CN111794947A - 蠕动泵和用于从生物组织分离细胞的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蠕动泵，其包括：柔性膜，其靠着支承件而形成至少一个囊，其中各个囊设置有允许流体进入囊的一个输入孔口和从囊释放流体的一个出口孔口；以及至少一个滚子轴承构造成围绕轴线旋转并对至少一个囊施加压缩力。本发明的另一目的是一种用于生物组织的灌注设备，其包括用以将生物组织固定在腔室内的支承件和夹具、构造成穿透到生物组织中的至少一个渐缩喷嘴和用于腔室的盖子，其特征在于，设备进一步包括与渐缩喷嘴流体连通的蠕动泵，其中蠕动泵包括：柔性膜，其靠着支承件而形成至少一个囊，其中各个囊设置有允许流体进入囊的一个输入孔口和从囊释放流体的一个出口孔口；以及至少一个滚子轴承构造成围绕轴线旋转并对柔性膜施加压缩力。
Description
技术领域
本发明涉及一种蠕动泵和一种用于通过将适当的释放剂输送到生物组织中来从生物组织分离活的靶细胞的包括蠕动泵的设备。
背景技术
牢固地互连以形成生物组织的细胞(如上皮细胞)难以从组织分离成单个活细胞。虽然有可能机械地破坏生物组织的基础结构并从得到的碎屑分离单个细胞，但因此获得的活的、未受损伤的细胞的收率相当低。
已知在更温和的灌注过程中从器官分离细胞，但这需要利用一系列缓冲溶液来通过适当的血管对器官进行麻烦的灌注。这样的过程已知用于分离心肌细胞或肝细胞等。
例如，US20110295149公开了一种用以通过组织碎片的研磨提取来使组织增溶的设备。该设备通过真空来固定在组织上，并且利用研磨构件来从组织上切下细胞，并进一步通过适当的酶来使细胞液化。
EP3171152公开了一种用于从生物组织分离活的靶细胞的设备。该灌注设备包括两部分式壳体、用于多个中空穿透结构的保持器以及用于生物组织的支承件，该支承件在壳体中定位成距保持器一定距离，使得中空穿透结构被推入组织中。然后，通过中空穿透结构来将释放剂施用到组织中。对EP3171152中所描述的设备和方法至关重要的是以适当的体积流速和压力来将流体施用到组织中。为此，EP3171152提到了一种齿轮泵，该齿轮泵集成在壳体中或设置在外部并利用适当的管道组来连接到该设备，但EP3171152没有记载泵的类型和技术。此外，根据EP3171152的设备是一次性的。由于集成在壳体中的泵将与该设备一起被处理，故泵必须生产起来廉价、小，并且仍然足够强大以将流体推入固体组织中。
此外，US2019064144公开了一种蠕动泵，该蠕动泵由嵌入柔性膜中的管形成，滚子轴承靠着柔性膜而按压。由于滚子轴承的压力，管的横截面减小，从而增大流体阻力。所施加的相当大的量的压力将分布在柔性膜中，并将有助于管的机械变形。因此，该系统将需要高的机械负荷来提供流体压力，并且由于柔性膜的机械变形，该系统将具有产生热的趋势。
发明内容
因此，本发明的目的是一种蠕动泵(10)，蠕动泵(10)包括：柔性膜(1)，其靠着支承件(3)而形成至少一个囊(2)，其中各个囊设置有允许流体进入囊(2)的一个输入孔口(4)和从囊(2)释放流体的一个出口孔口(5)；以及至少一个滚子轴承(6)构造成围绕轴线(7)旋转并对柔性膜施加压缩力。
本发明的另一目的是一种用于生物组织的灌注设备，该灌注设备包括用以将生物组织固定在腔室(10)内的支承件(12)和夹具(13)、构造成穿透到生物组织中的至少一个渐缩喷嘴(11)以及用于腔室的盖子(15)，其中设备进一步包括与渐缩喷嘴(11)流体连通的蠕动泵，其中蠕动泵(10)包括：柔性膜(1)，其靠着支承件(3)而形成至少一个囊(2)，其中各个囊设置有允许流体进入囊(2)的一个输入孔口(4)和从囊(2)释放流体的一个出口孔口(5)；以及至少一个滚子轴承(6)构造成围绕轴线(7)旋转并对柔性膜施加压缩力。
优选的2个或4个滚子轴承(6)构造成对由囊(2)提供的柔性膜的顶点以及支承件施加压缩力。压缩力减小了囊的体积和/或在滚子轴承的位置处增大了囊内的流体阻力。通过旋转滚子轴承，流体从囊的输入孔口被按压或泵送到囊的输出孔口(输入孔口在滚子轴承的旋转方向上位于输出孔口的上游)。
