JP2004531349A - 組織工学デバイス、バイオリアクター、人工臓器、および細胞治療応用でｉｎｖｉｖｏ抽出された血漿を利用するプロセスおよび装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、患者、または同種間もしくは異種間ドナーの血管内に血漿分離フィルターデバイス（１）を移植し、ｉｎ ｖｉｖｏで全血から血漿を連続分離し、血漿分離フィルターデバイス（１）からバイオリアクター（１５）へ血漿を導き、そして必要な場合は免疫分離膜を利用して、血漿をバイオリアクター内の細胞、組織、または器官に暴露することによる、ｉｎ ｖｉｖｏ血漿分離を使用した細胞、組織、または器官を処置する方法に関する。

Description

【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は、米国特許第４，９５０，２２４号および第５，７３５，８０９号に記載されるようなｉｎ ｖｉｖｏ血漿交換に関する。より詳細には、本発明は、ｅｘ ｖｉｖｏのまたは移植された、デバイス、発酵槽、バイオリアクター、ならびに組織工学、細胞治療、人工臓器などの分野で開発および使用される他の機構で、ｉｎ ｖｉｖｏ抽出された血漿を連続利用および／または処理するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの疾患および障害は、細胞機能の崩壊または組織のおよび身体の破壊から生じる。医師は、薬物療法、臓器移植、外科的再構築、または機械デバイスで、組織喪失または器官不全を治療する。しかしながら、薬物療法は、通常費用がかかり、常に有効とは限らず、かつ多くの患者は重篤な副作用を被り、適した移植可能な組織および器官は供給不足で、免疫拒絶を伴うことが多く、そして現在の機械デバイスでは単一器官の機能を全て行うことはできない。したがって、これらの疾患および障害の改善された治療が必要である。
【０００３】
上記の科学分野の全てが、特定の生理的機能を処置、改変、または再構築するために、バイオリアクターおよびバイオテクノロジーで使用される他のそのような機構、ならびに血漿タンパク質操作およびその後に改変された血漿を処置する身体へ戻すのに使用される薬物または化学的プロセスを使用する。これらの応用は、機能的人工臓器（膵臓および肝臓など）に、および特化した発酵槽に、身体部分、組織、および器官を再構築するためにｉｎ ｖｉｖｏおよびｅｘ ｖｉｖｏ細胞培養物および細胞が分泌するタンパク質産生物を使用し、特定の疾患状態の治療のために免疫系成分および構成を創造または改変するために連続的培養を使用する、先端科学である。そのようなデバイスおよびバイオリアクターはまた、細胞培養物の拡大、およびそれらの続いての収穫、ならびに免疫系および幹細胞集団が化学療法および放射線療法により大量に破壊されてしまった患者への再移植にも有用である。そのようなデバイスおよびバイオリアクターはまた、そのプロセスの毒性または外傷のためにｉｎ ｖｉｖｏではおそらく難しいかまたは行い得ない、薬物または遺伝子治療をモニタリングしてこれに影響を及ぼすアクセス機構および輸送ビヒクルとして作用するので有用である。人工臓器の場合、自家性、異種間性、および同種間性細胞および組織、ならびに置換材料および機構が、移植されたか、またはｅｘ ｖｉｖｏのおよび人工構築物中の本来の器官の生理学的部位と離れた器官の機能を実行するために使用され得る。これらのｅｘ ｖｉｖｏデバイスはまた、連続カスケード濾過によって、あるいは血漿流中、中空繊維または他の基質への選択的なリガンドの付着によって、血漿に属する特定のヒト免疫系タンパク質を、単離、分離、ならびに収穫および／または改変するために使用され得る。
【０００４】
細胞培養バイオリアクターは、１つまたは複数の以下の目的を有するシステムである：（ａ）治療的再移植に使用するための、特定のヒト細胞および／または組織複合体の拡大（複製）、（ｂ）特定の疾患状態の治療に使用するための、細胞および／または細胞産生物（抗体、サイトカイン、タンパク質、免疫系複合体など）の発現（産生）、（ｃ）器官（すなわち、膵臓、肝臓）および他の特化した組織（すなわち、軟骨）の機能の代用として、または支持的増強として機能するための、ｉｎ ｖｉｖｏ組織の働きを模倣するそのような細胞培養物および細胞集団の利用、および（ｄ）遺伝子治療技法による細胞の改変のためのビヒクルとして作用するため。人工臓器の場合、そのような細胞活性は、特化した機能（呼吸、分離、濾過、センサー伝達、信号調整、算出、およびシステム制御エフェクターなど）を提供する代替的電子機械構築物または化学系構築物により、増強、支持、制御、または置換され得る。
【０００５】
（ａ）および（ｂ）の目的両方の例は、腫瘍細胞（oncocellular）組織の効果的な破壊のために高度集中（hyper-intensive）化学療法が使用されるが、これは同時にヒト免疫系の起原の原因である骨髄および循環幹細胞も破壊する、癌治療で生じる。この場合の治療プロトコルは、化学療法の前および完了するまで、骨髄および／または末梢循環幹細胞を刺激して収穫し、それらをクライオストレージ（cryo-storage）またはバイオリアクターに置くことである。収穫された幹細胞は、再移植され、そして適した時期に免疫系を再生させ、患者の幹細胞構造を再び集団化（re-populate）させる。
【０００６】
