DE69014125T2

DE69014125T2 - Künstliche bauchspeicheldrüsenperfundierungsvorrichtung.

Info

Publication number: DE69014125T2
Application number: DE69014125T
Authority: DE
Inventors: Kermit Borland; William Chick; Edward Doherty; Karen Dunleavy; Amy Foley; John Harvey; Donald King; Thomas Muller; Barry Solomon; Susan Sullivan
Original assignee: WR Grace and Co
Current assignee: Circe Biomedical Inc
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2010-02-23
Also published as: AU5733390A; EP0489014A1; EP0489014B1; US5002661A; DK23192D0; DE69014125D1; ES2063356T3; CA2065390C; ATE113817T1; CA2065390A1; JPH04507051A; AU641164B2; DK0489014T3; DK23192A; WO1991002498A1

Description

Die Erfindung betrifft eine künstliche Bauchspeicheldrüsen- Perfundierungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus FR-A-2 384 504 bekannt.

Hintergrund der Erfindung

Betazellen, die Insulin produzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse, weisen mehr als 70 % der Zellpopulation auf, die in diskreten Zellansammlungen im Pankreas, die als Langerhanssche Inseln bekannt sind, gefunden werden. Einige der Hauptauswirkungen von Insulin sind die Erhöhung der Glukoseaufnahme durch verschiedene Gewebe einschließlich Muskelund Fettgewebe und die Verringerung der Glukoseabgabe durch die Leber. Sowohl absoluter als auch relativer Insulinmangel beeinträchtigen die Glukoseaufnahme und erhöhen die hepatische Glukoseabgabe, was in den anomal hohen Glukosekonzentrationen resultiert, die für Diabetes mellitus charakteristisch sind.
Die Insulinfreisetzung aus pankreatischen Inseln wird durch eine Kombination von Faktoren gesteuert, die die Konzentration von Glukose und anderen Nährstoffen im Blut, gastrointestinale Hormone und neuronale Reize einschließen. Beim Mensachen ist Glukose der Hauptreiz für die Sekretion von Insulin aus Betazellen. Andere Brennstoffe wie etwa Aminosäuren und Fettsäuren fördern aber ebenfalls die Sekretion.
Diabetes ist allgemein durch eine erhöhte Glukosekonzentration im Blut und im Harn charakterisiert. Insulin wird einem Diabetes-Patienten verabreicht, um die Konzentration von Glukose und anderen Nährstoffen im Blut zu steuern oder zu regulieren. Das Ziel dieses Verabreichungsplans ist die Aufrechterhaltung der Glukosewerte nahe dem Normalwert. Ein möglicher Grund dafür, daß diese Behandlung unfähig ist, die mit Diabetes einhergehenden Komplikationen zu verhindern, ist der, daß tägliche Insulininjektionen nicht die raschen Insulin-Sekretionsantworten normaler Inseln aufgrund eines physiologischen Bedarfs nachahmen. Infolgedessen besteht großes Interesse an der Entwicklung einer Behandlung für Diabetiker, die es ermöglichen würde, jederzeit normale Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten - dieses Ziel ist durch Insulininjektionen, Diät und körperliche Bewegung nur extrem schwer oder gar nicht zu erreichen.
Es wurde bereits versucht, ein elektromechanisches künstliches Pankreas-System herzustellen, bestehend aus einem Glukosesensor, einem Informationsprozessor und einer Insulinpumpe, um physiologische Ansprechmuster für die Insulinfreisetzung nachzuahmen. Bisher war dieser Versuch nicht erfolgreich.
Ein weiterer Versuch zur Behandlung von Diabetes ist der Ersatz des funktionsgestörten Organs durch Transplantation von normalem Bauchspeicheldrüsengewebe. Die Transplantation von Bauchspeicheldrüsengewebe ist jedoch nur begrenzt erfolgreich wegen Problemen in bezug auf Gewebetypisierung, Verfügbarkeit von Spendern und Immunabstoßung.
Zur Lösung dieser Probleme haben sich die Forscher auf die Herstellung einer künstlichen Hybrid-Bauchspeicheldrüse konzentriert, die die physiologische Antwort des Organs auf Glukosewerte nachahmt. Künstliche Bauchspeicheldrüsenvorrichtungen, die lebende Inseln enthalten, wurden gebaut, um die Immunabstoßung zu vermeiden. Diese Vorrichtungen enthalten eine halbdurchlässige Membran, die die transplantierten Inseln von immunreaktiven Zellen und Molekülen trennt. Siehe Trans. Amer. Soc. Artif. Int. 0rgans (1975), Vol. 21, S. 8-14, wo Chick et al. erörtern, daß auf künstlichen halbdurchlässigen Hohlfasern gezüchtete Betazellen fortfahren, Insulin zu synthetisieren, zu speichern und freizusetzen. Außerdem zeigen Chick et al., daß die Insulinfreisetzung ohne weiteres durch Andern der Glukosekonzentration des Perfusionsmediums mit der Zeit moduliert werden kann.
Matsamura beschreibt eine künstliche Bauchspeicheldrüsenvorrichtung, die eine halbdurchlässige Membran enthält, auf deren einer Seite einmal verteilte lebende pankreatische Inseln plaziert sind (US-PS 3 827 565).
Sun et al. (US-PS 4 323 457 (1982) und FR-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2 384 504) beschreiben eine andere künstliche Bauchspeicheldrüsenvorrichtung, die eine Behältereinrichtung ist, durch die eine Hohlfaser mit einem Durchmesser von 500 um geführt ist. Der Behälter nimmt pankreatische Inseln auf, und es wird angegeben, daß die Faser eine Porosität hat, die zuläßt, daß Substanzen mit einem Molekulargewicht von weniger als 100.000 Dalton hindurchtreten können.
Chick et al. (US-PS en 4 242 459 und 4 242 460 (1980)) beschreiben eine Zellkulturvorrichtung, die einen allgemein kreisrunden fluiddichten Hohlraum und ein halbdurchlässiges Rohr hat, das um sich selbst gewickelt ist, um Wendeln zu bilden. Eine andere Zellkulturvorrichtung weist ein Gehäuse und einen ortsfesten Kern auf, um den ein halbdurchlässiges Rohr gewickelt ist, um Wendeln zu bilden.
In der EP-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 101 373 beschreiben die Erfinder Jaffrin und Reach eine ultrafiltrierende künstliche Bauchspeicheldrüsenvorrichtung, bei der pankreatische Inseln, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind, von dem Blut eines Individuums durch parallele Ultrafiltrations-Membranen getrennt sind, die z. B. in einer abgeflachten U-Form angeordnet sind. Sie lehren, daß der Blutdruck des Individuums, an dem die Vorrichtung implantiert ist, genügt, um die Ultrafiltration von Glukose und Insulin über die Membran voranzutreiben, was in einer erhöhten Ansprechempfindlichkeit auf Glukose über künstliche Bauchspeicheldrüsen-Diffusionsvorrichtungen resultiert.
In Journees Annuelles de Diabetoloqie de l'Hotel-Dieu, 1982, "Kinetic Approach for Bioartificial Pancreas" von Reach et al., S. 147-159, ist eine Übersicht über fünf verschiedene Modelltypen von künstlichen Bauchspeicheldrüsen gegeben. Die Übersicht erörtert, ob die verschiedenen Typen oder Modelle von künstlichem Pankreas vier Forderungen erfüllen: (i) funktionelles Überleben oder einfaches Austauschen von pankreatischem Gewebe, das in einer solchen Vorrichtung verwendet wird, (ii) funktionelles Überleben über lange Zeit und Biokompatibilität der in der Vorrichtung verwendeten Membran, (iii) Schutz der Membran vor Immunabstoßung des in der Vorrichtung verwendeten pankreatischen Gewebes, und (iv) Ausbildung einer Regelschleife zwischen Glykämie und Insulinsekretion. Die verschiedenen betrachteten künstlichen Pankreasmodelle umfassen solche, die mit Diffusionskammern, individueller Mikroumkapselung von Langerhansschen Inseln, der Umschließung von Inseln im Inneren von Hohlfasern sowie künstlichen Kapillaren oder Ultrafiltration arbeiten.
