JP3651904B2 - 生物学的流体中に含まれる抗箘試薬を吸着する方法およびこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に血液等生物学的流体中に含まれる“阻害剤”もしくは“阻害性試薬”とも称される抗菌試薬を吸着もしくは除去する方法に関する。また、この方法を実施するための装置にも関する。
明細書および請求の範囲の記載において、“抗菌試薬”、“阻害試薬”、もしくは“阻害剤”という用語は、例えば抗生物質、抗菌剤、抗ウイルス剤および防腐剤等の、微生物もしくは病原性微生物の増殖を妨げるためのあらゆる試薬を指すのに用いられる。
“生物学的流体”という用語は、血漿、脳脊髄液、尿、滑液、および好ましくは血液等の生物試料を含むあらゆる流体を指すのに用いられる。
後の記載では、本質的に、血液に対する好ましい適用を介して本発明を例証する。
多数の適用において、特に、浄化された血液を後で分析するために、血液中に含まれた抗生物質を除去する目的で、それらを吸着することがよく知られている。
特に、医師が広範囲の抗生物質を利用できるにも関わらず致死性が高い敗血症の場合には、生物学的流体中の病原性微生物の検出を可能な限り短い時間で行わなければならない。患者の生存の可能性を増加させるために、多くの場合、医師は患者に抗生物質もしくは抗生物質の混合物を投与する。しかしながら、できるだけ適切な抗生物質治療を調べることが重要である。不運なことに、分析される血液サンプルが、微生物の生育を低減もしくは阻止しがちな抗生物質等の阻害試薬を含む場合には、伝染性微生物の単離および早急な特徴決定は困難である。
同じことが、脳脊髄液中に存在することが直ちに検出されなければならない髄膜炎の原因となる微生物にも適用できる。ここでも、抗生物質の存在が、検出を妨げることがある。
患者が抗生物質による治療を受け、尿中に抗生物質を排泄する場合には、細菌尿症の診断も困難となる。しばしば、感染微生物の単離は陰性とされうる。
これらの欠点を修復し、抗生物質治療における患者の生物学的流体サンプル中の微生物の検出および単離を改善するために、血液を分析する前に、血液中に存在する抗体を除去もしくは中和するための方法が、既にいくつか提案されている。
まず第一に、イオン交換樹脂もしくは吸着ポリマーに血液を通すことが提案された。この目的のために、患者から採取された血液を、このような樹脂またはポリマーを含んだ第一のボトルに入れ、全体を適切な時間ゆっくりと振る。この浄化された血液の一定量を、存在するかもしれない微生物の成育に適切な培養液を含む第二のボトルに移す。この技術は、ほとんどの抗生物質を良好に吸着する。しかしながら、吸着物質は、第一のボトル中に含まれた顆粒または粉末の形態をとるので、この技術は、血液の採取そのものとは別に、浄化された血液を取りだして移すためのさらなる工程を必要とする。この方法は高価であり、存在する全ての抗生物質が吸着されるわけではなく、また時間の経過に伴って放出する場合もあることから、時として効率の点で疑わしい。
培養液を含む分析用ボトルに直接含有された樹脂を含むことも提案されている。ここでも、時間の経過と共に阻害剤が放出される危険があり、樹脂を組み合わせることによって起こる阻害の危険性がある。
米国特許出願第5314855号に対応する欧州特許公開第0597542号公報では、活性炭（active charcoal）、フーラー土、粉末状のアニオン交換樹脂、およびカチオン性およびアニオン性の多価電解質の混合物からなる吸着組成物が提案されている。しかしながら、この技術は、イオン交換樹脂の場合と同じ欠点を備えている。実際には、この方法では、最初に採血し、採血した場所とは別の場所で、適切な肉汁培地および吸着組成物を含む分析用ボトル中で同時に処理および分析が行われる。
