FI71486C

FI71486C - HEMOPERFUSIONSANORDNING FOER SPECIFIK AVLAEGSNING AV BIOLOGISKA KOMPONENTER FRAON BLODET SOM PERFUSERAS GENOM ANORDNINGEN.

Info

Publication number: FI71486C
Application number: FI803122A
Authority: FI
Inventors: Lee R Beck; Thomas A Davis
Original assignee: Stolle Res & Dev
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1987-01-19
Also published as: FI803122L; FI71486B

Description

1 714861 71486

Hemoperfuusiolaite, jolla voidaan spesifisesti poistaa biologisia komponentteja laitteen läpi perfusoitavasta verestä 5 Keksinnön kohteena on hemoperfuusiolaite, jossa on läpäisemättömästä aineesta tehty pitkänomainen vaippa, jonka päät on suljettu läpäisemättömillä päätylevyillä ja jonka sisällä on verisuodatin, johon on liitetty spesifisiä vaikuttajamolekyylejä, joilla on kyly poistaa endogeenis-10 peräisiä tai eksogeenisperäisiä biologisia komponentteja laitteen läpi perfusioitavasta verestä.The invention relates to a hemoperfusion device having an elongate sheath made of an impermeable substance, the ends of which are closed by impermeable end plates and inside which there is a blood filter to which specific endogenous substances are attached. 10 derived or exogenous biological components from blood perfused through the device.

Veren suodattaminen ja hemoperfuusio veren puhdistamiseksi tunnetaan hyvin. Muutamaa harvaa poikkeusta lukuunottamatta näihin tarkoituksiin käytetyt laitteet poistavat 15 aineita vain esi-spesifisesti.Blood filtration and hemoperfusion to purify the blood are well known. With a few exceptions, equipment used for these purposes removes 15 substances only pre-specifically.

Myrkyllisten tai ei-toivottujen aineiden poistaminen verestä suoritetaan menetelmillä, jotka perustuvat molekyylien erilaisiin kokoihin, kuten dialyysillä, jossa käytetään puoliläpäiseviä kalvoja (ks. US-patenttijulkaisu 20 3 619 423); menetelmillä, jotka perustuvat molekyylien ionisoitumiseen, kuten ioninvaihtohartseilla suoritettavalla perfuusiolla (ks. US-patenttijulkaisut 3 794 584 ja 4 031 010); tai menetelmillä, jotka perustuvat poistettavien aineiden taipumukseen yhtyä adsorboiviin aineisiin, 25 kuten perfuusiolla aktivoidun puuhiilen läpi. Koska edellä mainituil ta menetelmiltä puuttuu spesifisyys tiettyjä aineita ja/tai molekyylejä kohtaan liittyy näiden menetelmien käyttöön huomattavia rajoituksia. Verestä poistettu fraktio sisältää hormoneja, ravinteita, lääkeaineita, elektro-30 lyyttejä sekä muita aineita, joiden poistuminen verenkierrosta saattaa aiheuttaa perfuusiopotilaalle vakavia haittoja. Koska tällaista hoitoa tarvitsevat potilaat kärsivät lääkkeen yliannostuksesta, munuaisten tai maksan toiminnan vajavuudesta tai muista tiloista, jotka vakavasti vähentä-35 vät heidän elinvoimaisuuttaan, he ilmeisestikin sietävät huonosti lisäksi aineenvaihdunnallisen epätasapainon. Li-sähaittana hemoperfuusiolaitteiden spesifisyyden puutteesta ΊΓ~ 2 71486 on, että tällaiset laitteet kykenevät poistamaan verestä vain rajoitetun määrän niitä osasia, jotka kulloinkin halutaan poistaa verestä, ts. kohdeaineita. Nämä kohdeaineet joutuvat kilpailemaan muiden aineiden kanssa adsorboivan 5 aineen pinnalla olevista tarttumiskohdista. Tällaisten laitteiden pitää olla kohtuuttoman suuria, jotta niiden kapasiteetti kohdeaineita varten olisi riittävä.The removal of toxic or unwanted substances from the blood is accomplished by methods based on various molecular sizes, such as dialysis using semipermeable membranes (see U.S. Patent No. 20,316,423); methods based on ionization of molecules, such as perfusion with ion exchange resins (see U.S. Patent Nos. 3,794,584 and 4,031,010); or by methods based on the tendency of the substances to be removed to associate with adsorbents, such as through perfusion-activated charcoal. Because the above methods lack specificity for certain substances and / or molecules, there are significant limitations to the use of these methods. The fraction removed from the blood contains hormones, nutrients, drugs, electro-30 lytes, and other substances whose removal from the bloodstream may cause serious harm to the perfusion patient. In addition, because patients in need of such treatment suffer from drug overdose, renal or hepatic impairment, or other conditions that severely reduce their vitality, they are also poorly tolerated for metabolic imbalances. An additional disadvantage of the lack of specificity of hemoperfusion devices is that such devices are only able to remove from the blood a limited number of particles that are currently desired to be removed from the blood, i.e., target substances. These target substances have to compete with other substances for adhesion sites on the surface of the adsorbent. Such devices must be unreasonably large in order to have sufficient capacity for the target substances.

Näiden laitteiden epäspesifisyyteen liittyvien ongelmien lisäksi on esiintynyt vaikeuksia, jotka johtuvat nii-10 den rakenteesta ja virtausominaisuuksista. Kun veri joutuu kosketukseen ei-biologisten pintojen kanssa tai virtaus on pyörteistä, on usein havaittu esimerkiksi hemolyysin, verihiutaleiden yhteenkasaantumisen, fibriininmuodostumisen tai valkoisten verisolujen tuhoutumisen aiheuttamia vahinkoja 15 veren muodostuvissa aineosissa tai makromolekyylisissä komponenteissa. Hepariinin antaminen potilaalle estää mainittujen vaurioiden syntymisen vain osittain. Hemoperfuusio-laitteet, joissa on sattumanvaraisesti dispergoituja hiuk-kasmaisia adsorbentteja, ovat osoittautuneet taipuvaisiksi 20 tukkeutumaan virtausolosuhteissa. Seurauksena on, että paine laskee liikaa ja virtaus laitteen läpi vähenee. Sellaisissa olosuhteissa lisääntyy veren vahingoittuminen.In addition to the problems associated with the nonspecificity of these devices, difficulties have been encountered due to their structure and flow characteristics. When blood comes in contact with non-biological surfaces or the flow is turbulent, damage to blood-forming components or macromolecular components, such as those caused by hemolysis, platelet aggregation, fibrin formation, or white blood cell destruction, has often been observed. Administration of heparin to a patient only partially prevents the occurrence of said lesions. Hemoperfusion devices with randomly dispersed particulate adsorbents have been shown to be prone to clogging under flow conditions. As a result, the pressure drops too much and the flow through the device decreases. Under such conditions, blood damage increases.