Keine der heute verfügbaren künstlichen pankreatischen Vorrichtungen löst die Probleme, die mit Diabetes und mit der Implantierung einer künstlichen Vorrichtung in ein Individuum einhergehen. Es besteht daher ein Bedarf für eine pankreatische Vorrichtung, die lebensfähige Langerhanssche Inseln enthält, die in ein an Diabetes leidendes Individuum implantiert und wirksam sein kann zur Regelung von Blutzuckerwerten auf eine solche Weise, daß eine normale physiologische Antwort auf sich ändernde Glukosekonzentrationen im Blut nachgeahmt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung wird eine künstliche Organ-Perfusionsvorrichtung, insbesondere eine künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfusionsvorrichtung angegeben, die in der Sekretion von Insulin in das Blut eines Individuums aufgrund von Änderungen der Glukosekonzentration im Blut resultiert. Die Vorrichtung verwendet eine Hohlfaser für den Durchtritt von Blut durch ein Gehäuse, das pankreatische Langerhanssche Inseln in einem geeigneten Trägermaterial enthält, und eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden eines Blutgefäßes wie etwa einer Vene oder einer Arterie mit den Enden der Hohlfaser, um einen ständigen Durchfluß von dem Individuum durch die Vorrichtung und zurück in das Individuum vorzusehen. Die Inseln werden in das Gehäuse eingebracht, während sie in einer halbfesten Matrix suspendiert sind, die Agar, Alginat oder ein anderes geeignetes Medium enthält, so daß die Inseln über die Länge der Hohlfaser verteilt sind. Die Hohlfaser hat eine Porosität, die nur den Durchtritt von Substanzen mit einem Molekulargewicht von weniger als ca. 100.000 Dalton quer durch sie zuläßt, während sie gleichzeitig Blut entlang der Länge der Faser transportiert. Substanzen mit einem Molekulargewicht unterhalb dieses Grenzwerts, die Substanzen umfassen, die die Insulinsekretion stimulieren, etwa Glukose, Aminosäuren, Fettsäuren, Hormone (z. B. Thyroxin, Wachstumshormon, Glukokortikoide) und neuronale Reize, diffundieren durch die Hohlfaserwand zu den Inseln. Als Antwort auf diese Substanzen produzieren die Inseln Insulin, das quer durch die Hohlfaserwand in das in der Faser fließende Blut diffundiert. Das Insulin enthaltende Blut fließt aus der Vorrichtung in den Kreislauf des Individuums durch ein Auslaßende der Faser.
Bevorzugt hat die Hohlfaser einen Innendurchmesser, der dem Innendurchmesser eines Blutgefäßes komplementär ist, das durch die Verbindungseinrichtung mit den Enden der Faser verbunden ist. Infolgedessen erfolgt ein gleichmäßiger und ständiger Durchfluß von Blut aus dem Körper durch die Hohlfaser und zurück in den Körper. Inseln bleiben lebensfähig und produzieren Insulin, weil notwendige Substanzen (z. B. Nährstoffe und Sauerstoff) durch das hindurchfließende Blut geliefert werden. Das durchfließende Blut trägt außerdem Abfallprodukte fort, die von den Zellen innerhalb der Vorrichtung erzeugt werden.
Die Hohlfaser hat eine Porengröße, die selektiv den Durchtritt von Substanzen mit einem Molekulargewicht von weniger als ca. 100.000 Dalton zuläßt, um eine Barriere zum Schutz des Xenotransplantats gegenüber einer Immunreaktion des Wirts zu bilden. Somit brauchen die pankreatischen Inseln nicht dem Gewebetyp des Individuums zu entsprechen, das durch die Anwendung der Erfindung zu behandeln ist.
Die Innenwände des Gehäuses sind von der Hohlfaser auf eine Weise beabstandet, die eine Kammer um die Hohlfaser herum über die Länge der Faser definiert. Bevorzugt sind die Innenwände des Gehäuses ausreichend nahe an der Hohlfaser positioniert, um die Diffusion von Substanzen zu und aus der Faser zu maximieren. Die halbfeste Matrix, in der Inseln suspendiert sind (als Insel-Suspension bezeichnet), wird in diese Kammer eingeschleust, um die Kammer im wesentlichen auszufüllen. Bevorzugt füllt die Insel-Suspension die Kammer nicht nur im wesentlichen aus, sondern verteilt die pankreatischen Inseln außerdem umfangsmäßig und in Längsrichtung über die Faserlänge. Eine minimierte Entfernung zwischen den Inseln und der Faser maximiert die Diffusion von Substanzen wie etwa Glukose aus dem Blut, das in der Hohlfaser fließt, quer durch die Faserwand zu den Inseln und maximiert außerdem den Durchtritt von Insulin durch die Faserwand in das in der Faser fließende Blut.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Hohlfaser im wesentlichen gerade und ohne Krümmung koaxial innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses. Zwischen den Innenwänden des rohrförmigen Gehäuses und den Außenwänden der Hohlfaser sind pankreatische Inseln bevorzugt umfangsmäßig und in Längsrichtung um die Faser herum beispielsweise mittels einer halbfesten Matrix verteilt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das Gehäuse koaxial um die Hohlfaser herum über die Faserlänge positioniert. Das Gehäuse ist gemeinsam mit der Hohlfaser um eine Längsachse gewickelt. Die pankreatischen Inseln sind um die Faser herum in dem gewickelten Gehäuse verteilt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hohlfaser allein in ein oder mehr Windungen um eine Längsachse herum gewickelt und von einem ringförmigen Gehäuse umschlossen. Bei dieser Konfiguration kann jede Windung der gewickelten Hohlfaser von vorhergehenden und nachfolgenden Windungen durch Abstandselemente beabstandet sein. Die Abstandselemente gewährleisten einen Zwischenraum zwischen jeder Windung der Hohlfaser und ermöglichen ihrerseits die Verteilung der Inseln umfangsmäßig und in Längsrichtung entlang der Länge der Faser. Das ringförmige Gehäuse hat geringes Gewicht und eine endbearbeitete äußere Gestalt, die die Implantierung in ein Individuum erleichtert.
Somit enthält die Vorrichtung der Erfindung lebensfähige Langerhanssche Inseln und kann in ein an Diabetes leidendes Individuum implantiert werden. Die Inseln sekretieren Insulin nach Maßgabe von Blutglukosewerten. Das Insulin diffundiert durch die Faserwand und in den Blutstrom des Individuums. Die Hohlfaser ist mit Gewebe kompatibel und hat eine Porosität, die selektiv den Durchtritt von Substanzen wie etwa Glukose und Insulin durch die Faserwand zuläßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen gleiche Teile durchweg mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, stattdessen wird auf die Verdeutlichung der Prinzipien der Erfindung Wert gelegt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer künstlichen Bauchspeicheldrüsen-Perfusionsvorrichtung, die allgemein gemäß der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren künstlichen Bauchspeicheldrüsen-Perfusionsvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem gewickelten Gehäuse;
