EA003119B1 - Способ и устройство для оптимизации имплантации биологического материала - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение касается устройства и способа для образования трубок из фиброколлагена, которые могут использоваться в качестве неоваскуляризированных резервуаров для оптимизации имплантации клеток или веществ, продуцирующих биологические факторы для лечения заболеваний, например диабета, а также неоваскуляризированная трубка из фиброколлагена приемлема для использования при желании в виде шин для имплантации тканей в хирургических операциях кровеносных сосудов, мочеиспускательного канала и пр.

Description

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к области биомедицины, в частности к имплантации клеток, продуцирующих биологические факторы для лечения хронически дегенеративных заболеваний, а также получению материала для тканевых трансплантаций, используемого как шины.

Предшествующий уровень техники

Недостаток биологического фактора в организме составляет основную причину появления хронических дегенеративных заболеваний, например сахарного диабета, болезни Паркинсона, гипотиреоза и других.

Традиционные методы лечения некоторых из этих заболеваний заключались в применении недостающих в организме биологических факторов или стимулирующих их производство веществ, как правило, путем инъекции продуктов, полученных химическими или биотехнологическими методами. Эти способы лечения имеют ряд недостатков, связанных, прежде всего, с частотой и дозировкой введения, необходимых для поддержания фактора на оптимальном уровне, что практически невозможно осуществить. Тем не менее, этот метод попрежнему остается самым применимым, так как это самый простой и экономный способ его практической реализации.

Для повышения биологической эффективности фактора делались попытки разработать новые способы, устройства и аппараты для его контролируемого выделения.

Один из альтернативных вариантов состоит в разработке насосов для дозировки биологического фактора в зависимости от потребности в последнем, однако, помимо сложности решения, не удалось контролировать дозировку ввиду отсутствия средств, необходимых для измерения этой потребности с достаточной степенью точности, в связи с чем попытки кончились безуспешно.

Другой предпринятый вариант решения заключался в имплантации клеток, продуцирующих биологический фактор, однако, прямой контакт клеток с телом пациента вызывает реакцию отторжения, проявляющуюся в образовании тканей, которые делают невозможным поступление питательных веществ, то есть ведут к разрушению клеток, в связи с чем жизнь имплантированных клеток относительно непродолжительна, перенос биологических факторов ограничен и, следовательно, их терапевтический эффект недостаточен.

Ткани, возникающие для отторжения имплантатов, представляют собой клетки, известные как лимфоциты, плазматические клетки и антитела. Фиброколлаген является тем средством, которое покрывает чужеродные тела, даже если они позитивные. Количество продуцируемого фиброколлагена относительно велико, что позволяет ему уничтожить имплантированные клетки.

Эти образующиеся естественным образом ткани могли бы в то же время использоваться в качестве шин для имплантаций в различных частях тела в виде кровеносных сосудов, мочеиспускательных каналов и пр., так как рекомендуется, чтобы эти шины были тканями самого пациента. Однако в настоящее время оказалось, что их применению препятствует то, что этих тканей необходимо иметь больше по количеству и по размеру, чем тех, которые наличествуют в теле, и, кроме того, по сей день не существует метода получения такого материала, который может использоваться в качестве шины.

В попытках решить проблемы отторжения, вызванные прямой имплантацией клеток, разработан ряд всевозможных устройств, состоящих, в основном, из камеры или капсулы, в которую помещаются клетки таким образом, что они находятся в изоляции и не контактируют с иммунной системой организма.

Приспособления для имплантации, содержащие клетки, являются, как правило, природными полимерами, например коллаген и альгинаты, или синтетическими полимерами, например полиакрилаты, винилакрилонитрил, поликсилен.

Например, в патенте США 5,614,205 описывается матрица, включающая мембрану из полипараксилена и культуру клеток, продуцирующих инсулин для лечения сахарного диабета. Мембрана отличается определенной пористостью, пропускающей питательные вещества и биологические факторы, но преграждающей поступление иммуногенных агентов. Указывается, что биологически совместимый материал не вызывает отторжения.

