NO300993B1 - Implantatsammensetning - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Foreliggende oppfinnelse gjelder materialer som implanteres i en vert. Nærmere bestemt gjelder foreliggende oppfinnelse implantatsammensetning med en vegg som definerer et kammer for å holde på plass celler for implantasjon i vertsvev.

I en rekke anvendelser som strekker seg fra forskning til terapeutisk behandling, kan det være ønskelig å implantere en gjenstand eller innretning i mykt vev. Slike implanteringer kan omfatte iboende katetre, iboende sensorer og innretninger som inneholder vev som er implantert in vlvo.

Dersom den implanterte innretning skal inneholde vev, vil det i en rekke slike anvendelser være nødvendig å isolere det implanterte vev fra vertens immunrespons (immunoisolering). Dette er f.eks. nødvendig når de implanterte vev er xenotransplantater, dvs. transplanterte celler fra donorer av en annen art, eller allotransplantater, dvs. celler fra samme art, men med forskjellig genetisk sammensetning. Unnlatelse av en passende isolering av slikt vev vil resultere i en invasjon av vertsceller eller immunogene faktorer fra verten som fører til avvisning av de implanterte celler. I visse andre anvendelser, f.eks. autotransplantater, dvs. celler som tidligere er isolert fra vevet til pasienten som skal implanteres, er det nødvendig å isolere de implanterte vev fra verten, ikke fordi cellene ville bli avvist, men fordi cellene kan inneholde retrovirale vektorer som ellers ville kunne utgjøre en fare for pasienten. Følgelig kan det være nødvendig for slike celler å bli innesluttet i en struktur som hindrer gjennomgang av celler.

I visse andre implanteringsanvendelser kan det være ønskelig å fremskaffe en sone eller struktur som er selektivt impermeabel for molekylær diffusjon, som for visse former av cellulære implanteringer som kunne avvises av humorale faktorer, eller ikke-permeable for ikke-transportfunksjoner,

f.eks. for å gi en overflate for transkutane katetre.

Når biomaterialer implanteres gir vertens inflammatoriske celler (makrofager, kjempeceller og fibroblaster) en inflammatorisk respons som kalles en fremmedlegemerespons. Denne respons resulterer ufravikelig i en sone med ikke-vaskulært vev som omgir det implanterte materiale. Fremmedlegemeresponsen er kroppens forsøk på å fjerne eller isolere den fremmede enhet (Anderson, J.M., "Inflammatory Response to Implants", Trans. Am. Soc. Artif. Interm. Ograns, vol. XXXIV: 101-107 (1988)).

Under fremmedlegemeresponsen forsøker makrofager fra verten å innta fremmedlegemet. I noen tilfeller vil makrofagene smelte sammen og danne flerkjernete kjempeceller. Implanteringen kan føre til dannelse av fibroblastlag med økende tykkhet og tetthet etter hvert som verten prøver å isolere fremmedlegemet. Dette gir dannelse av en fibrøs kapsel av celler og kollagen.

I figur 1 vises et mikroskopbilde (l(a)) og en tegning (l(b)) for å illustrere en klassisk vevsrespons på et implantert fremmedlegeme. Figur 1 viser en typisk histologisk seksjon tatt gjennom en vevsblokk som ble fjernet etter tilnærmet 3 uker fra et dorsalt, subkutant implantat i en Sprague-Dawley-rotte. Som vist er implantatet 10 omgitt av en fremmedlegemekapsel 12 som dannes tett opp til implantatet. Fremmedlegemekapselen 12 består typisk av tre lag.

Som vist omfatter det første lag 13 av fremmedlegemekapselen makrofager 14 og fremmedlegemekjempeceller 16 ved et grensesnitt 18 mellom implantatet 10 og vevet. Dette første lag 13 som består av makrofagene 14 er generelt tilnærmet 5 til tilnærmet 15 um tykt.

Det neste eller annet lag 15 i fremmedlegemekapselen 12 omfatter fibroblaster 20. Fibroblastene 20 er orientert parallelt med overflaten til implantatet 10 og innesluttet i en kollagenmatriks, som omfatter kollagenfibrer som også er orientert parallelt med implantatets overflate. Det annet lag 15 som består av fibroblastene 20 og kollagenfibrer, er generelt tilnærmet 30 til tilnærmet 200 pm tykt. Første og annet lag 13 og 15 i fremmedlegemekapselen 12 er vanligvis fullstendig vaskulære.

I de ytre områder av fremmedlegemekapselen 12 begyn-ner noen få vaskulære strukturer 24 å dukke opp i de ytre områder av fibroblastsonen, eller annen sone 15. Ved et tredje lag 17 som ligger tilnærmet 30 til tilnærmet 200 um fra overflaten av implantatet 10, finnes løst bindevev som er meget vaskulært. Dette lag 17 er amorft og varierer meget i tykkel-se, avhengig av vevslokalisering og tid etter implantering.

Som vist i figur 1 fører den klassiske fremmedlegemeresponsen til at implantatet 10 blir fullstendig omgitt av en fremmedlegemekapsel 12 som ikke omfatter vaskulære strukturer nær implantatets overflate.

Selv om fremmedlegemekapselen som dannes via fremmedlegemeresponsen er ønskbar, eller i det minste ikke skadelig, vil fremmedlegemekapselen for visse typer implantater, som f.eks. brystimplantater av silikon og kollagenimplantater, hindre bruk av slike implantater i visse anvendelser og behandlinger. Iboende sensorer for anvendelser som f.eks. glukoseanalyse i diabetes blir f.eks. tilstoppet etter bare noen få dager grunnet fremmedlegemekapselen. Fremmedlegemekapselen blir faktisk så tykk at den hindrer diffusjon av glukose til membranoverflaten, og således hindrer sensoren i å virke.