Fig. 3a ist eine teilweise geschnittene schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einem ringförmigen Gehäuse;
Fig. 3b ist eine Draufsicht auf die Ausführungsform von Fig. 3a;
Fig. 3c ist eine Explosionsansicht einer anderen Ausführungsform, die ein ringförmiges Gehäuse mit geringem Gewicht hat;
Fig. 4 bis 6 sind Diagramme der Insulinabgabe in vitro in drei separaten Wickelvorrichtungen, die die Erfindung verkörpern;
Fig. 7 und 8 sind Diagramme der Korrelation zwischen der Insel- Beimpfungsdichte, der Oberfläche und der Insulinabgabe.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Steuerung von Schwankungen der Glukosewerte im Blut brauchbar ist, sowie ein Verfahren zum Behandeln solcher Schwankungen, insbesondere bei an Diabetes leidenden Personen. Die Vorrichtung umfaßt lebensfähige intakte pankreatische Langerhanssche Inseln, Inselfragmente, Betazellen oder eine Kombination davon, die Blutglukosewerte erfassen und darauf ansprechen, während Blut durch eine Hohlfaser fließt, die selektiv den Durchtritt von Molekülen zuläßt, die ein Molekulargewicht von weniger als ca. 100.000 Dalton haben. Der Ausdruck Hohlfaser soll verschiedene hohle, mit Gewebe kompatible Materialien umfassen, die fähig sind, ein Medium (d. h. Blut) zu transportieren, und eine gewählte Porosität haben, die selektiv den Durchtritt von Substanzen durch das Material zuläßt.
Eine künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfusionsvorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und allgemein mit 40 bezeichnet. Die Vorrichtung umfaßt eine Hohlfaser 12, die von Langerhansschen Inseln l4 umgeben ist.
Blut eines Individuums tritt in die Hohlfaser 12 durch ein Einlaßende 16 ein und strömt in der Hohlfaser 12 entlang der Länge der Faser 12 in Richtung zu einem Auslaßende 18. Die Hohlfaser 12 ist eine poröse Membran mit einer Porengröße, die selektiv den Durchtritt von Substanzen gestattet, die ein Molekulargewicht von weniger als ca. 100.000 Dalton haben. Somit erlauben die Poren die Diffusion von Glukose und notwendigen Nährstoffen aus dem Blut durch die Wände der Hohlfaser 12 zu den Inseln 14, während Blut in Längsrichtung der Faser 12 fließt. Aufgrund der zugeführten Glukose und Nährstoffe erzeugen und sekretieren die Inseln 14 Insulin, das von außerhalb der Hohlfaser 12 durch die Wände der Faser und in das sie durchströmende Blut diffundiert. Das Insulin enthaltende Blut (d. h. das aus der Vorrichtung fließende Blut) tritt aus der Faser 12 am Auslaßende 18 aus, um das Individuum mit dem erzeugten Insulin zu versorgen.
Insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung 40 in vivo ist ein Ende der Hohlfaser 12 durch eine Verbindungseinrichtung mit einem Blutgefäß wie etwa einer Arterie verbunden, um Blut aufzunehmen, und das entgegengesetzte Ende der Faser 12 ist durch eine Verbindungseinrichtung mit einem zweiten Blutgefäß wie etwa einer Vene verbunden, um Insulin enthaltendes Blut an das Individuum abzugeben. Für die Verwendung der Vorrichtung 40 ex vivo eignen sich Verbindungen, die von solchen mit einer Arterie und einer Vene verschieden sind, solange Blut oder ein anderes Medium durch die Hohlfaser 12 vom Einlaßende 16 zum Auslaßende 18 fließt. Die Verbindungseinrichtung kann jedes einer Vielzahl von verschiedenen, mit Gewebe kompatiblen Materialien wie etwa vaskuläres Transplantatmaterial aufweisen. Die Enden der Hohlfaser können durch eine Verbindungseinrichtung mit einem einzelnen Blutgefäß wie etwa einer Arterie oder Vene verbunden sein. Alternativ können die Enden der Hohlfaser durch eine Verbindungseinrichtung mit zwei Blutgefäßen wie etwa einer Arterie und einer Vene, wie vorstehend beschrieben, verbunden sein.
Bevorzugt ist die Hohlfaser 12 eine poröse Acrylcopolymer- Membran mit einer mittleren Porosität von ca. 100.000 Dalton, wie etwa der Typ XM von Amicon Division von W.R. Grace & Co., Conn. Die gewählten Porengrößen sorgen für eine Barriere zum Schutz des Xenotransplantats gegenüber einer Wirts-Immunreaktion. Eine Porengröße wird auf der Basis gewählt, daß die Faser > 90 % einer IgG-Lösung zurückhalten muß. Aufgrund dieser Schutzbarriere können die Inseln von einer Vielzahl von Mammalia-Quellen erhalten werden, beispielsweise von pankreatischem Gewebe von Hunden, Rindern, Schweinen oder Menschen, ohne daß unbedingt eine Immunmodulation der Inseln oder eine Immunsuppression des Empfängers notwendig ist.
Die Enden der Hohlfaser werden auf solche Weise mit einem Blutgefäß oder Blutgefäßen verbunden, daß der Innendurchmesser der Faser dem Innendurchmesser des Blugefäßes im wesentlichen entspricht, um einen gleichmäßigen und kontinuierlichen Blutdurchfluß zu erhalten. Eine Faser mit einem Innendurchmesser, der dem Innendurchmesser des Gefäßes im wesentlichen entspricht, kann verwendet werden. Beispielsweise hat die Hohlfaser 12 einen gleichmäßigen Innendurchmesser von ca. 4 mm bis ca. 7 mm. Ein solcher Durchmesser ist mit dem Innendurchmesser der Arterien und Venen eines Individuums kompatibel, an die die Enden der Faser 12 bei Verwendung der Vorrichtung in vivo angeschlossen werden. Dadurch wird das Gerinnungspotential an Gefäßverbindungsstellen herabgesetzt. Alternativ kann die Hohlfaser einen Innendurchmesser haben, der von dem eines Blutgefäßes verschieden ist. Beispielsweise kann die Hohlfaser mit einer Verbindungseinrichtung ausgebildet sein, die an einem Ende dem Durchmesser des Gefäßes im wesentlichen entspricht und am entgegengesetzten Ende dem Durchmesser der Faser im wesentlichen entspricht, wodurch sich ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Blutdurchfluß aus dem Blutgefäß und in die Vorrichtung ergibt.
Ferner kann die Verbindungeinrichtung eine Stoßverbindung aufweisen, die einen gleichmäßigen, im wesentlichen stufenlosen inneren Übergang zwischen dem Gefäß und der Faser 12 bildet. Die Stoßverbindung wird unter Verwendung eines Dorns gebildt, der entweder steif sein oder aus einem verformbaren Material bestehen kann. Der Dorn wird in das Faser- und das Transplantatlumen eingeführt, um die Innendurchmesser aneinander anzugleichen. Ein glatter steifer Stab kann als ein Dorn verwendet werden. Der Stab muß ein konisch verjüngtes Ende haben, das engpassend in die Lumen sowohl der Faser als auch des Transplantats paßt. Ein verformbares Material, das sich unter Kompression aufweitet, kann ebenfalls als ein Dorn verwendet werden. Dieser kann in den Lumen der Faser und des Transplantats angeordnet und aufgeweitet werden. Das aufgeweitete Material sitzt engpassend in Transplantat und Faser unter Bildung eines allmählichen Übergangs zwischen Faser und Transplantat. Nachdem sich der Dorn an Ort und Stelle befindet, kann um den Dorn zwischen einen kleinen Spalt, der zwischen Faser und Transplantat verbleibt, ein Klebstoff gegossen werden. Beim Aushärten kann der Dorn entfernt werden, und es verbleibt dann ein gleichmäßiger innerer Übergang zwischen der Faser und dem Transplantat.