В патенте США 5,569,462 дается описание того, что гибель клеток, продуцирующих интересующий биологический фактор, обусловлена тем, что потоки питательных веществ и отходов не адекватны в ишемический период имплантации. Предлагаемый альтернативный вариант состоит в использовании устройства с камерой для клеток, причем камера иммуноизолирована биологически совместимым материалом, например политетрафлюороэтиленом толщиной 15 мкм и пористостью 5 мкм.

Дополнительно необходимо использование иммуномодуляторов, таких как иммуносупрессоры, например микокарболовая кислота, циклоспорин, рапацин и пр., или противовоспалительных средств, например кортикостероидов.

Ввиду того, что ишемический период заканчивается с образованием хорошей неоваскуляризации, авторы изобретения предлагают для лучшей неоваскуляризации использовать вещество или клетки, стимулирующие ее образование, или продуцирующие вещество, которое ее стимулирует.

Эти устройства не устраняют на должном уровне различные недостатки указанных ранее имплантаций, так как даже несмотря на то, что это биологически совместимые материалы, в относительно короткий промежуток времени после имплантации вокруг устройства попрежнему продолжают образовываться ткани и неадекватная васкуляризация, в связи с чем кровоток к тканям в этом месте очень слаб и, следовательно, также недостаточно поступление питательных веществ.

Несмотря на проницаемость материалов, используемых для изготовления устройств, они представляют собой дополнительную преграду для обмена питательных веществ и биологического фактора между имплантированными клетками и телом пациента.

Кроме того, известно, что использование продуктов, снижающих иммунный ответ и подавляющих опознание и отторжение трансплантатов и/или имплантатов, например циклоспорина, оказывает негативное воздействие на неоваскуляризацию, в связи с чем увеличивается вероятность неудачной трансплантации или имплантации.

В патенте США 5,725,854 заявлен способ лечения заболеваний, который заключается во введении клеток Сертоли вместе с клетками, продуцирующими биологический фактор. Таким образом предпринимается попытка создать иммунологически предпочтительное место. Известно, что клетки Сертоли стимулируют иммунологическую толерантность и содержат большое количество элементов для защиты клеток, продуцирующих биологический фактор, и поддержания на неопределенное время их активности. Однако этот вариант полностью не устраняет отторжение, что делает необходимым введение иммуносупрессоров или иммуномодераторов, а это, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на неоваскуляризацию.

Кроме того, ни одно из вышеупомянутых изобретений не устанавливает, каким образом контролировать количество произведенного фиброколлагена, что составляет как раз основной фактор отторжения имплантатов.

Поэтому по-прежнему остается насущной необходимостью получение действенного и эффективного способа успешной имплантации клеток, продуцирующих биологические факторы для лечения заболеваний.

В этой связи задачей настоящего изобретения является разработка способа относительно простого и экономного получения тканей, которые могут быть использованы как для имплантации клеток, продуцирующих биологические факторы для лечения заболеваний, так и в виде шин для тканевых имплантатов.

Другая задача настоящего изобретения получение средств для создания трубок из природного фиброколлагена заданных диаметра, толщины и длины.

Задачей настоящего изобретения также является предложить изолированное место, характеристики которого обеспечат хорошую неоваскуляризацию для адекватного переноса питательных веществ и биологических факторов.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в снижении применения иммуномодулирующих веществ.

Более детально все перечисленные, а также другие задачи изобретения можно оценить из следующего подробного описания изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен общий вид и в перспективе предпочтительного варианта устройства для реализации способа согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 изображен предпочтительный вариант одной из закрывающих пробок устройства согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3 изображен поршень в соединении с закрывающим элементом в предпочтительном варианте исполнения согласно настоящему изобретению.

В нижеследующем описании изобретения для большей ясности делаются ссылки на указанные чертежи.