Tilsvarende vil pankreatiske øyer som implanteres i en semipermeabel membran for behandling av diabetes, vanligvis dø i løpet av få dager eller uker. Tapet av funksjon av de pankreatiske øyer tilskrives den dårlige diffusjon av næringsstoffer til øyene grunnet tykkheten av fremmedlegemekapselen. Tilsvarende vil andre vev som implanteres i en vert ikke for-bli levedyktige grunnet fremmedlegemekapselen som effektivt hindrer transport av næringsstoffer fra kapillærene til celler som er omsluttet av den implanterte membran.

Scharp siterte i en omfattende litteraturoversikt vedrørende immunoisolering ("Isolation and Transplantation of Islet Tissue" (1984), World J. Surgery 8:143-151) 18 artikler som omhandlet immunoisolering av øyer. I alle disse tilfeller fungerte øyene i ikke mer enn noen få uker eller, i fire undersøkelser, flere måneder. Bortsett fra i ett tilfelle ble den manglende funksjon tilskrevet overvekt av membranen og kamre med fibroblaster. Forfatterne sier at "If...a [membrane] can be constructed to resist host fibrotic response, then the extravascular diffusion chamber approach may be useful clini-cally". De sier videre at "primary disadvantages [of diffusion chambers] relate to the host fibroblastic response to the device". Denne mening gjentas i US patentskrift nr. 4.298.002, som hevder at "the device...remains effective for limited periods of time because the body encapsulates the device with fibrous material blocking the passage of insulin, nutrients, and/or waste products".

Nyere artikler fortsetter å hevde at innretningenes svikt skyldes den reduserte diffusjon forårsaket av fremmedlegemekapselen. Christenson, Abeischer, McMillan og Galletti hevder f.eks. i "Tissue Reaction to Intraperitoneal Polymer Implants: Species difference and effeets of corticoid and doxorubicin" ((1989), J. of Biomed. Mat. Res. 23:705-718) at "reduction of the tissue reaction around an implant is impor-tant in improving the long-term viability of the encapsulated endocrine tissue and is imperative for any clinical appli-cation of this technique for implanting endocrine tissue".

Dårlig vevsoverlevelse har ført til konstruksjon av innretninger for periodisk erstatning av implanterte øyer via perkutane katetre (f.eks. US patentskrift nr. 4.378.016) for å løse manglene ved tidligere konstruksjoner, dvs. forringelsen av implanterte vev grunnet overvekst av en fibrøs kapsel.

Iboende katetre som benyttes i en rekke sammenhenger, har i tillegg en høy feilfrekvens grunnet infeksjon av katete-rets inngangssted. Det antas vanligvis at infeksjonen skyldes adhesjon av vevene til kateteroverflaten og dårlig vaskularisering av området rundt kateteret grunnet den tykke fremmedlegemekapsel som dannes. Implantatet med overflater som er utformet for å øke adhesjonen eller forankringen av implantatet i vertsvevet, har blitt foreslått (f.eks. europeisk patentsøknad nr. 0359575 av Von Recum og Campbell). Denne patentsøknad beskriver materialer med overflateutforminger lagd for å gi "improved soft tissue implant håving a surface texture that optimizes anchorage of the implant to the tissue without causing inflammatory tissue at the implantation site".

I forsøk på å tilveiebringe nødvendige næringsstoffer til celler og vev som er plassert i implanterte innretninger, og/eller tillate stoffer som dannes av vevene å gå inn i verten, må et nærmest selvmotsigende hensyn tas med i betrakt-ningen. For innretninger som inneholder xenotransplantater eller allotransplantater, må disse vev isoleres fra vertens immunsystem. Selv om det følgelig kan være ønskelig å knytte vertens vaskulærsystem til disse vev for å tilveiebringe næringsstoffer og tillate overføring av biologiske stoffer til verten, er et motsatt hensyn å hindre en immunrespons fra verten mot vevene. Når det gjelder sensorer og katetre vil, selv om det kan være ønskelig å få dannet vaskularisering til disse innretninger, vaskularisering inn i slike innretninger hindre innretningene i å funksjonere tilfredsstillende.

Sammendrag av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en implantatsammensetning med en vegg som definerer et kammer for å holde på plass celler for implantasjon i vertsvev, kjennetegnet ved at veggen omfatter: (a) en første sone av et første porøst materiale som er permeabelt for gjennomstrømming av næringsstoffer fra verten til kammeret, og produkter fra kammeret til verten, og impermeabelt for vertsimmunceller, og (b) en andre sone av et andre porøst materiale proksimalt til vertsvevet, hvor det andre porøse materialet har en nominell porestørrelse som varierer fra 0,6 til 20 um, og som omfatter rammer av langstrakte strenger som er mindre enn 5 um i alle retninger bortsett fra den lengste dimensjonen, hvor ram-mene definerer åpninger som er bundet sammen slik at det dannes tredimensjonale hulrom som lar inflammatoriske celler som forflytter seg inn i hulrommene beholde en avrundet morfologi, og hvor den andre sonen fremmer vaskularisering nært opp til grenseflaten mellom implantatsammensetningen og vertsvevet.

Anvendelsene av sammensetningen ifølge oppfinnelsen omfatter bruk som et overtrekk på iboende katetre, midler for transport av fysiologiske faktorer til iboende sensorer, midler for transport av medikamenter fra et kammer eller kateter til vertens vev, og midler for innkapsling av transplanterte celler for behandling av celle- og molekylmangel-sykdommer (immunoisolering).

I én utførelse tilveiebringer foreliggende oppfinnelse et asymmetrisk materiale med en første sone som induserer nær vaskularisering ved materialet-vertsgrensesnittet og en annen nabosone som hindrer passasje av celler gjennom sonen. Vaskulariseringssonen tillater vaskularisering av materialet, mens den annen sone bibeholder immunoisolering av det indre av en implantert innretning som har oppfinnelsen på sin overflate. Materialet kan bestå av et dobbeltlag av soner som beskrevet, eller det kan være en gradient av soner. Gradienten består av en ytre sone med en konformasjon som gir nær vaskularisering. Materialstrukturen blir gradvis tettere inntil materialet ikke lenger er gjennomtrengelig for celler.

