EA005322B1

EA005322B1 - Способ и устройство для получения биологической ткани в камере роста

Info

Publication number: EA005322B1
Application number: EA200300662A
Authority: EA
Inventors: Ёрг Бауэр
Original assignee: Ёрг Бауэр
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2005-02-24
Also published as: EP1341900A2; EA200300662A1; DE10061704A1; US20040096430A1; WO2002048317A3; WO2002048317A2

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для получения ткани в камере роста для трансплантации внутрь или на поверхность тела человека или животного. Одно из особых преимуществ изобретения состоит в том, что оно обеспечивает получение структурно функциональной кости. По изобретению биологические клетки размещают на каркасе роста и располагают вместе в камере роста. Структурный и функциональный рост получают при помощи целенаправленного, различающегося по времени или месту действия биологически активных стимулов. Упомянутые стимулы могут быть механическими, электрическими, магнитными, химическими, обонятельными, звуковыми и/или оптическими. По изобретению наиболее предпочтительно применение стимулов, аналогичных таким, которые обычно воздействуют на природную ткань в теле.

Description

Изобретение относится к способу и устройству, в целом, для получения биологической ткани в камере роста, и в частности - для получения биологической ткани для трансплантации внутрь или на поверхность тела человека или животного.

Описание

В последнее время наблюдается быстрый прогресс в области производства или культивирования биологической ткани, который открывает новые возможности в медицине.

В этом отношении особый интерес представляет производство веществ-заменителей костной ткани, которые обеспечивают возможность исправления костных дефектов. Эта, все еще очень молодая, медицинская дисциплина соприкасается, в частности, с областями хирургии и ортопедии.

Уже известны различные вещества-заменители костной ткани, используемые в качестве имплантатов или трансплантатов. К ним относятся в порядке уменьшения их ценности:

ί) аутологическая человеческая костная ткань, которая идеально биосовместима, недостаток которой состоит в том, что она не всегда легкодоступна и требует дополнительной операции;

и) аллотрансплантат человеческой костной ткани, обладающий хорошей биосовместимостью, но имеющий недостаток в виде высокого риска инфекции и риска передачи болезни;

ϊϊΐ) костная ткань, полученная от животных, которая легкодоступна, но обладает плохой биосовместимостью;

ίν) керамическая костная ткань на животной основе, которая легкодоступна, имеет хорошую структуру и хорошую биосовместимость, но, к сожалению, хрупка и не резорбируется;

ν) керамическая костная ткань на растительной основе, которая легкодоступна и имеет хорошую биосовместимость, но отличается плохой прочностью и лишь посредственным структурным соответствием;

νί) кинтетическая керамическая костная ткань, которая легкодоступна, прочна и обеспечивает широкое разнообразие в отношении материалов, но отличается плохим структурным соответствием и ограниченным встраиванием;

νίί) кинтетические пасты, которые имеют хорошую совместимость и легкодоступны, но имеют недостаток в виде полного отсутствия структуры и прочности.

В практике использования для людей первое место занимает аутологическая человеческая костная ткань (так называемый золотой стандарт), керамическая костная ткань на животной основе - второе место, а синтетические пасты - третье место. Наиболее серьезные трудности в использовании этих самых распространенных веществ-заменителей подробно описаны ниже.

Имплантация человеческой аутологической костной ткани, безусловно, дает наилучшие результаты лечения. Такая имплантация обеспечивает положительный эффект немедленного подключения к системе питания окружающей костной ткани наряду с естественным наличием эндогенной иммунной системы, использующей ремоделирование тканей.

Обратная этому ситуация возникает в месте извлечения человеческой аутологической кости. Зачастую здесь возникают большие затруднения, чем собственно на дефектном участке. Так, кроме дополнительных затрат на проведение операции на втором участке возникают и другие проблемы, связанные, в частности, с дополнительным риском инфицирования, физической нагрузкой в процессе заживления и, как правило, с ухудшением структуры кости. Количество пересадочного материала также очень ограничено. Во многих случаях приходится даже пересаживать несколько небольших сегментов, которые, однако, впоследствии не могут выполнять никаких биохимических функций на участке имплантации. Кроме того, для дальнейшего удовлетворительного функционирования на участке имплантации человеческая аутологическая кость, полученная таким путем, т.е. трансплантат, также требует дополнительного использования другого материала-заменителя кости.

Трансплантат обычно получают из операционной области во время проведения основной операции. Однако, если подготовка трансплантата во время операции требует некоторого времени, биоактивность постепенно снижается, что может привести к потере жизнеспособности человеческой аутологической кости. Это снижает биологическую ценность трансплантата до уровня обычного имплантата, приводит к повышенной деградации системы ремоделирования и в результате отрицательно влияет на процесс заживления и конечный результат лечения.

Удовлетворительную альтернативу веществам-заменителям на основе костной ткани животных в настоящее время представляет собой керамика. Эти керамические имплантаты изготавливаются таким образом, что внутренние структуры кости полностью сохраняются, а вещественный состав соответствует составу костной ткани человека. Здесь могут быть использованы преимущества неорганического материала в сочетании с хорошей пористой структурой, т.е. трабекулярной структурой. Преимуществом в этом случае является исходная стабильность, которая дает возможность выполнения опорной функции сразу после имплантации. Однако их серьезный недостаток заключается в том, что эти керамические имплантаты не имеют остеогенного потенциала, т.е. они не воспринимаются телом как биомасса. Ни кристаллическая структура, ни биомеханические свойства не соответствуют форме человеческой ткани. В результате такой имплантат просто представляет собой приемлемый заполнитель дефектного участка, который лишь обеспечивает мостик для действительного остеогенеза, а по завершении процесса зажив ления образуется композит с вновь сформированной костью. Хрупкостью керамики обуславливают недостаточную эластичность, которую невозможно скомпенсировать.