また、混合物中に抗生物質が残っているので、先のように放出の危険性がある。さらに、活性炭が微生物の成育に必須な因子等の他の化合物を吸着してしまい、誤って陰性の結果を示すことがあるので、懸濁液中の活性炭の存在は、ボトル中における分析を妨げる。さらに、交換表面積は、多くの場合、採取されたサンプルに存在する阻害試薬を完全に吸着するには不十分である。それゆえ良好な交換効率を得るために、充填されたボトルを十分に振らなければならない。最後に、活性炭が存在することにより、この方法では、肉眼もしくは顕微鏡で直接調べる等のさらなる実験を行うことが困難である。
本発明は、これらの欠点を克服するものである。
本発明は、生物学的流体の採取後直ちにかつ連続的に、培養する前に生物学的流体に含まれる抗菌試薬等を吸着する方法に関し、それによってあらゆる妨害を妨げ、分析用サンプル中の微生物の生育を支援するものである。
サンプルを採取して、培養および分析のために数時間インキュベーターに貯蔵する場合に、サンプル中の微生物に抗生物質の阻害作用が及ぼされるかもしれないことから、このことは非常に特別な重要性を有する。上述したように、これは誤って陰性の結果を示すことがある。
この流体を濾過および吸着化合物に通すことにより、生物学的流体中に含まれる抗菌試薬を吸着するための本発明の方法では、前記化合物が、活性炭素（activated carbon）の繊維を基材とする繊維織物材料の形態をとり、あらゆる結合試薬を含まない。
言い換えれば、本発明は、生物学的流体中に含まれる抗菌もしくは阻害試薬を、交換樹脂や顆粒もしくは粉末状の活性炭およびフーラー土を基材とする組成物ではなく、活性炭素の繊維を基材とした繊維織物材料に、流体の採取後直ちにかつ連続的に血液サンプルを通すことによって吸着することからなる。その一貫性は織り合わせによってのみ影響され、結合試薬は存在しない。その後、このようにして浄化された血液を、存在しそうな微生物の成育のために培養液を含むボトルに導入する。
既知の通り、炭素繊維は、低密度であることと組み合わせて、有利な機械特性を示す材料であり、フィラメント、繊維、あるいは２次元もしくは３次元の織物もしくは組み紐（braids）等の多くの種類の織物形態で用いることができる。最も一般的には、これらの繊維は、特に天然または人工的なセルロース繊維もしくは合成繊維（アクリル繊維）を基材とする前駆体の熱分解によって製造される。これらの炭素繊維についてはよく知られているので、ここで詳細に記載することは効果的ではない。
所望の結果を得るため、すなわち抗菌試薬を吸着するために、これらの炭素繊維を活性化すること、すなわち、各繊維の表面および深層を攻撃し、多かれ少なかれ多孔性とする調節された酸化を受けることが重要であることが、驚くことに見出された。望ましくない分子を吸着することができる多かれ少なかれ放射状のチャネルは、これらの繊維の表面および中心部に発達する。しかして、細穴が細かくなればなるほど、比表面積が広くなり、吸着が効率的になる。同様に、処理温度等を変えることにより繊維の酸化条件を変更することができ、これは、繊維の表面および中心に発達した細穴の大きさ、結果的にはその選択性を制御するためになされる。
実際に、酸化温度は、繊維の中心および表面に、大きい分子は通すが望ましくない分子を保持する小さい細穴を生じるように調節される。
最も一般的には、炭素繊維の活性化は、不活性な環境で800〜1000℃の間の温度で調節された酸化によって行われる。
活性炭素の繊維は、特に気体中の脱臭もしくは精製の分野でよく知られている。このような活性炭素の繊維を使用することにより、驚くべきことに吸着の効率および速さをも良好にすることができる。一方、活性炭の粒子または活性化されていない炭素繊維は、これに相当する結果を得ることはできず、特に、実施に困難性がある。結果的に、炭素繊維もしくは活性炭の粒子への吸着に関する上記欠点に気付いた微生物学的試薬の分析の分野の当業者は、特定の炭素繊維、すなわち活性炭素の繊維を用いることを断念した。