バイオリアクターは、達成されるべき製品に依存して、どのようなクラス、大きさのものでもよく、または任意の１つまたは多数の所望の特徴を有してもよい。様々な型のバイオリアクターとして、タンクバイオリアクター、固定化細胞バイオリアクター、中空繊維および膜バイオリアクター、ならびにダイジェスターが挙げられる。細胞が成長するのを可能にしている固定化バイオリアクターには３つのクラスがある:膜バイオリアクター、フィルターまたはメッシュバイオリアクター、およびキャリア粒子系。膜バイオリアクターは、透過膜上またはその向こうで細胞を成長させ、細胞が逸脱するのを防ぎながら、栄養が細胞に届くことを可能にする。フィルターまたはメッシュバイオリアクターは、不活性材料の開口メッシュ上で細胞を成長させ、細胞が逸脱するのを防ぎながら、培養液が流れて通過することを可能にする。キャリア粒子系は、非常に小さなもの（ナイロンまたはゼラチンの小ビーズなど）の上で細胞を成長させる。バイオリアクターは、流動床または固定床であり得る。他の型のバイオリアクターとして、ポンド（pond）リアクターおよびタワー発酵槽が挙げられる。
【０００７】
異なるバイオリアクターは、中身を混合するために異なる構成要素を利用し、これは撹拌パドル、タービン、ディープジェット（deep jet）発酵槽、ガス流入などの使用を含む。バイオリアクター制御は、任意の所望の目的により達成され得、これはバイオマスセンサーおよびリアルタイムなオフラインセンサーを含む。バイオリアクターはまた、それらがどのように混入物の排除を維持するかに従って分類され得る。
【０００８】
現在、全ての装置、システム、および方法は、ｅｘ ｖｉｖｏ手段（遠心分離または限外濾過など）により同種または異種ドナーの患者の血液から分離された血液または血漿および／または血清培地を利用する。血液は、赤血球、血小板、または他の巨大分子量の血液成分を含み、これらはｅｘ ｖｉｖｏ成分中で凝集または凝血して、システムの操作不能でなければ中断を引き起こす。遠心分離または限外濾過は、さらなる装置の購入および操作を必要とし、それにより実質的に手順のコストを増加させ、そして大きくなり、この結果患者を動けなくする。遠心分離はまた、相当量の血液を必要とし、許容不可能な負荷を患者または同種間ドナーにかける。そのうえ、全血のプロセシングは、血球、ひいては患者の感染または汚染の発生率を、ならびに赤血球および白血球の損傷の発生率を実質的に増加させる。
【０００９】
患者またはドナーから取り出した全血を利用してｅｘ ｖｉｖｏで血球から血液へ血漿を分離するバイオリアクターシステムも複数提案されている。そのような血漿交換システムは、上記で記載される不利益を未然には防がない。なぜなら、全血は依然として、源から取り出されろ過されてバイオリアクターに向けられるべき血漿を分離しなければならないからである。本発明が目的とするのは、上記の不利益の排除である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
［発明の概要］
本発明は、患者、またはドナーの血管内に血漿分離フィルターデバイスを移植し、全血からｉｎ ｖｉｖｏで血漿を分離し、血漿分離フィルターデバイスからバイオリアクターまたは他の細胞培養デバイスへ血漿を導き、そして直接または膜免疫系バリアを通して間接的に血漿をバイオリアクターまたは他の細胞培養デバイス内の細胞、組織、または器官に暴露することによる、ｉｎ ｖｉｖｏ血漿分離を使用した、バイオリアクター、組織工学デバイス、人工臓器、および他の細胞培養デバイス中の細胞、組織、または器官構築物に細胞培養液を連続的に提供する方法に関する。発現した、または複製された、細胞、組織断片、他の細胞培養生成物は、回収（recover）すなわち収穫（harvest）され、そして選択された送達系に導かれ得、ここで細胞生成物、細胞、または組織が特定の患者部位に導かれ得るかまたは患者に移植され得る。あるいは、培養生成物は、患者の血液に戻され得る。消耗した細胞培養液（血漿）は、廃棄され得るか、または連続した基礎上（on a continuous basis）、バイオリアクターデバイスでの再利用のためそれがドナーの器官（すなわち腎臓または肝臓）により再生されて再構築され得る場合に患者もしくはドナー血液に戻され得る。本発明は、上記の方法を実行するための装置を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
［好適な実施形態の詳細な説明］
本発明は、血液のｉｎ ｖｉｖｏ分離由来の血漿を直接、バイオリアクターの培養液としておよび／または組織工学、細胞治療、および人工臓器の分野で使用される血漿タンパク質の源として使用する方法および装置に関する。
【発明の効果】
【００１２】
ｉｎ ｖｉｖｏ血漿分離を使用した、細胞、組織、または器官を処置する方法および装置が提供される。患者の血管内に移植された血漿分離フィルターデバイスは、全血から血漿を分離し、血漿をバイオリアクターへ導く。血漿は、バイオリアクター内に含まれる細胞、組織、または器官に暴露される。細胞生成物および／または細胞、組織、および器官は、患者の身体へ戻される。バイオリアクターからの消耗した血漿もまた、患者の器官による再構築のために患者の身体へ戻され得、そして再利用され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、自家血漿および自家細胞を利用し、そしてｉｎ ｖｉｖｏ血漿分離アセンブリ１（これには、図３に示されそして以下に記載されるように、フィルターデバイスおよび二重ルーメンカテーテルが含まれる）由来の血漿により供給される一般的なバイオリアクターを組込んでいる、本発明に従ったシステムを例示する。この実施形態において、ｉｎ ｖｉｖｏ分離された血漿は、バイオリアクター中の細胞、組織、または器官に、直接暴露される。任意の所定の応用のためのバイオリアクターおよび特徴が、要件および所望の目的に依存して選択されるだろう。血漿および細胞生成物は、具体的に標的とされる組織構造または器官の毛細血管床へ、分離カテーテルまたは送達系を介して患者へ戻され得る。
