人工腎臓とウェアラブル透析装置の開発の進展と課題

Progress in the Development and Challenges for the Use of Artificial Kidneys and Wearable Dialysis Devices.

• Miguel Hueso
• Estanislao Navarro
• Diego Sandoval
• Josep Maria Cruzado

抄録

背景にあるもの:

慢性腎臓病（CKD）患者の治療法としては腎移植が選択されていますが、腎臓が不足していることや障害を抱えていることから、多くの患者さんにとって透析が必要不可欠な治療法となっています。透析は患者さんの生活に大きな影響を与えるため、ウェアラブルな人工腎臓の開発に大きな期待が寄せられていますが、安全性に大きな不安があるため、現在のところ使用には至っていません。一方、血行動態が不安定な透析患者は、不測の事態の変化に対応できないため、断続的な透析治療に耐えられないのが現状である。したがって、新しいウェアラブル透析装置の開発と臨床耐性の向上のためには、装置のアラーム、透析パラメータ、患者関連データをリアルタイムで分析し、リアルタイムのフィードバック応答を得るための人工知能（AI）や機械学習（ML）などの新しい工学分野の貢献が必要とされる。これらの技術は、学習、問題解決、人間の音声理解、または計画と意思決定など、通常人間の知性に関連した能力を備えています。AIの一般的な応用例としては、視覚認識（コンピュータビジョン）、音声認識、言語翻訳などがある。本レビューでは、透析分野における最近の進歩と、人工腎臓の開発におけるAI活用の課題について述べる。

Background: Renal transplantation is the treatment of choice for chronic kidney disease (CKD) patients, but the shortage of kidneys and the disabling medical conditions these patients suffer from make dialysis essential for most of them. Since dialysis drastically affects the patients' lifestyle, there are great expectations for the development of wearable artificial kidneys, although their use is currently impeded by major concerns about safety. On the other hand, dialysis patients with hemodynamic instability do not usually tolerate intermittent dialysis therapy because of their inability to adapt to a changing scenario of unforeseen events. Thus, the development of novel wearable dialysis devices and the improvement of clinical tolerance will need contributions from new branches of engineering such as artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) for the real-time analysis of equipment alarms, dialysis parameters, and patient-related data with a real-time feedback response. These technologies are endowed with abilities normally associated with human intelligence such as learning, problem solving, human speech understanding, or planning and decision-making. Examples of common applications of AI are visual perception (computer vision), speech recognition, and language translation. In this review, we discuss recent progresses in the area of dialysis and challenges for the use of AI in the development of artificial kidneys.

まとめとキーメッセージ:

AI、ML、エレクトロニクス、ロボティクスから派生した新技術は、透析治療に大きなチャンスを提供するだろうが、患者の恒常性の変化を解析して理解し、リアルタイムで適切に対応できるスマートな透析装置を実現するまでには、多くのイノベーションが必要である。組織工学や再生医療の分野では、生体人工腎システムや生体工学的腎臓構築物の移植など、腎不全の治療のための代替細胞ベースのアプローチを提供するための大きな努力が行われています。

Summary and Key Messages: Emerging technologies derived from AI, ML, electronics, and robotics will offer great opportunities for dialysis therapy, but much innovation is needed before we achieve a smart dialysis machine able to analyze and understand changes in patient homeostasis and to respond appropriately in real time. Great efforts are being made in the fields of tissue engineering and regenerative medicine to provide alternative cell-based approaches for the treatment of renal failure, including bioartificial renal systems and the implantation of bioengineered kidney constructs.