さらに、活性炭素の繊維の一貫性は、それらの織り合わせに影響され、あらゆる結合試薬の非存在下で起こり、炭素繊維の濾過および吸着能力を驚くほど増加させる。
速さおよび効率の組み合わせ効果の結果として、本発明に係る方法は、生物学的流体の採取速度と一致するようになり、採取と同時に行われ、採取の実際の方法に、より正確には患者と分析環境の外部との間に、連続的に取り込まれて統合される。それによって、次の分析における障害をなくすことができる。
しかして、活性炭素の繊維の選択は、抗菌もしくは阻害試薬の吸着を、流体の採取後直ちにかつ連続的に行うものであり、これまでになされ得なかった。これは装置の単純さおよび得られた結果の優れた信頼性に反映される。
本発明の繊維材料は、多彩な形態をとってもよい。例えば、平行なフィラメントの束を用いることができる。また、不連続な繊維、表面（surfaces）、もしくは織物：編まれたもの（woven,braided,knitted）、編まれていないもの、２または３次元構造のもの、フェルト、詰め物、網、ビロード等を用いることができる。
繊維（またはフィラメント）の比表面積を高くすることが重要である。繊維（またはフィラメント）の直径が５〜50マイクロメートル、好ましくは10マイクロメートルの領域で、比表面積が500m²/g、好ましくは1000m²/gより広いと、良好な結果が得られることがわかった。
装置中の繊維物質の構成においては、分析される生物学的流体中の巨大分子もしくは微生物の通過は許すが、抗菌もしくは阻害試薬等の小さい分子を保持できることが重要である。
吸着される液体を、上述された形態もしくは表面のように構成された繊維もしくはフィラメントと接触させながら通す。しかして、繊維材料は、一方で、活性炭素繊維の微細穴構造によって抗菌試薬の良好な吸着に影響を与えることができ、他方で、材料そのものの構造の結果として、分析される流体の成分の選択的分離を行うことができる。
繊維材料の形態により、生物学的流体との接触は、本質的に材料の表面および／または中心部で行われる。
生物学的流体を、活性炭素繊維の何本かの（５〜50の）平行なフィラメントの束が内部に挿入された、柔軟なサンプリングカテーテル中を通すことによって良好な結果が得られることが観察された。
他の実施態様では、本発明に係る吸着化合物が、柔軟なカテーテルの流路に挿入された一つもしくは幾重のモジュールに保持されている。
円筒内に本発明に記載されたタイプの吸着化合物を含む注射器を通して、生物学的流体を流すことによっても、良好な結果が得られる。
生物学的流体の流れの向きに対して前記化合物の上流側に分散装置を配置することにより、生物学的流体と本発明に係る濾過および吸着化合物との間の接触および交換の効率を有利に増強することができる。分散装置の機能は、前記濾過および吸着化合物の表面全体に生物学的流体の流れを分散させることである。
流れる距離、表面積および時間を増すため、並びに接触および交換の効率を増すために、ねじれおよびターン、ジクザク、渦巻き等の形態の３次元織物に流れを通すこともできる。開構造（an open structure）の化合物材料を用いることもできる（ゆるく編まれた織物、開細穴多孔性構造）。
実際の繊維物質がとる形態の選択では、本質的に、処理される流体、流速および吸着される抗菌試薬を考慮する。
流体を、既知のあらゆる方法によって、活性炭素の繊維を基材とした特徴的な繊維物質に通す。重力を用いてもよい。好ましくは、患者から生物学的流体を採取するのと同様に、吸引等により、流体を引き入れるのに十分なわずかに低い圧力下で流体を通す。
本発明は、この方法を行う装置にも関する。この装置は、
− 生物学的流体を採取する手段、
− 一方が採取手段に連結され、他方が分析される抽出された生物学的流体を受けるように設計された容器に連結された管、
− 生物学的流体の採取を開始するように設計された手段、を具備する。
管の内部であってその長さ方向に少なくとも一つ以上の箇所に、活性炭素の繊維を基材とする織物材料が配され、抽出された生物学的流体が、採取工程時にこの繊維材料と接触しながら通過することを特徴とする。