I en annen utførelse er den annen, nærliggende sone permeabel for molekyler og gir selektiv diffusjon. I nok en annen utførelse er den annen sone ikke-permeabel for bruk i ikke-transportfunksjoner i innretninger som iboende katetre.

For disse formål tilveiebringer foreliggende oppfinnelse et implantat med en tredimensjonal konformasjon eller arkitektstruktur ved vertsgrensesnittet som tillater invasjon av materialet av mononukleære celler, men hindrer invasjon av bindevev som ville gi fremmedlegemekapseldannelse inne i strukturen.

Søkerne forstår ikke fullt ut hvordan denne nære vaskularisering av foreliggende oppfinnelsen foregår. De data som presenteres i de medfølgende tabeller og figurer, er i samsvar med teorien om at nær vaskularisering forekommer dersom den tredimensjonale konformasjon av materialet i grensesnittet mot verten er slik at det utløser en viss oppførsel hos vertens inflammatoriske celler. Søkerne har observert ved lys- og elektronmikroskopi at nær vaskularisering foregår dersom i det minste noen makrofager som går inn i materialet i den innledende del av implanteringen, ikke aktiveres. En akti-vert makrofag er kjennetegnet ved at cellen flates ut. Søkerne observerer nær vaskularisering i områder av et implantat hvor de makrofager som har gått inn i materialets hulrom, bibeholder et avrundet utseende ved betraktning i lysmikroskop (~400x). Se figur 2a. Ved 3000x (TEM) kan det ses at den avrundede makrofag i det vesentlige har tilpasset seg materialets konturer. Selv om det er en korrelasjon med makrofag-form, er det ikke åpenbart at makrofager kontrollerer den observerte respons. Det er imidlertid klart at invasjon av vertsceller i strukturen er påkrevd. Selv om de fleste celler synes å være makrofager, er det mulig at andre inflammatoriske celler kontrollerer responsen, vi vil følgelig henvise til de invaderende celler som "inflammatoriske celler" som omfatter, men ikke er begrenset til, makrofager.

På den annen side skjer dannelse av fremmedlegemekapsel når inflammatoriske celler i kontakt med det implanterte materiale i den innledende del av implanteringen avflates mot de deler av materialet som gir et område som er egnet for slik avflatende oppførsel av en inflammatorisk celle (figur 6).

I én utførelse er materialet som gir dannelse av nære vaskulære strukturer en polymer membran med en gjennomsnittlig nominell porestørrelse på tilnærmet 0,6 til tilnærmet 20 pm, målt ved fremgangsmåter for bestemmelse av porestørrelse som er vanlige innen faget. Fortrinnsvis har minst tilnærmet 50 % av porene i membranen en gjennomsnittsstørrelse på tilnærmet 0,6 til tilnærmet 20 pm.

De strukturelle elementer som gir den tredimensjonale konformasjon, kan omfatte fibrer, tråder, kuler, kjegler eller staver med amorf eller uniform geometri, og som er glatte eller ru. Disse elementer, heretter kalt "tråder", har generelt én dimensjon som er større enn de to andre, og de minste dimensjoner overskrider ikke 5 pm.

I én utførelse består materialet av tråder som gir "åpninger" dannet av en ramme av de sammenbundne tråder. Åpningene har en gjennomsnittlig størrelse på ikke mer enn tilnærmet 20 pm i noen dimensjon bortsett fra den lengste. Åpningene i materialet danner et nettverk av sammenbundne åpninger som definerer "hulrom" som ikke er større enn gjennomsnittlig tilnærmet 20 pm i noen dimensjon bortsett fra den lengste. I én utførelse har materialet i det minste noen åpninger med tilstrekkelig størrelse til å tillate i det minste noen vaskulære strukturer å dannes inne i hulrommet. I det minste noen av disse åpninger vil, selv om de tillater vaskulære strukturer å dannes inne i hulrommene, hindre bindevev i å dannes i dem grunnet størrelsesrestriksjoner.

I én utførelse tilveiebringes et asymmetrisk materiale med en gradient eller lag med varierende porøsitet. I det minste noen av åpningene ved materialets overflate som er i kontakt med vertsvevet, tillater inflammatoriske celler å gå inn i hulrommene. Men grunnet størrelsesrestriksjoner tillater ikke åpningene de inflammatoriske cellene å trenge igjennom materialet til det indre av implantatet.

I én utførelse av foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en beholder for immunoisolering som omfatter en første membran med kaviteter plassert proksimalt til vertsvevet. I det minste noen av åpningene i den første membran har en stør-relse som er tilstrekkelig til å tillate inflammatoriske celler å gå inn i hulrommene og forårsake at i det minste noen vaskulære strukturer kommer i kontakt med membranen. Beholderen omfatter en annen porøs membran med åpninger som er tilstrekkelig små til å hindre immunceller og/eller immunogene faktorer i å komme inn i det indre av beholderen. Den annen membran er plassert proksimalt til transplantatvevene.

I én utførelse av foreliggende oppfinnelse tilveiebringes et iboende kateter som omfatter en porøs membran og et kateterlegeme, og hvor den porøse membran omslutter i det minste en del av kateterlegemet. I det minste noen åpninger i den porøse membran har en størrelse som er tilstrekkelig til å tillate inflammatoriske celler å gå inn i hulrommene og forårsake at i det minste noen vaskulære strukturer som har kontakt med den porøse membran, dannes.

I én utførelse tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en iboende sensor. Den iboende sensor omfatter en sensor for måling av en tilstand eller et stoff i kroppen og en porøs membran som omslutter i det minste en del av sensorlegemet. I det minste noen av åpningene i membranen har en størrelse som er tilstrekkelig til å tillate inflammatoriske celler å gå inn i hulrommene og forårsake at i det minste noen vaskulære strukturer som har kontakt med den porøse membran, dannes.