On tehty monia yrityksiä näiden ongelmien välttämiseksi suunnitelemalla laitteita, jotka ovat spesifisiä ja 25 joita voidaan käyttää suurehkolle joukolle molekyylejä, erityisesti aineille, joilla on suuri molekyylipaino. Eräät synteettiset matriisiaineet, joita on tutkittu osoittavat erityistä kemiallista yhtymistaipumusta tiettyihin liuenneisiin aineisiin. Eräässä tällaisessa laitteessa käyte-30 tään fluorihiilimuovia endotoksiinin spesifiseen poistamiseen (ks. US-patenttijulkaisu 3 959 128).Many attempts have been made to avoid these problems by designing devices that are specific and can be used for a larger number of molecules, especially for substances with a high molecular weight. Some synthetic matrix substances that have been studied show a specific chemical tendency to coalesce with certain solutes. One such device uses fluorocarbon plastic for the specific removal of endotoxin (see U.S. Patent 3,959,128).

Lisäspesifisyyttä on saavutettu käyttämällä bioaktiivisia aineita, jotka on sidottu hemoperfuusiosysteemeissä oleviin inertteihin orgaanisiin tai epäorgaanisiin ainei-35 siin. Esimerkkeinä tästä voidaan mainita seuraavat: 71486Additional specificity has been achieved by the use of bioactive agents bound to inert organic or inorganic substances in hemoperfusion systems. Examples of this are: 71486

Useat tutkijat ovat käyttäneet hyväkseen bilirubiinin ja kenodeksikoolihapon affiniteettia seerumialbumiiniin. Myös antigeeni-vasta-aine-vuorovaikutusta on käytetty hyväksi (ks. CA-patenttijulkaisu 957 922).Several researchers have exploited the affinity of bilirubin and chenodexicolic acid for serum albumin. Antigen-antibody interaction has also been exploited (see CA Patent 957,922).

5 Inunobilisoituja antigeenejä on perfusioitu verellä BSA:n, DNA:n HSA:n ja munan albuiinin, veren tekijän VIII sekä immuuniglobuliinifraktioiden IgG ja ImG vasta-aineiden poistamiseksi.5 Inunobilized antigens have been perfused with blood to remove antibodies to BSA, DNA HSA and egg albumin, blood factor VIII, and immunoglobulin fractions IgG and ImG.

Immobilisoituja vasta-aineita (IgG ja IgM) on käytet-10 ty hemoperfuusiojärjestelmissä vähentämään lääkkeiden ja endogeenisten aineiden kiertoa.Immobilized antibodies (IgG and IgM) have been used in hemoperfusion systems to reduce the circulation of drugs and endogenous substances.

Digoksiinin, DNA:n, BSA:n kasvaimiin liittyvien antigeenien ja luovutettujen munuaisten antigeenien ja multip-pelimyeloomaproteiinien ja pientiheyslipoproteiinien vasta-15 aineita on immobilisoitu kehon ulkopuolella olevissa järjestelmissä erilaisia hoitotarkoituksia varten.Antibodies to digoxin, DNA, BSA tumor-associated antigens and donated kidney antigens and multiplex myeloma proteins and low-density lipoproteins have been immobilized in extracorporeal systems for a variety of therapeutic purposes.

Kehon ulkopuolisiin järjestelmiin immobilisoituja entsyymejä, solu-uutteita ja kokonaisia soluja (ks. CA-patentti julkaisu 957 922) ovat esimerkiksi ureaasi, urikaa-20 si, aspariginaasi, haimasolut, maksasolut sekä maksamikro-somit, nukleaasi ja katalaasi.Enzymes, cell extracts, and whole cells immobilized on extracorporeal systems (see CA Patent Publication No. 957,922) include, for example, urease, uricase-20, asparticase, pancreatic cells, liver cells, and liver microsomes, nuclease, and catalase.

Kiertävien biologisten nesteiden kanssa kosketuksiin saatettujen aineiden ja laitteiden ominaisuuksia on tutkittu perinpohjaisesti. Weetall et ai ovat esittäneet seuraa-25 vat kriteerit laitesuunnittelun tarkistusluetteloksi artikkelissa "Some in Vivo and in Vitro studies of Biologically Active Molecules on Organic Matrixes for Potential Therapeutic Applications" julkaisussa Biomedical Applications of Immobilized Enzymes and Proteins, T.M.S. Chang, toimit-30 taja Plenum Press, New York, N.Y.: " 1) laminaarinen virtaus, 2) nopeusgradientin tulisi ylittää 350/s, 3) veren kanssa kosketuksessa olevan aineen tulee olla suhteellisen epätrombogeeninen 35 4) pintojen tulee olla sileitä, 5) virtauskanavan minimihalkaisijän tulee olla noin 100 /am, 4 71486 6) tukiaineen ruhjovaa tai hankaavaa vaikutusta on vältettävä".The properties of substances and devices brought into contact with circulating biological fluids have been thoroughly studied. Weetall et al. Have set forth the following criteria for a device design checklist in "Some in Vivo and in Vitro Studies of Biologically Active Molecules on Organic Matrices for Potential Therapeutic Applications" in Biomedical Applications of Immobilized Enzymes and Proteins, T.M.S. Chang, ed. 30 Plenum Press, New York, NY: "1) laminar flow, 2) velocity gradient should exceed 350 / s, 3) substance in contact with blood should be relatively non-thrombogenic 35 4) surfaces should be smooth, 5) the minimum diameter of the flow channel must be about 100 / am, 4 71486 6) the crushing or abrasive effect of the support must be avoided ".