実際には、
− 生物学的流体を採取する手段は、所望する適用により、針（血液）もしくはチューブ（尿）であり、
− 管は、例えばプラスチック等の生物適合材料からなる柔軟なカテーテルであり、
− 容器は、採取を開始する手段と組み合わされており、部分的真空のボトルもしくはポンプ胴とすることができる。
他の実施態様では、生物学的流体は、一つ以上のモジュールを通って流される。各モジュールは内部に空洞が設けられており、空洞の両側には生物学的流体の流入管と流出管に適合するように設計された二つの開口部が設けられている。
複数のモジュールがある場合には、これらのモジュールは連結され、どの場合であっても、各モジュールが、特定の厚みの範囲内で利用できる全ての体積を占める活性炭素を基材とする繊維織物材料を含む。
繊維織物材料の表面における生物学的流体の流れの分散を最適化するため、各モジュールは、生物学的流体の流れの向きに対して、繊維織物材料の少なくとも上流に、分散装置が配されていると有利である。
好ましくは、各モジュールは円形の横断面を備え、活性炭素を基材とする繊維織物材料は、モジュールに規定された空洞の内径よりわずかに大きい直径の円盤状であり、この円盤は、特定の厚みの範囲内で利用できる体積の全体を占める。
“直径がわずかに大きい”とは、直径がモジュールの内径より１〜２ミリメートル大きいことを指すのに用いられる。
最後に、生物学的流体は、注射器によって濾過されてもよく、その円筒容器は、特定の厚みの範囲内で利用できる体積の全体を占める本発明に係る繊維織物材料を含む。この実施態様では、処理される流体は、押し込められたピストン棒を備えた注射器の容器内に導入され、ピストン棒の移動後、針取り付けチップもしくは針そのものを介して放出される前に、繊維織物材料を通過する。
明細書および請求の範囲における“特定の厚みの範囲内で利用できる全ての体積を占める”という表現は、一方ではモジュールまたは注射器の内壁で決められ、他方では前記材料の特定の厚みによって決められた、モジュールもしくは注射器の筒の内側の利用できる体積を意味するものと解し、濾過および吸着材料と前記壁との間に差が生じないようになっている。
本発明を実施する方法、並びに、それから生じる利益は、添付図面に支持された実施例からより明瞭になるであろう。
図１は、本発明に係る装置の部品を図示したものである。
図２は、本発明に係るモジュールの横断面である。
図３は、本発明に係る注射器を図示したものである。
装置
本発明を実施するための採取および処理装置（図１参照）は、それぞれ既知の様に、既知の様に保護チューブ（２）が取り付けられた、タブ（３）を備えた針（１）を具備する。針（１）の末端は、柔軟なカテーテル（４）に取り付けられており、カテーテル（４）の他端は、保護キャップ（６）に囲まれた針（５）に取り付けられている。このキャップ（６）は、一般的にはゴムからなるボトル（８）のストッパー（７）の上方に配されるように設計されており、ボトル（８）は肉汁培地（９）を含む。ボトル（８）の内部は、数百Paに相当する減圧状態である。
本発明では、カテーテル（４）は、このカテーテル（４）と通じるチューブ（10）を途中に備え、前記チューブは、直径が10マイクロメートルの活性炭素の複数の平行フィラメント（12）からなる束（11）を含む。このチューブ（10）は、二つの末端（13、14）でカテーテル（４）に既知の様に連結している。