附图说明
图1示出了蠕动泵的侧视图。
图2示出了靠着支承件而定位的柔性膜的囊区域。
图3示出了灌注设备的构件。
图4示出了如何将组织的样品插入到灌注设备中。
具体实施方式
本发明的蠕动泵
如图1中所示出的，本发明的蠕动泵包括靠着支承件(3)而放置的柔性膜(1)。柔性膜(1)设置有至少一个通道，该通道与支承件(3)一起形成一个或多个囊(2)。通道或囊在一个表面处由支承件封闭，并且在另一个表面侧处形成为顶点(图2中的2’)。因此，囊并非嵌入柔性膜中和/或形成为由柔性膜包围的封闭管，而是由柔性膜形成为通道，该通道在支承件的侧部处开放并从柔性膜的表面以囊的形式延伸。在优选的变体中，囊在顶点(图2中的2’，即囊的顶部，在该顶部处，滚子轴承(6)与囊接触)处具有比柔性膜的厚度更大的厚度。
至少一个滚子轴承(6)靠着该顶点而按压，以便对柔性膜施加压缩力，从而减小囊的体积和/或在滚子轴承的位置处增大囊内的流体阻力。所述至少一个、优选的2个或4个滚子轴承(6)构造成借助于适当的马达(未示出)来围绕轴线(7)旋转。柔性膜(即囊)在通道内的位置处设置有允许流体进入囊(2)的一个输入孔口(4)和在滚子轴承的旋转期间从囊(2)释放流体的一个出口孔口(5)。
柔性膜(1)可由任何柔性且耐用的材料(如氯丁橡胶、硅树脂或橡胶)制造。
优选地，滚子轴承(6)设置有预加载弹簧，以对至少一个囊(2)施加压缩力。如图1中所示出的倾斜轴线(尤其)具有与预加载弹簧相同的功能。
至少一个囊优选地至少部分地位于围绕轴线(7)旋转的滚子轴承(6)的路径中。优选地，一个或多个囊(2)完全定位在旋转的滚子轴承(6)的通路中，即至少部分为圆形形状的，其直径近似为旋转的滚子轴承(6)的通路的直径。例如，囊(2)可具有围绕轴线(7)而具有0.5至5 cm的半径的圆形形状。
在另一实施例中，一个或多个囊(2)仅部分地(如达长度的50%)定位在旋转的滚子轴承(6)的通路中。在该变体中，通道/囊可为线性形状的，但需要围绕滚子轴承的轴线定向。
如果设置多个囊，则囊可在第一囊的出口孔口(5)与第二囊的输入孔口(4)之间设置有流体通路。于是，第一囊的入口孔口与允许流体进入囊(2)的一个输入孔口(4)相同，并且最末的囊(在轴承的流动/旋转方向上)的输出孔口与从囊释放流体的一个出口孔口(5)相同。
在设置多个囊的另一变体中，囊设置有出自囊的出口孔口(5)的公共流体通路和通向囊的输入孔口(4)的公共管。
囊(2)在填充有流体时可具有大约1至10微升的总流体体积。
如图2中所示出的，囊的最大高度(hb)为0.5至2 mm，优选地为0.8至1.2 mm。在滚子轴承靠着囊而按压的位置(图2中的2’)处，柔性膜的厚度(hm)为0.5至2 mm，优选地为1.0至1.5 mm，其中膜本身的厚度(dm)为大约0.3至0.7 mm。
取决于期望的体积流量和/或压力，滚子轴承(6)以10至5000转/分钟的速度围绕轴线(7)旋转。
优选地，至少一个滚子轴承(6)构造成围绕垂直于至少一个囊(2)和/或支承件的轴线(7)旋转。通过对柔性膜的压缩力和围绕轴线(7)的旋转的这种组合的方式，流体从第一输入孔口被按压通过囊并被按压到最末的输出孔口。
换句话说，由至少一个滚子轴承(6)对囊(2)施加的压缩力将囊在滚子轴承(6)的位置处的流动阻抗增大10至100倍。
为了在不施加导致产生不期望的热的过高的压缩力的情况下增大通过囊的流体的流速，囊(2)可具有带有顶角(作为图2中的2’而示出为b1与b2之间的角)的形状，滚子轴承(6)靠着该顶角而按压，其中顶角在45度与110度之间，优选地为70度到100度。
囊的形状可进一步由如以图2中的(a)示出的由囊和支承件共享的角来描述。该角优选地在10度与90度之间，尤其是在20度与60度之间。
囊(2)优选地为透镜形状的，并且可具有带有0.1至1.0的高度与宽度的纵横比(在图2中：2r/hb)的内腔。如果设置多于一个的囊，则囊具有相同的形状和/或内腔。