Подробное описание изобретения

В соответствии с изображением на фиг. 1 устройство 10 включает в себя средний участок или корпус 20, предпочтительно пористый, внутри которого имеется полость, в которой помещается поршень 40, имеющий на концах закрывающие узлы или средства 30, которые соединены, один из них с первым закрывающим элементом 50, а соответствующий противоположный конец соединен со вторым закрывающим элементом 60, который соединен одним из концов с поршнем 40 таким образом, что устройство, закрытое при помощи этого второго закрывающего элемента 60, жестко удерживает поршень 40 внутри пористого корпуса 20. Следует отметить, что в соответствии со способом, в котором используется указанное устройство, оба исполненные согласно настоящему изобретению, второй закрывающий элемент 60 может быть заменен первым закрывающим элементом 50 или другим подобным элементом таким образом, что полость, в которой помещается поршень 40, освобождается, и внутри образуется пространство, необходимое для помещения клеток и/или веществ, продуцирующих нужный биологический фактор, согласно дальнейшему описанию настоящего изобретения.

Пористый корпус 20 включает в себя предпочтительно цилиндрическую сетку, которая может быть из нержавеющей стали, инертного полимера или любого другого материала, обеспечивающего пространственную устойчивость среднему участку устройства 10 в целом и необходимую пористость внутри этого устройства. В соответствии с целями настоящего изобретения степень пористости пористого корпуса внутри устройства должна соответствовать размеру ячейки 40-150 меш (отверстий на линейный дюйм) предпочтительно цилиндрической формы. Что касается длины этого среднего пористого участка или корпуса 20, то она должна соответствовать терапевтическим потребностям в адекватном производстве необходимого биологического фактора, она может составлять примерно от 10 до 80 мм; вместе с тем, эта длина может быть значительно больше в зависимости от ее назначения, например для получения шин ее длина может составлять примерно 200 мм. В то же время, как уже упоминалось, среднее пористое тело описанного здесь устройства соединено соответствующим образом на каждом конце с закрывающими узлами 30 и соответствующими элементами 50 и/или 60.

Было определено, что степень пористости сетки, формирующей среднее пористое тело 20, определяет согласно изложенному здесь способу и сообразно функциям организма пациента размер новых сосудов из фиброколлагена, в связи с чем размер ячейки или пор обуславливается характером применения, которое будет иметь трубка, образованная из фиброколлагена.

Что касается закрывающих средств 30, расположенных на соответствующих концах устройства 10 настоящего изобретения, то они имеют предпочтительно трубчатое сечение и их длина соответствует функции закрытия устройства с обеих сторон, причем их длина относительно среднего пористого тела 20 может составлять 10-50%, а диаметр аналогичен диаметру пористого тела 20.

Для сборки закрывающих элементов 50 и/или 60 закрывающие средства 30 включают в себя на одном конце монтажные и крепежные средства, которые в данном случае могут иметь предпочтительную форму элемента с внутренней резьбой. В свою очередь, на противоположном конце закрывающих средств имеются соединительные элементы 31, обеспечивающие соответствующее крепление на соответствующем конце пористого тела 20, при этом используется любое резьбовое или иное средство.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов конструктивных элементов устройства согласно настоящему изобретению эти соединительные элементы 31 состоят предпочтительно из концентрического пазового элемента между внутренней и наружной стенками трубки, в который входит участок одного из концов пористого тела 21, которое крепится к закрывающему средству на соединительном участке 31 таким образом, что контактное давление между закрывающим средством и пористым телом 21 превышает силу натяжения, возникающую при завинчивании и вывинчивании закрывающих элементов 50 и/или 60.

