。不过,科尔夫并不气馁,在原型机的基础上,他不断优化自己的方案,包括改进血液稀释剂和防止凝血等等。“有志者,事竟成。”1945年,科尔夫接收了一位因为肾衰竭而昏迷的患者,开始了自己第16次实验。

在忐忑不安的等待之后,这位患者终于醒了过来。[8]

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血液透析示意图(原图出处:wikipedia)

总结

战争结束以后,科尔夫继续改进自己的设备,让血液透析机,成为了医院的标准配置。根据统计,我国维持血液透析病人的5年存活率是58%~80%,换句话说,因为有了血液透析,绝大多数患者可以长期存活。

不过血液透析只能去医院做,毕竟不大方便,所以,在血液透析之后,又诞生了腹膜透析技术。腹膜透析是一种十分取巧的解决方案。人的腹腔内,有一层腹膜,而腹膜是半透膜。利用腹膜的半透性,可以把透析液注入到患者体内,在血液和透析液完成物质交换以后,把透析液放出。这样,就不一定要去医院,甚至可以在睡眠时进行(全自动腹膜透析技术,APD),把患者从透析中解放出来。[10]

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腹膜透析示意图(原图出处:wikipedia)

问题在于,不管是血液透析,还是腹膜透析,都不是一劳永逸的解决方案。一般而言,血液透析患者一年要进行145次透析,而腹膜透析患者,一年需要1376袋透析液,平均支出分别为8万元和7万元。[11]即使医保覆盖面不断扩大,这仍然是一笔不小的开销。

何时才能出现有效又廉价的尿毒症治疗方案呢?

——只要探索精神还在,总有后来者。

参考文献

[1] 90后女孩患尿毒症 画表情包筹医药费_社会_环球网[EB/OL]. [2018-03-11]. http://society.huanqiu.com/article/2018-03/11655921.html.

[2] 金惠铭, 王建枝. 病理生理学[M]. 人民卫生出版社, 2008.

[3] S I T, M K C, MOHAMED R. Dialysis: History, Development And Promise[M]. World Scientific, 2012.

[4] ZULKARNAEV A. BRIEF HISTORY OF THE STUDY OF DIFFUSION AND OSMOSIS IN THE CONTEXT OF DIALYSIS[J]. Nephrology Dialysis Transplantation, 2017, 32(suppl_3): iii37-iii38.

[5] GOTTSCHALK C W, FELLNER S K. History of the science of dialysis[J]. American journal of nephrology, 1997, 17(3–4): 289–298.

[6] EKNOYAN G. The wonderful apparatus of John Jacob Abel called the 《artificial kidney》[J]. Seminars in Dialysis, 2009, 22(3): 287–296.

[7] John Jacob Abel facts, information, pictures | Encyclopedia.com articles about John Jacob Abel[EB/OL]. [2018-03-06]. https://www.encyclopedia.com/people/medicine/medicine-biographies/john-jacob-abel#2830900017.

[8] BLAKESLEE S. Willem Kolff, Doctor Who Invented Kidney and Heart Machines, Dies at 97[J]. The New York Times, 2009.

[9] WATTS G. Willem Johan Kolff[J]. The Lancet, 2009, 373(9670): 1168.

[10] 慕景强. 那把柳叶刀: 剥下医学的外衣[M]. 浙江大学出版社, 2013.

[11] 肖月, 隋宾艳, 赵琨. 我国终末期肾病现状及透析技术的应用, 费用及支付情况分析[D]. 2011.

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