【００１４】
示される装置において、血漿分離ユニット１からの自家血漿は、導管２を介してバイオリアクター５へ輸送され、そしてフローコントロールユニット３を介して播種された細胞培養床１７へ送達される。播種された細胞培養ユニット基質は、細胞固定化のために産業で使用されるどの基質でもよい。例として、コラーゲンマトリックス、コラーゲンビーズ、ガラスビーズ、磁化ビーズ、中空繊維膜（毛細空間内および外）、平板膜、渦巻き型（spiral wound）および積層の膜（stacked sheet membranes）、および成形された生体吸収性（bioresorbable）重合体マトリックスが挙げられる。
【００１５】
培養液（血漿）１８は、細胞培養床を取り囲み、そして培養中の細胞すべてを灌流するために、床の上、周囲、および／またはその中を流れ得る。バイオリアクター内の培養液の適切な混合を確実にするために、液体サーキュレーター（例えば、羽根車、撹拌器、タービン、ディープジェット発酵槽、ポンプなど）が使用されてもよい。一次培養液は自家血漿であるかもしれないが、任意の特定細胞の応用は、ウマまたは他の血清、栄養、成長因子、サイトカイン、および薬物のような成分の補充を必要とするかもしれず、これらは、フローコントローラー３を介してバイオリアクター内の培養液１８チャンバーへ送達され、この時混合は液体サーキュレーターにより確保される。他のバイオリアクターパラメーター（温度、圧力など）は、環境コントロールデバイス１５により制御され得る。
【００１６】
細胞培養物の呼吸は、中空繊維ガス交換ユニット４の圧力計をつけた血漿生成物により、供給源８により供給されるガス（Ｏ₂、Ｎ₂）で提供され、そしてｐＨに応じてシステムコントローラー１４により、およびセンサーアレイ１６でのＯ₂センサーの読み取りにより制御される。センサーアレイは、使用中の用途に必要になるかもしれない任意の数の異なるセンサー（すなわち、モル浸透圧濃度、グルコース、など）を含み得る。適したセンサーとして、バイオマスセンサーおよびリアルタイムなオフラインセンサーが挙げられる。システムコントローラー１４は、入力出力コントロールシグナル１３を介して、フローコントローラー３および３１、バイオリアクター環境コントロールデバイス１５およびセンサーアレイ１６を、モニタリングおよび制御する。
【００１７】
培養液は、定常的に、入ってくる血漿で置換されて補充源７からの選択された補助で補強され得るものの、毒性要素および代謝産物の蓄積が生じ得る。これらの物質の最適レベルは、フローコントローラー２３ユニットにより制御される調節培地ディストリビューター６（これは、注入、透析、拡散、および／または限外濾過により、培養液１８の組成およびモル浸透圧濃度を調節し得る）により維持される。得られる調節培養液の組成は、サンプルポート１９から採取されたサンプルおよび／またはセンサーアレイ１６の出力の分析により決定される。
【００１８】
バイオリアクターの臨床生成物は、細胞コロニーまたは分化した組織コロニー、および細胞生成物、タンパク質、抗体、サイトカインなどを含む。細胞および組織コロニーは、リアクターの一時停止および組織またはコロニーの抽出により、バイオリアクターの損傷無しに、バイオリアクターから周期的に収穫され得る。次いで、それらは、注入または外科手段により患者に移植されるか、またはさらなる拡大のため二次リアクターに挿入されるか、または適した必要質量に合計するために凍結されて貯蔵庫に置かれる。細胞生成物、タンパク質、抗体などを含むバイオリアクターの培養生成物は、血漿戻り導管１０を介してバイオリアクターから連続して抽出される。培養生成物は、培養生成物精製装置コンポーネント９によりさらに精製され、その出力フローはフローコントロールユニット３１により制御される。
【００１９】
培養液１８は、最適な細胞増殖条件および細胞生成物出力を確実にするために、先に記載されたシステムで改変されている。しかしながら、血漿および細胞生成物は、代謝産物および他の成分と一緒に、培養液中全て混合しており、含まれる治療用途の要求に従って患者に戻すための最適なおよび／または望ましい血漿混合物をおそらくは表さないだろう。例えば、カテーテル２９を介して、または送達デバイス３０により患者へ培養生成物を送達する前に、カスケード濾過または吸着カラムによりＬＤＬコレステロール、または他のリポタンパク質を、タンパク質Ａ親和性カラムによりＩｇＧＦｕ成分を、電磁的手段および当該分野で既知の他の適した分離機構により分化選択のクラスターを持つ特定の成分を、除去することが望ましいかもしれない。患者への送達が望ましくない不純生成物は、培養生成物精製装置９から廃棄用の適切なコンテナ１１中へ収集され得る。
【００２０】
本発明に従ってｉｎ ｖｉｖｏ分離された血漿が導かれるバイオリアクターの、具体的な型、コンポーネント、および特徴は、本発明の一部分ではないので、当業者により選択されるだろう。
【００２１】
欠損を修復するために患者自身の細胞を使用し、それにより免疫拒絶および汚染の問題を回避することが最も望ましい。臨床上のまたは他の理由から自家培地を使用することができない場合、送達される血漿間のシステム免疫単離で同種間または異種間血漿および／または同種間または異種間細胞を使用しなければならず、使用される細胞は、図２に例示されるように、中空繊維またはシート膜バイオリアクター構築物の使用により提供され得る。例えば、同種間または異種間細胞培養床２０が組込まれ、および／または血漿戻り導管２２を有する中空繊維膜アセンブリ２１が使用される。同じく、そのようなコンポーネントは当業者に既知である。他のシステムコンポーネントは、図２に記載されるようなものである。
