ES2232629T3 - Modulo reactor con membranas capilares. - Google Patents

Abstract

Módulo de reactor que incluye al menos una fibra hueca cerámica (3) y al menos una célula biológica, donde la fibra hueca cerámica (3), al menos una, está sujeta en un marco (5) de plástico, donde en el marco (5) del módulo de reactor (1) están integrados elementos de compensación térmicos (9) y donde la célula biológica, al menos una, está inmovilizada sobre la fibra hueca cerámica (3), al menos una.

Description

Módulo reactor con membranas capilares.

La presente invención se refiere a un módulo de reactor que puede servir como componente de un órgano artificial y también a un reactor que contiene este módulo de reactor.

Las enfermedades, en particular de los órganos internos del ser humano son a menudo mortales. Los transplantes de órganos que a menudo se requieren suelen fracasar por la disponibilidad limitada de órganos sustitutivos naturales. Los sistemas externos para apoyar las funciones orgánicas restringidas o perdidas muestran en muchos casos su insuficiencia, pues por una parte reducen notablemente la calidad de vida del paciente y tampoco son capaces de integrarse en los procesos bioquímicos del cuerpo. A propósito del hígado se han desarrollado en los últimos años sistemas híbridos de asistencia de la función hepática, según los cuales las células hepáticas se cultivan en módulos artificiales, y donde se pueden sustituir diferentes procesos de metabolización, eliminación y síntesis del hígado en pacientes con insuficiencia hepática aguda. Los sistemas existentes se basan en una circulación sanguínea extracorpórea a la que se conecta al paciente. El reactor utilizado está formado por una carcasa en la que se encuentran las células hepáticas. La sangre del paciente o el plasma se encuentra en contacto directo o indirecto con las células. Es conocida en este caso la inmovilización de los hepatocitos en pequeñas bolas o sobre pequeñas bolas, por ejemplo en alginato (Selden et al., Ann N Y Acad Sci (1999) 875, 353-363; Naka et al., Artificial Organs (1999) 23, 822-828 y Sakai et al., Cell Transplantation (1999) 8, 531-541). También es conocida la imitación del entramado de parénquima del hígado por medio de fascículos de capilares dispuestos en sentido multidimensional (Custer y Mullon, Adv Exp Med Biol (1998) 454, 261-271; Busse y Gerlach, Ann N Y Acad Sci (1999) 875, 326-339, Flendrig et al., Int J Artif Organs (1999) 22, 701-708; Margulis et al., Resuscitation (1989) 18, 85-94; Ellis et al., Hepatology (1996) 24, 1446-1451; Gerlach et al., Transplantation (1994) 58, 984-988).

Los órganos artificiales descritos, en los cuales se inmovilizan células naturales en una infraestructura, por ejemplo fibras huecas de polímeros o capilares, presentan el inconveniente de que la inmovilización de las células resulta a menudo problemática. Esto se explica, entre otros factores, porque las oscilaciones del diámetro que acompañan a los pulsos del flujo de las fibras huecas de polímeros utilizadas de forma convencional dificultan la inmovilización y pueden producir asimismo efectos de desnaturalización de las células.

La patente US-A-5.605.835 da a conocer un biorreactor modular de lecho plano, en el cual las células biológicas quedan inmovilizadas en una membrana cerámica plana que se extiende en un marco poligonal. Además este documento da a conocer un biorreactor con fibras cerámicas huecas, en el cual las células biológicas quedan inmovilizadas en el espacio extracapilar.

La presente invención se basa por tanto en el problema técnico consistente en la fabricación de un módulo de reactor para su aplicación en órganos artificiales que supere los inconvenientes antes mencionados.

La presente invención resuelve el problema técnico en el que se basa mediante la fabricación de un módulo de reactor según la reivindicación 1.

En una forma de realización especialmente preferida la célula biológica, una al menos, es una célula hepática, esto es, un hepatocito. Por supuesto, la invención permite utilizar también otras células como células renales, células de tejido conjuntivo, fibroblastos, células inmunitarias, células intestinales, células cutáneas, células del páncreas, del bazo o hematocitos.

