NO151808B - Hemoperfusjonsanordning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en heitoperfusjonsanordning av den art sam er angitt i krav l's ingress. Med noen få unntagelser er anordningene som anvendes for disse formål i stand til å

fjerne bestanddeler kun på en ikke spesifisert måte. Fjernelse av toksiske eller uønskede bestanddeler er basert på basis av molekylstørrelse, såsom ved dialyse under anvendelse av semipermeable membraner (US patent nr. 3.619.423)

på basis av ionenatur såsom ved perfusjon over ionebytter-harpikser (US patent nr. 3.794.584 og 4.031.010) eller på basis av affinitet for absorbanter såsom ved perfusjon over aktivert trekull. Disse teknikker utviser alvorlige begrensninger som følge av mangel på spesifisitet. I fraksjonene som fjernes fra blod er hormoner, næringsmidler, medisiner, elektrolytter og andre bestanddeler som når de fjernes fra sirkulasjonen lett kan føre til uheldige virkninger på den perfuserte pasient. Da pasienter som trenger slik behandling lider av medisinoverdosering, nyre- eller hepatitt-svikt eller andre tilstander som i alvorlig grad nedsetter deres vitalitet, vil en ytterligere metabolisk ubalanse kun i liten grad kunne tolereres.

En ytterligere ulempe som følge av mangel på spesifisitet

ved hemoperfusjonsanordningene er den begrensede kapasitet for de ønskede bestanddeler. De påtenkt fjernede bestanddeler må konkurrere med andre substanser om de tilgjengelige bindingssteder på absorbanten. Slike anordninger må derfor være svært store for å sikre en tilstrekkelig kapasitet for de bestanddeler som ønskes fjernet.

I tillegg til problemene med hensyn til mangel på spesifisitet som oppnås ved de kjente anordninger så har ytterligere komplikasjoner oppstått med hensyn til strukturen og strøm-ningsegenskapene. Ødeleggelse av formede elementer og mak-romolekylære bestanddeler i blodet ved hemolyse, blodplate-aggresjon, fibrindannelse og leukocyttødeleggelse kan eksempelvis ofte observeres når blod utsettes for ikke-biologiske overflater eller turbulent strømning. Heparinbehandling av pasienter er kun delvis effektiv med hensyn til å for-hindre slik ødeleggelse. Hemoperfusjonanordninger hvori er innarbeidet tilfeldig fordelte pulverformige absorbanter har vist en tendens til å pakke seg under strømningsbetingelsene. Resultatet er et for stort trykkfall og nedsatt strøm gjennom anordningen. Ødeleggelse av blod tiltar under slike betingelser.

Mange forsøk er utført for å overkomme disse problemer og for å konstruere anordninger som utviser spesifisitet og anvendbarhet også ovenfor et større område av molekylære bestanddeler, spesielt høymolekylære bestanddeler. Visse syntetiske matriser har ved undersøkelse utvist spesifikk affinitet for spesielle oppløste bestanddeler. I en slik anordning er vist anvendelse av fluorkarbonplaster for spesifikk fjernelse av endotoksin. (US patent nr. 3.959.128).

Ytterligere spesifisitet er oppnådd i hemoperfusjonssystemer ved '.anvendelse av bioaktive bestanddeler bundet til inerte organiske eller uorganiske materialer. Eksempler på denne type er de følgende. Affiniteten for bilirubin og chenode-oksykolinsyre for serum albumin er undersøkt av flere for-skere. Antigen-antilegeme-samspillet har også vært anvendt (kanadisk patent nr. 957.922). Immobiliserte antigener har vært perfusert med blod for å fjerne antilegemene til BSA, DNA, HSA og ovalbumin, samt blodfaktor VIII og immunoglobin-fraksjonene IgG og ImG. Immobiliserte antilegemer (IgG, IgM) har også vært anvendt ved hemaperfusjonssystemer for å nedsette sirkulasjonsnivåene av medikamenter og endogene bestanddeler. Antilegemer for digoksin, DNA, BSA, tumor-assosierte antigener, donor-kidneyantigener og multippel myeloma protein samt lavdensitets lipoproteiner har blitt immobilisert i ekstrakorporale systemer for et antall tera-peutiske formål. Blant disse enzymer, celleekstrakter og hele celler som har blitt immobilisert i ekstrakorporale systemer (canadisk patent nr. 957.922) er urease, urikase, aspariginase, pankreas celler, leverceller, samt levermikro-somer, nuklease og katalase.