【００２２】
好ましくは、バイオリアクターは体外（ｅｘ ｖｉｖｏ）にある。体外システムは、患者自身の器官が衰えている場合に使用され得、複数の利点を提供する：（１）細胞系を取り囲む培地のより良好な制御（例えば、酸素、栄養、および排泄物の輸送の改善を達成する能力）、（２）使用の時期および期間のより良好な制御、および（３）患者の白血球が血漿交換により肝細胞から分離され得ることによる、免疫拒絶の機会の減少。
【００２３】
図３は、本明細書中記載されるとおり、血漿がｉｎ ｖｉｖｏで血液から分離され、そして処置および／または利用のためにｅｘ ｖｉｖｏで送られる装置を図示する。血漿分離アセンブリは、内部（interior）頚静脈３２を介して、上大静脈３３に経皮的に移植されたフィルターデバイス３０を含む。あるいは、フィルターデバイスは、大腿静脈を介して下大静脈に移植され得る。二重ルーメンカテーテル２５の近位端部に挿入されたフィルターデバイス３０は、静脈を流れる血液から血漿を抽出して、利用のためにカテーテル１２の流出ルーメンを介してｅｘ ｖｉｖｏにそれを導く。好適な実施形態において、血漿分離アセンブリのフィルター要素は、血漿および選択された成分を全血から分離可能な孔径を有する中空繊維および／またはシート膜を含む。そのようにして抽出された血漿は、利用後、バイオリアクター用に新鮮な血漿の持続的源を維持し、かつドナーの器官により利用された血漿を再構築する手段を提供するカテーテルの戻りルーメン２９を介して身体脈管構造に戻される。好ましくは、血漿源は患者自身である。自家培地が利用可能ではない場合、デバイスを使用して、分離手段により患者へ導入される同種間または異種間培地および細胞培養生成物および／または組織構築物を抽出し得る。
【００２４】
米国特許第４，９５０，２２４号、第５，２２４，９２６号、第５，７３５，８０９号、および第５，９６８，００４号に記載されるようなフィルターデバイスが使用され得る。そのようなデバイスは、細長い中空繊維および中空繊維を組込んだ様々なフィルターアセンブリ設計を含み、これは本発明を実行するための装置に使用され得る。フィルターデバイス３０に使用される好適なファイバー膜は、２０００年４月１３日出願された米国特許出願番号第０９／５４９，１３１号、（ＴＲＡＮＳＶＩ．００７Ａ）に基づくＷＯ０１／７８８０５に開示される。本発明の中空繊維膜は、管状の形で、一般に断面は円形であり、繊維の長さに沿ってその中心に同軸内部ルーメンを有する。繊維の壁体積は、外側の径から内側の径まで様々な形態学で非対称であり、外壁で高密度および内壁で低密度を有する。繊維は、繊維外側を透過しかつ繊維内側に滲出することで限外濾過を促進するように設計されている。繊維抽出アセンブリの全ての繊維の内部ルーメンは、滲出物をｅｘ-ｖｉｖｏに輸送する手段を提供するカテーテルのアクセスルーメンと直接液体を連通している。本発明の膜の繊維壁は、細孔の境界を形成する枠または固体壁内に定義される細孔および空隙構造を含む。細孔は、可変な確定した大きさの空隙であり、これは液体が繊維壁を通過してルーメンへ行くことを可能にし、そして孔径より大きい成分の通過を妨げる。細孔は、不規則および規則的な形の溶質用に、固体枠により境界をつけられて不規則な曲がりくねった径路を形成した不規則な形の空隙である。前述の用途に示されるように、繊維壁厚さは、内壁と外壁との間で実質的に均一であり、かつ実質的に巨大空隙（macrovoids）を含まない。外部表面からルーメンまでの繊維の壁構造は、細孔および空隙の非線形分布の連続体である。得られる構造は、繊維の外側表面と内部ルーメン表面との間で密度が連続的に変化する。これらの密度変化を、マクロ機能を持つ区域の点で、平均公称孔径、空隙率、および壁質量を有する壁領域の断面で記述することが簡便である。そのように記述される場合、膜は内側および外側壁表面の間に複数の区域を有し、各区域は隣接する区域の密度と異なる密度を有する。膜繊維壁は、内側壁表面により低密度の、および外側壁表面により高密度の、２種、３種、または４種、あるいはそれより多くの密度区域を有し得る。各区域は、異なる平均公称孔径により特徴付けられ、低密度区域では約１μｍ〜約６０μｍの間の平均公称孔径を有し、そして高密度区域では約０．３μｍ〜約１μｍの間の平均公称孔径を有する。好適な膜は、約５ｍｍＨｇ〜約２０ｍｍＨｇの間の膜差圧で、かつ約２．５ｌ／分の代表的な大静脈血流で、少なくとも０．７５（ｍｌ／分）／（ｃｍ²×ｍｍＨｇ）抽出する能力を有する。好適な繊維は、２×１０⁴〜４×１０⁶ダルトンの間のふるい係数カットオフを有する。
【００２５】
図４は、抽出した血漿を、バイオリアクター内の細胞、組織、または器官に暴露する逐次工程を示す。好ましくは、血漿分離デバイスは患者の血管内に移植され、ｉｎ ｖｉｖｏで全血から血漿を分離する。一般に、デバイスは、内部頸静脈を介して上大静脈に経皮的に挿入されるか、あるいは大腿深静脈を介して下大静脈に挿入される。分離要素を介して全血から分離された血漿は、血漿分離フィルターデバイスからバイオリアクターへ導かれ、バイオリアクター内の細胞、組織、または器官を血漿に暴露する。バイオリアクターからの血漿培養生成物は回収され、そして選択された細胞送達系へ導かれてもよいし、または培養生成物は患者の血液へ戻されてもよい。
【００２６】
