CN101357084B - 生物人工肾小管生物反应器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种替代人体肾脏的生物反应装置，由生物反应器、蠕动泵、细胞培养液恒流装置和恒温箱构成，生物反应器由塑料外壳、灌注液进口、灌注液出口，细胞培养液进口、细胞培养液出口、聚砜膜纳米材料支撑层、中空纤维管构成，中空纤维管呈同心圆排列，蠕动泵与生物反应器灌注液进出口连接，恒流装置与生物反应器的细胞培养液进出口连接，生物反应器、蠕动泵和恒流装置同置于恒温箱内。本发明装置设计合理，制备简便，能在较长时间内替代急性肾衰竭并多脏器功能障碍综合征患者的肾脏功能，或者使这类患者逐渐恢复自身肾组织和它的功能，从而提高多脏器功能障碍综合征患者的生存率和延长存活时间。

Description

生物人工肾小管生物反应器及应用

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别是一种暂时性替代人体肾脏的人工肾小管生物反应器。具体涉及一种与机械人工肾组合使用，复制出肾小管的功能，能在较长时间内替代肾功能，用于治疗急性肾衰竭并多脏器功能障碍综合征，从而提高多脏器功能障碍综合征患者的生存率和延长存活时间的生物人工肾小管生物反应器。

背景技术

无论急、慢性肾衰竭(ARF、CRF)，还是多脏器功能障碍综合征(MODS)，尽管在临床上其发病原因各不相同，但是都有急性肾小管上皮细胞坏死(ATN)，血液透析疗法，虽然可以替代肾小球的滤过功能，例如去除血液中的尿毒症毒素，纠正患者水和电解质平衡的紊乱；血液滤过疗法，通过补充置换液，仅仅是替代了肾小管的部分重吸收功能。急性肾小管上皮细胞坏死的防治，仍是目前临床治疗的难点之一。许多的临床和实验研究已经证实，ARF、CRF、MODS，它们的高病死率与急性肾小管上皮细胞坏死密切相关。因此，如何防治急性肾小管上皮细胞坏死的研究，就显得非常重要。

目前有以下几种方法：(1)药物治疗：长期的实验和临床经验已经证明，对于ARF、CRF、MODS的患者，药物治疗难以从根本上使肾脏组织恢复功能，所以不能取得满意的治疗效果。(2)非生物人工肾小管的治疗：通过血液透析/血液滤过，或采用血液灌流，或血浆置换等手段，可以部分除去血液中的毒性物质和芳香族氨基酸、酚类等化学物质，以减轻肾脏的负担，但是这些非生物型人工肾侧重于替代肾小球的滤过功能，不能完全替代肾脏的代谢，免疫和分泌等其它功能功能，尤其是对防治急性肾小管上皮细胞坏死的效果不满意。(3)生物人工肾小管的治疗：1996年Humes HD首次用犬肾近端小管细胞株(MDCK)构建生物人工肾小管辅助装置，首次发现生物人工肾小管辅助装置可以复制出肾小管的功能，10余年来，世界各地的学者进行了相关的实验和临床研究，已经初步证实了生物人工肾小管辅助装置(Bioartificial renal tubuleassist device，RAD)具备肾小管的功能，对于降低ARF、CRF、MODS的高病死率，和防治急性肾小管上皮细胞坏死有十分重要的意义。但是这一装置还有许多的缺陷，例如肾脏细胞RAD的支架是借助市售的透析器，细胞在透析器上贴壁情况不能令人满意，RAD构建的细胞的生物相容性，等等。其中最为重要的是肾脏细胞在透析器上贴壁情况不能令人满意，因此发明一个利于细胞贴壁生长的支架-生物反应器，就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有的生物人工肾小管辅助装置的不足，提供一种替代人体肾脏的生物人工肾小管生物反应器，由生物反应器、蠕动泵、细胞培养液恒流装置和恒温箱构成，生物反应器由塑料外壳、细胞培养液出口、细胞培养液进口、灌注液进口、灌注液出口、聚砜膜纳米材料支撑层、中空纤维管构成，中空纤维管呈同心圆排列，蠕动泵的输出端与生物反应器的灌注液进口连接，蠕动泵的输入端与生物反应器的灌注液出口连接，恒流装置的输出端与生物反应器的细胞培养液进口连接，恒流装置的输入端与生物反应器的细胞培养液出口连接，生物反应器、蠕动泵和恒流装置同置于恒温箱内。