В соответствии с фиг. 3 образуемый поршнем 40 узел включает цельный элемент предпочтительно цилиндрической формы, один из концов которого соединен с закрывающим элементом 60 и одновременно соединен с соответствующим элементом пористого тела 20 и закрывающим средством 30. С целью идентификации закрывающий элемент 60 может быть несколько другой формы, чем закрывающий элемент 50, чтобы отличать его от закрывающего элемента 50 и удалить его согласно настоящему способу. Другой, дистальный конец поршня 40 может включать канавку или соединение 41, которое соединяется с внутренним концом 53 закрывающего элемента 50 соединительного узла устройства согласно настоящему изобретению таким образом, что поршень 40 удерживается в строго фиксированном положении внутри пористого корпуса 20, и оба элемента находятся на заданном концентрически постоянном удалении друг от друга. Этот вариант предусматривает, что длина поршня 40 практически равна длине пористого тела 20 вместе с закрывающими средствами 30. Следует отметить, что в этом варианте поршень 40 имеет достаточную длину, позволяющую ему концом 41 контактировать и соединяться с закрывающим элементом 50 при помощи соответствующего средства 53, однако, можно также получить хороший результат, если длина поршня составляет лишь часть длины пористого тела. Что касается диаметра поршня 40, то он может быть практически равен внутреннему диаметру пористого тела 20, однако, для лучших результатов предпочтительно, чтобы расстояние между внутренним диаметром пористого тела и наружным диаметром поршня составляло от 1 до 10 мм, при этом предпочтительный диаметр поршня 4-25 мм.

Поршень может быть цельным или полым, однако, заявитель констатировал, что использование полого поршня имеет ряд недостатков, так как при установке устройства пациенту телесная жидкость попадает в полость поршня, со временем разлагается и может быть причиной инфекций.

Согласно фиг. 2 закрывающий элемент 50 может иметь традиционную конструкцию, однако, предпочтительный вариант для лучшего функционирования настоящего изобретения предусматривает, что этот закрывающий элемент включает зону крепления 51, ограниченную головкой, предпочтительно полусферической формы, цилиндрическую зону соединения, включающую крепежное средство, соответствующее закрывающему средству 30 пористого тела 20, которое может иметь наружную резьбу 52 предпочтительно диаметром, аналогичным диаметру этих закрывающих средств 30, с тем, чтобы они могли надежно соединяться с последними; и концентрическую зону фиксации 53, состоящую из цилиндрического элемента диаметром предпочтительно 1-4 мм, но меньше у отверстия участка фиксации 41 поршня 40, который представляет собой направляющую для центровки поршня относительно устройства согласно изобретению в целом.

Чтобы легко соединить и отсоединить, предпочтительно ввернуть и вывернуть, закрывающие элементы 50 и/или 60, в полусферической головке зоны крепления 51 предусмотрено отверстие, которое может быть любой геометрической формы, позволяющее использовать соответствующий инструмент, например гаечный ключ, ключ типа «ален» или любой другой.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения зона фиксации 52 закрывающего элемента 60 и участок фиксации 41 поршня 40 образуют единую конструкцию, что позволяет упростить уход и эксплуатацию обоих элементов, при этом зона крепления 61 имеет дополнительно опорный участок, представляющий собой продолговатый элемент, боковые стороны которого параллельны между собой и перпендикулярны к оси закрывающей пробки 60, составляя более 50% ее длины. Таким образом создается опорный узел для большого и указательного пальцев при завинчивании и вывинчивании узла на участке с внутренней резьбой закрывающих средств 30. Длина опорного участка может быть 10-40% от длины пористого тела 20.

Толщина готовой фиброколлагеновой трубки зависит при функционировании от пространства, разделяющего пористое тело 20 и поршень 40, поэтому это расстояние определяется условиями использования фиброколлагеновой трубки. Это расстояние обуславливает прочность трубки на разрушение и равномерность слоя фиброколлагена.

Диаметры пористого тела 20 и поршня 40 выбираются в зависимости от желательного объема и толщины, 4-35 мм с расстоянием между ними или просветом 1-10 мм.

Заявитель считает, что толщина фиброколлагеновой трубки и размер вновь образованных сосудов - важные показатели, обеспечивающие место с оптимальными условиями выживания клеток в течение времени, необходимого для эффективного терапевтического воздействия.

Устройство изготовлено из материалов медицинского назначения, этими материалами могут быть, например, нержавеющая сталь, чистый политетрафлюороэтилен, титан и пр.

Как можно заключить из описания устройства для оптимизации имплантации биологического материала, отдельные детали могут быть изготовлены путем механической обработки резьбовых частей или литьем под давлением в формы, причем процесс выбирается в зависимости от используемых материалов.