Andre egenskaper og fordeler med foreliggende oppfinnelse er beskrevet i, og vil være åpenbare fra, den detal-jerte beskrivelse av de nåværende foretrukne utførelser og fra figurene.

Kort beskrivelse av figurene

Figur l(a) er et mikroskopbilde som illustrerer en klassisk fremmedlegemerespons mot en implantert innretning. Figur l(b) er en tegning som illustrerer en klassisk f remmedlegemerespons mot en implantert innretning. Figur 2(a) er et mikroskopbilde av en utførelse av foreliggende oppfinnelse. Figur 2(b) er et tverrsnitt av en utførelse av foreliggende oppfinnelse med vaskulære strukturer som vokser i grensesnittet mellom vert og materiale. Figur 3 viser et tverrsnitt av en fremmedlegemekapsel i en pore i en membran. Figurene 4(a) og (b) er scannerelektronmikroskopiske bilder av henholdsvis en membran av blandede celluloseestere med 5 um porestørrelse og en teflonmembran med 3 pm porestør-relse. Figurene 5(a) og (b) er scannerelektronmikroskopiske bilder av henholdsvis en tef lonmembran med 5 pm porestørrelse og en polykarbonatmembran med 12 pm porestørrelse. Figur 6 viser et lysmikroskopisk bilde som viser teflonmembranen i figur 5(a) implantert i 3 uker i en subkutan, dorsal lomme i en rotte. Figur 7 viser et tverrsnitt av en bilaminær membran som inneholder øyer, hvor membranen har et ytre lag som er vaskularisert og et indre lag som hindrer immunrejeksjon. Figur 8 viser et tverrsnitt av en videre utførelse av foreliggende oppfinnelse. Figur 9 viser et iboende kateter som omfatter foreliggende oppfinnelse. Figur 10 viser en iboende sensor som omfatter foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse av de nåværende foretrukne utførelser

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en implantatsammensetning for induksjon av nær vaskularisering ved grensesnittet mellom sammensetningen og verten, i hvilken sammensetningen er implantert, slik at en standard fremmedlegemekapsel som består av avflatede makrofager, fremmedlegemekjempeceller og fibroblaster, ikke kommer imellom de vaskulære strukturer og sammensetningen. Sammensetningen kan benyttes i forskjellige anvendelser, heriblant tillaging av en beholder som isolerer implantert vev fra vertens immunsystem, for omslutting av en del av et kateter, eller for omslutting av en del av en iboende sensorinnretning.

Ifølge foreliggende oppfinnelse gir den benyttede sammensetning vekst av vaskulære strukturer nær ved eller kloss opp til sammensetningen. Som benyttet her er nære vaskulære strukturer eller vaskulære strukturer som har kontakt, de kapillærer hvis overflate ligger innen tilnærmet ett cellelag fra sammensetningens overflate. Når implantater som omfatter sammensetningene ifølge foreliggende oppfinnelse implanteres i en vert, dannes fortsatt en fremmedlegemelignende kapsel som respons på implantasjonen. Dens struktur er imidlertid svært endret grunnet vertsresponsen på sammensetningen. I motsetning til en vanlig fremmedlegemerespons dannes et vaskulært lag ved vert-materiale-grensesnittet.

Figur 2 viser en utførelse av foreliggende oppfinnelse. I denne utførelse omslutter en polymer membran 30 i det minste delvis et implantat og inneholder tredimensjonale hulrom 32. I det minste noen av hulrommene 32 i membranen 30 har en tilstrekkelig størrelse og struktur til å tillate inflammatoriske celler 34 å fullstendig gå inn i dem gjennom de åpninger som definerer hulrommene, og som defineres av rammer sammensatt av tråder som er mindre enn 5 pm i alle dimensjoner bortsett fra den lengste. Når de inflammatoriske cellene 34 går inn i hulrommene 32, skjer vekst av vaskulære strukturer 36 innen tilnærmet ett cellelag fra grensesnittet 35 mellom membranen 30 og verten. Selv om dette ikke er nødvendig, kan vaskulære strukturer dannes inne i uregelmessighetene 32 i membranen. Selv om en f remmedlegemelignende kapsel av fibroblaster som omslutter membranen 30 fortsatt dannes, er følge-lig hele den fremmedlegemelignende kapsel, innbefattet fibro-blastlagene, godt vaskularisert. Dannelsen av nære vaskulære strukturer avhenger av inngang av de inflammatoriske celler i hulrommene i membranen slik at cellene omgis av trådene som definerer åpningene og hulrommene. De topografiske egenskaper ved implantatoverflaten påvirker ikke de inflammatoriske cellenes morfologi. Inflammatoriske celler ved implantat-overf laten beholder faktisk ofte en flat morfologi.

Ved valg av størrelse og utforming av trådene og hulrommene 32 i materialet 30 ifølge foreliggende oppfinnelse må det først tas hensyn til at ikke alle hulrommene må ha en størrelse som er tilstrekkelig til å tillate inflammatoriske celler 34 å gå inn i dem. Hva som kreves er at et tilstrekkelig antall hulrom 32 har en størrelse som tillater et tilstrekkelig antall inflammatoriske celler 34 å gå inn i dem. Det er heller ikke nødvendig at alle tråder er mindre enn 5 um i alle dimensjoner bortsett fra den lengste. Noen tråder kan være lengre så lenge et tilstrekkelig antall av trådene er innenfor de foreskrevne størrelsesbegrensninger. Nærvær av et tilstrekkelig antall tråder og hulrom av den foreskrevne stør-relse gir et tilstrekkelig antall vaskulære strukturer ved grensesnittet mellom vert og materiale. Disse vaskulære strukturer vil tilveiebringe nødvendige næringsstoffer til en immunoisolert beholder og/eller tillate komponenter og stoffer produsert av cellene i kammerets indre å gå inn i verten.