En otra forma de realización preferida de la invención se inmovilizan sobre la superficie de al menos una fibra hueca cerámica muchas células, en particular una capa de células, en particular una monocapa.

La invención resulta ventajosa, entre otros factores, porque la rigidez propia de las fibras huecas cerámicas utilizadas permite su posicionamiento espacial definido dentro del espacio de un reactor. En contraposición con las fibras huecas o los capilares de polímeros no se producen oscilaciones de diámetro acompañando a los pulsos del flujo, de modo que las células inmovilizadas no pueden sufrir perjuicio. En relación con su geometría, su diámetro externo e interno, la porosidad y el tamaño de los poros las fibras huecas cerámicas se pueden adaptar a cualquier tipo de célula, con lo cual el módulo de reactor según la invención se ofrece para un gran número de aplicaciones. Además la fibra hueca cerámica ofrece una superficie modificable mediante muchos y diferentes procedimientos físicos y eléctricos o de tipo químico. De esta forma se puede conseguir una mejor inmovilización de las células. Finalmente las fibras huecas cerámicas presentan poros que permiten la evacuación de productos residuales del metabolismo y, dado el caso, también el aporte de nutrientes.

De acuerdo con la invención está previsto que las células que se pretende inmovilizar se pongan en contacto con las fibras huecas cerámicas, crezcan en la superficie de las fibras huecas, proliferen y formen una monocapa. Los subproductos tóxicos del metabolismo liberados por las células inmovilizadas pueden llegar al interior de las fibras huecas a través de los poros definidos que contienen las fibras huecas, y ser transportadas desde allí, o bien, por la acción de los nutrientes, salir del interior de las fibras huecas a través de los poros definidos.

En relación con la presente invención se entiende por una célula biológica la unidad estructural y funcional de los organismos, caracterizada por su capacidad para el crecimiento, la multiplicación y el metabolismo. Las células de este tipo pueden ser eucarióticas, como las células animales, vegetales o células de levaduras. En relación con la presente invención se entiende también por células las células procarióticas, como las células de las bacterias. En una configuración especialmente ventajosa las células son humanas o animales, en particular células hepáticas, fibroblastos, células de tejido conjuntivo, células del intestino, hematocitos, células inmunitarias, células de la piel, del bazo, de los riñones o del páncreas. Las células pueden ser células existentes en la naturaleza o manipuladas genéticamente. Las células pueden ser sanas o enfermas, por ejemplo inmortalizadas o carcinogénicas. Las células pueden ser diferenciadas o no diferenciadas, omnipotentes, pluripotentes o unipotentes.

En relación con la presente invención se entiende por inmovilización una fijación espacial, en particular fijación espacial de al menos una célula biológica, en la superficie de las fibras huecas cerámicas. La inmovilización puede ser reversible o irreversible. Puede efectuarse mediante cultivo sencillo y crecimiento sobre la superficie de las fibras huecas, pero también se puede conseguir o acelerar mediante procedimientos químicos o físicos.

En relación con la presente invención se entiende por fibra hueca cerámica una fibra hueca fabricada a partir de materiales cerámicos, esto es, una fibra hueca formada por compuestos o elementos inorgánicos y predominantemente no metálicos, que contiene materiales cristalinos preferiblemente en más del 30% del volumen. De acuerdo con la invención se pueden utilizar materiales cerámicos tanto oxídicos como no oxídicos. Los materiales no oxídicos de este tipo pueden ser, por ejemplo, carburo de silicio SiC o nitruro de silicio Si_{3}N_{4}, que se pueden fabricar, por ejemplo, mediante pirolisis de policarbosilanos o polisilazanos. Evidentemente también es posible fabricar membranas cerámicas oxídicas en geometría de fibra hueca donde, por ejemplo, se mezcla un polvo cerámico con un aglutinante y se extruye esta masa pastosa. A continuación se sinteriza, donde se produce una fibra verde densa en estructura cerámica, cuyos poros pueden variar de tamaño dependiendo de diferentes parámetros, como la cantidad y la naturaleza del aglutinante cocido, el régimen de sinterizado, la morfología del polvo, etc.