Такие имплантаты изготавливаются на специализированных заводах. Однако из-за природы исходного материала возможные размеры и формы имплантатов ограничены. Наибольший возможный объем керамического имплантата на основе животного губчатого вещества (8ропдюка) в настоящее время составляет около 16 см³.

В настоящее время наиболее часто в научных дискуссиях упоминаются имплантаты на основе пасты. В этом случае особое значение имеют физико-химические свойства материалов. Так, благодаря возможности синтеза таких веществ возможна прекрасная адаптация их кристаллической структуры к кристаллической структуре человеческой кости. Человеческий организм принимает эти кристаллы в качестве строительных блоков для формирования кости и встраивает их в ремоделируемую кость. Таким образом, сокращается время, которое требуется для встраивания новых костных клеток, и достигается почти полное соответствие аутологической человеческой кости. Проблему в этом случае представляют вещества, которые используются в качестве стабилизаторов или элементов жесткости. Эти вещества, как правило, вызывают повышенную активность клеток, направленную на их разрушение. Отсутствие структуры, обусловленное пастообразной формой вещества-заменителя, также следует рассматривать как негативный фактор, так как она должна быть преобразована в первую очередь для формирования костного каркаса трабекулярной формы. В конечном счете, такие материалы имеют низкую прочность, что существенно ограничивает возможность их использования.

В дополнение к описанному выше использованию готовых веществ-заменителей, в принципе, также известны способы клеточной биологии для культивирования живой ткани ίη νίίτο. Так, например, для ожоговых ран культивируют живую кожу. Также воспроизводят хрящевые клетки в формующих матрицах, где они с помощью внешней матрицы роста принимают нужную форму частей тела и используются в таком виде прежде всего в реконструктивной пластической хирургии. Например, сформованные таким образом уши или носы сегодня достигли качества, при котором обеспечивается возможность их внутренней или наружной имплантации.

Культивирование костной ткани также научно осуществимо. Культивирование кости в настоящее время осуществляется в так называемых камерах роста клеток. Специальные костные клетки отделяют от других клеток и подготавливают для использования в камерах роста. Недифференцированные клетки несут генетический потенциал для выработки костнообразующих клеток (остеобластов) и костноабсорбирующих клеток (остеокластов).

В принципе, такие способы могут быть использованы для получения костного материала. Однако кость, культивируемая таким путем, все-таки имеет существенные недостатки. В частности, хотя форма растущей кости может быть задана при помощи внешней формы, например полой формующей матрицы, тем не менее такая кость не имеет функциональной механической структуры. Культивированная кость представляет собой лишь массу костного вещества. Эта кость с губчатой структурой предположительно может быть использована в качестве вещества-заменителя кости, но имеет тенденцию к быстрой резорбции за счет повышенного ремоделирования, поскольку биомеханические свойства могут формироваться только в ходе ремоделирования.

С другой стороны, что касается полностью синтетических заменителей, известен способ производства структурированных керамических имплантатов, при помощи которого можно синтезировать трабекулярную структуру кости. В этом случае отдельные слои имплантата укладывают один на другой и соединяют друг с другом. Последующая термическая обработка обеспечивает получение полностью неорганического имплантата на основе керамики.

Таким образом, все описанные материалы и способы, с учетом их серьезных недостатков, представляют собой лишь довольно слабые компромиссные решения для культивирования ткани, особенно для замены кости.

Поэтому задача изобретения состоит в создании способа и устройства для выработки биологической ткани, которая имеет улучшенные биологические, структурные и/или механические свойства и является максимально приемлемой для организма в качестве эндогенной ткани.

Следующая задача изобретения состоит в создании способа и устройства для выработки биологической ткани, которая обладает улучшенными свойствами по сравнению с прежними технологическими достижениями.

Следующая задача изобретения состоит в создании способа и устройства для выработки биологической ткани, в частности костной, при этом костная ткань или кость представляет собой хорошую имитацию эндогенной человеческой или животной ткани или кости.

Следующая задача изобретения состоит в создании предпочтительных назначений способа по изобретению, устройства по изобретению и вырабатываемой ткани.

Задача изобретения имеет неожиданно простое решение, сущность которого определяется содержанием пунктов формулы изобретения 1, 21, 38 и 44, 45, 46 и 47.

В способе по изобретению для выработки или культивирования биологической ткани в камере роста, в частности для трансплантации внутри или на поверхности тела человека или животного, на каркас роста наносят биологические клетки. Биологические клетки и каркас роста помещают в камеру роста и на каркас роста и/или биологические клетки воздействуют биологически активными стимулами. Нанесение осуществляют предпочтительно внутри или снаружи камеры роста.

Выработанная или культивированная ткань предпочтительно включает костную, хрящевую, ткань кровеносных сосудов, ушей, носа, кожи или частей органов, в том числе целые органы.

Изобретение основано, среди прочего, на обнаруженном неожиданном факте, что большое количество стимулов, в частности, физических стимулов, может быть использовано для оказания влияния, стимулирования и даже регулирования искусственного роста ткани, а также культивирования активной ткани.

На втором этапе, следующем за первой фазой роста, другие или, по меньшей мере, дополнительные клетки предпочтительно наносят на каркас и/или на растущую ткань, например, для выработки на второй фазе роста дополнительной секции ткани, которая отличается от первоначально культивируемой. На примере выработки или культивирования кости это означает, что сначала предпочтительно культивируют фрагмент кости, обеспечивающий стабильность и форму, а затем, например, окружающую надкостницу. Если необходимо, то возможно также осуществление трех или более таких фаз роста или фаз культивирования с возобновляемым нанесением клеток.