Selv om i det minste noen av hulrommene 32 må ha en tilstrekkelig størrelse og form til å tillate inflammatoriske celler 34 å gå inn i dem, er det også viktig at omfattende vekst av vaskulært vev og bindevev inn i hulrommene 32 ikke forekommer. Som vist i figur 3 for et tilfelle der åpningene og hulrommene er for store, forekommer en omfattende vekst av vaskulært vev 36 og bindevev 39 inne i et stort hulrom 32a; dette gjør at det vaskulære vev blir isolert inne i det store hulrom. Isoleringen av det vaskulære vev 36 inne i det store hulrom 32a med fibroblaster og bindevev 39 ligner den vanlige fremmedlegemeresponsen som tidligere er beskrevet. Ved valg av hulrom 32 av passende størrelse kan en forhindre dannelse av fibroblaster og bindevev 39 inne i dem.

Det er blitt funnet at en porøs polymermembran med en gjennomsnittlig nominell porestørrelse på tilnærmet 0,6 til tilnærmet 20 um, og gjennomsnittlig trådstørrelse på mindre enn tilnærmet 5 um i alle dimensjoner bortsett fra den lengste, fungerer tilfredsstillende med hensyn til dannelse av et vaskulært lag ved grensesnittet mellom vev og membran. Det bør bemerkes at begrepet "nominell porestørrelse" er utledet fra analysefremgangsmåter som er vanlige i membranfaget, som membranens evne til å filtrere partikler av en viss størrelse eller membranens motstand mot væskestrøm. Grunnet den amorfe, tilfeldige og uregelmessige natur av de fleste slike konven-sjonelt tilgjengelige membraner indikerer "pore"-størrelses-begrepet ikke den faktiske størrelse eller utforming av åpningene og hulrommene, som i virkeligheten har stor grad av variabilitet. Hulrommene er ikke virkelig "porer", idet de vanligvis ikke er uniforme, regulære hull eller kanaler gjennom materialet. I stedet kan disse kommersielle membraner være sammensatt av f.eks. ekstruderte filamenter som fungerer som en sil, som vist i f.eks. figur 4b. Følgelig er begrepet "porestørrelse" som benyttet her, en konvensjon blant frem-stillere som benyttes for å identifisere en gitt membran fra en gitt konvensjonell kilde med et gitt boblepunkt. Som benyttet her, beskriver ikke begrepet "pore" størrelsen av hulrommene i materialet benyttet i foreliggende oppfinnelse. Boble-punktmålingen er beskrevet i Pharmaceutical Technology, mai 1983, s. 36-42.

Som tidligere nevnt, er det ikke nødvendig at alle åpningene 32 (figur 2) i materialet 30 tillater inflammatoriske celler 34 å trenge inn i materialet, eller på den annen side å forhindre bindevev fra å dannes i hulrommene. Hva som kreves er at et tilstrekkelig antall av hulrommene 32 har en størrelse som tillater inflammatoriske celler 34 å gå inn i dem, og samtidig forhindre bindevev fra å dannes i dem. I de materialer som er undersøkt av søkerne, oppnås det ønskede resultat når trådene som definerer hullene i hulrommene, har en størrelse på mindre enn tilnærmet 5 um i alle dimensjoner bortsett fra den lengste. Det er blitt fastslått at en kommersielt tilgjengelig membran hvor minst tilnærmet 50 % av hulrommene har en gjennomsnittlig nominell størrelse på tilnærmet 0,6 til tilnærmet 20 um, og trådene har en gjennomsnittlig størrelse på mindre enn tilnærmet 5 um i alle dimensjoner bortsett fra den lengste, vil fungere tilfredsstillende for dannelse av vaskulære strukturer nær membranen.

Som eksempler ble de følgende forsøk utført på kommersielt tilgjengelige membraner for å bestemme hvilke membraner som gav den nære vaskularisering ifølge foreliggende oppfinnelse.

En rekke kommersielt tilgjengelige membraner med varierende nominelle porestørrelser ble implantert i subkutane lommer på ryggen av voksne Sprague-Dawley-hannrotter i 3 uker og undersøkt histologisk. Resultatene, vist i tabellene 1-3, viste at alle membraner med åpninger som var for små eller med tråder som lå så tett at de ikke tillot inntrenging av makrofager (tabell 1), hadde standard fremmedlegemekapsler (dvs. tilsvarende den illustrert i figur 1), mens mange membraner med tilstrekkelig store åpninger til å tillate makrofager å penetrere (tabell 2) hadde nære vaskulære strukturer (dvs. tilsvarende den illustrert i figur 2).

For eksempel induserte membraner lagd av blandede celluloseestere med nominell porestørrelse på 0,1, 0,22 og 0,45 pm nære vaskulære strukturer ved subkutan implantering i rotter. Membraner av blandede celluloseestere med nominell porestørrelse på 1,2 og 8 pm induserte imidlertid nære vaskulære strukturer. Tilsvarende induserte ikke celluloseacetatmembraner med nominell porestørrelse på 0,2, 0,45 og 0,65 pm og teflonmembraner med nominell porestørrelse på 0,02 og 0,2 pm nære vaskulære strukturer. Men celluloseacetatmembraner med nominell porestørrelse på 0,8, 1,2, 3, 5 og 8 pm og teflonmembraner med nominell porestørrelse på 1,0 og 3,0 pm induserte nære vaskulære strukturer.

I membraner i hvilke nære vaskulære strukturer ble observert, var membranen penetrert av inflammatoriske celler fra verten. Det antas at dannelsen av nære vaskulære strukturer er relatert til celleinvasjon. En rekke membraner som tillot penetrering av inflammatoriske celler, hadde imidlertid ikke nære vaskulære strukturer (tabell 3), noe som antyder at invasjon av inflammatoriske celler kanskje var relatert med,

men ikke nødvendigvis tilstrekkelig for, produksjon av nære vaskulære strukturer.

