NO318469B1 - Anordning for implantering av biologisk materiale. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for implantering av biologisk materiale, spesielt med hensyn til celleimplantater for produksjon av biologiske faktorer ved behandlingen av kronisk degenerative sykdommer.

Oppfinnelsens bakgrunn

Underskudd på en biologisk faktor i et individ er hovedårsaken til forekomsten av kroniske degenerative sykdommer slik som diabetes mellitus, Parkinsons sykdom, hypothyroidisme og andre.

De tradisjonelle behandlingene av noen av disse sykdommene har bestått i anvendelse av manglende biologiske faktorer i individer eller substanser som stimulerer deres produksjon, generelt ved hjelp av injeksjoner av produkter oppnådd fra kjemien eller bioteknologien. Denne type av behandling har flere ulemper, spesielt i forhold til hyppigheten av doser som er nødvendige for å opprettholde nevnte faktor ved et optimalt nivå, hvilket er praktisk talt umulig å gjennomføre. Dette er imidlertid stadig den metode som er mest benyttet siden den er den enkleste og billigste mulighet som er tilgjengelig.

For å forbedre biorilgjengeligheten av faktoren har det vært foretatt forsøk på å utvikle metoder, anordninger og apparatur for å regulere dens frigjøring.

Et alternativ angår pumper som regulerer doseringen av den biologiske faktoren, avhengig av nødvendigheten derav eller behov. Bortsett fra å være komplisert, har det vist seg at denne fremgangsmåten ikke er i stand til å regulere doseringen siden det ikke finnes noen metode for å måle behovet med en viss grad av nøyaktighet, og pumpene har dermed ikke vært vellykkede.

Et annet alternativ som har blitt forsøkt, er implanteringen av celler som produserer den biologiske faktoren. Den direkte kontakten av cellene med pasientens kropp hindrer imidlertid strømmen av næringsmidler med den derav følgende ødeleggelse av celler og dermed blir levetiden for de implanterte cellene relativt kort og overføringen av biologiske faktorer begrenset. Deres terapeutiske effekt er følgelig utilstrekkelig.

Vevene som viser seg å avvise implantatene, består av celler som betegnes lymfocytter, plasmatiske celler og antistoffer. Fibrokollagen er middelet for å dekke fremmed-legemer, selv når disse er positive. Mengden av fibrokollagen som produseres er relativt høy og den er derfor i stand til å ødelegge de implanterte cellene.

Disse vevene, som dannes på en naturlig måte, kunne i sin tur bli benyttet som splinter for implantater i forskjellige deler av kroppen slik som blodkar, uretra, osv. fordi det er å anbefale at nevnte splinter kommer fra pasientens egne vev. Det har imidlertid blitt funnet en begrensende faktor: for å få dem til å være effektive kreves det større tilgjengelighet når det gjelder mengden av, og størrelsen på, vevene enn det som er tilgjengelig i kroppen og hittil har det ikke eksistert noen metode for oppnåelse av denne type av nyttig materiale for bruk som en splint.

For å forsøke å unngå problemene med rejeksjon som stammer fra direkte celle-implantat, har det blitt konstruert en rekke forskjellige anordninger som generelt består av et kammer eller kapsel hvor celler anbringes på en slik måte at de er isolert og ikke har noen kontakt med individets immunsystem.

Implantatanordningene som inneholder cellene, utgjøres generelt av naturlige polymerer slik som kollagen og alginater eller syntetiske polymerer slik som polyakrylater, vinyl-akrylonitril og poly-xylen.

I US patent 5.614.205 beskrives for eksempel en matrise bestående av en membran av poly-para-xylen og en cellekultur som produserer insulin for behandling av diabetes mellitus. Membranen har en bestemt porøsitet som tillater passasje av næringsmidler og biologiske faktorer, men hindrer passasje av immunmidler. Det er nevnt at det biokompatible materialet ikke gir rejeksjon.

WO-A1 98/02113 beskriver en innretning som har likhetstrekk med det ovenfor nevnte US patentet 5.614.205.1 denne innretningen er hele det langstrakte, sylindriske legemet porøst og har i det minste en innføringsåpning i den ene enden av sylinderen.