蠕动泵以40ml/分钟的流速传动。中空纤维管设置1000根，中空纤维管的管壁作为滤过膜，其孔径同市售的F100s透析器。

本发明提供的生物反应装置，设有外源肾脏细胞培养液出入的进出口，设有加入新鲜培养液或新鲜的含有外源肾脏细胞培养液的出入口，用中空纤维管将灌注液和外源肾脏细胞培养液隔开，两者之间可进行中低分子的物质交换，全部中空纤维管外腔可容纳20ml细胞悬液，排列在呈同心圆状的聚砜膜纳米材料作为支撑层和中空纤维管可供肾脏细胞以5×10⁷/ml的密度黏附聚集，灌注液进口和灌注液出口，全部中空纤维管内腔可供灌注液通过，灌注液中的氧气和营养物质通过半透性的中空纤维管膜供应给肾脏细胞，同时肾脏细胞产生的代谢物质和二氧化碳也可通过该膜交换进入灌注液；蠕动泵使灌注液在上述生物反应器与灌注液循环系统之间进行循环，培养液的恒流装置，使培养液在上述生物反应器通过蠕动泵进行恒速循环。

本发明的生物反应器，由排列在呈同心圆状的聚砜膜纳米材料支撑层和中空纤维管都可供肾脏细胞黏附聚集。蠕动泵使灌流液在上述生物反应器之间进行循环的恒流装置，培养液的恒流装置，使培养液的在上述生物反应器进行循环的恒流等制成。

本发明所采用机械部件，均为市购。

本发明的另一个目的是提供该生物反应器在制备治疗替代急性肾衰竭并多脏器功能障碍综合征的设备中应用。

本发明提供的生物反应器与具有透析滤过功能的非生物人工肾(机械人工肾)组合使用，也可与各种物理性解毒的非生物人工肾合用，能在较长时间内替代急性肾衰竭并多脏器功能障碍综合征患者的肾脏功能，或者使这类患者逐渐恢复自身肾组织和它的功能，从而提高多脏器功能障碍综合征患者的生存率和延长存活时间。

本发明具有以下的优点：(1)用本发明生物反应器内置的中空纤维管，采用聚砜膜材料和呈同心圆状的聚砜膜纳米材料作为支撑层，二者为细胞的贴壁生长提供了的合适的表面积，更适合肾脏细胞的生长；提供的生物反应器进行细胞培养，在单位体积内提供给细胞贴壁生长的表面积大，生长面积/体积的比率大，细胞生存的空间充分，培养细胞的密度高，能明显增加培养肾脏细胞的数量；(2)呈同心圆状的聚砜膜纳米材料的支撑层，保证了中空纤维管之间的空间距离，为肾脏细胞提供立体支撑作用，更有利于维持肾脏细胞良好的形态特征，保持肾脏细胞的相关功能；(3)聚砜膜纳米材料具有较好的生物相容性。