Egenskapene for materialet og anordningene som bringes i kontakt med sirkulerende biologiske fluida er omhyggelig studert. Weetall et al. har opplistet de følgende kriteria som en sjekkliste for konstruksjon av slike anordninger i artikkelen "Some In Vivo and In Vitro studies of Biologically Active Molecules on Organic Matrixes for Potential Thera-peutic Applications" iBiomedical Applications of Immobilized Enzymes and Proteins, T.M.S. Chang, Ed.,«Plenum Press, New York, N.Y., nemlig: 1) laminær strømning, 2) hastighetsgradienten bør overstige 3 50/s, 3) materialet i kontakt med blodet bør være relativt ikke-trombogent, 4) glatte overflater bør bibeholdes, 5) en minimal strømningskanaldiameter på ca. 100 um, 6) det bør unngås en knusende eller malende virkning av bærermaterialet. To ytterligere kriteria er av betydelig viktighet: 1) maksimal fylling av de aktive blodforandrende bestanddeler pr. enhet behandlingssatsvolum, og 2) minimal motstand mot aktiv kontakt mellom de blodendrende bestanddeler med blod-bestanddelen som skal forandres, dvs. at kontakt bør kreve en minimal diffusjonskontrollert transport og transporten bør skje gjennom et lite resistent materiale.

Opptil nå har hemoperfusjonssystemer hvori anvendes spesifikke detoksifiseringsmidler, isolert inne i anordningen anvendt en av de fire følgende arrangementer: 1) isolering av de detoksifiserende midler ved å adskille de fra det gjennomstrømmende blod ved anvendelse av semipermeable membraner (se US patent nr. 3.619.423) eller hule fiber-rør, 2) innkapsling i eller knyttet til partikkelformige materialer (se US patent nr. 3 . 865.726) ,3) festing av de detoksifiserende bestanddeler til en ikke-porøs membran eller andre plane overflater (se US patent nr. 3.959.128), 4)festing av slike materialer til den indre overflate av polymere rør gjennom hvilke blodet føres (kanadisk patent nr. 957.922).

Ingen av disse systemer tilfredsstiller alle de ovenfor an-gitte kriteria. Semipermeable membraner eller hule fiber-anordninger medfører strenge diffusjonskrav for aktiv del-tagelse av de isolerte elementer og er begrenset til aktivitet med lavmolekylære bestanddeler i blodet. Anordninger hvori anvendes partikkelformige bestanddeler hvori de aktive bestanddeler er mikroinnkapslet eller isolert inne i porer i bæreren er belemret med de samme begrensninger med hensyn til diffusjonsmotstand og ytterligere utviser strømningsmotstand som følge av pakking, samt blodødeleggelse som oppstår som følge av malevirkning på grunn av partikkelbevegelse. Ikke-porøse plane overflater og polymere rør har et lavt over-flateareale og således utilstrekkelig kapasitet for de aktive bestanddeler.

Et alternativ til disse arrangementer er anvendelse av fiber-fylte patroner. Fibere har lenge vært anvendt i blodkontakt-anordninger for å fjerne aggregater av blodbestanddeler under transfusjon (se US patent nr. 3.462.361). Polymere fibere

med pyrolytisk avsatt karbon på deres overflate og anordnet

i form av en tilfeldig fordelt masse har vært anvendt som ikke-spesifikke absorbanter ved hemoperfusjon (se US patent nr. 3.972.818). Antilegemer og andre proteiner har vært innarbeidet i cellulosefibere ved absorpsjon (entrapment), for anvendelse ved radioimmunoanalyse og industriell anvendelse (se US patent nr. 4.031.201). Antigener har også vært knyttet til nylonkateteret og innført i arterier for å fjerne antilegemer fra blodsirkulasjonen.