В соответствии с настоящим изобретением способ имплантации биологического материала в виде резервуара, полученного в результате создания биологической трубки из фиброколлагена с использованием упомянутого устройства, включает имплантацию в тело пациента или индивида всего устройства с закрывающим эле ментом 60, находящимся на одном конце пористого тела, чтобы таким образом поршень 40 мог находиться внутри него, и после имплантации таким образом устройства за счет естественной деятельности организма пациента фиброколлаген покрывает пористое тело 20; вслед за этим после образования слоя фиброколлагена производится частичный надрез, который обнажает часть устройства, включающую закрывающий элемент, соединенный с поршнем 60, чтобы иметь возможность удалить его; после удаления поршня остается неоваскуляризированная трубка из фиброколлагена, приемлемая для имплантации через отверстие закрывающего элемента 60 клеток, продуцирующих биологический фактор; после имплантации клеток, продуцирующих биологический фактор, устройство закрывается на этот раз закрывающим элементом 50, и таким образом закрытая фиброколлагеновая трубка остается в организме. В итоге, клетки, стимулирующие биологический фактор, действуют в контакте с вновь образованными и васкуляризированными тканями, при этом биологический фактор поглощается кровеносной системой.

В варианте устройства согласно настоящему изобретению в качестве своеобразного генератора тканей для имплантации полученная в соответствии с вышеизложенным методом внутри организма индивида фиброколлагеновая трубка может быть удалена без необходимости отсоединения закрывающего элемента вместе с поршнем 60, а путем удаления полностью всего устройства с фиброколлагеновой трубкой из тела пациента или индивида, при этом полученные ткани могут быть использованы и их целесообразно использовать в качестве тканевых имплантатов или шин. В случае необходимости удаляются закрывающие элементы 50 и 60 и поршень 40, а оставшаяся свободной фиброколлагеновая трубка сразу же имплантируется в нужном месте или используется по другому назначению.

Диаметр устройства при его использовании в качестве генератора фиброколлагеновых трубок может быть от 4 до 25 мм в свету, а длина определяется путем расчета, исходя из нужд формы при использовании для шин.

При использовании в качестве резервуара биологического материала удаляется только один закрывающий элемент 60 вместе с поршнем 40 или ансамбль, включающий оба элемента; вводится биологический материал, состоящий из клеток, продуцирующих биологический фактор, и, возможно, питательной среды, внутрь фиброколлагеновой трубки, в пространство, которое занимал поршень 40; и устанавливается закрывающий элемент 50, чтобы не допустить попадание материала в места за пределами фиброколлагеновой трубки.

Чтобы повысить эффективность лечения, можно использовать генетически модифициро9 ванные известными методами клетки, продуцирующий фактор.

Используемая при известных обстоятельствах питательная среда выбирается в зависимости от типа клеток, которые хотят имплантировать.

Заявитель установил, что при использовании устройства согласно настоящему изобретению удается получить полуизолированные места с хорошей неоваскуляризацией и, следовательно, наличествуют условия для жизнеобеспечения клеток. Кроме того, констатируется хороший уровень обмена биологических факторов, например, в лечении диабета, причем лучший ответ отмечается на стимул, поступающий от уровня глюкозы в крови.

Количество клеток в случае лечения диабета, который приводится в литературе, составляет 6000-12000 островков Лангерганса на кг веса пациента. В случае с данным изобретением выяснилось, что можно комбинировать эти клетки с клетками Сертоли, чтобы обеспечить им иммунологическую защиту от отторжения. Однако в дополнение к сказанному выше устройство может быть использовано для помещения в нем клеток, продуцирующих вещества терапевтического действия, например клеток щитовидной и паращитовидной желез, однако, это не означает, что устройство имеет назначение, не соответствующее духу настоящего изобретения.

Примеры применения

Предпочтительный вариант устройства согласно настоящему изобретению для оптимизации трансплантации клеток, стимулирующих биологический фактор, был имплантирован в спинную часть выборки крыс лонг-ивенс весом от 180 до 200 г.

Путем внутривенной инъекции 65 мг/кг стрептазотацина вводится диабет группе 10 крыс с устройством согласно настоящему изобретению и контрольной группе.