Scannerelektronmikroskop(SEM)-analyse av membranene viste tredimensjonale strukturelle eller arkitektoniske egenskaper som skilte membraner som hadde nære vaskulære strukturer (positiv respons) fra dem som ikke hadde det (negativ respons). Membraner med en positiv respons hadde høy porøsitet og var sammensatt av tråder (fibrer, filamenter, mikroglobuler og kjegle- eller stavlignende strukturer med liten diameter (< 5 um)). Membraner av blandede celluloseestere av type Millipore med nominell porestørrelse 5 pm er f.eks. sammensatt av uregelmessige, amorfe, globulære strukturer og tråder med diameter fra tilnærmet 1 til 3 pm og uregelmessige hulrom med diameter fra 0,5 til 5 pm, og med en porøsitetsprosent på 75 %

(figur 4a). "Gore"-teflonmembraner med nominell porestørrelse 3 pm er sammensatt av tråder med diameter mindre enn tilnærmet 1 pm, som er forbundet med teflonklumper med diameter mindre enn tilnærmet 3 pm (figur 4b). Hulrommene er svært avlange, generelt tilnærmet 1-2 pm brede og 10-15 pm lange. Etter implanteringen ble begge disse membraner invadert av inflammatoriske celler med rund morfologi under lysmikroskopet (se invaderende celler i figur 2), og begge hadde gjennomført nære vaskulære strukturer.

I motsetning til dette hadde membraner med negativ respons åpninger og hulrom definert av tråder med relativt høyt overflateareal, store nok til at inflammatoriske celler kunne bruke dem som underlag og avflates mot. Teflonmembraner av type Millipore med nominell porestørrelse 5 pm (figur 5a)

er f.eks. sammensatt av globulære eller platelignende strukturer med tilnærmet 5-10 pm diameter, og har uregelmessige, amorfe kaviteter med diameter tilnærmet 5-10 pm. Membraner av type Nucleopore med en nominell porestørrelse på 12 pm (figur 5b) har uniforme, sirkulære hull med 9 pm diameter som er for-delt over et membranlag med fra 5 til 25 pm mellom hullenes

kanter. Etter implantering ble begge disse membraner invadert av celler, men cellene beholdt en avflatet morfologi (se invaderende celler i figur 6).

Den tredimensjonale konformasjon eller arkitektur av strukturene som begrenser hulrommene og irregularitetene, har således stor innflytelse på den biologiske respons.

Søkerne har videre vist at materialer med positiv respons hadde strukturelle egenskaper som fikk penetrerende celler til å innta en rund morfologi. Materialer med negativ respons hadde derimot strukturelle egenskaper som fikk penetrerende celler til å innta en relativt avflatet morfologi.

Membraner med negativ respons har en standard fremmedlegemekapsel etter implantering, og ble invadert av inflammatoriske celler som inntok en forlenget, meget avflatet morfologi (figur 6). Figur 6 er et lysmikroskopbilde som viser en teflonmembran (den samme membran som er vist i figur 5a) implantert i 3 uker i en subkutan, dorsal lomme i en mus. Be-merk det omfattende cytoplasma i cellene som invaderer polytetrafluoretylen("PTFE")-membranen vist i figur 6. Cellene synes å ha avflatet seg mot den platelignende PTFE-struktur og har samme utseende som celler i en standard fremmedlegemerespons (figur 1), i motsetning til de avrundede cellene som invaderer membranen i figur 2.

Dette er i samsvar med observasjonen at avrundede, mononukleære celler invaderer et implantat i den tidlige, akutte fasen av en fremmedlegemerespons, fulgt av avflatede celler på overflaten av implantater i den senere, kroniske standard fremmedlegemerespons mot implantater med en glatt overflate (f.eks. figur 1). Avflatingen av makrofager og fremmedlegemekjempeceller mot overflateveggene av implantatet følges av en rolig, kronisk respons karakterisert ved mangel på nye invaderende mononukleære celler og fravær av ny vaskulær vekst i periferien av fremmedlegemet. Makrofager og fremmedlegemekjempeceller fra den initielle vertsreaksjon mot implantatet forblir, men avflates generelt mot det fremmede materiale. Dette er en langtidsrespons som resulterer i en permanent innelukking av implantater som ikke kan fordøyes av makrofagen. Bibeholdet av en langtidsfremmedlegemerespons er karakterisert ved inflammatoriske celler som sprer seg over og dekker det fremmede materiale. Søkerne har oppdaget at denne respons synes å kreve et overflatelignende område som kan virke som et substrat for avflating og utspredning av cellene.

Når det implanterte materiale har en arkitektur av tråder med diameter (< 5 um) for liten eller en for uregel-messig konfigurasjon til å gi en overflate for avflating av celler, som membranene som gir en positiv vaskulær respons har (figur 2 og tabell 2), forpurres forsøkene fra de inflammatoriske cellene på å tildekke og innelukke materialet, og cellene inntar ikke en avflatet morfologi. I stedet forblir de opprundet, og søkerne har som hypotese at de inflammatoriske cellene induserer dannelsen av nære vaskulære strukturer ved grensesjiktet mellom materiale og vert. Det implanterte materiale blir aldri fullstendig avskjermet, og en kronisk respons blir følgelig aldri oppnådd.

Avflating og aktivering av inflammatoriske celler (som fører til fremmedlegemekapseldannelse) observeres når det implanterte materiale tilveiebringer en struktur på hvilken de inflammatoriske celler kan utflates og spres. En inflammatorisk celle krever ikke et glatt område for utflating. Et område sammensatt av tettliggende søyler av samme høyde og diameter kan f.eks. gjenkjennes av den inflammatoriske celle som i det vesentlige "glatt", og cellene vil da kunne spres på overflaten.