Die Faser hat eine Wandstärke von 100-200 um und eine Länge, die ausreicht, um eine innere Oberfläche der Faser von mehr als ca. 60 cm² zu ergeben, wobei die innere Oberfläche der Hohlfaser 12 gleich dem Produkt aus Faserlänge, Innendurchmesser der Faser und π ist. Beispielsweise ermöglicht es eine innere Oberfläche von ca. 60 cm² oder größer, die Zahl der Inseln aufrechtzuerhalten, die notwendig sind, um die erforderliche Insulinmenge zu erzeugen. Zur Implantierung in einen Menschen kann beispielsweise die innere Oberfläche der Hohlfaser ca. 100 cm² betragen, und die Faserlänge kann ca. 56 cm sein, was sich als ausreichend erwiesen hat, um ca. 300.000 Inseln in vitro aufzunehmen.
Die Inseln 14 werden in die Vorrichtung auf eine solche Weise eingeschleust oder eingeimpft, daß sie um die Hohlfaser 12 herum verteilt werden. Um die richtige Verteilung der Inseln um die Hohlfaser 12 herum sicherzustellen und die Inseln 14 in den gewünschten Positionen um die Hohlfaser 12 herum zu halten, wird eine halbfeste Matrix oder Suspension der Inseln (als eine Insel-Suspension bezeichnet) verwendet. Die halbfeste Matrix kann aus verschiedenen Substanzen zusammengesetzt sein, die fähig sind, die Lebensfähigkeit der Inseln zu erhalten und die Inseln physisch in der Suspension zu haltern. Beispielsweise ist bei einer Ausführungsform die halbfeste Matrix gebildet durch die Zugabe von Inseln zu einer Lösung aus Nährmedium und verflüssigtem Alginat oder Agar, um eine Suspension zu bilden. Die Suspension wird auf solche Weise eingebracht, daß die Inseln um die Außenseite der Faser 12 herum verteilt werden und zugelassen wird, daß eine halbfeste Substanz gebildet wird, die die Inseln l4 um die Faser 12 herum in Suspension hält. Im Fall von Agar wird die Suspension eingebracht und dann abgekühlt, was in der Bildung eines halbfesten Trägers resultiert. Bei der Ausführungsform, die Alginat zur Bildung einer halbfesten Matrix zum Halten der Inseln in Suspension verwendet, wird ein Vernetzungsmittel wie etwa Calciumchlorid gemeinsam mit dem Alginat vorgesehen, um das Alginat zu einem Polymer zu vernetzen.
Das Gehäuse kann aus Kunststoff (z. B. Polyacrylmaterial), rostfreiem Stahl, Titan oder einer anderen implantierbaren metallischen Substanz bestehen. Beispielsweise kann das Gehäuse Polycarbonat, Polysulfon, Polymethylmethacrylat oder Gemische davon sein. Das Gehäuse muß Gewebe-kompatibel und ausreichend unflexibel sein, um die Hohlfaser 12 zu schützen, und ist bevorzugt leicht. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat ein extrudiertes Kunststoffgehäuse 42 allgemein zylindrische Gestalt und ist ebenso lang wie die Hohlfaser 12. Das Gehäuse 42 umschließt koaxial die Hohlfaser 12, die im wesentlichen gerade und ungekrümmt in dem Gehäuse 42 liegt. Die Innenwände des Gehäuses 42 bilden eine Kammer 34 um die Außenseite der Faser 12 herum. Bevorzugt ist die Insel-Suspension umfangsmäßig und in Längsrichtung über die Länge der Hohlfaser 12 in dieser Kammer 34 verteilt.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2 hat das Gehäuse 20 allgemein rohrförmige Gestalt und folgt der Kontur der Hohlfaser 12, die beispielsweise ca. 55,9 cm (22 in.) lang ist. Dabei ist das Gehäuse 20 über die Länge der Faser 12 koaxial um die Faser 12 positioniert, und das Gehäuse 20 und die Faser 12 sind gemeinsam um eine Längsachse gewickelt, um eine raumsparende kompakte Vorrichtung 10 zu bilden. Bei einer solchen Konfiguration bilden die Innenwände des Gehäuses 20 eine Kammer um die Außenseite der Hohlfaser 12 herum. In diese Kammer wird die Insel-Suspension eingeleitet und bildet eine halbfeste Matrix um die Faser 12 herum, so daß die Faser 12 über ihre Länge von Inseln 14 umgeben ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 3a und 3b gezeigt und allgemein mit 30 bezeichnet. Die Hohlfaser 12 ist in einer oder mehr Windungen um eine Längsachse gewickelt, und die gewickelte Faser ist in einem ringförmigen Gehäuse 22 eingeschlossen. Bei dieser Konfiguration kann jede von der Hohlfaser 12 in dem Gehäuse 12 gebildete Windung von einer vorhergehenden und einer nachfolgenden Windung durch Abstandselemente 24 beabstandet sein. Die Abstandselemente 24 gewährleisten einen Zwischenraum 25 zwischen jeder Windung der Faser 12 und ermöglichen letztendlich, daß die Insel-Suspension umfangsmäßig über die Länge der Hohlfaser 12 positioniert ist. Dazu wird die Insel- Suspension in das ringförmige Gehäuse 22 auf eine Weise eingebracht, die die Zwischenräume zwischen den Windungen der Hohlfaser 12 sowie Bereiche um die innere und äußere Krümmung jeder Windung herum im wesentlichen ausfüllt. Die Insel-Suspension bildet eine halbfeste Substanz, die die Faser 12 über ihre Länge umgibt.
Außerdem weist das Gehäuse 22 Injektionsöffnungen 26 und 28 auf, die in Fig. 3b gezeigt sind. Diese Öffnungen tragen zum Einschleusen der Insel-Suspension in das Gehäuse. auf solche Weise bei, daß sie die gewickelte Hohlfaser 12 in dem Gehäuse 22 umgibt. Bei der Erfindung wird die Suspension durch eine Öffnung 26 aufgrund von Unterdruck gezogen, der an der anderen Öffnung 28 erzeugt wird.
Insbesondere wird eine die Insel-Suspension enthaltende Injektionsspritze wie für eine Injektion an der Öffnung 26 positioniert. Eine Einrichtung zum Absaugen von Luft aus dem Gehäuse 22, beispielsweise eine zweite Injektionsspritze, wird an der Öffnung 28 positioniert. Die Absaugeinrichtung wird betätigt, um Luft aus dem Gehäuse 22 durch die Öffnung 28 abzusaugen und dadurch einen Strom zu erzeugen, der von der Öffnung 26 durch das Gehäuse 22 und aus der Öffnung 28 gerichtet ist. Infolgedessen zieht der Unterdruck die Insel- Suspension aus der ersten Spritze durch die Öffnung 26 und in das Gehäuse 22 und in Richtung zu der Öffnung 28.
Um zu verhindern, daß die Suspension aus dem Gehäuse 22 durch die Öffnung 28 abgezogen wird, nachdem sie in das Gehäuse gesaugt wurde, können Siebe 32 angebracht sein, um innere Durchgänge 36 der Öffnung 28 abzudecken. Beispielsweise weisen die Siebe 32 ein mit Gewebe kompatibles Netzmaterial mit Öffnungen auf, die ausreichend sind, um ein Absaugen von Inseln zu verhindern (d. h. die kleiner als die Inseln sind). Beispielsweise können Siebe mit Öffnungen einer Weite von 20-30 um wie etwa NytexR oder ähnlich verwendet werden. Die Siebe 32 sind an den Innenwänden des Gehäuses 22 über den Durchgängen 36 mit üblichen Methoden und Mitteln angebracht, die mit Gewebe kompatible Epoxide einschließen.
Ferner tritt die Hohlfaser 12 aus dem ringförmigen Gehäuse 22 so aus, daß ein Ende 16 der Hohlfaser 12 mit einem Blutgefäß wie etwa einer Arterie auf solche Weise verbunden wird, daß Blut in die, durch die und aus der Vorrichtung fließt. Ein entgegengesetztes Ende 18 der Hohlfaser 12 ist mit einem zweiten Blutgefäß wie etwa einer Vene verbunden, um einem Individuum Insulin enthaltendes Blut zuzuführen, wie in Fig. 1 beschrieben ist.