También se puede prever la utilización como aglutinante de materiales cerámicos con celulosa, donde éstos se llevan a solución con un disolvente, por ejemplo N-metil-morfolin-N-óxido (NMMNO). La solución de celulosa se mezcla con polvo cerámico y su procesamiento continúa en forma de por sí conocida (patente DE 4426966 TITK de 1/2/96).

La invención se refiere, en otra forma de realización, a un módulo de reactor antes mencionado, donde las membranas capilares presentan un diámetro interno de entre 0,1 y 4 mm, preferiblemente entre 0,5 y 1 mm. En otra forma de realización el tamaño de los poros se corresponde con el de las fibras huecas utilizadas en el módulo de reactor según la invención, esto es, entre 0,05 y 1 \mum, preferiblemente entre 0,1 y 0,5 \mum.

En otra forma de realización de la presente invención se modifica la superficie de las fibras huecas. La modificación prevista según la invención permite una mejor inmovilización de las células in vitro. La modificación de la superficie se puede efectuar por medio de procedimientos químicos y físicos, en particular térmicos o eléctricos. Así se puede prever la utilización de procedimientos químicos como copolimerización radical o iónica del tapaporos, revestimientos sencillos o procedimientos de fase gaseosa, como las técnicas de baja presión o del plasma a baja temperatura. En este sentido es especialmente preferida la utilización del procedimiento del plasma a baja presión, porque de esta forma se pueden modificar de forma definida, en un paso del proceso, tanto las características físicas de la superficie, como la rugosidad, como también la composición química de la superficie. El tratamiento del plasma, especialmente preferido según la invención, permite una elección libre del material del sustrato, un ajuste definido de las características de la superficie sin modificación de las características volumétricas, consume pocos agentes químicos debido al proceso físico de vacío y permite el desarrollo del procedimiento en un sistema seco, cerrado. El plasma, esto es, un gas ionizado con exactamente el mismo número de cargas positivas y negativas, se puede utilizar para la ionización en una horquilla muy amplia de presiones y de temperaturas. Según una forma de realización especialmente preferida de la presente invención, para la modificación de la superficie se utiliza plasma a baja presión con una presión de entre 0,01 y 1 mbar. La atmósfera de plasma está compuesta de electrones libres, radicales, iones, rayos UVA y un gran número de partículas con diferentes grados de excitación. La elección de la concentración de la composición química de los monómeros introducidos en el espacio del gas, el tiempo de permanencia de las moléculas en el espacio de reacción, la potencia de alta frecuencia aplicada y la carga electrostática del material de tratamiento pueden determinar de manera definida la formación de la nueva superficie (Strobel et al., Plasma surface modification of polymers: Relevance to adhesion, Utrecht (1994)). El tiempo de tratamiento previsto según la invención se puede variar según los requisitos, si bien en una forma de realización especialmente preferida oscila entre un segundo y 10 minutos, preferiblemente entre 4 segundos y 5 minutos. Por medio de la técnica de plasma de baja presión prevista según la invención se puede limpiar la superficie y conseguir un desgaste por corrosión, se puede modificar la microrrugosidad y se puede conseguir la formación de radicales y las reacciones secundarias consecuentes, como por ejemplo ramificaciones o polimerizaciones del tapaporos, al igual que polimerizaciones del plasma y por tanto la formación de películas adherentes homogéneas en el ámbito de nanometros.

Según la invención está también previsto, en una configuración preferida, aportar a la superficie grupos funcionales, por ejemplo hidrófobos, aniónicos, catiónicos, por ejemplo grupos amino - o grupos polares, y/o polipéptidos o proteínas. Aquí se incluyen sobre todo proteínas de la matriz, como por ejemplo fibronectina, laminina o colágeno.

De acuerdo con la invención se puede prever la aportación a la superficie de las fibras huecas de promotores de la adhesión, como integrinas, fibronectina, vitronectina y/o colágeno, para facilitar la inmovilización de las células.