Søkerne har videre som hypotese at dersom den inflammatoriske cellekjerne ikke kan gå inn i et hulrom eller irregularitet, vil cellen "se" materialet som flatt og vil utflates på materialet på dette sted. Tilsvarende vil celler som er i kontakt med et hulrom eller en irregularitet fra mer enn én retning eller ett plan, ikke "se" et flatt område og vil bibeholde en opprundet konformasjon eller til og med tilpasse seg fasongen til hulrommet eller irregular!teten. Følge-lig vil materialer med et overflatelignende område større enn tilnærmet 5 um sannsynligvis ikke resultere i nær vaskularisering. For eksempel har materialet vist i figur 5a, som gav en negativ respons, mange hulrom og irregular!teter som er mindre enn tilnærmet 6 um, men det har også bladlignende, temmelig flate strukturer på hvilke makrofagen kan utflates. Følgelig må i foreliggende oppfinnelse materialet utvelges slik at det har et tilstrekkelig antall irregulariteter og hulrom til å hindre et vesentlig antall inflammatoriske celler i å utflates. Den opprundede celle kan tilpasse seg hulrommene og irregularitetene, men vil ikke utflates. Dannelse av noen utflatede celler, spesielt ved "overflaten" av implantatet, ses ofte og er innen oppfinnelsens område, forutsatt at det ikke er så mange utflatede celler at materialet avskjermes av ikke-vaskulariserte fibroblaster.

Makrofagers atferd er ennå ikke fullt forstått. Det antas at makrofager aktiveres når de blir flate. Ved aktivering antas de å utskille faktorer som er et signal for dannelse og proliferasjon av fibroblaster. Følgelig har søkerne som hypotese at ved bruk av et materiale hvis tredimensjonale hulrom og irregulariteter hindrer utflating av makrofagen, vil foreliggende oppfinnelse unngå makrofagaktivering og påføl-gende dannelse av den typiske fremmedlegemekapsel. På den annen side kan det tenkes at avrundede makrofager utskiller faktorer som enten stimulerer neovaskularisering direkte eller forstyrrer en eksisterende undertrykking av ny vaskularisering .

Vertens inf lammatoriske cellerespons beskrevet ovenfor for de forskjellige materialer, observeres generelt i inntil tilnærmet 12 uker etter implanteringen. I både standard fremmedlegemekapselrespons og i bruken av foreliggende oppfinnelse avtar deretter de inflammatoriske cellene og etterlater seg enten en stabil fremmedlegemekapsel eller, i foreliggende oppfinnelse, et stabilt vaskularisert lag. Søkerne har observert et stabilt vaskularisert lag etter 1,5 år i subkutane implantater av 3 pm "Gore"-teflon i rotter.

Når det anvendte materiale har den tredimensjonale arkitektur som er beskrevet ovenfor, oppnås en vaskularisert membran. For å oppnå dette ligger endotelcellene som utgjør kapillærveggene, tett opp til eller svært nær grensesnittet mellom materiale og vert. Det er ingen eller få mellomliggende makrofager eller fibroblaster. Følgelig vil molekyler som kommer gjennom materialet være ved overflaten av en endotel-celle for transport inn i kapillærene. Molekyler utskilt fra pankreatiske øyceller på én side av materialet vil f.eks. være tilgjengelige for opptak av kapillærer på den andre siden av materialet. Tilsvarende vil molekyler som glukose, som kommer fra kapillæret, bli oppfanget av øyceller i et implantert kammer lagd av materialet. Diffusjonsmotstanden for slike molekyler vil være relatert til avstanden som kreves for å gå gjennom materialet.

Søkernes analyser av kommersielt tilgjengelige membraner (tabellene 1-3) tyder på at nære vaskulære strukturer sannsynligvis vil oppnås med et materiale med en gjennomsnittlig nominell porestørrelse i området fra tilnærmet 0,6 til tilnærmet 20 pm, som er sammensatt av tråder, fibrer, kjegler, staver eller mikroglobuler med en diameter ikke større enn tilnærmet 5 pm.

Tilleggsanalyser har vist at når den gjennomsnittlige åpningsstørrelse er større enn tilnærmet 40 pm, vil kapillærene, selv om vaskulære strukturer vokser inn i membranens hulrom, ikke være i kontakt med eller nært opp til materialet, men snarere typisk ligge i en viss avstand fra materialet grunnet en halo av makrofager og fibroblaster i en bindevevs-matriks som omgir kapillærene, som vist i figur 3. Som for en fremmedlegemekapsel på overflaten av en membran er således kapillærene atskilt fra polymeroverflaten med flere cellelag, noe som gir samme slags dif fusjonsmotstand som observeres i en klassisk fremmedlegemerespons.

I motsetning til foreliggende oppfinnelse vil et typisk implantat innkapsles av fremmedlegemekapselen, og vil typisk ligge ved kanten av et stort cellulært, ikke-vaskulært rom, se figur 1.

Den nære vaskularisering ifølge foreliggende oppfinnelse forbedrer tidligere biopolymerimplantater siden det vaskulære lag dannes nært opp mot grensesnittet mellom materiale og vert. Som beskrevet i mer detalj nedenfor, har denne vaskulariseringsfremgangsmåte en rekke anvendelses-områder. Materialet kan f.eks. benyttes i forbindelse med en iboende sensor, et iboende kateter og til en immunoisolerings-beholder.

I figur 7 vises en immunoisoleringsmembran 42. Som vist er membranen 42 valgt slik at den tillater makrofager 34 å gå inn i iallfall noen av hulrommene 44 i membranen og forårsake dannelse av vaskulære strukturer 46 ved grensesnittet mellom vert og membran 47. Igjen bør det bemerkes at selv om noen vaskulære strukturer kan dannes inne i hulrommene 44 i membranen 42, er dette ikke avgjørende for materialets suksess eller dannelsen av et vaskulært lag.

