Durchflussvorrichtunq zum Trennen von Substanzen in Körperflüssigkeiten. insbesondere Blut und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Durchflussvorrichtung zum Trennen von Substanzen in Körperflüssigkeiten. Bei den Substanzen handelt es sich insbesondere um Antikörper. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Pathogenen aus Körperflüssigkeiten durch Adsorption der Pathogene an mobi- len festen Phasen. Als Körperflüssigkeit kommt vorzugsweise Blut in Frage.
Die Entfernung von toxisch wirkenden Substanzen, insbesondere pathologischen Biomolekülen aus Körperflüssigkeiten, ist seit Jahrzehnten ein etabliertes Therapieverfahren.
Besonders verbreitet ist die Dialyse. Bei dieser therapeutischen Methode werden bei Patienten, häufig solche mit eingeschränkter Nierenfunktion, im Körper und im Blutkreislauf angefallene pathologische Moleküle geringeren Molekulargewichts aus dem Blutplasma der Patienten entfernt.
Zu diesem Zweck wird das Blut der Patienten mit einem gerinnungshemmen- den Stoff versetzt und anschließend aus dem Körper geleitet. In einer besonderen Apparatur werden zunächst Blutzellen und Blutplasma voneinander getrennt. Das Blutplasma strömt nunmehr an semipermeablen Membranen vor- bei, bei denen die niedermolekularen zu entfernenden Substanzen aus dem Plasma übertreten in eine zweite Flüssigkeitsphase. Das Blutplasma selbst wird nach Reinigung wieder mit den Körperzellen vereinigt und in den Blutkreislauf des Patienten zurückgeführt.
Dieses Verfahren ist seit Jahrzehnten insbesondere in den Industrieländern etabliert. Mit ihm werden jährlich Tausende von Patienten behandelt, entweder
lebenslang oder aber bis zum Zeitpunkt bei dem eine Nierentransplantation bei dem betreffenden Patienten möglich ist.
Ein weiteres Verfahren der Elimination von pathologischen Molekülen aus dem Blutplasma ist die LDL-Apharese. Dieses therapeutische Verfahren kommt bei Patienten mit Fettstoffwechselstörungen zum Einsatz. Diese Patienten bilden im Überschuss das low density lipoprotein (LDL), welches zu schweren Gefäßwandschädigungen führen kann. Da der Abbau dieser Substanz im Körper limitiert ist, und bei bestimmten Formen von Fettstoffwechselstörungen auch Medikamente nicht greifen, werden große Mengen der überschüssigen Moleküle aus dem Blutplasma herausgefiltert. Zu diesem Zweck wird das von Zellen befreite Blut oder das Vollblut über eine Matrix geschickt, deren Liganden das LDL binden, während das restliche Plasma bzw. Blut wieder in den Körper zurückgelangt.
Ein weiteres, verbreitetes und vor allem in den USA gebräuchliches Verfahren zur Elimination von größeren pathologischen Biomolekülen ist die Plasmapherese. Vom Prinzip her ist es das einfachste und damit auch das älteste Verfahren der Entfernung von pathologischen Strukturen aus dem Blutplasma. Diese Therapie findet Anwendung insbesondere bei Autoimmunerkrankungen.
Das Blut wird aus dem Körper herausgeleitet, die Blutzellen werden vom Blutplasma abgetrennt, wofür verschiedene physikalische Verfahren zur Verfügung stehen. Anschließend werden die konzentrierten Blutzellen mit einem Bluter- satzstoff versetzt und wieder dem Körper zugeführt. Auf diese Weise werden insbesondere schwere und medikamentös nicht mehr beherrschbare Autoimmunerkrankungen behandelt. Beispiele hierfür sind Lupus erythematodes und Myasthenia gravis.