Innen hemoperfusjonsteknikken har anordninger konstruert for en meget spesifikk forandring av blodsammensetningen og inneholdende fibere kun vært anvendt med begrenset suksess. Hersh og Weetall (supra) anvendte en patron inneholdende bioaktive molekyler bundet til tilfeldig fordelte, ikke-porøse polyesterfibere. Både enzymer og antilegemer har blitt immobilisert ved den teknikk de anvendte. Disse anordninger representerte en betydelig forbedring over tidligere hemo-perfus jonssystemer med hensyn til å minimalisere ødeleggelse av formede elementbestanddeler i blodet. Med denne anordning vil imidlertid visse uløste problemer forbli uløste. Ikke forankrede,tilfeldig fordelte fibere har en tendens til å pakke seg under de ønskede strømningshastigheter når tilstrekkelig fiber er tilstede til å gi de nødvendige mengder bundede aktive bestanddeler. Ytterligere vil kanaldannelse (derav følgende forstyrrelse av strømmen) som er uunngåelig med et slikt fiberarrangement føre til en nedsatt effektivi-tet for anordningen.

Antilegemer knyttet til en fast fiksert 2-dimensjonal rekke er også beskrevet og anvendt for fjernelse in vitro av hele celler fra blod (se US patent nr. 3.843.324). Dette system kan imidlertid ikke anvendes for hemoperfusjon.

Polymere fibere hvori er innkapslet karbonpartikler og anordnet på en tilfeldig måte inne i en hemoperfusjonspatron er beskrevet av Davis et al. (Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Org. 20:353). Selv om denne anordning er begrenset til anvendelse for ikke-spesifikk adsorpsjon så utviser den over-legne egenskaper med hensyn til kapasitet, omkostninger, strømningsegenskaper og fører ytterigere til nedsatt ødeleggelse av blodet som perfuseres.

I henhold til foreliggende oppfinnelse unngås de ovenfor nevnte problemer ved hjelp av foreliggende anordning som er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del, nemlig ved at huset på dets indre overflate har et antall aksielle ribber som utstrekker seg i det vesentlige gjennom husets lengde, en innløpsport i én av endeplatene, en utløpsport i den andre av endeplatene, hvilke ribber for-løper radielt inn i den andre endeplate, og en upermeabel spindel anordnet aksielt inne i huset, og som langs sin periferi har anordnet aksielle spor som avsluttes nær spindelens tupp, og utstrekker seg kun over en del av dens lengde, en konisk trakt festet til spindelen ved innløpsporten med til-løp til sporene, hvilken spindel i dens andre ende avsluttes i en konisk tupp, som aksielt er forskjøvet i forhold til utløpsporten og danner en ringformet passasje derimellom, samt en fiberspole på spindelen, som i det vesentlige fyller det indre av huset til ribbene, slik at blod som innføres gjennom innløpsporten strømmer langs spindelens spor og passerer gjennom fiberspolen og langs den indre overflate av huset mellom ribbene og deretter mellom den koniske tupp og utløpsporten.

A.S.M.A/S 15.000.6 84 Fig. 1 viser et gjennomskåret perspektivbilde av en sammen-satt hemoperfusjonspatron Fig. 2 viser i perspektiv spindelen for en slik patron.

Foreliggende oppfinnelse består i det vesentlige av en fiksert, 3-dimensjonal rekke av fibere som inneholdes i et hus gjennom hvilket tilveiebringer for en kontinuerlig strøm av væske gjennom huset med maksimal kontakt mellom fluidumet og fibere. Ytterligere er en egenskap ved anordningen at spesielle bioaktive virksomme molekyler kan bindes til fiberene og således muliggjøre at disse virksomme molekyler kommer i kontakt med de påtenkte bestanddeler i fluidumet og således forandre sammensetningen av dette.