Клетки, предпочтительно недифференцированные в начале осуществления способа, подвергают, например, для регулирования их роста воздействию некоторого стимула или множества подобных, различных или варьируемых стимулов. Например, контролируют или регулируют скорость деления клеток и/или дифференциации клеток во время роста. Предпочтительно, это осуществляют в камере роста в целом и/или локально, в частности в различные моменты времени и/или на различных участках, например на заданных участках каркаса роста и/или клеток. Путем такого стимулирования не только задается форма ткани, культивируемой определенным образом, но, кроме этого, ткань или клеточный конгломерат приобретает заданную структуру и функциональность.

На форму, структуру и/или функциональность ткани, подлежащей культивированию, может предпочтительно влиять и/или может их предопределять природа, продолжительность и/или интенсивность стимула или стимулов.

Другой неожиданный факт состоит в том, что особенно удачные результаты получаются в том случае, если предпочтительно физический, предпочтительно электрический или химический стимул соответствует или, по меньшей мере, подобен стимулу, которому природная ткань внутри или на поверхности тела подвергается в природе. Так, например, мышечная, костная и хрящевая ткани особенно хорошо стимулируются электрическими и/или механическими стимулами или воздействиями, части слухового аппарата - звуковыми стимулами, а части зрительного аппарата - оптическими стимулами, например световыми импульсами.

В связи с этим предпочтительно каркас роста по существу лишь в начале осуществления способа определяет внутреннюю и/или наружную форму всей совокупности клеток, из которых развивается ткань.

Каркас роста, клетки и/или стимул предпочтительно выбирают или задают таким образом, чтобы, в частности, в конце осуществления способа присутствовала по существу выращенная ткань и исчезал каркас роста, который определяет биомеханические свойства.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения каркас роста, или опорный каркас, включает резорбируемый и/или нерезорбируемый материал. Нерезорбируемый материал придает выращенной ткани дополнительную прочность, в то время как резорбируемый материал заменяется клетками в процессе осуществления способа в камере и/или после трансплантации. При этом каркас роста предпочтительно исчезает полностью. В альтернативе, каркас роста отделяют от развившейся ткани до, во время или после завершения процесса роста.

Что касается каркаса роста, то он предпочтительно включает биологический материал или клетки. В альтернативе он включает шерсть, электропроводный материал, например металл, на который наносят или вводят клетки. Таким образом, электрические стимулы эффективно распределяются по всему каркасу.

Особенно благоприятно использование каркаса роста, состоящего из материала, который способствует росту клеток, например целлюлозы, крахмала, спиртового соединения, геля и/или гелеобразного материала.

В процессе роста предпочтительно добавляют вещество, способствующее росту, например костный морфогенетический протеин, фиброген и/или генетически модифицированное вещество.

Биологическая ткань предпочтительно содержит депо фармакологически активного вещества, которое высвобождается в процессе осуществления способа и/или после трансплантации в культивируемую ткань и/или в тело пациента, при этом депо вводят до, во время или после завершения процесса роста.

Такие способ и устройство пригодны, в частности, для культивирования или выработки костной ткани, которая имеет структуру, подобную природной структуре, и функциональную механическую конструкцию. Такая костная ткань ниже называется также генетической живой костной тканью.

Эти генетическая живая костная ткань распознается, воспринимается и встраивается как эндогенная костная ткань и одновременно принимает на себя биомеханические обязанности. Возможность встраивания имплантата обеспечивается путем минимизации клеточных физических активностей, при этом спонтанно инициируются фазы эндогенного ремоделирования. Генетическая живая костная ткань также используется, например, для культивирования костного мозга ех νίνο.

Ниже изобретение описано на основе предпочтительных иллюстративных вариантов осуществления, в частности на примере культивирования костной ткани и синтеза структурированных веществ. Из этих иллюстративных вариантов осуществления специалистам будут очевидны многочисленные дополнительные подробности и преимущества изобретения.

Подробное описание изобретения

Биология представляет собой общую науку, изучающую живые существа, и включает антропологию, зоологию, ботанику и микробиологию. Поэтому в данном изобретении выражение биологическая ткань включает человеческую, животную, растительную и микробиологическую ткань, в частности живую ткань. Выражение биологические клетки также включает человеческие, животные и растительные клетки и микроорганизмы, в частности все живые клетки.

Для выработки или культивирования по изобретению биологической ткани, в частности генетической живой костной ткани, опорную структуру помещают в специально сконструированную камеру роста и покрывают костными клетками внутри этой камеры или перед введением в нее. Затем посредством системы снабжения в эту камеру роста подают питательную среду, необходимую для роста кости. При соответствующем регулировании температуры и непрерывной или периодической передаче биологически активных стимулов или биомеханических импульсов через опорную структуру передается биомеханическая информация, стимулирующая наращивание кости. Нанесенные костные клетки биостимулируются этими средствами и, таким образом, могут дифференцироваться. В результате, костные клетки получают возможность вырабатывать дифференцированную костную ткань и встраивать ее в биомеханически функциональные структуры. Такая кость функционально является очень ценной костью и может спонтанно принимать на себя все биомеханические и биологические обязанности на участке имплантации.