如图1中所示出的，滚子轴承优选地具有非圆柱形的形式，而是形成为圆锥体。该形状避免了由于由旋转的滚子轴承在柔性膜中引起的剪切力而导致的热在设备中的积聚。在该实施例中，滚子轴承(6)的轴线(8)设置有与滚子轴承(6)相同的形式或角，即轴线(8)倾斜并且不正交于旋转轴线(7)。
本发明的灌注设备
由于其紧凑的设计和高流体压力，如所描述的蠕动泵可有利地用作用于生物组织的灌注设备的部分。如已经讨论的，这样的灌注设备用于以适当的体积流速和压力将如酶的流体(释放剂)施用到生物组织中，以便至少部分地使组织分解和/或从生物组织释放细胞。为此，如中空针的中空穿透结构被推入组织中，并且释放剂通过中空穿透结构而被泵送到组织中。为了提供令人满意的细胞释放速率，需要以足够的流速或压力来将释放剂通过组织而泵送。
用语“使生物组织分解成靶细胞”指代在不杀死、破坏或溶解靶细胞的情况下至少部分地破坏细胞结构、细胞集合体或细胞基质的任何过程。最好的情况是，靶细胞作为单个、分离的且活的细胞来获得。例如，如果肝脏用作生物组织，则利用本发明的设备来将适当的酶施用到肝脏中。肝脏组织分解以产生不离开肝脏的单个肝脏细胞。为了收获靶细胞，机械地打开肝脏的上皮细胞片(肝脏的包囊)，并且可从剩余的组织洗出肝脏细胞。
图3通过示例的方式示出了具有若干变体的本发明的灌注设备。该设备的所有实施例的共同之处在于，如已经公开的蠕动泵与至少一个渐缩喷嘴(11)流体连通，渐缩喷嘴(11)构造成穿透到组织中。通过穿透到组织中，流体被施用到组织中。该设备包括圆柱形形状的腔室(10)，腔室(10)可在一端处利用盖子(15)来封闭，并且在另一端处利用蠕动泵(描绘为1、8、6)来封闭。组织在支承件(12)上被引入到腔室中，并由夹具(13)机械地固定，以便由渐缩喷嘴(11)穿透。
在第一实施例中，本发明的设备可包括盖子(15)，盖子(15)具有构造成附接到夹具(13)的下保持器(downholder)(14)。
此外，盖子(15)可包括调节器(17)，调节器(17)构造成附接到下保持器(14)，且/或盖子(16)可包括至少一个孔口(16)，孔口(16)任选地具有鲁尔(Luer)锁。
在另一实施例中，下保持器(14)包括从盖子延伸到腔室(10)中以到达支承件(12)的至少一个管(18)。
根据本发明的灌注设备具有如下的优点：只有与生物组织具有机械接触的部分(即用于多个渐缩喷嘴(11)的保持器、支承件)是单次使用的一次性用品，而该设备的如腔室、盖子的构件在适当的清洁之后可多次使用。在本发明的变体中，包括所有构件的整个设备设置为一次性的。
只要需要从组织提取期望的细胞，缓冲液和/或用以使生物组织(6)分解的剂就由蠕动泵泵送到生物组织(6)中。
优选地，渐缩喷嘴(11)设置有用以在针的开口未放置在生物组织内时(即在针未穿透到组织中或通过组织而穿透的情况下)停止试剂通过针的流动的装置。
渐缩喷嘴(11)可在基部处具有0.05至5 mm、优选地0.2至1 mm、最优选地0.3至0.7mm的外径，并且独立地在基部处具有0.02至4 mm、优选地0.1至1 mm、最优选地0.1至0.6 mm的内径，并且独立地具有1至100 mm、优选地2至20 mm、最优选地4至5 mm的长度。
渐缩喷嘴(11)的数量取决于生物组织的尺寸，并且可在2与50之间变化，优选地在5与25之间变化。渐缩喷嘴(11)可以以任何几何形状或阵列布置在保持器上，并且可具有相同或不同的长度。保持器可不机械地固定在主壳体中。这使得能够取决于生物组织的尺寸和厚度而使用具有不同数量的渐缩喷嘴(11)和/或不同长度的渐缩喷嘴(11)和/或不同几何形状或阵列的渐缩喷嘴(11)的不同腔室。
取决于生物组织的尺寸、厚度和外形，渐缩喷嘴(7)的穿透深度可由调节器(17)调节，调节器(17)靠着下保持器(14)和夹具(13)且最后靠着生物组织而按压。