Det er velkjent teknikk å knytte biologisk aktive molekyler til uoppløselige materialer. De spesielle uoppløselige materialer som er anvendbare ved utøvelse av foreliggende oppfinnelse er definert av flere kriteria: 1) materialet må være i stand til å la seg omdanne til fibere som er tilstrekkelig sterke for bearbeidelse til en tredimen-sjonal rekke, 2) fibere må være i det vesentlige uoppløselige under nøytrale vandige betingelser, 3) fiberene bør utvise en glatt, ikke porøs overflate for å nedsette blodødeleggelse samt nedsette ikke spesifisert adsorpsjon, 4) fiberene må ikke frigjøre toksiske bestanddeler eller fragmenter til det vandige media som perkulerer gjennom dem, 5) graden av bio-forenlighet av fiberblandingen bør være overensstemmende med den påtenkte anvendelse. For langtids- eller kroniske an-vendelser ved hemoperfusjon må fiberene ikke forårsake noen irreversibel, kumulativ ødeleggende forandringer av kvanti-teten eller den vitale kapasitet for de sirkulerende bestanddeler. For korttids- eller nødanvendelser trenger fiberene kun å tillate en effektiv passasje av heparinisert eller på annen måte antikoagulert behandlet blod uten at det oppstår trombose eller hemolyse som overskrider grensene for pasi-entens livskapasitet. 6)De anvendte fibere må utvise egenskaper som muliggjør ikke reversibel tilknytning eller innarbeidelse av de aktive bestanddeler. Foretrukne fibere er de som i det vesentlige viser fullstendig forenlighet ved implantasjon i legemet. Slike fibere kan velges fra en av de følgende kategorier: 1) substanser av biologisk herkomst eller produkter erholdt fra disse, eksempelvis cellulose, perfluoretylcellulose, cellulosetriacetat, celluloseacetat, nitrocellulose, dekstran, chitin, kollagen, fibrin, elastin, keratin, fornettede oppløselige proteiner, polymeriserte oppløselige organiske bestanddeler av biologisk herkomst

(polyeddiksyre, polylysin, nukleinsyrer), silke, gummi, stiv-else og hydroksyetylstivelse, 2) heterokjedesyntetiske polymerer såsom polyamider, polyestere, polyetere, polyuretaner, polykarbonater og silikoner, 3) hydrokarbonpolymerer såsom polyetylen, polypropylen, polyisoprener,polystyrener, poly-akrylsyrer såsom polyakrylamid, polymetakrylat, vinyl-polymerer såsom polyvinylacetat og halogenerte hydrokarbon-plastere såsom polyvinylklorid, polyfluorkarboner såsom "Teflon", fluorkarbonkopolymerer og polyklortrifluoretylen og 4) uorganiske fibere såsom glassfibere.

De ovenfor nevnte eksempler på polymerer varier meget med hensyn til deres blodforenlighet. Imidlertid er det beskrevet flere teknikker for å modifisere blodforenligheten for ellers uakseptable materialer, eksempelvis véd å belegge materialene med mere forenlige bestanddeler (se US patent nr. 4.073.723) eller med antitrombogene bestanddeler såsom hepa-rin.

Fiberdimensjonene og den spesielle 3-dimensjonåle rekke av fibere inne i patronen vil bestemme strømningsegenskapene, polymerens tilgjengelige overflateareal og behandlingsvolumet for anordningen. De to sistnevnte betingelser vil bli opti-malisert når fiberdiameteren har den minimale verdi som gir tilstrekkelig styrke og når fiberrekken er valgt til å gi det mest kompakte sjikt. Strømningsegenskapene vil påvirkes på motsatt måte i forhold til det tilgjengelige overflateareal og behandlingsvolum. Disse betingelser må justeres for å optimalisere totaleffektiviteten med minimal blodødeleggelse.