Уровень содержания глюкозы в обеих группах не показывает значительных различий, составляя порядка 337 мг/дл.

Обеим группам была произведена трансплантация островков Лангерганса, изолированных и сохраненных при помощи традиционных известных методов, с той разницей, что группе крыс с устройством имплантировали островки Лангерганса в место, образованное этим устройством. Ни одному из животных не были введены иммунодепрессанты.

Измерение уровня глюкозы осуществлялось ежедневно в течение первой недели, а затем 1 раз в неделю.

Животные контрольной группы выявили в первые 3 дня гликемию, превышающую 250 мг/дл 2 дня подряд.

Животные группы с устройством, генерирующим фиброколлагеновые трубки, выявили значительное понижение уровня глюкозы до 150 мг/дл.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала, отличающееся тем, что содержит центральное, предпочтительно трубчатое тело, закрывающие средства на концах этого пористого тела, поршень и закрывающие элементы корпуса устройства.
2. 2. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по п.1, отличающееся тем, что центральное тело представляет собой пористое тело предпочтительно на основе сетки цилиндрической формы с размером ячейки 40-150 меш и диаметром 5-35 мм.
3. 3. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по п.1, отличающееся тем, что пористое тело имеет на концах закрывающие средства, а также резьбовые соединительные средства предпочтительно с внутренней резьбой для сборки.
4. 4. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по п.1, отличающееся тем, что поршень состоит из цилиндрического элемента диаметром предпочтительно 4-25 мм.
5. 5. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по пп.1-4, отличающееся тем, что закрывающие элементы состоят из участка крепления, цилиндрического участка соединения с наружной резьбой и концентрического участка крепления диаметром 15 мм.
6. 6. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по пп.1, 4 и 5, отличающееся тем, что поршень соединен, по меньшей мере, с одним из закрывающих элементов или является его составной частью.
7. 7. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по пп.1-6, отличающееся тем, что генерирующее устройство изготовлено из стерилизованного материала.
8. 8. Устройство для оптимизации имплантации биологического материала по пп.1-7, отличающееся тем, что расстояние между поршнем и пористым телом изменяется в зависимости от толщины предусмотренной фиброколлагеновой трубки от 1 до 15 мм.
9. 9. Способ оптимизации имплантации биологического материала, отличающийся тем, что включает следующие этапы: имплантация в тело пациента или индивида устройства для имплантации биологического материала, наблюдение за образованием или отложением фиброколлагена вокруг устройства до образования неоваскуляризированного резервуара из фиброколлагена, имплантация внутрь неоваскуляризированного резервуара из фиброколлагена клеток или реактивов, продуцирующих необходимый биологический фактор.
10. 10. Способ оптимизации имплантации биологического материала по п.9, отличающийся тем, что вещество, продуцирующее биологические факторы, представляет собой культуру живых клеток.
11. 11. Способ оптимизации имплантации биологического материала по пп.9 и 10, отличающийся тем, что живые клетки представляют собой предпочтительно островки Лангерганса.
12. 12. Способ оптимизации имплантации биологического материала по пп.9-11, отличающийся тем, что вещество, продуцирующее биологические факторы, содержит клетки Сертоли.
13. 13. Способ оптимизации имплантации биологического материала по предыдущим пунктам, отличающийся тем, что включает в себя имплантацию в тело пациента или индивида устройства для образования фиброколлагеновой

    Фиг. 1 трубки или резервуара, удаление внутреннего поршня устройства после образования неоваскуляризированной трубки или резервуара из фиброколлагена, имплантацию вещества, продуцирующего необходимый биологический фактор, закрытие неоваскуляризированной трубки или резервуара из фиброколлагена закрывающим элементом для сохранения свободного пространства внутри неоваскуляризированной трубки или резервуара из фиброколлагена.
14. 14. Способ оптимизации имплантации биологического материала по п.13, отличающийся тем, что образованную из фиброколлагена трубку используют в качестве имплантата, предпочтительно сосуда, трахеи, мочеиспускательного канала или пищевода.