本发明的设备的所公开的构件可由如下者的相同或不同的材料生产：不锈钢、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚烯烃(如聚乙烯和聚丙烯)、聚碳酸酯、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸或聚酰胺。
本发明的设备可通过本领域技术人员已知的任何方法来制造。优选的方法是注射模制和3D打印(例如通过挤压沉积、熔合沉积成型、立体光刻或光聚合物数字光处理)。
如本文中所使用的用语“穿透”意味着针放置到生物组织中，以便将释放剂施用到生物组织中。不期望使针通过生物组织而刺穿或刺破，这是因为释放剂于是将不会进入或不会充分进入生物组织以释放靶细胞。在本发明的过程中应当注意的是，针的大部分放置在生物组织的内部，并且不会通过生物组织而刺穿或刺破。最好的情况是，所有针都在生物组织的厚度的30-70%、优选地近似50%处放置到生物组织中。
生物组织
本发明的设备可用于所有类型的生物组织，如脊椎动物或无脊椎动物的器官，优选地用于脾脏、心脏、肝脏、脑和其它神经组织、肾脏、肺、胰腺、乳腺、脐带、皮肤、胎盘、卵巢、输卵管、子宫、前列腺、扁桃体、胸腺、胃、睾丸、气管、软骨、腱、骨、骨骼肌、平滑肌、肠、结肠、小肠、膀胱、尿道、眼睛、胆囊、来自细胞培养物的类器官以及肿瘤。
靶细胞
本发明的设备可用于产生所有类型的靶细胞，这些靶细胞是组织驻留细胞，尤其是来自脊椎动物或无脊椎动物组织的细胞，优选地是上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、肌成纤维细胞、肝细胞、肝星状细胞、心肌细胞、足细胞、角质细胞、黑素细胞、神经细胞(包括神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞)、白细胞(包括树突细胞、中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞(包括T细胞、B细胞、NK细胞、NKT细胞和先天性淋巴1-3型细胞))、组织干细胞(包括MSC)以及上文提到的细胞的祖细胞。
分解剂
施用到组织中的流体可包括“分解剂”，该用语涉及包括用于在不影响靶细胞本身的情况下破坏靶细胞在组织内的锚定的物质的任何流体(如缓冲液)。这种锚定起源于细胞与细胞外基质或与相邻细胞的相互作用。这些相互作用(例如紧密连结、间隙连结、桥粒和半桥粒)主要由蛋白质(例如钙粘着蛋白、连接蛋白、闭合蛋白和整联蛋白)来大部分以钙依赖的方式建立。因此，破坏组织完整性的释放剂可包含无钙和/或钙消耗剂和/或降解细胞外基质或细胞外蛋白质-蛋白质相互作用的酶。可顺序地或同时地施用释放剂的组分。
例如，用以使生物组织(6)分解的剂选自由下者组成的组：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、木瓜蛋白酶、胶原酶、弹性蛋白酶、分散酶、嗜热菌蛋白酶、透明质酸酶、来自溶组织梭菌的梭菌蛋白酶和中性蛋白酶、链霉蛋白酶、脱氧核糖核酸酶I、胃蛋白酶、蛋白酶K、溶菌酶、用于二价离子的螯合剂(如EDTA或柠檬酸盐)以及它们的混合物。
优选的是无钙或钙消耗缓冲液的多价螯合(sequester)施加，之后是降解细胞外基质或细胞外蛋白质-蛋白质相互作用的包含酶的缓冲液的多价螯合施加。钙消耗试剂可为包含EDTA、EGTA或柠檬酸盐的缓冲液。
该设备的操纵/本发明的过程
图4示意性地示出了该设备的使用。首先，将支承件(12)放置在皿(dish)上，并将组织(20)放置在支承件(12)上。然后，通过夹具(13)来将组织(20)固定在支承件(12)上。支承件(12)和夹具(13)可设置有用以彼此机械地互锁以防止在该设备的操作状况下使构件分开的装置(如凹口)。将已经组合的盖子(15)和下保持器(14)附接到该“叠堆”，并且然后将得到的构造插入到包括渐缩喷嘴(11)的腔室(10)中。优选地，盖子(15)和腔室(10)设置有螺纹以确保不透水的连接。渐缩喷嘴(11)进入组织(20)的穿透深度可通过调节器(17)来调节，调节器(17)优选地设置有螺纹以用于调节。在图4中，省略了如已经公开的蠕动泵，但蠕动泵可如由用语“泵”示出的那样附接到腔室。