Kaksi lisäkriteeriä ovat merkittävän tärkeitä: 1) aktiivisten vertauduttavien aineiden maksimikuor-5 mitus lähtötilavuusyksikköä kohti ja 2) vähäisin mahdollinen vastustuskyky aktiiviseen kosketukseen mainittuihin, muutettaviksi tarkoitettuihin verikomponentteihin, toisin sanoen kontakti edellyttää mahdollisimman vähän diffuusio-ohjattua siirtoa ja siirron 10 tulee tapahtua mahdollisimman vähällä vastuksella.Two additional criteria are of major importance: 1) the maximum load of active comparators per unit volume of initial volume and 2) the lowest possible resistance to active contact with said blood components to be modified, i.e. contact requires as little diffusion-controlled transfer as possible and transfer 10 with minimal resistance.

Tähän mennessä kaikissa hemoperfuusiojärjestelmissä, joissa käytetään erittäin spesifisiä, laitteen sisään eristettyjä myrkynpoistoaineita, on käytetty jotain seuraavista neljästä menetelmästä: 15 1) myrkynpoistoaineiden eristäminen erottamalla ne perfusoivasta verestä puoliläpäisevien kalvojen avulla (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 3 619 423) tai ontto-kuituisten putkien avulla; 2) koteloimalla tai liittämällä ko. aineet hiukkas-20 maisiin aineisiin (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 3 865 726); 3) aineiden liittäminen ei-huokoiseen kalvoon tai muuhun tasopintaan (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 3 959 128); tai 25 4) aineiden liittäminen niiden polymeeriputkien sisä pintaan, joiden kautta veri ohjataan (ks. esimerkiksi CA-patenttijulkaisu 957 922).To date, all hemoperfusion systems using highly specific in-house detoxifiers have used one of the following four methods: 1) isolating the detoxifiers by separating them from the perfusing blood by semipermeable membranes (see, e.g., U.S. Pat. No. 3,619,423); through; 2) by encapsulating or connecting the agents for particulate matter (see, e.g., U.S. Patent 3,865,726); 3) attaching the agents to a non-porous film or other planar surface (see, e.g., U.S. Patent No. 3,959,128); or 4) attaching substances to the inner surface of the polymeric tubes through which the blood is directed (see, for example, CA Patent Publication 957,922).

Mikään näistä järjestelmistä ei täytä kaikkia yllä-lueteltuja kriteereitä. Laitteet, joissa käytetään puoli-30 läpäisevää kalvoa ja onttoja kuituja, edellyttävät voimakasta diffuusiota eristettyjen elementtien aktiiviselle osallistumiselle ja niiden toiminta rajoittuu vain niihin veren aineosiin, joilla on pieni molekyylipaino. Laitteisiin, joissa käytetään hienojakoisia komponentteja, joihin 35 aktiiviset aineet on mikrokoteloitu tai sekvestroitu kantaja-aineen huokoisiin, liittyvät samat diffuusiovastuksen 5 71486 aiheuttamat rajoitukset ja lisäksi niissä esiintyy kokka-roitumisen aiheuttamaa virtausvastusta sekä veren vaurioitumista, mikä johtuu hiukkasten liikkeen hiomavaikutukses-ta. Huokosettomien tasopintojen ja polymeeriputkien pinnan 5 ala on pieni ja siten kapasiteetiltaan riittämätön aktiivisille elementeille.None of these systems meet all of the criteria listed above. Devices using a semi-permeable membrane and hollow fibers require strong diffusion for the active participation of isolated elements and their function is limited to those low molecular weight blood components. Devices using finely divided components in which the active ingredients are microencapsulated or sequestered in the pores of the carrier have the same limitations due to diffusion resistance 5 71486 and in addition have flow resistance due to agglomeration as well as blood damage due to the abrasive effect of particle movement. The surface area 5 of the non-porous planar surfaces and the polymer tubes is small and thus insufficient in capacity for the active elements.

Vaihtoehtona näille järjestelyille on kuiduilla täytettyjen patruunoiden käyttö. Kuituja on käytetty pitkään veren kanssa kosketuksessa olevissa laitteissa veren kompo-10 nenttien muodostamien aggregaattien poistamiseksi verensiirron yhteydessä (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 3 462 361). Polymeerikuituja, joiden pinnalle on kerrostettu pyrolyyttistä hiiltä ja jotka on levitetty mielivaltaiseen massaan, on käytetty ei-spesifinä adsorbentteina hemo- 15 perfuusiossa (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 3 972 818). Vasta-aineet ja muut proteiinit on liitetty selluloosakui-tuihin käytettäväksi radioimmuunianalyysiä sekä teollista käyttöä varten (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 4 031 201). Antigeenejä on kiinnitetty nylonkatetreihin ja 20 pistetty valtimoihin vasta-aineiden poistamiseksi verenkierrosta .An alternative to these arrangements is the use of fiber-filled cartridges. Fibers have long been used in devices in contact with blood to remove aggregates formed by blood components during transfusion (see, e.g., U.S. Patent 3,462,361). Polymer fibers coated on the surface with pyrolytic carbon and applied to an arbitrary pulp have been used as non-specific adsorbents in hemoderfusion (see, e.g., U.S. Patent No. 3,972,818). Antibodies and other proteins have been incorporated into cellulosic fibers for use in radioimmunoassay as well as industrial use (see, e.g., U.S. Patent 4,031,201). Antigens have been attached to nylon catheters and injected into arteries to remove antibodies from the circulation.