Das ringförmige Gehäuse 22 kann außerdem ein oder mehr Annähstellen 38 aufweisen, durch die die Vorrichtung 30 an dem Individuum verankert ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung 30 der Fig. 3a und 3b ist das ringförmige Gehäuse so ausgelegt, daß es besonders leicht ist. Ein solches leichtes ringförmiges Gehäuse ist in der Explosionsansicht von Fig. 3c gezeigt und wird nachstehend beschrieben.
Eine untere Hälfte 44 ist aus Acrylat herausgearbeitet, und zwar mit einer als Acht geformten zentralen Vertiefung 68, einer inneren Umfangsnut 54, zwei Bohrungen 56 (bevorzugt mit einem Durchmesser von 1,6 mm (1/16 in.)), die in die Umfangsnut 54 führen, und mit Annähstellen 64 um die Außenseite herum. Die Hohlfaser 12 sitzt gewickelt in der Nut 54, und ihre Enden 16 und 18 sind an Verbindungseinrichtungen wie etwa vaskulären Transplantaten 52 für die Verwendung der Vorrichtung 60 in vivo angebracht. Ferner ist die untere Gehäusehälfte 44 so geformt, daß sie vaskuläre Transplantate 52 aufnimmt, die mit den Faserenden 16 und 18 verbunden sind, um das Vorstehen dieser Transplantate von dem Gehäuse zuzulassen. Außerdem kann eine Stoßverbindung unter Verwendung eines Dorns wie bereits beschrieben hergestellt werden, um einen gleichmäßigen, im wesentlichen stufenlosen inneren Übergang zwischen dem Faser- und dem Transplantat-Lumen zu ermöglichen. Fakultativ kann ein Sieb wie etwa das in Fig. 3b beschriebene Sieb 32 an der Wand der Nut 54 angebracht sein, um die Öffnung der Bohrung 56 in der Nut abzudecken, um das Abziehen von Inseln aus dem Gehäuse während der Einschleusung der Insel-Suspension in das Gehäuse zu verhindern.
Eine obere Gehäusehälfte 46 ist aus Acrylat herausgearbeitet, und zwar mit einer zentralen Vertiefung 68 in Form einer Acht, Öffnungen 58 und einer inneren Umfangsnut, die jeweils der zentralen Vertiefung 68 in Form einer Acht, den Bohrungen 56 und der Innennut 54 in der unteren Hälfte 44 entsprechen. Die obere Gehäusehälfte 46 ist mit der unteren Hälfte 44 verschweißt oder anderweitig hermetisch verbunden, wobei die jeweiligen zusammenpassenden Teile ausgefluchtet sind. In die Öffnungen 58 sind Injektionsöffnungsanordnungen 48 im Schnappsitz eingesetzt. Jede Injektionsöffnungsanordnung 48 weist einen Siliconstopfen 50 im Inneren einer Kappe 62 auf, wie das auf dem Gebiet üblich ist. Die Öffnungsanordnungen 48, die in den Öffnungen 58 positioniert sind, bilden die Injektionsöffnungen oder -stellen zum Einschleusen der Insel-Suspension in die Hohlfaser 12, die in der inneren Nut 54 des Gehäuses aufgewickelt ist. Alternativ könnten Injektionsstellen in die obere Gehäusehälfte 46 oder die untere Gehäusehälfte 44 eingeschweißt sein.
Nachdem die obere Gehäusehälfte 46 und die untere Gehäusehälfte 44 miteinander verschweißt sind, wird ein mit Gewebe kompatibler Klebstoff dort aufgebracht, wo das Gehäuse auf die Verbindungseinrichtungen trifft, um eine hermetische Abdichtung zu gewährleisten. Dabei wird Epoxid medizinischer Güte, etwa T674 von Emerson and Cumings, Inc., bevorzugt.
Aufgrund der zentralen Vertiefung wiegt die Vorrichtung 60 mit der die Faser 12 umgebenden Insel-Suspension ca. 40 g. Ebene Abdeckungen aus Silicon oder ähnlichem Material für die Ober- und die Unterseite des Gehäuses decken die zentrale Vertiefung in Form einer Acht ab und verhindern ohne wesentliche Gewichtszunahme, daß sich während des Gebrauchs der Vorrichtung 60 in vivo Fluid in der Vertiefung aufbaut. Solche Abdeckungen sind an den jeweiligen Außenflächen der oberen Gehäusehälfte 46 und der unteren Gehäusehälfte 44 durch Schweißen, mit Klebstoff oder mit anderen hier üblichen Methoden und Mitteln angebracht.
Es versteht sich, daß andere Konfigurationen der Erfindung möglich sind. Solche Konfigurationen brauchen nur die Verteilung von Inseln um die Hohlfaser 12 herum, und zwar bevorzugt umfangsmäßig und in Längsrichtung um die Faser 12 herum, sicherzustellen, so daß die Faser 12 über ihre Länge von den Inseln 14 umgeben ist. Bei der Optimierung des Designs einer Konfiguration versteht es sich, daß der Abstand zwischen den Inseln und der Hohlfaser 12 minimiert werden muß, um die Diffusion von Substanzen einschließlich solcher, die die Insulinsekretion stimulieren, sowie von Nährstoffen und Sauerstoff aus dem Blut zu den Inseln zu maximieren.
Die Präparierung von Inseln und ihre Einschleusung in die Vorrichtung werden wie folgt durchgeführt. Pankreatische Langerhanssche Inseln werden aus irgendeinem von verschiedenen pankreatischen Mammalia-Geweben, beispielsweise aus Hunde-, Rinder-, Schweine- oder Humangewebe, isoliert. Der Ausdruck, "Insel" oder "Inseln" umfaßt im vorliegenden Zusammenhang die Grundzelltypen innerhalb der Langerhansschen Insel einschließlich Betazellen, die eigentlichen Erzeuger von Insulin, intakte Inseln, Inselfragmente oder Kombinationen davon. Das Vorgehen zur Isolierung von Inseln aus dem exokrinen Gewebe der Spender-Bauchspeicheldrüse ist in Beispiel I beschrieben.
Langerhanssche Inseln werden in einer geeigneten halbfesten Matrix wie etwa verflüssigtem Agar oder Alginat suspendiert. Zusätzliche Komponenten wie Collagen und Laminin und/oder Wachstumsfaktoren können der Insel-Suspension zugesetzt werden. Beispielsweise können der Insel-Suspension ungefähr 100 ug/ml Collagen I, ungefähr 80-100 ug/ml Collagen IV und ungefähr 5-10 ug/ml Laminin zugesetzt werden.
Die Insel-Suspension kann außerdem andere Zellen enthalten, die die Lebensfähigkeit der Inseln erhöhen. Die Anwesenheit von Endothelzellen oder Fibroblasten kann eine Umgebung erzeugen, die derjenigen stärker gleicht, in der die Inseln natürlich vorkommen. Andere Zelltypen, die Wachstumsfaktoren oder Basalmembran-Komponenten produzieren, können gemeinsam mit den Inseln kultiviert werden, um Wachstum und Lebensfähigkeit zu steigern. Außerdem kann eine Endothelzellschicht am Ort des Transplantats zu einer erhöhten Durchgängigkeit der Gefäßverbindungsstelle beitragen.
Die verflüssigte Insel-Suspension wird zur Außenseite der Hohlfaser 12 eingeschleust, und es wird zugelassen, daß sie eine halbfeste Matrix bildet, die die Inseln in ihren jeweiligen Positionen um die Hohlfaser 12 herum suspendiert. Wenn Agar verwendet wird, wird die Suspension zur Außenseite der Hohlfaser 12 eingeleitet und auf < 45 ºC abgekühlt, was in einem halbfesten Träger resultiert. Wenn jedoch Alginat verwendet wird, wird zusammen mit dem Alginat auch ein Vernetzungsmittel wie etwa Calciumchlorid eingeschleust, um das Alginat zu einem Polymer zu vernetzen.
Das Einlaßende 16 und das Auslaßende 18 sind an einer Verbindungseinrichtung wie etwa einem vaskulären Transplantatmaterial, beispielsweise Polyurethan, Polytetrafluorethylen oder DacronTM (E.I. DuPont de Nemours & Co.) angebracht. Das Transplantatmaterial am Einlaßende 16 ist chirurgisch mit einem Blutgefäß verbunden, und das Transplantatmaterial am Auslaßende 18 ist chirurgisch mit einem zweiten Blutgefäß verbunden, und der Blutdurchfluß wird durch die Faser mit wohlbekannten Mitteln hergestellt.