Claims (15)
1.一种蠕动泵(10)，包括：
柔性膜(1)，其靠着支承件而形成至少一个囊(2)，其中各个囊设置有允许流体进入所述囊(2)的一个输入孔口(4)和从所述囊(2)释放所述流体的一个出口孔口(5)；以及至少一个滚子轴承(6)构造成围绕轴线(7)旋转并对所述至少一个囊(2)施加压缩力。
2.根据权利要求1所述的蠕动泵，其特征在于，至少一个囊至少部分地位于围绕轴线(7)旋转的所述滚子轴承(6)的路径中。
3.根据权利要求1所述的蠕动泵，其特征在于，至少一个囊形成为靠着支承件的开放通道和从所述柔性膜的平面突出的顶点。
4.根据权利要求1所述的蠕动泵，其特征在于，设置多个囊，并且其中，所述囊在第一囊的所述出口孔口(5)与第二囊的所述输入孔口(4)之间设置有流体通路。
5.根据权利要求1所述的蠕动泵，其特征在于，设置多个囊，并且其中，所述囊设置有出自所述囊的所述出口孔口(5)的公共流体通路和通向所述囊的所述输入孔口(4)的公共管。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的蠕动泵，其特征在于，所述囊构造成使得由至少一个滚子轴承(6)对所述囊(2)施加的所述压缩力将所述囊在所述滚子轴承(6)的位置处的流动阻抗增大10至100倍。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的蠕动泵，其特征在于，所述囊(2)具有带有0.1至1.0的高度与宽度的纵横比的内腔。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的蠕动泵，其特征在于，所述囊(2)具有带有顶角的形状，所述滚子轴承(6)靠着所述顶角而按压，其中，所述顶角在大约45度与大约110度之间。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的蠕动泵，其特征在于，所述至少一个滚子轴承(6)构造成围绕垂直于所述至少一个囊(2)和/或所述支承件的轴线(7)旋转。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的蠕动泵，其特征在于，所述滚子轴承形成为圆锥体，并且所述滚子轴承(6)的轴线(8)设置有与所述滚子轴承(6)相同的形式或角。
11.用于生物组织的灌注设备，包括用以将所述生物组织固定在腔室(10)内的支承件(12)和夹具(13)、构造成穿透到所述生物组织中的至少一个渐缩喷嘴(11)以及用于所述腔室的盖子(15)，其特征在于，设备进一步包括根据权利要求1所述的蠕动泵，所述蠕动泵与所述渐缩喷嘴(11)流体连通。
12.根据权利要求11所述的灌注设备，其特征在于，所述盖子(15)包括构造成附接到所述夹具(13)的下保持器(14)。
13.根据权利要求11或12所述的灌注设备，其特征在于，所述盖子(15)包括调节器(17)，所述调节器(17)构造成附接到所述下保持器(14)。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的灌注设备，其特征在于，所述支承件(12)和所述夹具(13)构造成机械地组合，并且其中，下部部分(40)构造成支承所述组织，并且上部部分(50)构造成将所述组织靠着所述下部部分(50)而按压。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的灌注设备，其特征在于，所述下保持器(14)包括从所述盖子延伸到所述腔室(10)中以到达所述支承件(12)的至少一个管(18)。
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