都合に合わせて、チューブ（10）は、二つの開口部、すなわち生物学的流体流入管を受け入れるメスの開口部（26）、および生物学的流体流出管に適合するように設計されたチャネル状に引き延ばされたオスの開口部（27）が設けられたモジュール（24）で置換される（図２参照）。前記生物学的流体流出管は、分析される抽出された生物学的流体を受け入れるように設計された容器に連結されている。円形の横断面を有するモジュールは、特定の厚み（E1）の範囲内で利用できる全体の体積を占める活性炭素の繊維を基材とする繊維織物材料の両側に配された二つの分散装置（29、30）を含む空洞（28）の境界を定めている。分散装置は、織物物質の全体に生物学的流体の流れを分散させるように設計されている。このモジュールは、大量に製造できる利点を備え、標準的なサンプリングカテーテルに例外なく適合しうる利点を備えている。言い換えれば、この装置は、簡単かつ低コストの方法で、採取したその場ですぐに血液を浄化することができる。
示されていない実施態様では、上記のようにオスの上方開口部とメスの下方開口部とを備え、各開口部が隣接するモジュールの開口部にそれぞれ適合するように設計された一連のモジュールを連結させる。また、モジュールの開口部は、生物学的流体の流入管と流出管に適合することができる。
患者の血液を分析するように設計された場合には、針（１）を静脈に挿入する。血液がカテーテル（４）内に見えたら、キャップ（５）をボトル（８）のストッパー（７）上に移して、針（５）をストッパー（７）を貫通するように押し込む。ボトル（８）が減圧されていることにより、血液が経路（４、10）に吸い込まれ、ボトル（８）に流入し、そこで肉汁培地（９）と反応する。
採血中に、血液は、抗菌もしくは阻害試薬を保持する活性炭素の平行フィラメントの束（11）の上もしくは内部を流れ、このようにして浄化された血液は、サンプル中に存在し得る微生物を生育させるために適切な培養液に接触される。
別の実施態様では（図３）、装置が、既知のように、針（16）、円筒（17）およびピストン棒（23）を具備する注射器（15）からなる。円筒（17）は、針適合チャネルのすぐ側に強制的に挿入されたフェルトを含む。フェルトは、特定の厚み（E2）の範囲内で利用できる全ての体積を占め、活性炭素（18）の複数の平行フィラメントからなり、特に円筒の壁に沿った注射器中のフェルトの移動および偏った流れを妨げる保持リング（19）によって保持されている。さらに、本発明の吸着材（18）とピストン棒の末端（21）との間の空間（20）には、処理されるサンプルが入る。生物学的流体の流れをフェルト表面全体に分散するように設計された格子（31）が、生物学的流体の流れる方向に対してフェルト（18）の上流側に配されている。
しかして、患者の血液を調べる場合には、注射器（15）のピストン棒（23）を引き抜き、分析されるサンプルを空間（20）に導入する。ピストン棒を注射器に再度挿入し、ピストン棒を移動させて、流体を吸着材（18）に通過させる。サンプルを濾過した後、独立した容器中の適切な培養液と接触させるために、針適合チャネルもしくは針そのものを介して放出する。
本発明の方法の確認
抗生物質の吸着能力を、以下に記載する通常の寒天ゲル拡散法で調べた。
血液サンプルを正常で健康な被験者、すなわち抗菌剤を含まない被験者から採取する。次いで、現在用いられている主な抗生物質の所定の量をこの血液に添加する。対照サンプルはこうして得られ、以降Ｓ−ATBと称する。
注射器を用いて、このＳ−ATB血液の一部のサンプルを採取し、繊維材料（11）を通るようにカテーテル（４）に導入する。
浄化された血液サンプルと対照サンプルの両方を肉汁培地（９）に回収する。赤血球をコニカルチューブ（conical−bottomed tube）で30分間沈殿させる。抗生物質の細菌アッセイを行う。
既知の方法で、分析される血液画分を採取し、乾燥した紙の円盤上に添加する。この円盤をペトリ皿に移し、このペトリ皿の表面に、検出および定量したい抗菌試薬に敏感な細菌を堆積させる。このペトリ皿をインキュベーターに移す。もし存在するなら、インキュベーション中に抗菌試薬が寒天ゲル中に分散し、24時間後には阻害直径が得られる。
本発明の処理の前後で、存在する阻害剤の量を定量することができるように、得られた直径を対照と比較する。
実施例１