Hemoperfuusiossa on rajatulla menestyksellä käytetty laitteita, jotka on suunniteltu aiheuttamaan suuria muutoksia veren koostumuksessa ja jotka käsittävät kuituja. Hersh 25 ja Weetall (supra) käyttivät patruunaa, joka sisälsi bioaktiivisia molekyylejä, jotka oli sidottu mielivaltaisesti hajoitettuihin, ei-huokoisiin polyesterikuituihin. Heidän menetelmässään sekä entsyymit että vasta-aineet on immobi-lisoitu. Nämä laitteet edustavat huomattavaa parannusta 30 aikaisempiin hemoperfuusiojärjestelmiin verrattuna sikäli, että muodostuneet veren komponentit vaurioituvat minimaa- lisesti. Tähänkin rakenteeseen liittyy silti vielä eräitä ongelmia. Ankkuroimattomat umpimähkään levitetyt kuidut pyrkivät kokkaroitumaan halutuilla virtausnopeuksilla jos 35 kuituja on riittävästi, toimittamaan tarvittavat määrät sitomisaktiivisia aineita. Lisäksi nestevirran epätasainen 6 71486 jakautuminen, jota tässä kuitujärjestelyssä ei voida välttää, johtaa laitteen tehon alenemiseen.In hemoperfusion, devices designed to cause major changes in blood composition and comprising fibers have been used with limited success. Hersh 25 and Weetall (supra) used a cartridge containing bioactive molecules bound to arbitrarily decomposed, non-porous polyester fibers. In their method, both enzymes and antibodies are immobilized. These devices represent a significant improvement over previous hemoperfusion systems in that the blood components formed are minimally damaged. There are still some problems with this structure as well. Non-anchored randomly applied fibers tend to agglomerate at the desired flow rates if 35 fibers are sufficient to supply the required amounts of binding agents. In addition, the uneven distribution of the liquid stream 6 71486, which cannot be avoided in this fiber arrangement, results in a decrease in the power of the device.

Kiinteään 2-ulotteiseen järjestelmään kiinnitettyjä vasta-aineita on kuvattu ja käytetty kokonaisten solujen 5 poistamiseen verestä in vitro (ks. esimerkiksi US-patentti-julkaisu 3 843 324). Tätä järjestelmää ei kuitenkaan voida soveltaa hemoperfuusioon.Antibodies attached to a solid 2-dimensional system have been described and used to remove whole cells from blood in vitro (see, e.g., U.S. Patent 3,843,324). However, this system cannot be applied to hemoperfusion.

Polymeerikuituja, joihin on polymeerin sisään kapseloitu hiilihiukkasia ja jotka on sijoitettu määrätyllä ta-10 valla hemoperfuusiopatruunaan, on kuvattu julkaisussa Davis et ai. Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Org. 2C:353. Vaikkakin tämän laitteen käyttö on rajoitettu ei-spesifiseen adsorb-tioon, se on ominaisuuksiltaan, erityisesti kapasiteetin, hinnan ja virtausominaisuuksien osalta parempi kuin aikai-15 semmat laitteet ja lisäksi se vaurioittaa verta vähemmän kuin tunnetut laitteet.Polymer fibers having carbon particles encapsulated within the polymer and placed in a specific manner in a hemoperfusion cartridge are described in Davis et al. Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Org. 2C: 353. Although the use of this device is limited to non-specific adsorption, it is better than previous devices in terms of properties, especially in terms of capacity, price and flow characteristics, and in addition it damages the blood less than known devices.

Tämän keksinnön mukaisesti vältetään edellä mainitut ongelmat järjestämällä kuidut kolmiulotteisesti, jotta esilläoleva kuitupinta sekä virtauskanavan halkaisija olisivat 20 mahdollisimman suuria ja jotta virtaustie mutkittelisi mahdollisimman vähän.According to the present invention, the above-mentioned problems are avoided by arranging the fibers in three dimensions so that the present fiber surface and the diameter of the flow channel are as large as possible and so that the flow path is as small as possible.

Tämän keksinnön hemoperfuusiolaitteella on monia piirteitä, jotka Davis on kuvannut laitteessaan, mutta niitä on laajennettu ja muutettu, jotta laitetta voitaisiin käyt-25 tää biologisen nestekoostumuksen erittäin spesifisiin muutoksiin .The hemoperfusion device of the present invention has many of the features described by Davis in his device, but these have been expanded and modified to allow the device to be used for highly specific changes in biological fluid composition.

Keksinnön mukaiselle hemoperfuusiolaiteelle, jossa on läpäisemättömästä aineesta tehty pitkänomainen vaippa, jonka päät on suljettu läpäisemättömillä päätylevyillä ja jonka 30 sisällä on verisuodatin, johon on liitetty spesifisiä vaikutta jamolekyylejä, on tunnusomaista, että vaipassa on sisäpinnalla useita vaipan pituusakselin suuntaisia ripoja, jotka ulottuvat olennaisesti vaipan koko pituudella, tulo-kanava toisessa päätylevyssä ja poistokanava toisessa pää-35 tylevyssä ja jotka rivat jatkuvat säteittäisesti toisella päätylevyllä, ja läpäisemätön kara, joka on sijoitettu aksiaalisesta vaipan sisään ja jonka pinnalla on lukuisia 7 71486 aksiaalisia uria, jotka ulottuvat vain osalle karan pituutta, kartiomainen kanava, joka on kiinnitetty karan toiseen päähän ja joka on yhteydessä tulokanavaan ja uriin, ja jonka karan toinen pää on kartiomainen kärki, joka on si-5 joitettu aksiaalisesti poistokanavaan nähden siten, että näiden väliin jää rengasmainen tila, sekä karalla oleva kuitukela, joka olennaisesti täyttää vaipan sisäosan ripoihin asti, jolloin veri, joka syötetään tulokanavan kautta, virtaa pitkin karan uria ja kulkee kuitukelan läpi ja pit-10 kin vaipan sisäpintaa ripojen välissä ja sieltä kartiomai-sen kärjen ja poistokanavan välisen tilan läpi poistokanavaan.The hemoperfusion device according to the invention, which has an elongate sheath made of an impermeable material, the ends of which are closed by impermeable end plates and which has a blood filter to which specific active molecules are attached, is characterized in that the sheath has a plurality of circumferential length length, an inlet channel in the second end plate and an outlet channel in the second end plate 35 extending radially in the second end plate, and an impermeable mandrel positioned axially within the sheath and having a plurality of 7,71486 axial grooves extending over only a portion of the length of the mandrel, conical a channel attached to one end of the mandrel and communicating with the inlet channel and the grooves, the other end of the mandrel being a conical tip positioned axially with respect to the outlet channel with an annular space therebetween, and a fiber coil on the mandrel , which substantially fills the inside of the sheath up to the ribs, with blood fed through the inlet channel flowing along the grooves of the mandrel and passing through the fiber coil and the inner surface of the sheath between the ribs and through the space between the conical tip and the outlet duct.