Beispiel I

Isolierung von Inseln aus Pankreas-Gewebe

Langerhanssche Inseln wurden aus Bauchspeicheldrüsen von Spendertieren (z. B. Hund, Rind, Schwein) erhalten. Langerhanssche Inseln wurden isoliert und gereinigt durch eine Modifikation von veröffentlichten Verfahren, S. Moskalewski, Gen. Comp. Endo., 5:342 (1965); P. E. Lacy und M. Kostianovsky, Diabetes 16:35 (1967); P. E. Lacy et al., Diabetes, 31(Suppl.4):109 (1982). Kurz gesagt wurde dabei das Pankreas durch den Pankreasgang mit einer Collagen-Suspension infundiert, die Bindegewebe aufschloß und die Integrität der Drüse aufbrach. Die Drüse wurde weiter durch Schütteln mit Marmorkugeln aufgebrochen, bis Gewebefragmente auf eine Größe von weniger als 500 um Durchmesser reduziert waren. Dieser Auflösungsvorgang setzte Inseln aus dem exokrinen Gewebe, das sie umgab, frei. Inseln wurden dann aus Nicht- Inselgewebe durch Zentrifugieren an einem diskontinuierlichen Gradienten von FicollTM (Pharmacia Fine Chemicals, Inc.) (27 % (Gew./Vol.); und 11 % (Gew./Vol.)) abgetrennt, der den Dichteunterschied von Zelltypen nutzte, um Inseln (niedrigere Dichte) zu erlauben, an der Grenzfläche der 11 % und der 23,5 % Ficoll-Schichten positioniert zu werden, während gleichzeitig Nicht-Inselgewebe unter Zentrifugierung abgetrennt wurde. Die Inseln wurden gesammelt, gewaschen und bis zum Gebrauch in Kulturschalen eingebracht.

Beispiel II

Protokoll des Einbettens in Agar

Das 2 % (Gew./Vol.) Agargel (Sterile Bacto-Agar Difco) wurde durch Erwärmen verflüssigt. Das zum Einbetten in eine Vorrichtung notwendige Suspensionsvolumen war das halbe Zellkammervolumen (Zellkammervolumen z. B. 6 ml). Ein Insel- Pellet wurde erhalten durch Sammeln und zentrifugieren von isolierten Inseln. Dieses Pellet wurde unter Zugabe von 2X Medien M199/EBSS (Medien 199; Earl's Balanced Salt Solution) auf ein Volumen von 3 ml gebracht (1/2 Zellkammervolumen von 6 ml). Der Insel-Medien-Suspension wurden 3 ml 2 % Agar- Suspension plus Additive (z. B. Collagen, Laminin, Wachstumsfaktoren) zugesetzt. Die Endkonzentrationen von Verbindungen, die für das Einimpfen der Inseln in die Vorrichtung eingesetzt wurden, waren wie folgt:
1 % Agar 100 ug/ml Collagen I
1X Medien 100 ug/ml Collagen IV
5 ug/ml Laminin.
Die Insel-Suspension wurde durch die Injektionsöffnungen wie in den Fig. 3b und 3c eingeimpft oder mit irgendwelchen anderen Mitteln wie in den Fig. 1-3a verteilt. Im Fall von Agar wurde die Suspension auf die Vorrichtung aufgebracht und dann für ungefähr 10-15 min auf Eis angeordnet, um das Agar vor dem Implantieren effektiv zu gelieren, um eine Matrix zu bilden, in der die Inseln suspendiert waren. Im Fall von Alginat wurden Calciumchlorid und Alginat vereinigt, um das Alginat zu einem Polymer zu vernetzen.