В качестве каркаса роста по изобретению используют различные системы. В одном из вариантов осуществления этот каркас представляет собой нерезорбируемый вспомогательный каркас, который впоследствии остается в имплантате и который является лишь направляющим элементом для генетической живой костной ткани. Предпочтительно он изготавливается из биосовместимого металла, пластмассы, керамики или других биосовместимых веществ. Однако этот каркас может быть изготовлен и из резорбируемого материала. В этом случае также возможно использование пластмасс, стекла или других биосовместимых материалов. Каркас предпочтительно служит лишь для обеспечения возможности осаждения на нем генетической живой костной ткани, при этом сам каркас не должен перекрывать какое-либо расстояние. Такой тип каркаса впоследствии обеспечивает образование обычной кости с функциональной костной тканью без специальных биомеханических свойств. Только резорбируемая форма опорного каркаса разрушается при последующем ремоделировании кости, так что после достаточно долгих периодов встраивания может быть сформирована кость с природной трабекулярной конфигурацией.

Иначе обстоит дело при изготовлении опорных каркасов в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, основанном на биомеханических законах. Этот вид каркаса, который может быть изготовлен из вышеупомянутых материалов, обеспечивает биомеханически ценную кость уже в камере роста генетической живой костной ткани. В этом случае каркас конструируют таким образом, что он уже имеет конечную внутреннюю структуру требуемого имплантата. Это предпочтительно трабекулярная структура живой кости, или кортикальная структура, или же комбинация обеих структур. Возможна также интеграция биомеханически опорных структур.

Опорные каркасы в альтернативе могут быть также сконструированы таким образом, что они присутствуют в процессе построения имплантата из генетической живой костной ткани, но исчезают уже во время или после наращивания в камере роста, так что готовый имплантат состоит только из генетической живой костной ткани. Это имеет, в частности, то преимущество, что устраняется необходимость имплантировать инородные материалы, т.е. образуется кость, не содержащая инородного материала. В этом случае материалы для опорного каркаса предпочтительно включают материалы, способствующие росту клетки, например целлюлозу, крахмал, спиртовые соединения, гели или гелеобразные материалы, а кроме того, разлагаемые минеральные или кристаллические неорганические материалы, например фосфат кальция. Если каркас роста или опорный каркас состоит из такого материала, который исчезает во время фазы роста, для поддержания минерализации генетической живой костной ткани может быть полезен предварительно заданный ионный обмен с результирующей тканью, например ионов кальция и сульфата или кальция и фосфата. Эта минерализация синергически завершает образование биомеханически ценного костного заменителя, имеющего все свойства кости, развитые ίη νίνο.

Наиболее предпочтительно, чтобы растущая в камере роста костная ткань впоследствии также заняла место опорного каркаса, чтобы механически ценные структуры нагружаемой кости могли быть выражены гораздо сильнее, чем если бы опорный каркас остался в имплантате.

Режим работы камеры роста в процессе наращивания генетической живой костной ткани имеет особо важное значение для культивирования этой кости. При природном ремоделировании кость может расти только в том случае, если на дефектном участке выражена биомеханическая потребность. Недифференцированные клетки, ответственные за ремоделирование кости, подчиняются принципу, согласно которому кость разрушается, нужная кость наращивается, а старая кость заменяется. Следуя этому принципу, недифференцированные клетки дифференцируются в костнообразующие клетки (остеобласты) и костноабсорбирующие клетки (остеокласты). Для наращивания кости подается питательная среда, а при разрушении кости выводятся продукты разложения.

Чтобы стимулировать рост генетической живой костной ткани в период пребывания в камере роста, имитируются природные или квазиприродные биомеханические стимулы. Эти стимулы вырабатываются, например, путем механической нагрузки, т.е. путем использования подходящих средств для приложения к каркасу роста механического напряжения растяжения, сжатия, сдвига и/или кручения, или их комбинаций. Степень этой нагрузки адаптирована к нормальным механическим движениям костного каркаса в живом теле и поэтому достаточно низка, для чего используют, например, следующие способы передачи.

В первом варианте осуществления биомеханический стимул создается и передается при помощи одностороннего или двустороннего подсоединения каркаса роста, размещенного в камере роста костной ткани, к пьезоэлектрическим передатчикам импульсов. Частота импульсов тока на пьезоэлектрическом компоненте определяет частоту результирующего механического расширения пьезокомпонента. Сила импульса здесь определяет степень расширения и, таким образом, интенсивность механической нагрузки, оказываемой на каркас роста. Структура последовательности механических импульсов также может регулироваться. Механический стимул пропускается через каркас роста в каждой его точке для того, чтобы активизировать костные клетки к предпочтительной дифференциации остеобластов.

В другом варианте осуществления на поверхность камеры роста воздействуют давлением. Это давление может быть пульсирующим, прерывистым и/или волнообразным. Осуществление такого способа приложения усилия проще в осуществлении, но требует больше времени. Однако с помощью пьезоэлектрического воздействия может быть получено большее разнообразие структур.

Кроме того, комбинация двух вышеупомянутых вариантов, когда давление действует на пьезоэлектрический слой, может обеспечить синергический эффект. Давление создает механическую нагрузку, и активированные таким образом пьезокристаллы передают электрический импульс, который, в свою очередь, связан с сокращением или удлинением кристаллов. Здесь используется возможный эффект положительного влияния импульсов электрического тока на биологический метаболизм. В этих случаях пьезокристаллы предпочтительно встраивают в матрицу опоры роста таким образом, чтобы в дополнение к механическим импульсам, подаваемым снаружи, вырабатывался внутренний механический импульс во всем имплантате.

В альтернативе, опорный каркас может состоять из электропроводного материала. В этом случае улучшается стимулирование клеток электрическими токами, полями или напряжениями.