En una forma de realización especialmente preferida de la presente invención se puede prever la aportación de una capa de primer, que presente por ejemplo estequiometría de SiOx. Ésta forma una capa de unión -de orgánico a inorgánico, de silicona a vidrio- en la que pueden enlazar muy fácilmente otros grupos. A continuación, esta capa de primer se puede funcionalizar con grupos nigrogenados, por ejemplo con grupos funcionales, en especial grupos amino. También cabe imaginar, según la invención, el prever otras superficies, en particular superficies catiónicas. Evidentemente la capa de primer se puede unir a los grupos funcionales mediante espaciadores o linkers.

En otra forma de realización de la presente invención las fibras huecas cerámicas están dispuestas en paralelo entre sí en un plano y en un marco, donde las fibras huecas pueden situarse unidas entre sí en fila o separadas. El marco puede estar fabricado de plástico, por ejemplo poliestiroleno, polimetilmetacrilato, policarbonato o polipropileno, o contenerlo en proporciones sustanciales. En una forma de realización especial de la presente invención el módulo del reactor según la invención está construido en forma de una placa, preferiblemente cuadrada o rectangular. Con la disposición prevista, según la invención, de las fibras huecas en un plano, por ejemplo en esteras, se puede evitar el riesgo de "tunelización" en el flujo del espacio exterior, y por tanto una disminución de la eficacia.

Los elementos de compensación térmicos pueden ser, por ejemplo, madejas de fibras de vidrio o de fibras de carbono, que tienen en cuenta las tensiones térmicas que aparecen por ejemplo con las esterilizaciones o la congelación, y los diferentes materiales empleados.

En otra forma de realización preferida de la presente invención ésta se refiere a un reactor, que incluye al menos un módulo de reactor del tipo antes mencionado, en particular en forma de placa, y una carcasa. Según la invención se puede prever la disposición de varios de los módulos del reactor, preferiblemente en forma de placa, en capas con las distancias entre sí definidas, de modo que con una superposición con un número suficiente de módulos del reactor en forma de placa de este tipo se puede reunir la superficie que se necesita. La entrada y la salida de los medios en flujo se puede efectuar mediante un sistema de conexión, por ejemplo, en la forma empleada habitualmente en los módulos de electrodiálisis. En los elementos terminales se disponen las correspondientes conexiones, mediante las cuales se pueden alimentar los diferentes canales, formados por los rebajes en los módulos del reactor en forma de placa.

En una forma de realización preferida de la presente invención los marcos de los módulos presentan orificios, que pueden servir como orificios de entrada o de salida para productos metabólicos residuales o para nutrientes. Según la forma de realización antes descrita, en la que están dispuestos varios módulos del reactor uno tras otro en un reactor, los marcos de los módulos forman más o menos la pared exterior del reactor. La carcasa presenta en sus zonas terminales orificios de acceso y de salida para el líquido que se conduce a través del reactor, por ejemplo plasma. Los orificios de entrada y de salida dispuestos en las zonas marginales del marco forman, dependiendo de la orientación de los marcos dispuestos uno detrás de otro, unos canales en la pared exterior del reactor formada por el marco, formados por la relación mutua de los orificios, y mediante estos canales se permite la entrada o la salida selectiva de sustancias hacia diferentes zonas del reactor. Así pues, con una conexión en serie apropiada de varios módulos del reactor se pueden formar canales de alimentación y de evacuación para el espacio interior del reactor, que incluye tanto el espacio extracapilar como el intracapilar, y permitir por tanto una compartimentación funcional y espacial. De este modo se pueden crear diferentes condiciones de cultivo conectadas en serie una tras otra para las mismas células o para células diferentes, permitiendo así una función orgánica de una eficacia máxima y con múltiples posibilidades de regulación.

En una forma de realización especialmente preferida de la presente invención, el reactor presenta además unidades de oxigenador, de intercambiador de calor y/o de toma de muestras y entradas de vacunación. En una forma de realización especialmente preferida de la presente invención el espacio interior del reactor se hermetiza en relación con el entorno mediante filtros esterilizadores dispuestos en el ámbito de las zonas terminales, para impedir un lavado de células y componentes celulares hacia la circulación del paciente.