I US patent 5.569.462 er det gitt en beskrivelse av hvordan mortaliteten til celler som produserer den biologiske faktoren av interesse foregår fordi strømmen av næringsmidler og avfallsprodukter ikke er tilstrekkelig under implanteringens iskemiske periode. Det alternative forslaget består i anvendelse av en anordning med et kammer for celler hvor kammeret er immunisolert med biokompatibelt materiale slik som polytetrafluoretylen (PTFE) av en bredde på 15 nm og en porøsitet på 5 um.

I tillegg er anvendelsene av immunmodulerende midler slik som immunsuppressive midler slik som mykofenolsyre, cyklosporin, rapamycin, osv. eller antiinflammatoriske midler slik som kortikosteroider, nødvendige.

Gitt at den iskemiske perioden slutter når god neovaskularisering har blitt oppnådd, foreslås det i foreliggende sammenheng å benytte midler for en bedre neovaskularisering, slik som bruk av en substans eller celler som fremmer eller produserer substansen som stimulerer neovaskularisering.

Disse anordningene løser ikke på tilfredsstillende måte de forskjellige ulempene med de allerede nevnte implantatene fordi, selv om de er biokompatible materialer, så er det fremdeles vevsdannelse og utilstrekkelig vaskularisering omkring anordningen i relativt korte tidsperioder etter implanteringen. Således er blodstrømmen til vevene i dette området lav og derfor er næringsmiddeltilgjengeligheten også lav.

Selv om de er permeable, så representerer konstruksjonsmaterialene i anordningen en ytterligere barriere for utvekslingen av næringsmidler og biologiske faktorer mellom de implanterte cellene og pasientens kropp.

Videre er det velkjent at anvendelse av produkter slik som cyklosporin for å redusere immunresponsen og inhibere gjenkjennelsen og rejeksjonen av transplantater og/eller implantater, har negative effekter på neovaskularisering, og derfor økes sannsynligheten for at transplantatet eller implantatet skal bli mislykket.

US patent 5.725.854 beskriver en fremgangsmåte for behandling av sykdommer, som innbefatter administrasjon av Sertolli-celler sammen med celler som produserer den biologiske faktoren. Her er det foretatt et forsøk på å skape et immunologisk privilegert sete. Det er velkjent at Sertolli-celler fremmer immunologisk toleranse og inneholder en stor mengde elementer for å beskytte cellene som produserer den biologiske faktoren og for å opprettholde deres funksjon i en ubegrenset tidsperiode. Med dette alternativ unngås imidlertid ikke rejeksjon fullstendig, og det er derfor nødvendig å fortsette administrasjon av immunsuppressive eller immunmodulerende midler som i sin tur har en negativ effekt på neovaskularisering.

Videre er det ikke i noen av de nevnte tidligere oppfinnelsene oppnådd å regulere mengden av produsert fibrokollagen, og det er akkurat denne substansen som er hovedfaktoren bak implantatrejeksjon.

Av denne grunn er det fremdeles nødvendig å finne en virkningsfull, effektiv måte for vellykket implantering av celler som produserer biologiske faktorer for behandling av sykdom.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning som kan oppfylle dette behovet.

Et annet av oppfinnelsens formål er å tilveiebringe et isolert sete med egenskaper som vil tillate god neovaskularisering for tilstrekkelig overføring av næringsmidler og biologiske faktorer.

Nok et formål med oppfinnelsen er å redusere bruken av immunomodulerende substanser.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en anordning for implantering av biologisk materiale, bestående av et sentralt legeme som fungerer som et reservoar for det biologiske materialet, med innføringsinnretninger omfattende tetningsmekanismer i legemets ender, kjennetegnet ved at det sentrale legemet er et langstrakt gitterformig rør, i hvilket det er anbrakt en plunger inneholdende det biologiske materialet, idet plungeren i form og lengde svarer til rørets form og lengde.

Foretrukne utførelsesformer av anordningen er angitt i søknadens uselvstendige krav.