В следующем варианте осуществления всю камеру роста в целом поддерживают в движении то ускоряя ее, то замедляя. Силы ускорения и торможения создают общие нагрузки на каркас роста, которые также представляют собой биологически эффективный стимул или биомеханическую нагрузку. Однако в этом случае ускоряется не только опора роста, но также и клетки, и питательная среда. Это может вызвать отклонения от направления роста. Однако положительное влияние может быть оказано такой нагрузкой при помощи питательной среды. В альтернативе или дополнительно, вырабатывается биологически эффективный или биомеханический стимул при воздействии давлением и частичным разрежением. Это наиболее экономично.

В следующем варианте осуществления изобретения в опорный каркас встраивают средства для оказания механической нагрузки, например растяжения, сжатия, сдвига и/или кручения. Это особенно благоприятно для тех частей генетической живой костной ткани, которые наиболее подвержены напряжениям.

Формирующуюся костную ткань предпочтительно снабжают подходящим питательным раствором. При этом состав предпочтительно изменяют, в частности контролируют или регулируют, чтобы обеспечить костную матрицу элементами, которые требуются клеткам для формирования кости. На рост костных клеток положительное воздействие может быть также оказано веществами, способствующими росту кости, такими как костные морфогенетические протеины, фиброгены и т. п. Использование генетически модифицированных добавок или добавок, производимых методами генной инженерии, представляет особый интерес в этом отношении. Конечно, этические аспекты также могут приниматься во внимание.

В зависимости от требующихся типа и формы ткани, во время осуществления способа можно сбалансировать интенсивность и/или природу стимулов заранее заданным образом, так чтобы продуцирование клеток опережало их дегенерацию. Параметры, влияющие на этот фактор, включают, например, температуру, частоту нагрузки, силу нагрузки и форму нагрузки.

На фазе превращения существуют, в частности, две возможности.

С одной стороны, выработка стандартизованной костной ткани из в целом совместимых клеток может осуществляться промышленным способом, особенно для внеплановых операций. Производство по специальным заказам для конкретных пациентов также может осуществляться на фабрике, если имеется достаточно времени для подготовки. Как правило, производство осуществляется в больших камерах, а для особых пациентов - в индивидуальных камерах. В первом случае затраты на получение костной ткани ниже, чем во втором из-за размеров партий. Больницы могут снабжаться из центрального пункта, а в случае транспортирования на большие расстояния ткань необходимо охлаждать или снабжать питательной средой во время перевозки.

Вторая возможность заключается в производстве генетической живой костной ткани непосредственно в больнице, например в ее банке крови или в клеточной лаборатории. Производство может быть легко налажено путем использования стандартизованных камер роста и соответствующего снабжения клетками.

Следующий вариант изготовления имплантатов на основе генетической живой костной ткани включает применение фармацевтических веществ, например, заключенных в депо внутри кости. Высвобождение активных веществ имеет огромную важность в медицине. За счет этого фармацевтическое вещество, как правило, гарантирует защиту для имплантата или для окружающей ткани. Инфекции, обусловленные условиями окружающей среды во время операции, в современных гигиенических условиях весьма маловероятны, но все же их еще нельзя игнорировать. Цель высвобождения активного вещества состоит, например, в предотвращении воспаления или лечении заболеваний, таких как рак или опухоли, хотя возможны также и другие функции. В этих обстоятельствах могут быть заданы длительность высвобождения, от кратковременного до длительного, и высвобождаемое количество.

Существуют также различные возможности введения активных веществ в генетическую живую костную ткань.

В первом способе активные вещества вводят в структурированную опорную матрицу еще до культивирования костных клеток, при этом указанная структура пропитывается активным веществом, включает в себя активное вещество, или же полностью или частично состоит из этого вещества. В этом случае опорная матрица высвобождает активное вещество в костные клетки и в питательную жидкость уже на фазе культивирования. Однако это приводит к высокой скорости проникания в растущую ткань.

С другой стороны, активные вещества наиболее предпочтительно добавлять через питательную жидкость во время фазы роста или незадолго до или через короткое время после фазы роста. В некоторых случаях возможно также введение активных веществ непосредственно перед имплантацией генетической живой костной ткани. Количество, концентрация и регулирование времени высвобождения могут быть подобраны соответственно обстоятельствам. В дополнение к возможному стандартному введению активных веществ возможна также адаптация индивидуального состава к специфическим требованиям для конкретного пациента. Вещества, представляющие здесь интерес, предпочтительно относятся к антибиотикам и цитостатикам. Однако могут также использоваться генетически активные вещества, такие как, например, ЕСЕ или ВМР и др., индивидуально или в комбинации с другими активными веществами, известными специалистам. В специфических случаях эти активные вещества могут также представлять собой так называемые микроэлементы, предназначенные, если это необходимо, для компенсации какоголибо дефицита или метаболических нарушений в организме. Это, в частности, вещества, участвующие в электрохимических процессах, такие как электролиты. Однако в случае нарушений кровеносной системы могут также использоваться антикоагулянты или промоторы коагуляции, такие как ΌΤΡ. При использовании активных веществ этого типа предпочтительно ограничить область действия участком имплантации.

Далее, при помощи способов производства, описанных выше, возможна также выработка клеточнодифференцированной кости. С этой целью в следующем варианте осуществления на рост костной клетки воздействуют путем изменения режима действия биомеханических стимулов на растущий имплантат и/или путем изменения состава питательного раствора. Таким способом получают костную структуру измененной прочности и состава или добавляют другие костные вещества путем частичного или полного заполнения поверхности уже растущей кости. Эта совершенно новая генерация имплантата или активного вещества рассматривается как вариант осуществления генетической живой костной ткани, имеющий наиболее широкую область применения.