附图说明

图1是本发明生物反应器系统的构成示意图。

图2是本发明生物反应器的纵截面示意图。

图3是本发明生物反应器的横截面示意图。

具体实施方式

本发明结合附图和实施例作进一步的说明。

实施例1

参见图1-3，本发明提供的生物反应装置，由生物反应器I、蠕动泵II、细胞培养液恒流装置III和恒温箱IV构成，生物反应器I由塑料外壳1、细胞培养液出口2、细胞培养液入口3、灌注液入口4、灌注液出口5，聚砜膜纳米材料支撑层6、中空纤维管7构成，中空纤维管7呈同心圆排列，蠕动泵II的输出端与生物反应器I的灌注液进口4连接，蠕动泵II的输入端与生物反应器I的灌注液出口5连接，恒流装置III的输出端与生物反应器I的细胞培养液进口3连接，恒流装置III的输入端与生物反应器I的细胞培养液出口2连接，生物反应器I、蠕动泵II和恒流装置III同置于恒温箱IV内。蠕动泵II以40ml/分钟的流速传动。中空纤维管7设置1000根，中空纤维管7的管壁作为滤过膜，其孔径同市售的F100s透析器。

治疗时肾细胞在生物反应器I的中空纤维管7外腔和聚砜膜纳米材料支撑层6的两面生长，先使用非生物人工肾透析灌流液中的大部分毒性物质后，然后本发明生物反应系统中的生物反应器I，通过灌注液进口4将灌注液引入上述生物反应器I中进行物质交换，中空纤维管7内腔可供灌注液通过，灌注液中的氧气和营养物质通过半透性的中空纤维管膜供应给肾脏细胞，同时肾脏细胞产生的人体必需的内分泌激素(例如红细胞生成素和维生素D3等)也可通过该膜交换进入灌注液；同时，本发明的生物反应系统中的细胞培养液恒流装置III将培养液由细胞培养液进口3进入，将肾脏细胞产生的代谢物质和二氧化碳也可随细胞培养液出口2排泄出本系统外。

实施例2 肾脏的相关细胞大规模培养

用经过转分化的肾小管上皮细胞，按5×10⁷/ml的密度种植在生物反应器I内的中空纤维管7外腔和聚砜膜纳米材料支撑层6表面生长，每周更换培养液2-3次，能明显增加培养肾脏细胞的数量。

实施例3 微载体化肾小管上皮细胞中空纤维管7外腔培养

微载体化的外源性肾小管上皮细胞可以经过上述生物反应器I的细胞培养液进口3输入生物反应器I内，使得肾小管上皮细胞均匀分布在生物反应器I的中空纤维管7外腔，然后灌流液通过生物反应器I的灌注液进口4进入生物反应器I的中空纤维管7内腔，肾小管上皮细胞通过半透膜摄取培养液中的营养成分和氧气，释放代谢产物，培养液恒流装置III将培养液通过生物反应器I的培养液出口2输回培养瓶。本方法培养的外源性肾小管上皮细胞用于治疗肾小管上皮细胞固定于中空纤维管7外腔。

Claims (4)

1.一种生物人工肾小管生物反应器，其特征是：由生物反应器(I)、蠕动泵(II)、细胞培养液恒流装置(III)和恒温箱(IV)构成，生物反应器(I)由塑料外壳(1)、细胞培养液出口(2)、细胞培养液进口(3)、灌注液进口(4)、灌注液出口(5)，聚砜膜纳米材料支撑层(6)、中空纤维管(7)构成，中空纤维管(7)呈同心圆排列，蠕动泵(II)的输出端与生物反应器(I)的灌注液进口(4)连接，蠕动泵(II)的输入端与生物反应器(I)的灌注液出口(5)连接，恒流装置(III)的输出端与生物反应器(I)的细胞培养液进口(3)连接，恒流装置(III)的输入端与生物反应器(I)的细胞培养液出口(2)连接，生物反应器(I)、蠕动泵(II)和恒流装置(III)同置于恒温箱(IV)内。

2.根据权利要求1所述的一种生物人工肾小管生物反应器，其特征是：中空纤维管(7)设置1000根。

3.根据权利要求1所述的一种生物人工肾小管生物反应器在制备治疗替代急性肾衰竭并多脏器功能障碍综合症的设备中应用。

4.根据权利要求3所述的一种生物人工肾小管生物反应器的应用，其特征是：所述反应器与具有透析滤过功能的机械人工肾组合应用。

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