Kuitupatruunassa käytetään järjestelyä, jossa on kiinteät, ei-satunnaiset, kolmiulotteisesti sijoitetut 15 kuidut, joiden kemiallinen koostumus on sellainen, että kemiallisia lisäaineita voidaan liittää kuitujen pintaan tai upottaa niiden sisään. Lisäaineet kiinnitetään siten, että ne voivat aiheuttaa erittäin spesifisiä muutoksia tämän patruunan läpi perfusoitavissa biologisissa nesteis-2 0 sä.The fiber cartridge uses an arrangement of solid, non-random, three-dimensionally spaced fibers having a chemical composition such that chemical additives can be incorporated into or embedded in the surface of the fibers. The additives are fixed in such a way that they can cause very specific changes in the biological liquids perfused through this cartridge.

Seuraavassa kuvataan myös yleisiä formulointeja ja prosesseja, joiden avulla keksinnössä käytettävä patruuna voidaan valmistaa. Samoin kuvataan mainitun patruunan sovellutuksia, joiden avulla voidaan poistaa, kerätä, hajot-25 taa tai muuttaa aineita, joita mainitun patruunan kautta perfusoitavat biologiset nesteet sisältävät.The following also describes general formulations and processes by which the cartridge used in the invention can be made. Also described are applications of said cartridge for removing, collecting, decomposing or modifying substances contained in biological fluids perfused through said cartridge.

Seuraavassa kuvataan keksintöä lähemmin piirustukseen viitaten.The invention will now be described in more detail with reference to the drawing.

Kuvio 1 on perspektiivileikkaus valmiista hemoperfuu-30 siopatruunasta.Figure 1 is a perspective section of the finished hemoperfuu-30 cleaning cartridge.

Kuvio 2 on perspektiivikuva patruunan karasta.Figure 2 is a perspective view of the cartridge mandrel.

Keksinnön mukainen laite käsittää kiinteän 3-ulottei-sen järjestelmän kuituja, jotka on sijoitettu vaipan sisään, jonka läpi neste virtaa jatkuvasti, niin että nesteen ja 35 kuitujen kontakti on mahdollisimman hyvä. Lisäksi tälle laitteelle on ominaista, että spesifiset bioaktiiviset vai- 71486 kuttajamolekyylit voidaan sitoa kuituihin, jotta vaikuttajana lekyy lit tulisivat kosketukseen nesteen kohdekomponent-tien kanssa, niin että nesteen koostumus muuttuu.The device according to the invention comprises fibers of a fixed 3-dimensional system arranged inside a jacket through which the liquid flows continuously, so that the contact between the liquid and the fibers is as good as possible. In addition, this device is characterized in that specific bioactive effector molecules can be bound to the fibers so that the active agents come into contact with the target components of the fluid so that the composition of the fluid changes.

Biologisesti aktiivisten molekyylien kiinnittämis-5 tekniikkaa liukenemattomiin aineisiin tunnetaan hyvin. Tähän keksintöön käyttökelpoiset spesifiset aineet määritellään usean kriteerin avulla: 1) aineesta tulee voida muodostaa kuituja, jotka ovat riittävän lujia kolmiulotteista järjestelyä varten; 10 2) kuitujen tulee olla olennaisesti liukenemattomia neutraaleissa vesipitoisissa olosuhteissa; 3) kuitujen pinnan tulee olla sileä ja huokoseton, jotta veri vaurioituisi vähemmän ja ei-spesifinen adsorb-tio vähenisi; 15 4) kuiduista ei saa lähteä mitään myrkyllisiä aineita tai hiukkasia vesipitoiseen väliaineeseen, joka perkoloi-tuu niiden läpi; 5) kuitukoostumuksen biomukautuvuusasteen tulee olla sopusoinnussa tarkoitetun sovellutuksen kanssa. Pitkäaikai- 20 sessa tai jatkuvassa käytössä hemoperfuusiossa kuitu ei saa aiheuttaa mitään kumulatiivisia, palautumattomia vahingollisia muutoksia kiertävien aineiden määrässä tai elivoi-maisuuskapasiteetissa. Lyhytaikaisessa käytössä tai hätätapauksissa kuitujen tulee vain mahdollistaa tehokas läpi- 25 kulku heprinoituneelle tai muutoin koagu loi tumattomalle verelle, ilman että esiintyy tromboosia tai hemolyysiä, joka ylittää potilaan elinvoimaisuuskapasiteetin.The technique of attaching biologically active molecules to insoluble materials is well known. Specific materials useful in this invention are defined by a number of criteria: 1) the material must be capable of forming fibers that are strong enough for a three-dimensional arrangement; 2) the fibers must be substantially insoluble under neutral aqueous conditions; 3) the surface of the fibers should be smooth and non-porous to reduce blood damage and reduce non-specific adsorption; 4) the fibers must not emit any toxic substances or particles into the aqueous medium which percolates through them; 5) the degree of biocompatibility of the fiber composition must be in accordance with the intended application. During long-term or continuous use in hemoperfusion, the fiber must not cause any cumulative, irreversible detrimental changes in the amount or viability of circulating substances. For short-term use or in emergencies, the fibers should only allow efficient passage through heprinated or otherwise non-coagulated blood without thrombosis or hemolysis beyond the patient's viability capacity.

6) Käytettävien kuitujen tulee olla ominaisuuksiltaan sellaisia, että aktiiviset aineet voidaan palautumattomas- 30 ti kiinnittää tai enkopoida. Edullisesti kuitujen tulee olla olennaisesti sopivia istutettaviksi kehoon. Tällaiset kuidut voidaan valita jostakin seuraavasta ryhmästä: 1) biologista alkuperää olevista aineista tai niiden johdannaisista, toisin sanoen selluloosasta, perfluorietyy- 35 liselluloosasta, selluloosatriasetaatista, selluloosa-ase-taatista, nitroselluloosasta, dekstraanista, kitiinistä, kollageenistä, fibriinistä, elastiinista, keratiinista.6) The properties of the fibers used must be such that the active substances can be irreversibly attached or copied. Preferably, the fibers should be substantially suitable for implantation in the body. Such fibers can be selected from one of the following groups: 1) substances of biological origin or derivatives thereof, i.e. cellulose, perfluoroethylcellulose, cellulose triacetate, cellulose acetate, nitrocellulose, dextran, chitin, collagen, fibrin.