El reactor según la invención se puede utilizar, por ejemplo, para la construcción de un hígado artificial, donde el reactor se conecta, junto con bombas y separadores de plasma, a una circulación extracorpórea, en la cual participa también el paciente. En una forma de realización preferida de este tipo se preconecta al reactor, según la invención, un separador de plasma o bien se integra en dicho reactor, para permitir un funcionamiento del reactor libre de células.

Otras configuraciones ventajosas de la invención se deducen de las subreivindicaciones.

La invención se explica con mayor detalle a la vista del ejemplo siguiente y de las figuras correspondientes.

Las figuras muestran:

Figura 1 un módulo de reactor en forma de placa,

Figura 2 una disposición preferida de diferentes módulos del reactor uno detrás de otro,

Figura 3 estructura esquemática de un reactor en sección longitudinal y

Figura 4 estructura esquemática de un órgano artificial.

La figura 1 muestra un módulo de reactor 1 que incluye un gran número de fibras huecas cerámicas 3, dispuestas en un plano, en paralelo unas con otras y sujetas en un marco 5 cuadrado, en forma de placa. Así pues, el marco 5 encierra por todas sus partes las fibras huecas 3 dispuestas en un plano y las mantiene fijas en el espacio. El marco encierra en dos dimensiones más o menos un espacio interior que contiene las fibras huecas cerámicas 3 y que está separado por estas fibras en un espacio situado por fuera de las fibras huecas 3 y un espacio situado por dentro. En el marco 5 se integran orificios 7 para la entrada y la salida de líquidos y gases no representados. Tanto el espacio situado dentro de las fibras huecas 3 como el situado fuera de éstas se encuentra en unión fluídica con los orificios 7 de entrada o de salida, de modo que se pueden conducir de forma selectiva fluidos, como gases o, preferiblemente, líquidos hacia el espacio interior o exterior de los capilares o desde dichos espacios. En el marco 5 están previstos además elementos de compensación térmicos 9 en forma de dos rebajes que se extienden en paralelo uno con respecto al otro por todo el ancho del módulo de reactor 1, en cada uno de los cuales se dispone una banda de compensación.

Las fibras huecas 3 se fabricaron y su superficie se modificó de la forma siguiente: Se preparó N-metil-morfolin-N-óxido como solución al 50% en agua y se añadió a la celulosa, la celulosa se dispersó y a continuación se destiló bajo vacío una parte del agua. La suspensión así obtenida se homogeneiza y a continuación se añade el polvo de cerámica en suspensión en N-metil-morfolin-N-óxido. A continuación se separó por destilación el agua residual y el conjunto de la suspensión se volvió a homogeneizar y a desgasificar, con lo cual se obtuvo una masa de hilado homogénea. En un proceso de hilado que se efectúa a continuación se obtienen fibras hinchadas con estructura hueca estable. Durante el proceso de hilado la masa de hilado homogénea se pasa por un baño de precipitación, con lo cual tiene lugar una inversión de fase de la celulosa, acompañada de una estabilización de la estructura hueca. Durante el proceso de hinchado tiene lugar un intercambio de agua por N-metil-morfolin-N-óxido. La fibra hinchada, con estructura hueca estabilizada, obtenida durante el proceso de hilado se seca, con lo cual se obtiene una fibra básica seca que se sinteriza y se obtiene la fibra hueca 3.

Las fibras huecas 3 fueron revestidas con una biomatriz -preferiblemente colágeno. A continuación se añade a los marcos portadores de células una suspensión celular compuesta por hepatocitos. Mediante un ligero movimiento del marco las células establecen contacto con las fibras huecas y quedan adheridas a éstas. A continuación se puede aplicar una segunda capa de colágeno sobre las células. Estos marcos provistos de este modo de hepatocitos se crioconservan en nitrógeno líquido para su almacenamiento a largo plazo.

La figura 2 muestra esquemáticamente una disposición posible de los módulos del reactor 1. Los módulos del reactor 1 se disponen uno detrás de otro en planos paralelos entre sí, de modo que pueda tener lugar un flujo eficaz en la dirección de la flecha del líquido corporal del paciente, no representado. También están representados los módulos de filtración estéril 11, uno conectado delante y el otro conectado detrás, según la invención, que impiden la entrada y la salida, por efecto del lavado, de células y componentes celulares.