Fordelingen av den fiksede fiberrekke mellom innløpet og ut- løpet av patronkappen kan velges fra et antall konfigurasjoner. Blant de mest.velegnede konfigurasjoner er de følgende. 1) Fordeling av fiberene ved å vikle disse rundt utløps-eller innløpsporten. En slik konfigurasjon kan utvise en sylindrisk symmetri rundt en rørformet port forsynt med midler for inn- eller utløp av et fluidum langs rekken av røret. En annen mulig konfigurasjon er viklede fibere som kan være viklet med den sfæriske symmetri rundt en enkel sentralport. 2) Patroner hvori fluidumet strømmer aksielt gjennom patronen og hvor fiberene kan være anordnet parallelt med strømnings-retningen og festet til hver ende av patronen. En annen konfigurasjon hvori anvendes en aksiell strømningspatron kan ha fiberene anordnet på tvers av blodets strømningsretning ved at fiberene er knyttet til sidedeler i patronen. En kombi-nasjon av parallell og tverrkonfigurasjon kan også anvendes hvori fiberene kan være knyttet til begge ender og til sidedeler i patronen og derved anordnet på en sammenvevet måte.

Fiberene kan anordnes som monofilamenter eller som multifila-mentgarn og anordningen kan inneholde en kontinuerlig fiber eller et antall fibere. Det er kun krevet at konfigurasjonen av patronhuset og de deri anordnede fibere er i overens-stemmelse med strømningsdynamikken,forenlige med minimal ødeleggelse av de formede bestanddeler i væsken som perfuseres gjennom anordningen. Disse begrensninger er velkjente for en fagmann.

De meget spesifikke, påvirkne molekyler med aktivitet mot komponenter av endogen eller eksogen opprinnelse i de biologiske fluida, og hvor molekylene er knyttet til fiberene inne i anordningen, kan velges fra en eller flere av de føl-gende typer. Molekylene kan være det hele eller et fragment av et antilegeme, antigen, allergin, kompiementfaktor, lev-ringsfaktor, enzym, substrat for et enzym, celleoverflate-reseptormolekyl, vaksine, enzyminhibitor, hormon, homogeni-sert vev, renset protein, toksin, nukleinsyre, polysakkarid, lipid, intakt celle, mikrokapsel, liposom, polymer, antibio-tikum, termoterapeutisk middel, terapeutisk medisin, organiske bestanddeler med høy aktivitet for en spesiell bestand del i et biologisk fluidum, eller en uorganisk bestanddel med høy affinitet for en spesiell bestanddel i et biologisk fluidum.

Det valgte behandlingsmolekyl kan bindes til anordningen ved hjelp av kjente fremgangsmåter, spesielt for immobiliserte enzymer (US patent nr. 4.031.201) affinitetskromatografi (US patent nr. 3.652.761), fastfase immunobestemmelse (US patent nr. 4.059.685), bundet stasjonær fasekromatografi-hemoperfusjon (US patent nr. 3.865.726), enzymbundet immun sorbantbestemmelse, cellemerkning og separering, samt hemo-dialyse (se kanadisk patent nr. 957.922).

Tilknytning av behandlingsmolekylet til fiberene kan utføres under polymerfremstillingen, fiberspinning, like før inn-føring av fiberene i patron eller etter anordning av fiberene inne i patronen. Patronene kan lagres tørt etter lyo-filisering eller fylt med en buffer inneholdende antimikro-bielle midler. Sterilisering av anordningen kan utføres før innarbeidelse av de aktive bestanddeler på fiberene hvoretter alle etterfølgende trinn utføres'~méd sterile midler eller sterilisering kan utføres etter innarbeidning.

Den sammensatte patron består av et glass- eller plasthus 1 lukket i én ende av en sirkulær glass- eller plastendeplate 2, og i den andre ende av en tilsvarende endeplate 2a. Platen 2 har en sentralt anordnet sylindrisk utløpsport 3. Huset og platen er forsynt med hevede elementer i form av ribber 4 som muliggjør en uhindret aksiell strømning av væske langs overflaten av huset og platen som muliggjør utløp av væsken via porten. Inne i huset er en fiberspole 5 spiralviklet rundt en glass- eller plastspindel 6. Spindelen og fibrene fyller hele rommet i kappen bortsett fra rommet mellom ribbene.