好適なバイオリアクターとして、細胞培養バイオリアクターおよび人工臓器が挙げられるが、これらに限定されない。細胞培養バイオリアクターは、簡潔で限定された目的、限定された寿命の、戦略的適用部位に置かれる移植されたｉｎ ｖｉｖｏカプセル剤、または複数の培地、代謝、および呼吸支持および制御系を持つ極度に複雑なｅｘ ｖｉｖｏ連続潅流システムであり得る。一方で、人工臓器は、米国特許第５，１５１，０８２号に記載されるように、毒素を拡散（透析）により除去しかつ過剰な体液を限外濾過により除去する人工腎臓の場合のように、簡潔な機械系であり得るか、またはそれらは、人工膵臓および人工肝臓の場合のように、機械系およびバイオリアクターの両方を利用するハイブリッドデバイスであってもよい。
【００２７】
本発明に従った、本明細書中記載されるシステムでのｉｎ ｖｉｖｏ分離された血漿の使用は、関与する患者を支持する細胞培養バイオリアクターおよび／またはハイブリッド系と組み合わせて使用される場合、複数の大きな利点を有する。使用される自家血漿は、バイオリアクター培養床に蒔かれた患者自家細胞から「移植片対宿主」反応を引き起こさない。なぜなら、それらはともに、同一個体由来であり、したがって免疫反応の引き金を引かないからである。培養液として使用される自家血漿は、抗体、免疫複合タンパク質、サイトカイン、成長因子等を含み、患者の反応要件に特異的な一般的な免疫複合調節を反映する。しかしながら、特定の治療に効果を及ぼす目的で、そのような免疫系または他の血漿成分がバイオリアクターでの使用または構築前に改変、抽出、調節、または操作される必要があるかもしれない場合、そのような目的のためのシステムが、一連の患者からバイオリアクターへの抽出血漿の流れに置かれ得、それらの機能を連続的に提供する。
【００２８】
システムは、抽出された血漿をバイオリアクター内の細胞、組織、または器官に暴露する。提供されて患者へ戻される血漿は、静脈リターン系を通じてか、分離カテーテルという手段を通じて特化した組織の毛細血管床へ直接かのいずれかで、治療のために、発現した細胞生成物を患者へ、ならびに適切な患者細胞および組織へ送達するための輸送系を提供する。提供される血漿は、細胞培養液として作用し、そしてまた患者の栄養および消化系により生成されているバイオリアクターにより要求される栄養成分の大部分を含み、そしてたいていは補充のみを必要とする。
【００２９】
バイオリアクターの細胞バイオマスは、患者の体重の小さな割合にすぎない。それゆえ、血漿培地がバイオリアクターを通過する流速は、米国特許第４，９５０，２２４号に記載される腎臓透析系のような系により必要とされるよりも実質的に少ない。バイオリアクターにとって十分な血漿は末梢動脈または静脈のもっと小さな血漿交換カテーテルにより供給され得、このことはその設置および最終的な除去を簡単にし、ならびに多数の場合の移動性（ambulatory）システムの実現可能性を論じるだろうと見積もられる。連続潅流バイオリアクターで報告された細胞拡張速度に基づき、移植用培養細胞を細胞生成物治療タンパク質の産生と同時に周期的に収穫し、したがって最終的に治療を中断すること無く手順の要件を減少させることが、実現可能である。
【００３０】
提供されるｉｎ ｖｉｖｏ血漿は、赤血球、血小板、または他の巨大分子量の血液成分を含まず、したがって、全血を利用するシステムの場合のように、ｉｎ ｖｉｔｒｏデバイス中で凝集または凝血してそれらを操作不能にすることがない。薬物動態学の原則に基づくと、本明細書中仮定されるような連続治療システムは、オフラインのバッチプロセス技法（これは、文献中、活性要素の有効濃度が最適レベルで連続的に維持され得ることが報告されている）よりも、より効果的、効率的であり、かつより良好な結果をより早くもたらす。提供されるｉｎ ｖｉｖｏ血漿は、脈管構造から抽出された一次滲出物であり、そして現在行われているように、培地として濾過せずに使用された場合、おそらくそして必ずバイオリアクターで凝血する、または膜濾過により遠心分離でｅｘ ｖｉｖｏで分離された場合、プロセスに余計な不便で費用のかかる工程を構成する全血ではない。
【００３１】
本発明の血漿交換バイオリアクター系の利用は、２つの重要な結果を実現する。そのような使用は、収穫された幹細胞を拡張して、十分な細胞が治療および／または治療の複数のセッションを完了するために利用可能であることを確実にし、それにより治療計画（treatment regime）全体を短くする。これはまた、治療直後かつ患者の幹細胞集団の再構築前に患者へ免疫系複合体を送達することを可能にし、したがって彼または彼女の免疫系の回復を待った滅菌隔離において、患者の回復期間および入院を短くする。さらに、成長因子または成長阻害薬の使用を通じて、幹細胞またはコロニー形成ユニット（ＣＦＵ）は、特定の機能細胞のみが必要とされるとおりに産生され得るように制御され得る。利点には、経済的負担および感染の危険性の実質的な減少が含まれる。
【００３２】
リンパ幹細胞の細胞培養は、Ｂリンパ球、Ｔリンパ球、血漿細胞、およびヘルパーＴ細胞を拡張するために使用され得る。相対的ｅｘ ｖｉｖｏ単離でこの培養物を特定の抗原に選択的に曝露することは、適切な抗体およびリンフォカインを産生し得、かつ補体活性化の古典径路を励起し得、患者の免疫応答を二次曝露効率反応曲線へ可能な限り改良する適切なスケジュールで、患者の血流中に力価を判定され得るワクチンの形態として作用する。本発明のバイオリアクター系は、文献で報告されるように、移植片を求めている間延命させるために、肝細胞および衰えた肝臓への支持的補助剤として作用するクッパー細胞を共培養するために使用され得る。これらの系はまた、血漿中へのインシュリン注射の比例した活性化のための、または必要なインシュリンを産生する、形質転換または自家培養された島細胞を横切って流れる血漿を調節するためのグルコースセンサーからの信号を使用して、人工膵臓として効果的に使用され得る。