Следуя американской модели охвата населения в генетических банках данных, при помощи этого изобретения можно создать всемирно доступный фонд пациент-специфической костной ткани для замены.

В следующей части описания мы приводим с целью иллюстрации три прикладных примера культивирования специфической костной ткани и компонентов костей, начиная с описания клинической потребности.

Пример 1.

Для производства имплантата в форме описанной генетической живой костной ткани требуется модель части шейки бедра, т.е. соединение кортикального и губчатого костного каркаса.

Для культивирования структурный каркас этой части шейки бедра наращивают из массы обогащенного кальцием коллагена с использованием технологии трафаретной печати. После получения каркаса его вводят в камеру роста и обеспечивают контакт со средствами передачи биомеханического стимула путем установки магнитных прижимных пластин на этом каркасе. В этом примере усилие создается магнитным полем, которое, за счет его осцилляционной формы, идеально адаптировано для нагрузки природной человеческой кости. После того как система для осуществления процесса роста готова, ее инокулируют клетками, предназначенными для роста. Эти клетки сначала представляют собой недифференцированные клетки из костного материала, которые дифференцируются в остеокласты и остеобласты во время осуществления способа. Нанесение осуществляют с использованием клеточного раствора, в который погружают опорную матрицу. Недифференцированные клетки проникают в матрицу и осаждаются на поверхности. После этого каркас или матрицу роста, предназначенную для наращивания, закрывают клеточной мембраной так, чтобы нанесенные клетки не могли далеко мигрировать.

Затем камеру роста промывают питательной средой и создают в ней циркуляцию. Система синхронизации обеспечивает регулярное пополнение свежей питательной среды и откачивание использованной питательной жидкости. В эту питательную жидкость добавляют, в частности, ионизированный кальций и ионы фосфата, так как они необходимы для минерализации неорганических кристаллов кости. На фазе роста с контролируемой температурой к магнитным прижимным пластинам прикладывают динамическую переменную нагрузку при помощи внешнего переменного магнитного поля. Увеличение и спад амплитуды в этом случае соответствует развитию биологического давления в природной модели двигательной нагрузки. В ходе деления клеток донорские клетки в нагруженной камере роста размножаются и дифференцируются посредством биомеханической нагрузки, в основном в остеобласты. Коллагенозная опорная структура разлагается биохимическим раствором и встраивается в форме коллагенозных структур в растущую кость. Это встраивание, в свою очередь, обеспечивает соединение и размещение неорганического костного кристаллического вещества. Для увеличения биомеханической прочности генетической живой костной ткани увеличивают амплитуду магнитной переменной нагрузки через определенные интервалы, соответствующие скорости роста. В конце экстракорпорального процесса роста в питательный раствор добавляют фармакологически активное вещество, например антибиотик, который обеспечивает имплантату антибактериальную защиту. Передачу стимула прекращают и снимают с генетической живой костной ткани пластины для передачи давления.

Имплантат извлекают из камеры роста и хранят на промежуточной основе в транспортном контейнере при пониженных температурах. Низкая температура хранения предупреждает гибель клеток до имплантации, в результате чего генетическая живая костная ткань может быть имплантирована с максимальной жизнеспособностью. К моменту операции генетическую живую костную ткань механически подгоняют под дефектный участок и затем имплантируют. Для улучшения и ускорения встраивания или сращивания имплантат может быть инокулирован свежими веществами от пациента, например кровью, костным мозгом и т.п.

Камеру роста очищают и стерилизуют и, таким образом, готовят для последующего использования. Пример 2.

Генетическая живая костная ткань, полученная в соответствии с примером 1, предназначается для дополнения части позвонка с целью оптимального встраивания при перекрытии дефекта в шейном отделе позвоночника.

С этой целью выращенную генетическую живую костную ткань извлекают из камеры роста и покрывают ее периферическую внешнюю поверхность гелем из коллагена и клеток надкостницы. Сверху накладывают защитную мембрану из фольги. Эту комбинацию, в свою очередь, помещают в другую камеру роста, снабжаемую сверху или снизу питательными растворами, и окутывают шерстью наподобие мышц. Затем к торцевым поверхностям генетической живой костной ткани прикрепляют нижнюю торсионную пластину и верхнюю торсионную пластину. Торсионные пластины приводят в небольшое торсионное колебание при помощи эксцентрического привода для имитации поворота кости относительно окружающей мышечной ткани. Возбужденные этой имитацией клетки надкостницы объединяются и образуют слой, который идеально представляет надкостницу. Генетическую живую костную ткань, окруженную надкостницей, вынимают из оболочки и освобождают от защитной фольги.

Благодаря слою надкостницы, идеальная имитация нового сегмента кости может теперь выполнять свою функцию в позвонке.

Пример 3.

Каркас, имеющий внешнюю геометрию поясничного позвонка, изготавливают из смеси поли-Э,Ьлактида и кристаллического пентакальция гидрокси(трис)фосфата, трансформированного в пьезоматериал при помощи таких добавок, как оксид титана. Этот каркас обрабатывают в камере роста способом, описанным в примерах 1 и 2. Однако подача биомеханического стимула отличается от описанной в этих примерах.