Beispiel II in-vitro-Insulinsekretion in künstlichen Bauchspeicheldrüsen-Vorrichtungen

Gewickelte Vorrichtungen

Inseln wurden in Vorrichtungen gemäß der Beschreibung der Fig. 3a, 3b und 3c anschließend an den Einbettungsvorgang nach dem obigen Beispiel I eingeimpft. Die gewickelten Vorrichtungen hatten die folgenden Charakteristiken:
Faserporosität: 50.000 Dalton MW -80.000 Dalton MW Faserinnendurchmesser: ~4,2-5,9 mm Faserwandstärke: ~120-140 um Oberfläche der Faser: 63-80 cm² Zellkammervolumen: ~4,5-7,5 ml
Bei der Kultur in vitro wurden beimpfte Vorrichtungen an einer peristaltischen Pumpe mit einer zirkulierenden Suspension, die M199,1 Earl s Balanced Salt Solution und 5 % fetales Rinderserum aufwies, angebracht. Das Medium wurde alle 2 Tage gewechselt, und eine Probe wurde entnommen, um die Insulineinheiten mittels Radioimmunoassay zu messen.
Die Insulinsekretion durch die eingebetteten Inseln betrug im Mittel 52 +6 % der Kontrollwerte, die von Inseln erhalten wurden, die sich frei in Kultur befanden (n=6), und zwar über einen Zeitraum zwischen einer Woche und vier Monaten. Die Kontroll-Abgabe basiert auf der Insulinsekretion von einer Probe des gleichen Insel-Präparats, das in Kultur gehalten wurde. Die Zugabe von löslichen Matrixfaktoren, Collagen I, Collagen IV und Laminin, erhöhte die Insulinsekretion weiter. In Gegenwart dieser Additive betrug die Insulinsekretion im Mittel 74 +5 % der vorhergesagten (n=30) aus Vorrichtungen, die für 2 Wochen bis zu 3 Monaten kultiviert wurden. Daten von drei dieser Vorrichtungen sind in den Fig. 4-6 angegeben und zeigen, daß die isolierten Inseln in vitro über mehrere Monate lebensfähig bleiben und fortfahren, Insulin zu sekretieren.

Gerade Vorrichtungen

Die Insulinsekretion wurde auch unter Verwendung von in Agar eingebetteten Inseln, die in gerade Vorrichtungen gemäß Fig. 1 eingeimpft worden waren, ausgewertet. Diese Vorrichtungen wurden an einer peristaltischen Pumpe angebracht, und es wurden die gleichen Abläufe durchgeführt, wie sie vorstehend für die gewickelte Vorrichtung beschrieben wurden. Die geraden Vorrichtungen sind besonders nützlich für Untersuchungen der Auswirkung der Beimpfungsdichte (Zahl von Inseln je ml Kammervolumen) und der Faseroberfläche (Zahl von Inseln je cm² der Faser).
Faserlänge: 12,7 cm, 19 cm und 38 cm Faserdurchmesser: 5,8 mm, 6,2 mm und 6,6 mm Oberfläche: 30, 49, 56 und 64 cm² Zellkammervolumen: 1,3-2,8 ml Leervolumina: 0,8 ml - 6,2 ml.
Die Insulinabgabe von Inseln in den geraden Vorrichtungen war ausgezeichnet, sie betrug gemittelt 200 % +/- 22 % der Kontrollwerte (n=19). Die Korrelation zwischen der Insulinabgabe und der Beimpfungsdichte für die Faseroberfläche ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt. Ebenso wie bei den gewickelten Vorrichtungen zeigen diese Daten auch die Langzeit-Lebensfähigkeit und das Sekretions-Ansprechvermögen, da sechs gerade Vorrichtungen nunmehr über 6-9 Monate kultiviert werden.

Beispiel IV Langzeituntersuchungen der Durchgängigkeit von künstlichen Bauchspeicheldrüsen-Vorrichtungen in vivo

Insgesamt 37 unbeimpfte in-vivo-Perfusionsvorrichtungen wurden in normale Hunde implantiert. Davon sind 9 Tiere, die während oder unmittelbar nach dem chirurgischen Eingriff Komplikationen hatten, in den folgenden Mittelwertangaben nicht eingeschlossen.
Während der ersten Phase der chirurgischen Eingriffe erreichten 10 Vorrichtungen eine Durchgängigkeit von 9 Tagen und einen maximalen Wert von 18 Tagen, während die chirurgische Technik und die Ausbildung der Vorrichtung intensiv weiterentwickelt wurden. Mit zunehmender Praxis verbesserten die Chirurgen die Gefäßverbindungen, und die Techniken zur Heparinisierung und verminderten Infektion wurden optimiert. In der Vorrichtung wurden die Verbindungen zwischen Membran- Transplantaten verbessert, um eine gleichmäßigere Blutdurchflußbahn zu schaffen. Die ursprünglich bei diesen Vorrichtungen gewählte Stelle für die chirurgische Implantierung war der Oberschenkelbereich des Hunds, wobei die Vorrichtung als arteriovenöser Shunt wirkte. Zwei oder drei Tage vor der Einpflanzung der Vorrichtung wurde in dem Hund ein natürlicher Shunt angebracht, und die Vorrichtung wurde danach mit diesem Shunt in Gefäßverbindung gebracht. Komplikationen können entstanden sein, weil die Tiere wiederholten Eingriffen unterzogen wurden.
Die Durchgängigkeitsraten wurden während der zweiten Phase verbessert: Von acht Vorrichtungen blieb der Durchschnitt für 84 Tage durchgängig, während die längste Zeit 144 Tage betrug. Verbesserungen des Designs der Vorrichtung zusätzlich zu einer neuen Implantierungsstelle trugen dazu bei, die Lebensdauer der Vorrichtungen zu verlängern. Die Vorrichtungen wurden mit der Halsschlagader und der Drosselvene im Hals verbunden, und es wurden reinere, stärker aseptische Techniken angewandt. Fünf dieser Vorrichtungen versagten, weil sie aus ihrer Lage verschoben wurden, was in einer Krümmung des externen Transplantats von 90º und einer Unterbrechung des Blutdurchflusses resultierte. Außerdem wurde der Blutdurchfluß durch einige Vorrichtungen aufgrund des Einwachsens von Gewebe am Ort der Transplantat-Gefäßverbindung unterbrochen, was ein verbreiteter Grund für das Versagen von handelsüblichen arteriovenösen Shunts ist.
Die letzte Serie von 10 Langzeitdurchgängigkeits-Vorrichtungen wurde entweder mit der Halsschlagader und der Drosselvene oder mit der gemeinsamen Hüftschlagader und Vene in der Leistenbeuge verbunden. Von den 3 in die Leistenbeuge implantierten Vorrichtungen betrug die mittlere Durchgängigkeit 38 Tage, während die maximale Lebensdauer 76 Tage betrug. Ausfälle resultierten häufig aufgrund einer Wanderung der Vorrichtung oder von Koagulation am Ort der Gefäßverbindung. Von den 7 in den Hals implantierten Vorrichtungen betrug die mittlere Durchgängigkeit 50 Tage, während die maximale Lebensdauer 189 Tage betrug. Während dieser Phase wurden die meisten Verbindungsstellen zwischen der Hohlfaser und dem Transplantatmaterial anders als in Phase zwei epoxidiert, was zu einer weniger gleichmäßigen Blutdurchflußbahn und daraus resultierender Koagulation führte. Eine neue Technik, die der älteren glich und erfolgreicher war, wurde angewandt, und die Lebensdauer der Vorrichtungen erhöhte sich auf mehr als 6 Monate.