【実施例】
【００３３】
本システムは、抽出された血漿を、バイオリアクター内の患者自身の細胞、組織、または器官に暴露する。好適な実施形態において、患者からの幹細胞は、より多くの細胞または組織を成長および再生させて有用な組織に変えるかまたは身体へそれらを戻すために、バイオリアクターで使用される。あるいは、幹細胞は、別の源から得られ得、ここでその源は別の人物またはヒトではない動物である。
【００３４】
幹細胞の定義は、Potten and Loeffler (Development, 110: 1001,1990)により提供され、彼らは、幹細胞を「ａ）増殖、ｂ）自己保持、ｃ）多数の分化した機能性子孫の産生、ｄ）損傷後の組織再生、およびｅ）これらの選択肢の使用における柔軟性が可能な未分化細胞」と定義した。
【００３５】
幹細胞は、培養中無期限に分裂する能力および特化した細胞を生み出す能力を有する。幹細胞には３種の型が存在する：多能性、全能性、および多分化能である。多能性細胞は、生物の大部分の組織を生み出すことができる。全能性幹細胞は、無制限の可能性を有する。例えば、全能性細胞は、胚体外膜および組織、胎芽、ならびに後胚期組織および器官の全てへ特化する能力を有する。多分化能幹細胞は、特定の機能を有する細胞を生み出すようにさらに特化する多能性幹細胞である。
【００３６】
幹細胞の刺激は、無数の疾患、状態、および能力障害を治療するための交換細胞および組織の源となり得る。表１は、疾患を治療するための幹細胞由来の組織の可能な使用例をいくつか示す。
【００３７】
あるいは、患者由来の組織または器官は、新規組織を再生または複製するために、または所望の培養生成物を生成するために、バイオリアクターで使用され得る。
【００３８】
【表１】

【００３９】
ｉｎ ｖｉｖｏ血漿交換デバイスに取り付けられたバイオリアクターとの組合せは、明らかに現在の技法に勝る利点を示す。ｉｎ ｖｉｖｏ血漿交換デバイスは、バイオリアクターに培養液の一定した供給および患者から血液を取り出すことなくリアルタイムで細胞生成する機構を提供する。さらに、本発明は患者の治療コストを低減し、かつ煩わしさのより少ない治療計画の選択肢を提示する。その上さらに、本発明は、器官ドナーを待っている患者に、患者自身の新規の健康な器官を成長させる機会を与える。本発明は、多数のヒト病理学を治療するために使用され得る。以下は、本発明の多くの有用な応用のわずかな例である。
【００４０】
火傷の被害者は、皮膚の治癒、修復、または機能を助けるために本発明を利用し得る。
健康な真皮および上皮細胞が、患者から採取されてバイオリアクターの内部で培養され、後に患者へ移植して戻され得る。皮膚移植片を培養するために患者自身の皮膚細胞を使用することは、宿主対移植片病に関して、移植の成功を確実にする。さらに、病気または他の要因のために、患者がバイオリアクターを支持することができない場合、新規皮膚組織が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ移植され得る。
【００４１】
心臓発作およびうっ血性心不全を含む、慢性心疾患を患っている患者は、冠状態を改善させるために本発明を利用し得る。多能性幹細胞由来の健康な心筋細胞が、心機能を増強するために、バイオリアクター内部で培養されて後に患者の衰えた心臓へ移植され得る。さらに、病気または他の要因のために、患者がバイオリアクターを支持することができない場合、新規心筋細胞が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ移植され得る。
【００４２】
パーキンソン病、アルツハイマー病、多発性硬化症、脊椎損傷、および脳卒中を含む、様々な神経疾患を患っている患者は、神経障害および状態を改善させるために本発明を利用し得る。多能性幹細胞由来の健康な神経細胞が、特定の患者の状態に応じて、バイオリアクター内部で培養されて後に患者の適した部位へ移植され得る。新規神経細胞は、標的組織または器官の機能を増強するだろう。さらに、病気または他の要因のために、患者がｉｎ ｖｉｖｏバイオリアクターを支持することができない場合、新規神経細胞が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ移植され得る。
【００４３】
筋ジストロフィーを含む骨格筋障害を患っている患者は、骨格筋障害および状態を改善させるために本発明を利用し得る。多能性幹細胞由来の健康な骨格筋細胞が、特定の患者の必要に応じて、バイオリアクター内部で培養されて後に患者の適した部位へ移植され得る。新規骨格筋細胞は、標的筋肉の機能を増強するだろう。さらに、病気または他の要因のために、患者がバイオリアクターを支持することができない場合、新規骨格筋細胞が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ移植され得る。
【００４４】
癌、免疫不全、遺伝性血液疾患、および白血病を含む血液の障害を患っている患者は、血液障害を改善させるために本発明を利用し得る。多能性幹細胞由来の健康な血液細胞が、バイオリアクター内部で培養されて後に移植され得るか、またはバイオリアクターから放出され得る。新規血液細胞は、患者の状態を改善させるだろう。さらに、病気または他の要因のために、患者がバイオリアクターを支持することができない場合、新規血液細胞が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ輸液され得る。
【００４５】