В этом примере 3 одну контактную пластину размещают над каркасом, а другую контактную пластину - под каркасом. После нанесения клеток и подачи питательной среды на контактные пластины подают переменное напряжение в диапазоне резонансной частоты пьезоэлектрических кристаллов пентакальция гидрокси(трис)фосфата. Импульсы пропускают через лактидное вещество и через питательную среду. Пьезоэлектрическое сокращение и удлинение создает микромеханическую нагрузку во всех частях каркаса, которая стимулирует рост костных клеток. Во время этого процесса лактид разлагается, при этом по окончании процесса роста живое костное вещество остается в форме первоначальной опорной матрицы. Здесь особенность состоит в том, что пьезоэлектрические кристаллы пентакальция гидрокси(трис)фосфата остаются в генетической живой костной ткани, а после имплантации возвращают дополнительный импульс в организм, теперь уже ίη νίνο. В результате биомеханической нагрузки кости двигательными импульсными последовательностями эти кристаллы подают малый импульс тока, который передается в окружающую ткань. Этот импульс тока, в свою очередь, положительно влияет на рост и регенерацию кости (наподобие электротерапии). Таким образом, обеспечивается дополнительное содействие встраиванию имплантата в тело.

Альтернативные варианты осуществления изобретения относятся к производству или выработке другой функциональной ткани, включая секции органов, компоненты органов, полные органы, например внутренние органы, части тела и/или в целом функциональные и/или структурированные клеточные конгломераты, например, хрящей, кровеносных сосудов, ушей, носов, кожи, и т.д. Культивирование структурированной ткани также является важным шагом вперед для производства других типов функциональной ткани.

Примеры включают культивирование хрящевой ткани, такой как носовая перегородка или наковальня, молоточек и стремя слухового канала или межпозвоночные диски позвоночного столба.

Дополнительные примеры функциональных компонентов, которые могут быть культивированы по изобретению, включают стенки сосудов, все участки сосудов, стенки фаллопиевых труб, мочеточник и уретра или стенки кишечника.

Путем селективной модификации ткани такие компоненты могут быть соединены при помощи технологии наложения с другими типами ткани, что дает возможность функционального соединения с другими областями органа или областями ткани, например группами мышц или даже нервами.

В особо предпочтительном варианте изобретения могут вырабатываться даже многофункциональные группы компонентов для замены части тела. В этом случае биомеханический стимул, предпочтительный для костной ткани, заменяют или дополняют другим биологическим инициатором.

В следующем варианте осуществления в камерах роста для различных целей используют комбинированные эффекты. Например, культивируют живой костный мозг из донорских клеток. Эти клетки могут быть получены от свежего субъекта, например от самого пациента или от совместимого донора. Кроме того, костный мозг может быть выработан из аутологических клеток, взятых у младенцев или подростков и сохраняемых в замороженном состоянии, так же как в банках генов или банках спермы.

В этом комбинированном способе имитируемую локализацию роста применяют к клеткам костного мозга через предварительно культивированную кость, в некоторых случаях в биомеханической конструкции имитированного позвоночного столба или имитированного костного мозга. Затем окружающие условия, выработанные по изобретению, обеспечивают возможность культивирования костного мозга ίη νίΐτο.

Это открывает новые возможности в предотвращении болезней костного мозга, таких как лейкоз, рак или опухоли. Временной аспект выработки костного мозга представляет особую важность, так как сначала нужно культивировать окружающую среду и лишь затем - костный мозг. Одной из основных проблем уже известных способов является ограниченная доступность донорского костного мозга. Поэтому особенно важное преимущество изобретения состоит в том, что такое культивирование можно осуществлять для конкретного пациента и в почти неограниченном объеме.

Такое культивирование донорских клеток экономично в отношении затрат труда и количества используемого материала, в том числе с учетом стоимости хранения донорских клеток, оптимального для жизнеспособности.

Аспект доступности в случае внезапного развития такого заболевания также представляется положительным вкладом в медицинскую профилактику и лечение.