9 71486 ristikytketyistä liukenevista proteiineista, polymeroiduis-ta liukenevista, alkuperältään biologisista, orgaanisista aineista (polymaitohappo, polylysiini, nukleiinihapot) silkistä, kumista, tärkkelyksestä ja hydroksietyylitärkkelyk-5 sestä; 2) synteettisistä heteroketjupolymeereistä, kuten polyamideista, polyestereistä, polyeettereistä, polyuretaaneista, polykarbonaateista ja silikoneista; 3) hiilivetypolymeereistä, kuten poleteenistä, poly-10 propeenistä, polyisopreeneistä, polystyreeneistä, poly- akryyleistä, kuten polyakryyliamidista, polymetakrylaatis-ta, vinyylipolymeereistä, kuten polyvinyyliasetaatista, sekä halogenoiduista hiilivetymuoveista, kuten polyvinyyli-kloridista, fluoratuista polyhiilivedyistä, kuten teflonis-15 ta, fluorihiilikopolymeereistä sekä polyklooritrifluori-etyleenistä; 4) epäorgaanisista kuiduista, kuten lasikuidusta.9,71486 cross-linked soluble proteins, polymerized soluble, organic substances of biological origin (polylactic acid, polylysine, nucleic acids) silk, rubber, starch and hydroxyethyl starch; 2) synthetic heterochain polymers such as polyamides, polyesters, polyethers, polyurethanes, polycarbonates and silicones; 3) hydrocarbon polymers such as polethylene, poly-10 propylene, polyisoprenes, polystyrenes, polyacrylics such as polyacrylamide, polymethacrylate, vinyl polymers such as polyvinyl acetate, polyvinyl acetate, and fluorogenated hydrocarbons such as polyvinyl fluorocarbon copolymers and polychlorotrifluoroethylene; 4) inorganic fibers such as fiberglass.

yllämainittujen esimerkkipolymeerien yhteensopivuus veren kanssa vaihtelee laajasti. On kuvattu useita menetel-20 miä, jotka muuttavat muutoin epätyydyttävien aineiden yhteensopivuutta veren kanssa. Esimerkiksi nämä aineet voidaan pinnoittaa paremmin yhteensopivilla aineilla (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 4 073 723) tai antitrombo-geenisillä aineilla, kuten hepariinilla.the compatibility of the above exemplary polymers with blood varies widely. Several methods have been described that alter the compatibility of otherwise unsatisfactory substances with the blood. For example, these agents can be coated with more compatible agents (see, e.g., U.S. Patent 4,073,723) or antithrombogenic agents such as heparin.

25 Käytettävissä olevan polymeeripinnan suuruuden ja laitteen valutustilavuuden sekä virtausominaisuudet määräävät kuitujen mitat sekä kuitujen spesifinen 3-ulotteinen järjestely patruunassa. Polymeeripinta ja valutustilavuus ovat parhaimmillaan, kun kuitujen halkaisija on riittävän 30 lujuuden sallimassa minimiarvossaan ja kun kuitujen järjestely valitaan niin, että kerros on mahdollisimman kompakti. Vaikutus virtausominaisuuksiin on käänteinen verrattuna vaikutukseen käytettävissä olevaan pintaan ja valutustila-vuuteen. Nämä tekijät on sitten säädettävä, jotta voitai-35 siin saada kokonaishyötysuhde mahdollisimman korkeaksi veren vaurioituessa mahdollisimman vähän.The size of the available polymer surface and the flow volume and flow characteristics of the device are determined by the dimensions of the fibers and the specific 3-dimensional arrangement of the fibers in the cartridge. The polymer surface area and flow volume are at their best when the diameter of the fibers is at a minimum value of sufficient strength and when the arrangement of the fibers is chosen so that the layer is as compact as possible. The effect on flow properties is inverse compared to the effect on available surface area and drainage volume. These factors must then be adjusted in order to maximize the overall efficiency with minimal blood damage.

,ο 71486, ο 71486

Kiinteä kuitujärjestys voidaan levittää patruunan vaipan tulokanavan ja poistokanavan välille lukemattomiin muotoihin. Tarkoituksenmukaisempia ovat seuraavat tavat: 1) Kuidut järjestetään kiertämällä tulo- tai poisto-5 aukon ympäri. Tämä rakenne voi olla sylinterisymmetrisesti putkimaisen kanavan ympärillä, jolloin neste voi virrata sisään tai ulos putken koko pituudella. Toisessa mahdollisessa rakenteessa kierretyt kuidut voidaan kiertää pallo-symmetrisesti yhden ainoan keskuskanavan ympäri.The fixed fiber sequence can be applied between the inlet channel and the outlet channel of the cartridge shell in innumerable shapes. The following methods are more appropriate: 1) The fibers are arranged by twisting around the inlet or outlet 5. This structure may be cylindrically symmetrical around the tubular channel, allowing fluid to flow in or out along the entire length of the tube. In another possible structure, the twisted fibers can be rotated spherically symmetrically around a single central channel.

10 2) Patruunoissa, joissa neste virtaa aksiaalisesti patruunan läpi, kuidut voidaan järjestää yhdensuuntaisiksi virtauksen kanssa, niin että ne on kiinnitetty patruunan kumpaakin päähän. Toisenlaisessa aksiaalivirtauspatruunassa kuidut voidaan levittää verivirtaan nähden poikittaisuun-15 taan kiinnittämällä ne patruunan sivuihin. Voidaan myös käyttää rakennetta, jossa on sekä virtaussuuntaan että sitä vastaan kohtisuoraa asetettuja kuituja, jolloin kuidut voidaan kiinnittää sekä patruunan päihin että sivuihin ja jolloin ne on kudottu yhteen.10 2) In cartridges in which the liquid flows axially through the cartridge, the fibers can be arranged parallel to the flow so that they are attached to each end of the cartridge. In another type of axial flow cartridge, the fibers can be applied in a direction transverse to the blood flow by attaching them to the sides of the cartridge. It is also possible to use a structure with fibers placed both in the direction of flow and perpendicular to it, whereby the fibers can be attached to both the ends and the sides of the cartridge and in which they are woven together.