La figura 3 muestra un reactor 13 de acuerdo con la invención. El reactor 13 encierra en planos dispuestos uno tras otro y en paralelo entre sí unos módulos del reactor 1 en forma de placa, donde cada marco 5 de los módulos del reactor 1 forma más o menos la pared exterior del reactor, los orificios de entrada y de salida (no representados), forman canales en la pared exterior del reactor y las fibras huecas cerámicas están dispuestas en el espacio interior del reactor 15. Dependiendo de la realización de los orificios 7 de entrada y de salida en los módulos del reactor 1 utilizados, y de su disposición en el reactor 13 se pueden crear, selectivamente, compartimientos bien separados entre sí, situados uno detrás del otro, que se caracterizan por estar ocupados por diferentes células y/o por diferentes condiciones de cultivo. El plasma del paciente entra en el reactor 13 a través de un orificio de acceso 19 dispuesto en una pieza terminal del reactor, esto es, en una zona terminal 17, pasa a un filtro de esterilización 11 y a continuación a las fibras huecas cerámicas de los módulos del reactor 1, para salir, una vez pasado otro módulo del filtro de esterilización, a través de una pieza terminal 21 del reactor, dispuesta en la zona opuesta del reactor y a través de un orificio de salida 23 dispuesto en ella.

La figura 4 representa un hígado artificial 23, que incluye bombas 25, un separador de plasma 27, un reactor 13 según la invención y un intercambiador de calor 29. La sangre de un paciente no representado se pone en circulación a través de las bombas 25 y se conduce a través de un separador de plasma 27, en el que se separan los hematocitos. El plasma así obtenido circula por el reactor 13 según la invención, en el cual los hepatocitos inmovilizados sobre las fibras huecas cerámicas cumplen su función metabólica. A continuación el plasma vuelve al paciente a través del intercambiador de calor 29. En su caso el intercambiador de calor 29 puede estar situado, al igual que el separador de plasma 27, en el reactor 13.

Claims (15)

1. Módulo de reactor que incluye al menos una fibra hueca cerámica (3) y al menos una célula biológica, donde la fibra hueca cerámica (3), al menos una, está sujeta en un marco (5) de plástico, donde en el marco (5) del módulo de reactor (1) están integrados elementos de compensación térmicos (9) y donde la célula biológica, al menos una, está inmovilizada sobre la fibra hueca cerámica (3), al menos una.

2. Módulo de reactor según la reivindicación 1, donde la célula biológica es un hepatocito.

3. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de las fibras huecas (3) está modificada.

4. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de las fibras huecas (3) está modificada mediante procedimientos químicos o físicos.

5. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de las fibras huecas (3) está modificada por la aplicación de un procedimiento de plasma de baja presión.

6. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de las fibras huecas (3) presenta promotores de la adhesión, en particular integrina, fibronectina o colágeno.

7. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de las fibras huecas (1) está realizada en forma de una placa.

8. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde la fibra hueca (3) presenta un diámetro interior de entre 0,1 y 4 mm.

9. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde el tamaño de los poros de las fibras huecas (3) se sitúa entre 0,05 y 1 \mum.

10. Módulo de reactor según una de las reivindicaciones anteriores, donde en el marco (5) del módulo de reactor (1) están integrados orificios de entrada y/o de salida (7).

11. Reactor que en una carcasa (25) incluye al menos un módulo de reactor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Reactor según la reivindicación 11, que incluye al menos una unidad de oxigenador, de intercambio de calor y/o de toma de muestras y de llenado.

13. Reactor según una de las reivindicaciones 11 a 12, donde los módulos del reactor (1) están dispuestos en compartimientos definidos por la disposición de los orificios de entrada y de salida.

14. Reactor según una de las reivindicaciones 11 a 13, donde en los compartimientos se encuentran células diferentes.

15. Reactor según una de las reivindicaciones 11 a 14, donde en los compartimientos existen condiciones de cultivo diferentes.