この実施例では、束（11）は、直径が10マイクロメートル、比表面積が1500m²/gである活性炭素の繊維の、長さが30センチメートルの８本の平行なより糸（strands）からなる。チューブ（10）の内径は、3.10mmである。
５ミリリットルの血液サンプルが通過するのにかかる時間は、患者から通常の血液サンプルを採取するのにかかった時間に対応するように、ボトル（８）の減圧もしくはピストン棒によって引き起こされる減圧によって、15〜45秒の間に定められる。
繊維材料（11、12）に吸着された抗菌剤の量は、通常の微生物アッセイ、ペトリ皿における寒天ゲル分散によって測定される。繊維材料に吸着された阻害剤のパーセントは、以下に等しい。

結果を以下の表１にまとめた。
実施例２
束（12）を実施例１の８本のより糸と同一の24本のより糸の束に置き換えて、先の実施例を繰り返した。
結果を以下の表１にまとめた。

示された数字は、特徴のある繊維材料（11、12）の吸着値のパーセントに対応する。
実施例３
同じ線形密度および長さであるが活性化されていない炭素繊維で、本発明に特徴的な活性炭素（12）の繊維を置き換えて、実施例１を繰り返した。
吸着は観察されなかった。
実施例４
活性炭の粒子で活性炭素の繊維を置換して、実施例１を繰り返した。顕著な吸着は観察されなかった。
上述の記載から明らかなように、本発明に係る方法、器材および装置は、採取しながら生物学的流体を浄化することができる。
従って、本発明は、血漿、脳脊髄液、尿、滑液、および最も好ましくは血液から、抗菌もしくは阻害試薬を除去するのに用いることができる。

Claims (9)

1. 結合試薬を含まず、束状の平行な整列の活 性炭素から形成された繊維からなる繊維織物材料の濾過 及び吸着化合物を準備する工程；及び
   前記材料に対して生物学的流体を通すことによって、前 記流体に含まれる抗菌試薬を前記織物材料により吸着さ せる工程；
   を含む、生物学的流体中に含まれた抗菌試薬を吸着する 方法。
2. 活性炭素の繊維が５〜50マイクロメートル の直径を有する請求項１に記載の方法。
3. 各繊維の比表面積が500m ² /gより大きい請 求項１に記載の方法。
4. 前記繊維材料が織られた及び織られていな い編みこまれたもの、２次元及び３次元の編みこまれた 結び目を持つもの、フェルト、詰め物、網、及びビロー ドからなる群から選択される織物である請求項１に記載 の方法。
5. 前記生物学的流体が血液である請求項１に 記載の方法。
6. 結合試薬を含まず、炭素から形成された繊 維から成る濾過及び吸着繊維材料を準備する工程；
   前記繊維を調節された酸化に供して前記繊維を活性化 し、処理される生物学的流体の分子サイズ未満の孔の大 きさを有する放射状に配置された細穴を前記繊維に形成 する工程；
   前記繊維材料に対して生物学的流体を通すことによっ て、前記抗菌試薬を前記繊維材料により吸着させる工 程；
   ５〜50マイクロメートルの直径を有し、500m ² /gより大 きい比表面積を有する繊維からなる前記繊維材料を形成 する工程；及び
   前記繊維を平行な列に整列させる工程；
   を含む、生物学的流体に含まれる抗菌試薬を吸着する方 法。
7. 生物学的流体を採取するための手段；
   一端が前記採取手段に連結され、他端が採取された前記 生物学的流体を受け入れるための容器に連結された管で あって、この管を通じて採取される生物学的流体中の抗 菌試薬を吸着するための活性炭素から形成された繊維か らなり、結合試薬を含まない繊維材料を含む吸着及び濾 過手段を含む管；
   を含む、生物学的流体に含まれる抗菌試薬を吸着するた めの装置。
8. 前記管が柔軟なカテーテルであり、生物学 的流体が血液である請求項７に記載の装置。
9. 前記容器が大気圧未満の内部圧力を有する ボトルである請求項７に記載の装置。

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