20 Kuituja voidaan käyttää yksisäikeisinä tai monisäi keisinä lankoina, ja laite voi sisältää yhden jatkuvan kuidun tai useita kuituja. Vaaditaan ainoastaan, että patruunan vaipan ja kuitujen sijoittaminen vastaavat nestedyna-miikaa, joka mahdollisimman vähän vaurioittaa muodostunei-25 ta nestekomponentteja, jotka perfusoidaan laitteen läpi.20 The fibers can be used as single-stranded or multi-stranded yarns, and the device can contain a single continuous fiber or multiple fibers. All that is required is that the placement of the cartridge casing and the fibers correspond to a liquid fluid that minimizes damage to the formed liquid components that are perfused through the device.

Alan ammattimiehet tuntevat hyvin nämä rajoitukset.These limitations are well known to those skilled in the art.

Vaikuttajamolekyylit, jotka ovat erittäin spesifiä ja jotka vaikuttavat alkuperältään endogeenisiin tai ekso-geenisiin biologisiin nestekomponentteihin ja jotka on 30 kiinnitetty laitteessa oleviin kuituihin, voidaan valita yhdestä tai useammasta seuraavasta aineesta. Molekyyi voi olla joko kokonaisena jokin seuraavassa luetelluista tai sen osa: vasta-aine, antigeeni, allergeeni, komplementti-tekijä, hyytymistekijä, entsyymi, entsyymin substraatti, 35 solupinnan reseptorimolekyyli, rokote, entsyymi-inhibiittori, hormoni, kudoshomogenaatti, puhdistettu proteiini, toksiini, nukleiinihappo, polysakkaridi, lipidi, ehjä solu, 11 71486 liposomi, polymeeri, antibiootti, kemoterapeuttinen aine, lääkeaine, orgaaninen tai epäorgaaninen aine, jolla on voimakas kemiallinen yhtymistaipumus spesifiseen biologiseen nestekomponenttiin.Influencer molecules that are highly specific and that affect endogenous or exogenous biological fluid components and are attached to the fibers in the device can be selected from one or more of the following. The molecule may be all or part of the following: antibody, antigen, allergen, complement factor, coagulation factor, enzyme, enzyme substrate, 35 cell surface receptor molecule, vaccine, enzyme inhibitor, hormone, tissue homogenate, purified protein, purified protein nucleic acid, polysaccharide, lipid, intact cell, 11,71486 liposome, polymer, antibiotic, chemotherapeutic agent, drug, organic or inorganic agent with a strong chemical tendency to associate with a specific biological fluid component.

5 Valittu vaikuttajamolekyyli voidaan sitoa laitteen kuituihin alan ammattimiehen hyvin tuntemalla tavalla, edullisesti käytetään menetelmiä, jotka perustuvat entsyymien immobilisointiin (ks. esimerkiksi US-patenttijulkaisu 4 031 201), affiniteettikromatografiaan (ks. esim. US-pa-10 tenttijulkaisu 3 652 761), kiinteäfaasi-immuunianalyysiin (ks esim. US-patenttijulkaisu 4 059 685), stationäärivaihe-kromatografiahemoperfuusioon (ks. esim. US-patenttijulkaisu 3 685 726), entsyymiin liittävään immuunisorbanttianalyy-siin, solun merkitsemiseen ja erottamiseen sekä hemodialyy-15 siin (ks. esim. CA-patenttijulkaisu 957 922).The selected agent molecule can be bound to the fibers of the device in a manner well known to those skilled in the art, preferably using methods based on enzyme immobilization (see, e.g., U.S. Patent 4,031,201), affinity chromatography (see, e.g., U.S. Patent No. 3,652,761), solid phase immunoassay (see, e.g., U.S. Patent 4,059,685), stationary phase chromatography hemoperfusion (see, e.g., U.S. Patent No. 3,685,726), enzyme-linked immunosorbent assay, and cell labeling and separation. CA Patent Publication 957,922).

Vaikuttajamolekyyli voidaan kiinnittää kuituihin joko polymerin valmistuksen tai kuidun kehräämisen aikana tai juuri ennen mainitut kuidut sijoitetaan patruunaan tai sen jälkeen kuin kuidut on sijoitettu patruunaan.The agent molecule may be attached to the fibers either during polymer preparation or spinning of the fiber, or just before said fibers are placed in the cartridge or after the fibers have been placed in the cartridge.

20 Patruunat voidaan varastoida kuivina lyofilisoinnin jälkeen tai ne voidaan täyttää puskuriliuoksella, joka sisältää antimikrobisia aineita. Laite voidaan steriloida ennenkuin aktiivinen aine lisätään kuiduille, jolloin kaikki seuraavat vaiheet suoritetaan steriileillä reagensseil-25 lä, tai sterilointi voidaan suorittaa lisäyksen jälkeen.The cartridges can be stored dry after lyophilization or filled with a buffer solution containing antimicrobials. The device may be sterilized before the active agent is added to the fibers, in which case all subsequent steps are performed with sterile reagents, or sterilization may be performed after the addition.

Valmiin patruunaan muodostaa lasi- tai muovivaippa 1, jonka toisen pään sulkee pyöreä lasi- tai muovikiekko 2 ja toisen pään samanlainen kiekko 2a. Kiekon 2 keskellä on poistokanava 3. Vaipassa ja päätylevyissä on ripojen 30 4 muodossa kohoumia, joiden ansiosta neste voi vapaasti virrata aksiaalisesta pitkin vaipan ja päätylevyn pintaa ja poistua kanavan kautta. Vaipan sisällä on kuitukela 5, joka on kierremäisesti kelattu lasi- tai muovikaralle 6. Kela ja kara täyttävät vaipan kokonaan lukuunottamatta ripojen 35 välistä tilaa.The finished cartridge is formed by a glass or plastic sheath 1, one end of which is closed by a round glass or plastic disc 2 and the other end by a similar disc 2a. In the middle of the disc 2 there is an outlet channel 3. The jacket and the end plates have protrusions in the form of ribs 30 4, which allow the liquid to flow freely axially along the surface of the jacket and the end plate and exit through the channel. Inside the jacket there is a fiber spool 5 which is helically wound on a glass or plastic spindle 6. The spool and the spindle completely fill the sheath except for the space between the ribs 35.