Oppfinnelsen vil forstås mer detaljert under henvisning til følgende detaljerte beskrivelse. Figur 1 representerer et generelt og et perspektivisk riss av den foretrukne anordning for utførelse av fremgangsmåten, begge ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 2 tilsvarer én av de foretrukne modalitetene til en av tetningspluggene i anordningen ifølge oppfinnelsen. Figur 3 tilsvarer plungeren som er forent med tetningsmekanismen i en av oppfinnelsens foretrukne modaliteter.

I nedenstående beskrivelse av oppfinnelsen vil det bli referert til tegningene for å gi beskrivelsen større klarhet.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Ifølge figur 1 vises en anordning (10) som består av en intermediær seksjon eller legeme (20), som fortrinnsvis er porøs, og som inni har et hulrom som opptar en plunger (40), og ved hvis ender det er anordnet tetningssett eller -mekanismer (30), hvorav ett står i forbindelse med det første tetningselementet (50), mens det andre står i forbindelse med det andre tetningselement (60), hvor én ende derav er forbundet med plungeren (40) på en slik måte at når anordningen lukkes ved hjelp av den andre tetningspluggen (60), så holdes den fast på plass inne i det porøse legemet (20) til nevnte plunger (40). Det skal nevnes at, ifølge den prosedyre i hvilken den nevnte anordningen benyttes, så kan det andre tetningselementet (60) erstattes med et annet tetningselement (50) eller lignende element, på en slik måte at hulrommet som opptar plungeren (40) forblir fritt og på denne måten dannes det et indre rom som er tilstrekkelig til å motta celler og/eller substanser for produksjon av den angjeldende biologiske faktoren slik det vil forstås i foreliggende sammenheng.

Det porøse legemet (20) består fortrinnsvis av et sylindrisk gitter, av den type som kan være av rustfritt stål, inert polymer eller et hvilket som helst annet materiale, som kan gi dimensjonsstabilitet til den intermediære delen av anordningssettet (10) og den nød-vendige porøsiteten inne i anordningen. Ifølge oppfinnelsens formål må graden av porøsitet i det intermediære porøse legemet (20) ifølge oppfinnelsen ha en maske-størrelse på 40 til 150 mesh (kvadrat pr. lineær tomme), fortrinnsvis i en sylindrisk form. Lengden på denne intermediære porøse seksjonen eller porøse legemet (20) kan være en hvilken som helst passende lengde som er i overensstemmelse med terapeutiske behov for på fyldestgjørende måte å fremme produksjonen av den nødvendige biologiske faktoren; dvs. omkring 10 til 8 mm. Lengden kan imidlertid være betydelig lengre ifølge den type anvendelse som anordningen vil bli utsatt for, hvilket f.eks. kunne være for oppnåelse av splinter, hvor lengden ville være ca. 200 mm. Som allerede nevnt, er begge endene av det intermediære porøse legemet til den heri beskrevne anordning hensiktsmessig forbundet med tetningssett (39) og deres respektive elementer (50) og/eller (60).

Det har vært mulig å fastslå at porøsitetsgraden til gitteret som utgjør det intermediære porøse legemet (20) bestemmer størrelsen på de nydannede karene i fibrokollagenet, ifølge den prosedyre som er angitt heri og fungerer i pasientens organisme. Av denne grunn blir maske- eller porestørrelsen bestemt ifølge den type av anvendelse som røret dannet fra kollagen vil få.

Tetningsmekanismene (30) som befinner seg i foreliggende anordnings (10) respektive ender, utviser et rørformet tverrsnitt hvis lengde er egnet for forsegling av nevnte anordnings begge sider og deres dimensjon, i forhold til det intermediære porøse legemet (20), kan være 10 til 50% av lengden og med en diameter lik den til det porøse legemet (20).

Ved én ende av tetningsmekanismene (30) er det sammenføynings- og feste-mekanismer, som i dette tilfellet kan ha den foretrukne form av en innvendig gjenge for å tilkoble tetningselementene (50) og/eller (60). I den motsatte enden av nevnte tetningsmekanismer er det sammenføyningselementer (31) som sørger for den tilsvarende festing i tilsvarende ende av det porøse legemet (20) og for dette kan hvilken som helst anordning, gjenget eller ikke, benyttes.