Квалифицированному специалисту будет очевидно, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, а наоборот, может быть модифицировано различными способами в пределах области изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения биологической ткани в камере роста, в частности, для трансплантации внутрь или на поверхность тела человека или животного, включающий нанесение биологических клеток на каркас роста, при этом упомянутый каркас роста задает исходную форму получаемой ткани, размещение биологических клеток и каркаса роста в камере роста и воздействие на каркас роста и/или биологические клетки биологически активным стимулом.
2. Способ по п.1, по которому стимул соответствует или, по меньшей мере, подобен стимулу, которому ткань подвергается в природе внутри или на поверхности тела.
3. Способ по п.1 или 2, по которому получают структурированную и/или функциональную биологическую ткань.
4. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому рост, форма, функциональность, структура и/или природа биологической ткани определяется влиянием стимула или последовательности стимулов.
5. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому используют воздействие различных стимулов и/или различных видов стимулов и получают клеточно-дифференцированные секции ткани.
6. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому каркас роста в начале осуществления способа, по существу, определяет лишь исходную форму получаемой ткани.
7. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому получают орган, кость, хрящ, кровеносный сосуд, надкостницу или их функциональную комбинацию.
8. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому выращенная ткань, по существу, определяет биомеханические свойства конструкции ткани и каркаса роста.
9. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому используют каркас, включающий резорбируемый материал, в частности биологический материал или клетки.
10. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому используют каркас, включающий материал, способствующий росту клеток, в частности целлюлозу, крахмал, спиртовые соединения, гель или гелеобразный материал.
11. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому растущая ткань занимает место каркаса роста.
12. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому используют каркас, включающий нерезорбируемый материал и/или электропроводный материал.
13. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому каркас отделяют от ткани, выросшей из биологических клеток на каркасе.
14. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому добавляют фармакологически активное вещество, предпочтительно, вещество, способствующее росту, наиболее предпочтительно костный морфогенетический протеин, фиброген и/или генетически модифицированное вещество.
15. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому на поверхности и/или внутри каркаса роста и/или ткани помещают депо фармакологически активного вещества.
16. Способ по п.15, по которому фармакологически активное вещество высвобождается после трансплантации ткани внутрь или на поверхность тела.
17. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому на каркас роста и/или ткань воздействуют механическими, электрическими, магнитными, химическими, обонятельными, акустическими и/или оптическими стимулами.
18. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому на каркас роста и/или на биологические клетки воздействуют стимулами, режим воздействия которых может быть изменен, в частности прерывистыми стимулирующими импульсами и/или периодическими стимулами.
19. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому биологически активные стимулы вырабатываются пьезоэлектрическим материалом.
20. Способ по одному из предыдущих пунктов, по которому пьезоэлектрическое устройство размещают на поверхности и/или внутри каркаса роста.
21. Каркас роста для получения биологической ткани, в частности, для трансплантации внутрь или на поверхность тела человека или животного и, в частности, для реализации способа по одному из предыдущих пунктов, при этом каркас роста определяет первоначальную форму вырабатываемой ткани, каркас роста может быть размещен в камере роста, на каркас роста могут быть нанесены биологические клетки и для воздействия на каркас роста и/или на биологические клетки может быть использован биологически активный стимул.
22. Каркас роста по п.21, в котором может быть получена или культивирована биологическая ткань с функциональной структурой.
23. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом каркас роста по существу определяет лишь первоначальную форму биологической ткани.
24. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом может быть использовано воздействие различных стимулов и/или различных видов стимулов.
25. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом рост, форма, функциональность, структура и/или природа ткани может определяться влиянием стимула или последовательности стимулов.
26. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом биологическая ткань включает орган, кость, хрящ, кровеносный сосуд, надкостницу или их функциональную комбинацию.
27. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом выращенная ткань, по существу, определяет биомеханические свойства конструкции ткани и каркаса роста.
28. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, в котором используют резорбируемый материал, в частности биологический материал или клетки.
29. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, в котором используют материал, способствующий росту клеток, в частности целлюлозу, крахмал, спиртовые соединения, гель или гелеобразный материал.
30. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, в котором его место может занимать растущая ткань.
31. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, в котором используют нерезорбируемый материал и/или электропроводный материал.
32. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом он может быть отделен от ткани, выросшей из биологических клеток на каркасе.
33. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом на поверхности и/или внутри каркаса роста и/или ткани может быть помещено депо фармакологически активного вещества.
34. Каркас роста по п.33, при этом фармакологически активное вещество может высвобождаться после трансплантации ткани внутрь или на поверхность тела.
35. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом биологически активный стимул включает механические, электрические, магнитные, химические, обонятельные, акустические и/или оптические стимулы.
36. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, при этом биологически активный стимул включает стимулы, режим воздействия которых может быть изменен, в частности прерывистые стимулирующие импульсы и/или периодические стимулы.
37. Каркас роста по одному из предыдущих пунктов, включающий средства выработки стимула, в частности пьезоэлектрический материал.
38. Устройство для получения биологической ткани, в частности, для трансплантации внутрь или на поверхность тела человека или животного и, в частности, для реализации способа по одному из предыдущих пунктов, при этом упомянутое устройство включает камеру роста, каркас роста, в частности, по одному из пп.21-37, расположенный в камере роста, биологические клетки, размещенные на каркасе роста, и средства для выработки биологически активных стимулов и для воздействия стимулами на каркас роста и/или биологические клетки.
39. Устройство по п.38, в котором стимулы соответствуют или подобны стимулам, которым ткань подвергается в природе внутри или на поверхности тела.
40. Устройство по п.38 или 39, в которое может быть добавлено фармакологически активное вещество, предпочтительно, вещество, способствующее росту, наиболее предпочтительно костный морфогенетический протеин, фиброген и/или генетически модифицированное вещество.
41. Устройство по одному из предыдущих пунктов, включающее средства выработки механических, электрических, магнитных, химических, обонятельных, акустических и/или оптических стимулов.
42. Устройство по одному из предыдущих пунктов, включающее средства выработки стимулов, режим воздействия которых может быть изменен, в частности стимулирующих импульсов и/или периодических стимулов.
43. Устройство по одному из предыдущих пунктов, включающее средства выработки биологически активных стимулов, в частности механических и/или электрических стимулов, с использованием пьезоэлектрического эффекта.
44. Биологическая ткань, которая получена или может быть получена способом по одному из пп.1-20, получена или может быть получена при помощи каркаса роста по одному из пп.21-37 и/или получена или может быть получена в устройстве по одному из пп.38-43, при этом упомянутую ткань культивируют с предварительно заданной формой, структурой и/или функциональностью.
45. Внутренний или наружный имплантат для внутренней или наружной имплантации внутрь или на поверхность тела человека или животного, включающий ткань по п.44.
46. Внутренний или наружный имплантат по п.45, в котором упомянутая ткань дополнительно включает депо активного вещества для высвобождения фармакологически активного вещества внутрь или на поверхность тела.
47. Кость, которая может быть получена или может быть получена способом по одному из пп.1-20, получена или может быть получена при помощи каркаса роста по одному из пп.21-37 и/или получена или может быть получена в устройстве по одному из пп.38-43, при этом упомянутая кость имеет трабекулярную и/или кортикальную структуру.
48. Применение способа по одному из пп.1-20, для выработки или культивирования костного мозга в кости вне или внутри живого тела.
49. Применение каркаса роста по одному из пп.21-37 для выработки или культивирования костного мозга в кости вне или внутри живого тела.
50. Применение устройства по одному из пп.38-43 для выработки или культивирования костного мозга в кости вне или внутри живого тела.