Kuvio 2 esittää karaa 6, joka on lasi- tai muovitanko, jonka kärki 7 on kartiomainen ja jossa on urat 8 sen 12 71 486 koko pituudella. Tanko on yläpäässään kiinnitetty kartion-muotoiseen kanavaan 10, joka on kiinnitetty pyöreään pääty-levyyn 2a. Päätylevyjen halkaisija on valittu siten, että se sopii tiukasti vaippaan ja muodostaa suljetun astian, 5 kun kara pistetään vaippaan. Päätylevyn 2a ulkopintaan on kiinnitetty sylinterinmuotoinen tulokanava 11, joka on vastakkaisella puolella päätylevyä 2a kuin kanava 10 ja jonka sisähalkaisija on sellainen, että sen läpi kulkeva neste pääsee karan 6 uriin 8. Karan kartionmuotoinen kärki on 10 lisäksi mitoitettu siten, että kun karan kärki sijoitetaan poistokanavaan on kara kosketuksessa vain vaipan päätylevyn 2 ripoihin 4. Tämä sallii ripojen väliin kertyvän nesteen poistua karan kartionmuotoisen kärjen 7 ja poistokanavan 3 välisestä aukosta. Siten, kun karalle on kelattu kuitua, 15 kulkee laitteen läpi tuleva nestevirta kuvion 1 nuolten osottamalla tavalla.Figure 2 shows a mandrel 6, which is a glass or plastic rod with a conical tip 7 and grooves 8 along its entire length 12 71 486. The rod is attached at its upper end to a conical channel 10 attached to a circular end plate 2a. The diameter of the end plates is chosen so that it fits snugly into the jacket and forms a closed container 5 when the mandrel is inserted into the jacket. Attached to the outer surface of the end plate 2a is a cylindrical inlet duct 11 opposite the end plate 2a to the duct 10 and having an inner diameter such that the fluid passing therethrough enters the grooves 8 of the mandrel 6. The conical tip 10 of the mandrel is further dimensioned so that the spindle is in contact only with the ribs 4 of the end plate 2 of the jacket. Thus, when the fiber is wound on the spindle, the fluid flow through the device passes as indicated by the arrows in Figure 1.

Karalle kelattu kuitu on yksisäikeinen ja sen halkaisija on 0,05-2,0 mm. Se on valmistettu hydroksietyylisel-luloosasta. Sen jälkeen kun kuitukela on sijoitettu vaip-20 paan, laite suljetaan ja täytetään dioksaanilla, jossa on 20 % heksametyleenidi-isosyanaattia. Kuitujen annetaan seistä 48 tuntia huoneen lämmössä ja pestään sen jälkeen tislatulla vedellä. Tämän operaation ansiosta kehittyy kuituke-lan pinnalle kovalenssisidottuja primääriamiineja. Tislat-25 tu vesi korvataan sitten vesipitoisella liuoksella, jonkaThe fiber wound on the spindle is single-stranded and has a diameter of 0.05-2.0 mm. It is made from hydroxyethylcellulose. After the fiber coil is placed in the jacket, the apparatus is sealed and filled with dioxane containing 20% hexamethylene diisocyanate. The fibers are allowed to stand for 48 hours at room temperature and then washed with distilled water. Due to this operation, covalently bonded primary amines develop on the surface of the fibrous web. Distillate-25 tu water is then replaced with an aqueous solution of

IgG-pitoisuus on 0,25 % ja jossa on 1 % vesiliukoista karbo-dimidiä, pH 5,5. IgG voi olla asyloitu endogeenisten pri-määriaminien välttämiseksi. Kun tämä liuos on vaikuttanut 24 tuntia, laite pestään perusteellisesti tislatulla vedel-30 lä ja steriloidaan käytettäväksi in vivo perfuusiosovellu-tuksissa.IgG content 0.25% and with 1% water-soluble carbodimide, pH 5.5. IgG may be acylated to avoid endogenous primary amines. After exposure to this solution for 24 hours, the device is washed thoroughly with distilled water and sterilized for use in in vivo perfusion applications.

Claims

13 71 486

A haemoperfusion device with an elongated sheath (1) made of an impermeable substance, the ends of which are closed by impermeable end plates (2,2a) and inside which there is a blood filter to which specific agent molecules capable of removing endogenous or exogenous origin are attached. biological components of blood perfused through the device, characterized in that the jacket 10 has a plurality of ribs (4) along the longitudinal axis of the jacket extending substantially along the entire length of the jacket, an inlet channel (11) in the second end plate (2a) and an outlet channel (3) in the second end plate (2) and which ribs (4) extend radially on the second end plate (2), and an impermeable mandrel (6) arranged axially inside the jacket and having on its surface a plurality of axial grooves (8) extending only a part of the length of the mandrel, a conical channel (10) attached to one end of the mandrel (6) and communicating with the inlet passage (11) and the grooves (8), and the mandrel (6) the other end is a conical tip (7) arranged axially with respect to the outlet channel (3) so as to leave an annular space between them, and a fiber spool (5) on the mandrel (6) which substantially fills the ribs of the inner part of the jacket (1) (4), where the ve-25 ri fed through the inlet channel (11) flows along the spindle grooves (8) and passes through the fiber spool (5) and along the inner surface of the sheath between the ribs (4) and from there to the conical tip (7) and through the space between the discharge channel (3) to the discharge channel.

The hemoperfusion device according to claim 1, characterized in that the fiber of the fiber spool (5) is single-stranded and has a diameter of about 0.05 to 2.0 mm.

Hemoperfusion device according to Claim 2, characterized in that the fiber of the fiber spool (5) is made of hydroxyethylcellulose. 14 71 486