Ifølge én av de foretrukne modalitetene til foreliggende anordnings konstruksjons-elementer, består sammenføyningselementene (31) fortrinnsvis av et konsentrisk rillet element mellom rørets innvendige og utvendige vegger hvor en del av det porøse legemets (21) ender er innført og festet til tetningsmekanismens (31) sammenføynings-del, på en slik måte at kontakttrykket mellom tetningsmekanismen og det porøse legemet (21) er større enn spenningen som oppstår når tetningselementene (50) og/eller (60) skrues til og skrues ut.

Ifølge figur 3 består settet som danner plungeren (40) av et element, fortrinnsvis med en fast sylinderformet del, hvor én av dens ender er forbundet med tetningselementet (60) og deretter er forbundet i sin tur til henholdsvis det tilsvarende porøse legemet (20)-elementet og tetning (30)-elementet. For identifikasjonsformål kan tetningselementet (60) ha en form som er noe forskjellig fra tetningselementet (50) for å identifisere det i forhold til tetningselementet (50) og fjerne det ifølge anvendelsesprosedyrene. Ved den distale enden eller enden motsatt til plungeren (40) er elementets sluttdel som kan ha en fordypning eller fuge (41) for tilkobling til innersideenden (53) av tetningselementet (50) til foreliggende anordnings tilkoblede sett, på en slik måte at plungeren (40) holdes fullstendig fast inne i det porøse legemet (20) og slik at den forutbestemte avstand mellom begge elementer er konsentrisk konstant. For denne modaliteten er det nødvendig at plungerens (40) lengde er praktisk talt lik lengden til settet av det porøse legemet (20) med tetningsmekanismene (30). Det skal påpekes at den her gitte informasjon dekker den modalitet hvorved plungeren (40) er lang nok til å tillate at dens ende (41) har kontakt med og selv er forbundet med det tilsvarende tetningselement (50) -mekanisme (53). Gode resultater kan imidlertid også oppnås med en plunger hvis lengde bare er en del av det porøse legemets lengde. Plungerens (40) diameter kan være praktisk talt ekvivalent med det porøse legemets (20) indre diameter. For bedre resultater er det imidlertid foretrukket å ha en avstand mellom det porøse legemets indre diameter i forhold til plungerens utvendige diameter på 1 til 10 mm, idet plungerens diameter fortrinnsvis er 4 til 25 mm.

Plungeren kan være massiv eller hul. I foreliggende sammenheng har det imidlertid blitt funnet at bruken av en hul plunger har alvorlige ulemper fordi når anordningen anbringes i pasientens kropp, så blir væske fanget opp i hulrommet i plungeren og dekomponerer over tid og kan lede til mulige infeksjoner.

Ifølge figur 2 kan tetningselementet (50) ha en konvensjonell form. I en foretrukket utførelse for en bedre yteevne inkluderer imidlertid nevnte tetningselement en festesone (51) , definert ved et hode, fortrinnsvis med en halvkuleform; en sylindrisk sone for forbindelse med en festemekanisme tilsvarende det porøse legemets (20) tetnings-mekanisme (30) som kan være av typen utvendig gjenge (52), med en diameter fortrinnsvis lik de til tetningsmekanismene (30) for tilfredsstillende sammenføyning med disse; og en konsentrisk festesone bestående av et sylindrisk element med en foretrukket diameter på 1 til 4 mm, men mindre enn hullet i plungerens (40) festedel (41), som er en innretningsføring for plungeren i foreliggende anordnings tilkoblede sett.

For lett tilkobling og frakobling (fortrinnsvis tilskruing og avskruing) av tetningselementene (50) og/eller (60), har festesonens (51) halvkuleformede hode et hull som kan ha en hvilken som helst geometrisk form som letter bruken av et passende verktøy som f.eks. kan være bruk av et verktøy i likhet med en skrunøkkel, Allen-skrunøkkel eller en annen type.

I den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen danner tetningselementets (60) festesone (52) og plungerens (40) festedel (41) et sett som er i ett stykke slik at manipulasjon av begge elementer er enkelt. Dette settet i ett stykke inneholder festesonen (61) og en ytterligere bærerdel innbefattende et avlangt element med to sideflater som er parallelle med og perpendikulære på tetningspluggens akse (60) over 50% av dens lengde til dannelse av anlegg for tommel og pekefinger ved tilskruing og utskming av settet inne i tetningsmekanismenes (30) innergjengeseksjon. Anleggets lengde kan være 10 til 40% av det porøse legemets (20) lengde.