Fig. 2 viser spindelen 6 med en glass- eller plaststav som er konisk ved dens base 7 og har aksiale riller langs dens lengde, slik som ved 8. Staven er festet ved dens topp til en konisk trakt 10 som er knyttet til den sirkulære endeplate 2a med det samme materiale. Diameteren på endeplaten er valgt slik at den gir en tett tilpasning ved huset og danner et forseglet kar når spindelen er innført i huset. På den eks-terne overflate av endeplaten er anordnet en sylindrisk til-førselsport 11 på motsatt side av den koniske trakt 10 og har en indre diameter som muliggjør'tilgang av et fluidum som føres gjennom den til spaltene 8 på spindelen 6. Ytterligere har den koniske tupp av spindelen dimensjoner slik at plas-sering av spindelbasen i utløpsporten fører til kontakt med spindelen kun ved ribbene 4 i endeplaten. Dette tillater . at fluida som akkumulerer seg mellom ribbene kan føres ut gjennom hulrommet mellom spindelens 6 koniske tupp 7 og ut-løpsporten 3. Således når spindelen er påviklet fibere vil strømningsretningen for væskene som innføres i anordningen være slik som angitt med piler i fig. 1.

Fiberen som vikles rundt spindelen er et monofilament med en diameter i området 0,0 5-2 mm. Denne består av hydroksyetyl-cellulose (HEC).

Etter innføring av den omviklede spindel i huset forsegles anordningen og fylles med dioksan inneholdende 20 % heksa-metylendiisocyanat. Fiberene får henstå i 48 h ved romtempe-ratur og vaskes deretter med destillert vann. Denne opera-sjon genererer en fibervikling som utviser kovalent bundede primære aminer på dens overflate. Det destillerte vann er-stattes deretter med en vandig oppløsning inneholdende 0,25 % IgG (immunoglobulin G) og 1 % vannoppløselig karbodiimid, pH 5,5. Det anvend IgG kan være acylert for å eliminere endogene primære aminer. Etter 24 h behandling med denne oppløsning vaskes anordningen omhyggelig med destillert vann og steriliseres for anvendelse ved in vivo perfusjonsanvendelse.

Claims (4)

1. Hemoperfusjonsanordning omfattende et langstrakt hus av upermeabelt materiale, lukket i sine ender ved hjelp av upermeable endeplater og inneholdende et blodfilter hvortil er tilknyttet spesielle behandlingsmolekyler med aktivitet for å fjerne biologiske bestanddeler av endogen eller eksogen opprinnelse fra blod som perfuseres gjennom anordningen,karakterisert vedat huset på dets indre overflate har et antall aksielle ribber (4) som utstrekker seg i det vesentlige gjennom husets lengde, en innløpsport (11) i én av endeplatene (2a), en utløps-port (3) i den andre av endeplatene (2), hvilke ribber (4) forløper radielt inn i den andre endeplate (2), og en upermeabel spindel (6) anordnet aksielt inne i huset, og som langs sin periferi har anordnet aksielle spor (8) som avsluttes nær spindelens tupp (7) , og utstrekker seg kun over en del av dens lengde, en konisk trakt (10) festet til spindelen (6) ved innløpsporten (11) med tilløp til sporene (8) , hvilken spindel (6) i dens andre ende avsluttes i en konisk tupp (7), som aksielt er forskjøvet i forhold til utløps-porten (3) og danner en ringformet passasje derimellom, samt en fiberspole (5) på spindelen (6), som i det vesentlige fyller det indre av huset til ribbene (4), slik at blod som innføres gjennom innløpsporten (11) strømmer langs spindelens spor (8) og passerer gjennom fiberspolen (5) og langs den indre overflate av huset mellom ribbene (4) og deretter mellom den koniske tupp (7) og utløpsporten (3).

2. Hemoperfusjonsanordning ifølge krav 1,karakterisert vedat fiberen (5) er et monofilament med en diameter i området 0,05-2,0 mm oppviklet på spindelen.

3. Hemoperfusjonsanordning ifølge krav 2,karakterisert vedat fiberen (5) består av hydroksy-etylcellulose.

4. Hemoperfusjonsanordning ifølge hvilke som helst av de foregående krav,karakterisert vedat fiberen (5) er spiralviklet på spindelen (6).