Beispiel V Insulinsekretion in vivo in beimpften künstlichen Bauchspeicheldrüsen-Vorrichtungen

Diabetes wurde in einem Hund pharmakologisch induziert durch Verabreichung einer Kombination aus Alloxan und Streptozotocin. Eine gewickelte Vorrichtung (Fig. 3a, 3b und 3c), die darin eingebettete Inseln von Hund enthielt, wurde in das diabetische Tier implantiert. Vor der Implantierung war der Hund auf ungefähr 6 Insulineinheiten pro Tag gehalten worden. Nach der Induktion nahm die X-Rate (das Maß der Glukoseclearance aus dem Kreislauf nach einer intravenösen Glukose-Injektion) von einem Wert von 4,1 auf 0,9 ab. Vier Glukosetoleranztests (GTT) wurden durchgeführt, während die Vorrichtung in dem Hund implantiert war. Obwohl während dieses Zeitraums kein zusätzliches Insulin verabreicht wurde, erhöhte sich die K-Rate auf 2, 5 +0,4 (x + SEM).
Nach 30 Tagen wurde die Vorrichtung aus dem Tier entfernt, um die eingeimpften Inseln histologisch auszuwerten. Die Resultate zeigten die Anwesenheit von gesunden Inseln (80 % Lebensfähigkeit) in der Agarmatrix.
Eine zweite Vorrichtung wurde für acht Wochen in ein diabetisches Tier implantiert. Die Insulinabgabe von der Vorrichtung (ungefähr 4 Einheiten pro Tag) war nicht ausreichend, um während der Implantat-Periode den normalen Zuckergehalt des Bluts wieder herzustellen. Die histologische Auswertung zeigte jedoch erneut, daß die Inseln in der Vorrichtung für acht Wochen in vivo gesund geblieben waren (75 % Lebensfähigkeit). Diese vorläufigen Daten zeigen, daß die beschriebene Vorrichtung die Lebensfähigkeit der Inseln in vivo unterstützt und in einem Fall in einer verbeserten Glukoseregulierung bei einem diabetischen Hund resultiert hat.

Claims

1. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung (40) zur Abgabe von Insulin an ein Individuum, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

(a) eine Hohlfaser (12), um Blut zu fördern und als eine Membran zu dienen, die selektiv Substanzen in das und aus dem Blut leitet, wobei die Hohlfaser (12) ein Ende (16), das mit einem Blutgefäß durch eine Verbindungseinrichtung verbunden ist, um Blut von dem Individuum aufzunehmen, und ein entgegengesetztes Ende (18) hat, das mit einem Blutgefäß durch eine zweite Verbindungseinrichtung verbunden ist, um Blut zu dem Individuum zurückzuleiten, und wobei die Hohlfaser (12) eine Porosität hat, die selektiv zuläßt, daß Substanzen sie in Querrichtung durchsetzen, so daß Blut in der Hohlfaser (12) entlang der Länge der Hohlfaser (12) fließt; und

(b) ein Gehäuse (42), das außerhalb der Faser (12) derart angeordnet ist, daß eine geschlossene Kammer (34) innerhalb des Gehäuses (42), jedoch außerhalb der Hohlfaser (12) entlang der Länge der Faser (12) gebildet ist, wobei die Kammer (34) eine Suspension aus pankreatischen Langerhansschen-Inseln (14) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln um die Außenfläche der Hohlfaser (12) herum in einer halbfesten Matrix zum Suspendieren von Inseln (14) verteilt sind derart, daß die Hohlfaser (12) entlang ihrer Länge von pankreatischen Inseln (14) umgeben ist, wobei die halbfeste Matrix die Verteilung und gewünschte Lage der Inseln (14) in bezug auf die Hohlfaser (12) aufrechterhält.

2. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei (a) die Hohlfaser (12) eine Porosität von weniger als 100.000 Dalton hat; oder (b) das Trägermaterial umfangsmäßig und in Längsrichtung um die Hohlfaser (12) herum verteilt ist.

3. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die halbfeste Matrix gebildet ist durch:

(a) Einleiten der Insel-Suspension in die geschlossene Kammer (34) unter Bedingungen, unter denen das Trägermaterial in einer flüssigen Form anwesend ist, und danach (b) Halten der Vorrichtung unter Bedingungen, die zur Bildung einer halbfesten Matrix aus der flüssigen Form des Trägermaterials geeignet sind.

4. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die halbfeste Matrix Agar oder Alginat aufweist und die das flüssige Trägermaterial enthaltende Vorrichtung unter Bedingungen gehalten wird, die zum Abkühlen oder Vernetzen des Agars oder Alginats zur Bildung der halbfesten Matrix geeignet sind.

5. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wand der geschlossenen Kammer (34), die von der Außenfläche der Hohlfaser (12) definiert ist, ausreichend nahe an der Wand der von der Innenfläche des Gehäuses (42) definierten Wand der geschlossenen Kammer (34) liegt, um den Abstand zwischen der Hohlfaser (12) und der Insel-Suspension (14), die um die Faser (12) herum in der Kammer (34) verteilt ist, zu minimieren.

6. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei (a) das Gehäuse (42) zylindrische Gestalt hat und die Hohlfaser (12) darin koaxial positioniert ist; oder wobei (b)

(i) das Gehäuse (22) um eine Mittelachse herum ringförmige Gestalt hat; und

(ii) die Hohlfaser (12) um die Mittelachse gewickelt ist und innerhalb des Gehäuses (22) auf eine von Innenwänden des Gehäuses (22) beabstandete Weise liegt, wobei jede Windung der gewickelten Faser (12) von nachfolgenden und vorhergehenden Windungen beabstandet ist; und die künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfusionsvorrichtung ferner Abstandselemente (24) zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der gewickelten Faser (12) aufweist, um die Windungen voneinander beabstandet zu halten.

7. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse (20) ein gewickeltes Rohr ist und die Hohlfaser (12) darin koaxial positioniert ist.

8. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei (a) die Verbindungseinrichtung Gefäßtransplantatmaterial (52) aufweist; oder (b) die Verbindungseinrichtung eine Stoßverbindung aufweist.

9. Künstliche Bauchspeicheldrüsen-Perfundierungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Gesamtoberfläche der Hohlfaser (12), die in dem Gehäuse (42) liegt und eine Begrenzung der geschlossenen Kammer (34) definiert, ausreichend groß ist, so daß die Stoffwechselbedürfnisse der Inseln (14) durch Diffundieren von Substanzen quer durch die Faserwand (12) zugeführt werden.

10. Verfahren zum Beimpfen eines künstlichen Organs (40) mit Langerhansschen-Inseln, wobei das Verfahren folgendes aufweist:

(a) Suspendieren der Inseln (14) in einer Lösung, die im wesentlichen aus Nährmedium und verflüssigtem Agar besteht, um dadurch eine Insel-Suspension zu bilden;

(b) Injizieren der Suspension in ein Gehäuse (42) des künstlichen Organs (40); und

(c) Verfestigen der Inselsuspension (14), um dadurch eine halbfeste Matrix zum Aufrechterhalten der Verteilung und gewünschten Anordnung der Insel-Zellen (14) in dem Gehäuse (42) zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei (a) die Insel-Suspension (14) injiziert wird durch Erzeugen eines negativen Drucks, um Insel-Suspension (14) in das künstliche Organ (40) zu ziehen; oder (b) dem Nährmedium zusätzliche Komponenten zugefügt werden, um die Lebensfähigkeit der Inseln (14) zu steigern, wobei diese Komponenten aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Collagen, Laminin und Wachstumsfaktoren besteht; oder (c) die Insel-Suspension (14) in Cokultur mit Zellen gezüchtet wird, die die Transplantat-Biokompatibilität und die Lebensfähigkeit der Inseln (14) steigern, wobei die Zellen aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Endothelzellen, Fibroblasten und Zellen, die Wachstumsfak-toren oder Basalmembran produzieren, besteht.