Ved bruk vil tykkelsen på fibrokollagenrøret som dannes avhenge av avstanden mellom det porøse legemet (20) og plungeren (40) og avstanden blir således bestemt i henhold til de behov som oppstår fra bruken av fibrokollagenrøret. Nevnte avstand definerer motstanden mot sammenbrudd av røret og fibrokollagenlagets ensartethet.

Det porøse legemets (20) og plungerens (40) diametre velges i overensstemmelse med det volum og den tykkelse som er nødvendig, fra 4 til 35 mm, med avstand eller lys-åpning fra 1 til 10 mm.

Det har i foreliggende sammenheng blitt funnet at fibrokollagenrørets tykkelse og størrelsen av de nydannede kamrene er viktige egenskaper som sørger for et sete med optimale betingelser for overlevelse av cellene i tidsperioder som er tilfredsstillende for opprettholdelse av en effektiv terapeutisk effekt.

Anordningen fremstilles med materialer av medisinsk kvalitet. Disse materialene kan f.eks. være rustfritt stål, ren polytetrafluoretylen (PTFE), titan, osv.

Slik det kan utledes fra beskrivelsen av anordningen for å fremme implanteringen av biologisk materiale, kan delene fremstilles ved maskinering av de gjengede delene eller ved sprøytestøping. Den valgte prosess avhenger av de materialene som skal benyttes.

I forbindelse med foreliggende oppfinnelse vil implanteringsprosedyren for biologisk materiale, i sin utførelse som reservoar resulterende fra dannelsen av et biologisk fibrokollagenrør som anvender nevnte anordning, bestå av: implanteringen av anordningssettet i pasienten eller individets kropp, med tetningselementet (60) anbrakt i en av det porøse legemets ender på en slik måte at plungeren (40) er inkorporert inne i nevnte legeme. Når implanteringen er utført på denne måten, blir det porøse legemet (20) dekket med fibrokollagen som følge av pasientens naturige kroppsfunksjon. Deretter, når fibrokollagenlaget har blitt dannet, foretas et partielt innsnitt for å eksponere den delen av anordningen som har tetningselementet koblet til plungeren (60) for å fjerne denne. Når plungeren har blitt fjernet, fremkommer et neovaskularisert fibrokollagenrør som er egnet for implantering av celler som produserer biologisk faktor gjennom hullet i tetningselementet (60). Anordningen blir nå lukket med tetningselementet (50) på en slik måte at fibrokollagenrøret er innelukket i organismen. Under disse forhold virker promotorcellenes biologiske faktor i kontakt med det nydannede, vaskulariserte vev og den biologiske faktoren absorberes av blodstrømmen.

For at fibrokollagenrøret, som utvikles inne i individets organisme, skal være av en type middel som utvikler vev for implantater, kan, ved en annen utførelse ved anvendelse av anordningen ifølge den ovenfor beskrevne prosedyre, røret fjernes uten at det er

nødvendig å frakoble tetningselementet og plungeren (60), men ved fullstendig fjerning av anordningssettet og fibrokollagenrøret fra pasientens eller individets kropp og nevnte vev og er egnet for benyttelse som vevsimplantater eller splinter. Tetningselementene (50) og (60) og plungeren (40) blir om nødvendig fjernet; fibrokollagenrøret er da klart for umiddelbar implantering på det nødvendige stedet eller benyttes slik som tilsiktet.

Ved anvendelse som promotor for fibrokollagenrør, kan anordningens innerdiameter være fra 4 til 25 mm og lengden bestemmes ved beregninger, basert på den nødvendige form, ved benyttelse som en splint.

Ved benyttelse som et reservoar for biologisk materiale, blir bare ett av tetningselementene (60) fjernet ved plungeren (40), eller begge elementene fjernes sammen som et sett. Det biologiske materialet, som består av cellene som produserer biologisk faktor, og eventuelt et kulturmedium inne i fibrokollagenrøret, injiseres i tomrommet over plungeren (40) og et tetningselement (50) anbringes for å unngå at det biologiske materialet kommer til steder hvor fibrokollagenrøret ikke har blitt dannet.