Som vist omgir membranen 42 i det minste en del av en annen membran eller et lag 50 som definerer et immunoisolert indre 52. Dette indre 52 kan omfatte vev 54 som må beskyttes fra kontakt med vertsceller som ville avvise de implanterte celler. For eksempel for allotransplantater og xenotransplantater eller når det gjelder isotransplantater, f.eks. autologe implantater av genetisk endrede celler, trenger membranen bare hindre passasje av celler for å hindre vandring av de genetisk modifiserte celler, som ofte inneholder retrovirale vektorer, ut av membranavlukkene og inn i vertsvevene. Denne isolering av transplantatvev fra vertsvev representerer et betydelig fremskritt i forhold til tidligere fremgangsmåter benyttet for autolog transplantasjon av genetisk modifiserte celler, siden den hindrer de genetisk modifiserte celler i å invadere vertsvevene på en uregulert måte og forårsake svulster i verten via den retrovirale vektor.

På den annen side er det ønskelig at den annen membran 50 tillater diffusjon av bestanddeler som dannes av vevene 54, f.eks. insulin fra pankreatiske øyer. Tilsvarende er det ønskelig at den annen membran 50 tillater næringsstoffer fra verten å gå inn i det indre 52 av implantatet og nære vevet 54. For å oppnå dette omfatter den annen membran 50 fortrinnsvis porer 56 som tillater glukose eller andre komponenter å diffundere inn i den første membran 42, men hindrer makrofager 34 og/eller humorale faktorer i å gå inn i den annen membran.

Selv om innretningen illustrert i figur 7 omfatter to membranlag, bør det bemerkes at andre konstruksjoner kan ut-nyttes. I figur 8 omfatter f.eks. innretningen en enkelt membran 61, som omfatter hulrom 62 med en størrelsesgradient. De større ytre hulrom 62 tillater makrofager å gå inn i iallfall en ytre del 64 av hulrommet 62 og forårsake vaskularisering av grensesnittet mellom vert og membran 65. De mindre indre hulrom 66 vil imidlertid hindre makrofager i å gå inn i den indre del av membranen, og isolerer følgelig et indre 68

definert av membranen.

Figur 9 viser et iboende kateter 70 som omfatter en utførelse av materialet 72 ifølge foreliggende oppfinnelse. Et slikt kateter 70 kan f.eks. være et kateter for kontinuerlig, ambulerende peritoneal dialyse.

Som vist dekker materialet 72 veggen 74 av kateteret 70 og tillater dannelse av et vaskulært lag rundt kateteret 70. Veggen 74 av kateteret 70 er fortrinnsvis ugjennomtrenge-lig for både celler og molekyler.

I typiske kateterutførelser dannes et tykt fremmedlegeme av ikke-vaskularisert, kollagent materiale rundt kateteret og virker som en veiviser for bakterier. I foreliggende oppfinnelse hindrer vaskularisering rundt kateteret tunnelseteinfeksjoner siden vevsnekrose forhindres, og det vaskulære lag bader området med det fullstendige repertoar av blodbårne immunceller. I en annen utførelse ville en flens på et kateter enten være dekket med et vaskulariserende materiale eller være fremstilt av materialet.

Figur 10 viser en sensor 80 som omfatter en utførelse av materialet 82 ifølge foreliggende oppfinnelse. En slik sensor 80 kan f.eks. omfatte en glukosesensor for måling av glukosenivå i diabetes. Som vist dekker materialet 82 et legeme 84 som inneholder en elektrode 85 av sensoren 80, og forårsaker dannelse av et vaskulært lag rundt sensoren 80. Dannelsen av det vaskulære lag gjør at problemet med fremmed-legemetiltetting, som vanligvis påtreffes med iboende sensorer, unngås.

Den vaskulære respons antas ikke å være avhengig av materialets sammensetning. Dette er vist i eksemplene ovenfor, hvor lignende responser i vevet ble funnet med hydrofile (cellulose) og hydrofobe (teflon) materialer. Oppfinnerne tror følgelig at materialet kan fremstilles av en rekke polymerer, heriblant f.eks. polyetylen, polypropylen, teflon, celluloseacetat, cellulosenitrat, polykarbonat, polyester, nylon, polysulfon, blandede celluloseestere, polyvinylidendifluorid, silikon og polyakrylonitril. Kjente biokompatible medisinske implantater er oppbygd av keramiske materialer og metaller. Dersom det antas at disse materialer kunne manipuleres til å gi de tredimensjonale strukturer beskrevet her, ville også disse være anvendbare i foreliggende oppfinnelse.

Claims (5)

1. Implantatsanunensetning med en vegg som definerer et kammer for å holde på plass celler for implantasjon i vertsvev, karakterisert ved at veggen omfatter: (a) en første sone av et første porøst materiale som er permeabelt for gjennomstrømming av næringsstoffer fra verten til kammeret, og produkter fra kammeret til verten, og impermeabelt for vertsimmuncelier, og (b) en andre sone av et andre porøst materiale proksimalt til vertsvevet, hvor det andre porøse materialet har en nominell porestørrelse som varierer fra 0,6 til 20 um, og som omfatter rammer av langstrakte strenger som er mindre enn 5 um i alle retninger bortsett fra den lengste dimensjonen, hvor ram-mene definerer åpninger som er bundet sammen slik at det dannes tredimensjonale hulrom som lar inflammatoriske celler som forflytter seg inn i hulrommene beholde en avrundet morfologi, og hvor den andre sonen fremmer vaskularisering nært opp til grenseflaten mellom implantatsammensetningen og vertsvevet.

2. Implantatsammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at det porøse materialet er valgt fra gruppen bestående av polyetylen, polypropylen, polytetrafluoretylen (PTFE), celluloseacetat, cellulosenitrat, polykarbonat, polyester, nylon, polysulfon, blandede estere av cellulose, polyvinylidendifluorid, silikon og polyakrylonitril.

3. Implantatsammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at det første og det andre porøse materialet er det samme materialet.

4. Implantatsammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at det første og det andre porøse materialet er forskjellige materialer.

5. Implantatsammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at det porøse materialet videre er impermeabelt for humorale immunfaktorer.