様々な型の癌を含む様々な障害のため大量投与化学療法（ＨＤＣ）治療を受けている患者は、ＨＤＣ治療（そのような治療は患者の免疫系を無能にする）に続いて患者の免疫系を再構築するために本発明を使用し得る。化学療法治療の前に患者から健康な自家幹細胞が単離され、極低温で凍結され、そしてバイオリアクター内部に置かれ得る。化学療法治療の完了に際して、幹細胞は、解凍され、そして免疫機能を復活させるために患者内へ系統的に再導入され得る。
【００４６】
ヒト免疫不全ウイルス（ＨＩＶ）に感染した患者は、ヘルパーＴ細胞生成（ＣＤ４＋）を促進するために本発明を利用し得る。健康なＴリンパ球が患者から単離され、そしてバイオリアクター内部に置かれ得る。Ｔリンパ球が増殖することで、それらはサイトカインであるインターロイキン−２を産生する。インターロイキン−２は血流に入り、ＣＤ４＋細胞に活性化して複製するように情報伝達し、したがってＣＤ４＋細胞を攻撃するＨＩＶの影響を相殺する。
【００４７】
１型糖尿病を患っている患者は、患者の状態を改善させるために本発明を使用し得る。
インシュリンを産生する健康な島細胞が、ｉｎ ｖｉｖｏバイオリアクターの内部に置かれ得る。インシュリンは、カテーテルを通じて患者の血管へ向け直され得る。健康な島細胞により産生されたインシュリンは、健康な膵臓の機能を模倣し、そしてインシュリン注射の必要性を軽減する。
【００４８】
慢性Ｂ型肝炎による全肝不全またはほぼ全肝不全を患っている患者は、ドナー器官を使用するのではなく新規の健康な肝臓を成長させるために本発明を利用し得る。多能性細胞が特化したバイオリアクター内部に置かれ、そして培養されて新規肝臓を形成し得る。肝臓はその後患者内へ移植され得、したがって肝不全に伴う症状を改善させ得る。さらに、病気または他の要因のために、患者がバイオリアクターを支持することができない場合、新規肝臓が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ移植され得る。
【００４９】
任意の型の器官を必要としている患者は、ドナー器官を使用するのではなく新規の健康な器官を成長させるために本発明を使用し得る。多能性細胞が特化したバイオリアクター内部に置かれ、そして刺激されて適切な器官を生成し得る。器官はその後患者内へ移植され得、したがって宿主の障害および状態を改善させ得る。さらに、病気または他の要因のために、患者がバイオリアクターを支持することができない場合、新規器官が同種間または異種間バイオリアクターで培養されて患者へ移植され得る。
【００５０】
重症複合免疫不全（ＳＣＩＤ）を含む遺伝病を持つ患者は、当業者に既知の遺伝子治療と組み合わせて本発明を利用し得、全体的な状態を改善させ得る。患者の芯血液（core blood）または他の幹細胞から単離された細胞は、健康な野生型細胞を作成するために遺伝学的に改変され得る。これらの改変された健康な細胞はバイオリアクター内部に置かれ、そして患者の生活を通して戦略的に重要な時点で治療薬として身体中へ放出されることで、障害を改善させ得る。
【００５１】
本発明は、明瞭化および理解の目的で一部詳細に記載されたが、当業者は、形態および詳細における様々な変更が本発明の真の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解するだろう。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】培養細胞および血漿源の両方が患者である場合の、自家ハイブリッド人工臓器用途に使用される本発明の装置を概略的に示す図である。
【図２】血漿源または培養細胞のいずれかが同種間または異種間である場合の、同種間または異種間バイオリアクターおよびハイブリッド人工臓器用途に使用されるシステム用途を概略的に示す図である。
【図３】血漿をｉｎ ｖｉｖｏで血液から分離し、処置および／または利用のためにｅｘ ｖｉｖｏに送る、移植されたフィルターおよびカテーテルの１つの実施形態を概略的に示す図である。
【図４】バイオリアクター内の細胞、組織、または器官の処置、発生および生成物の送達、ならびに血漿培地の再構築のための連続した一般的な工程を概略的に示す図である。

Claims (28)

1. ｉｎ ｖｉｖｏ血漿分離デバイス（１）を患者またはドナーの血管内へ移植し、
   該血漿分離デバイスを使用してｉｎ ｖｉｖｏで全血から血漿を分離し、
   該血漿を該血漿分離デバイス（１）からバイオリアクター（５）へ導き、そして
   該血漿を該バイオリアクター中の細胞、組織、または器官に曝露させることを含む、細胞、組織、または器官を処置する方法。
2. 前記曝露させた血漿を前記バイオリアクターから前記患者またはドナーへ導くことを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記患者またはドナーと前記バイオリアクターとの間で、前記血漿中の１種以上の溶解した気体成分のレベルをモニタリングすることを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. モニタリングされた気体成分レベルに応じて、前記血漿に１種以上の気体を供給することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記曝露させた血漿を前記バイオリアクターから前記患者またはドナーの組織構造または器官の毛細血管床へ導くことを含む、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記処置した細胞、組織、または器官を前記患者またはドナー内へ移植することを含む、請求項１または２に記載の方法。