For å øke behandlingens effektivitet kan faktorproduserende celler som har blitt manipulert genetisk ifølge kjente teknikker, benyttes.

Kulturmediet, som eventuelt blir benyttet, velges i overensstemmelse med den type celle som skal implanteres.

Det har i foreliggende sammenheng blitt funnet at ved bruk av foreliggende anordning har det vært mulig å oppnå semi-isolerte seter med god neovaskularisering og det eksisterer derfor betingelser for cellelevedyktighet. Likeledes oppnås en god utvekslingshastighet for biologiske faktorer. Ved behandling av f.eks. diabetes kan det observeres en bedre respons på de stimuli som gis av blodets glukosenivå.

Mengden av celler, i tilfellet for behandling av diabetes, som referert til i litteraturen, er 6000 til 12000 Langerhans-øyer pr. kg av pasientens kroppsvekt. I forbindelse med foreliggende oppfinnelse har det blitt sett at disse kan kombineres med Sertolli-celler for å beskytte dem immunologisk overfor rejeksjon. I tillegg kan anordningen benyttes for plassering av celler deri som produserer stoffer med en terapeutisk aktivitet, slik tilfellet er for thyroid- og parathyroidceller.

Eksempler på anvendelser

Anordningen ifølge oppfinnelsen ble implantert ifølge den foretrukne utførelsen for å begunstige implanteringen av celler som gir en biologisk faktor, i den dorsale delen hos Long Evans-rotter med en vekt mellom 180 og 200 g.

Diabetes ble indusert ved hjelp av en intravenøs tilførsel av 65 mg/kg av streptozotocin til gruppen på ti rotter med anordningen ifølge oppfinnelsen og en kontrollgruppe.

Nivået av glukose i begge grupper viste ingen viktige forskjeller, og var av størrelses-orden 337 mg/dL.

Et transplantat av Langerhans-øyer ble utført med begge grupper og øyene ble isolert og konservert ved anvendelse av kjente konvensjonelle teknikker med den forskjell at gruppen av rotter med anordningen mottok Langerhans-øyene på stedet utformet av anordningen. Ingen av dyrene ble administrert med immunsuppresjonsmidler.

Glukosenivåer ble målt daglig i løpet av den første uken og deretter en gang i uken.

Dyrene i kontrollgruppen viste glycemia på over 250 mg/dL under to etter hverandre følgende dager i de første tre dagene.

Dyrene med anordningen for befordring av fibrokollagenrør viste en signifikant økning i glukosenivåer til 150 mg/dL.

Claims (7)

1. Anordning for implantering av biologisk materiale, bestående av et sentralt legeme (20) som fungerer som et reservoar for det biologiske materialet, med innføringsinnretninger omfattende tetningsmekanismer i legemets ender, karakterisert ved at det sentrale legemet er et langstrakt gitterformig rør, i hvilket det er anbrakt en plunger (40) inneholdende det biologiske materialet, idet plungeren i form og lengde svarer til rørets form og lengde.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det gitterformige legemet (20) har en maskestørrelse på 40 til 150 mesh og hvor diameteren er 5 til 35 mm.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at tetningsmekanismene har gjengede tilkoblingsmekanismer, fortrinnsvis av hunn-koblingstypen for sammenstilling derav.

4. Anordning ifølge krav 1-3, karakterisert ved at tetningselementene består av en festeskive; en sylindrisk sammenføyningsseksjon med utvendige gjenger, og en konsentrisk festeseksjon på 1 til 5 mm i diameter.

5. Anordning ifølge krav 1 og 4, karakterisert ved at plungeren (40) er sammenføyet med, eller utgjør en del av, minst ett tetningselement.

6. Anordning ifølge krav 1-5, karakterisert ved at den er fremstilt av et materiale som kan steriliseres.

7. Anordning ifølge krav 1-6, karakterisert ved at rommet mellom plungeren (40) og det porøse legemet (20) varierer i overensstemmelse med tykkelsen på det ønskede fiberkollagenrøret, fra 1 til 15 mm.