7. 前記バイオリアクター中で、患者自身の細胞、組織、または器官を自家血漿に曝露することを含む、請求項１または２に記載の方法。
8. 前記患者の処置された細胞、組織、または器官を前記患者内へ移植することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記曝露された自家血漿を前記患者へ戻すことを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記曝露された自家血漿を前記患者へ戻すことを含む、請求項８に記載の方法。
11. ドナーから、患者の細胞、組織、または器官を含むバイオリアクター（５）へ同種または異種血漿を導き、
    前記同種または異種血漿を免疫単離膜（２１）を透過させ、その後該血漿を細胞、組織、または器官に曝露させ、そして
    前記曝露された血漿を患者またはドナーへ導くことを含む、請求項１または２に記載の方法。
12. 曝露された細胞、組織、または器官を患者またはドナーへ移植することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記バイオリアクターからの前記暴露された血漿を処理して、選択された毒素またはその成分を除去し、その後該血漿を前記患者またはドナーへ導くことを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記血漿分離デバイスは、第１のおよび第２のルーメン（１２、２９）を有する多重ルーメンカテーテル（２５）の末端に固定された、またはこれと隣接した血漿交換フィルター要素（３０）を含み、該フィルター要素は血漿および選択された血液成分を全血から分
    離可能な孔径を有する中空繊維および／またはシート膜を含んで、該血漿および選択された成分を該中空繊維および／またはシート膜に通過させ、該血漿および選択された成分を前記カテーテルの第１ルーメンを通して前記バイオリアクターへ導く、請求項１、２、または１３に記載の方法。
15. 前記カテーテルの第二ルーメンを通して、前記曝露された血漿を前記バイオリアクターから前記患者またはドナーの血管へ導くことを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記バイオリアクター（５）に細胞培養床（１７、２０）を提供すること、および前記血漿を該細胞培養床を通過させ、該血漿を該細胞培養床の実質的に全細胞に曝露させることを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記バイオリアクター中に、前記血漿に１種以上の補助成分を補充することを含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記血漿分離デバイスは、第１のおよび第２のルーメン（１２、２９）を有する多重ルーメンカテーテル（２５）の末端に固定された、またはこれと隣接した血漿交換フィルター要素（３０）を含み、該フィルター要素は血漿および選択された血液成分を全血から分離可能な孔径を有する中空繊維および／またはシート膜を含んで、該血漿および選択された成分を該膜に通過させ、該血漿および選択された成分を前記カテーテルの第１ルーメンを通して前記バイオリアクターへ導く、請求項６に記載の方法。
19. 血漿を繊維壁の外側から該繊維壁の内部ルーメンを通過させて拡散させることにより全血から血漿を分離する能力を有する内部ルーメンおよび繊維壁を有する、複数の細長い中空微小孔性繊維を含む、患者の血管へ移植するためのフィルター（３０）、
    分離された血漿を該繊維ルーメンから導くための第１ルーメン（１２）および血漿を該患者へ導くための第二ルーメン（２９）を含む、該内部繊維ルーメンと液体で連絡する多重ルーメンカテーテル（２５）、
    バイオリアクター（１５）、および
    該第１ルーメンから該バイオリアクターへ血漿を導くための第１導管（２）、および該バイオリアクターから該第二ルーメンへ曝露された血漿を導くための第二導管を含む、請求項１に記載の方法を実行するための装置。
20. 前記繊維は、内部および外部壁表面の間に複数の区域を有する繊維壁を含み、該区域のそれぞれは隣接する区域の質量密度と異なる質量密度を有し、該繊維壁は内部壁表面でより低質量密度の区域を、および外部壁表面でより高質量密度の区域を有することを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
21. 前記膜繊維壁は、２種の質量密度区域を有する、請求項２３に記載の装置。
22. 前記膜繊維壁は、３種の質量密度区域を有する、請求項２３に記載の装置。
23. 膜繊維壁は、４種以上の密度区域を有する、請求項２３に記載の装置。
24. 前記区域のそれぞれは、異なる平均公称孔径であることを特徴とする、請求項２４、２５、または２６に記載の装置。
25. 前記より低密度の区域は、約１μｍ〜約６０μｍの間の公称平均孔径であることを特徴とする、請求項２７に記載の装置。
26. 前記より高密度の区域は、約０．３μｍ〜約１μｍの間の公称平均孔径であることを特徴とする、請求項２７に記載の装置。
27. 前記より高密度の区域は、約０．３μｍ〜約１μｍの間の公称平均孔径であることを特徴とする、請求項２８に記載の装置。
28. 約５ｍｍＨｇ〜約２０ｍｍＨｇの間の膜差圧で少なくとも０．７５（ｍｌ／分）（ｃｍ²×ｍｍＨｇ）の血漿を抽出する能力を有することを特徴とする、請求項２３に記載の装置。

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