Die Plasmapherese entfernt effizient bei den beiden genannten Krankheiten die pathologischen Moleküle, hier bestimmte Typen von Autoantikörpern. Allerdings muss zwecks Entfernung dieser kleinen Population von Autoantikörpern
das gesamt Blutplasma inklusive aller nützlichen Antikörper verworden werden, da keine hinreichend funktionsfähigen Trennsysteme für die Trennung von Autoantikörpern und restlichen, nützlichen Plasmabestandteilen bestehen.
Seit einigen Jahren ist ein weiteres Eliminationsverfahren am Markt. Dieses bindet und eliminiert Immunglobuline aus dem Blutplasma. Seine Verwendung findet es bei Autoimmunerkrankungen, bei denen pathologische Immunglobuline (Autoantikörper) durch das menschliche Immunsystem gebildet werden und die als zumindest mitwirkende Ursache für die Entstehung eines klinischen Bildes bei Autoimmunerkrankungen angesehen werden können.
Die Entfernung dieser Autoantikörper erfolgt dabei gemeinsam mit den übrigen Antikörpern durch deren Bindung an immunglobulinspezifische Liganden, wie beispielsweise das Bakterienprotein A aus Staphylococcus aureus oder aber durch Bindung der Plasmaimmunglobuline an eine Matrix aus gekoppelten Antikörpern gegen humanes Immunglobulin. Der Antihumanglobulin-Antikör- per wurde zuvor durch Immunisierung von Tieren (Schafen) gewonnen. Nach Isolation und Reinigung der Antikörper wurden diese an Matrices wie Sepha- rose gekoppelt. In einer Kartusche verpackt, strömt das Patientenblut nach Trennung von Blutzellen und Plasma an dieser spezifischen Matrix vorbei und bindet und eliminiert damit die Immunglobuline aus dem menschlichen Blutplasma.
Auch hier nimmt man den Nachteil in Kauf, dass zur Entfernung einer sehr kleinen Population (unter 1 % aller Immunglobuline) alle Immunglobuline entfernt werden müssen.
Sämtlichen dargestellten therapeutischen Eliminationsverfahren von Plasmaproteinen ist gemein, dass sie nur mit hohem apparativen Aufwand betrie- ben werden können. Ein Nachteil dieser Eliminationsverfahren ist der hohe Verlust an Blutplasma, bedingt durch die Totvolumina von matrixhaltigen Trennsäulen (deren Volumen beträgt ca. 150 - 400 ml). Ein weiterer Nachteil
ist, dass zur Entfernung einer sehr kleinen Population pathologischer Moleküle großen Mengen nützlicher Moleküle, wie zum Beispiel Immunglobuline, erfolgt,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Durchflussvorrichtung zum Trennen von Substanzen in Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, zu schaffen, mit der sich gewünschte Substanzen gezielt und zuverlässig auch in kleinsten Mengen aus der Körperflüssigkeit entfernen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Durchflussvorrichtung zum Trennen von Substanzen in Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, vorgeschlagen, die versehen ist mit einer Mischeinheit zum Mischen der Körperflüssigkeit mit magnetischen oder magnetisierbaren Metallpartikeln, die eine Bindungsaffinität zu einer in der Körperflüssigkeit zu trennenden Substanz aufweisen, und - mindestens einer mit der Mischeinheit in Fluidverbindung stehenden ersten Trenneinheit zum Ansammeln der Metallpartikel, wobei die erste Trenneinheit einen ein Magnetfeld erzeugenden Magneten aufweist und die strömende Körperflüssigkeit mit den Metallpartikeln in der ersten Trenneinheit dem Magnetfeld aussetzbar ist.
Die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung weist eine Mischeinheit auf, in der der die Mischeinheit durchströmenden Körperflüssigkeit magnetisierbare Metallpartikel zugesetzt werden, die eine Bindungsaffinität zu einer aus der Körperflüssigkeit zu entfernenden Substanz aufweist. Beispielsweise sind die Metallpartikel mit Liganden besetzt, die die zu entfernenden Substanzen binden. So könnte man beispielsweise Autoantikörper aus der Körperflüssigkeit dadurch entfernen, dass die Metallpartikel Liganden in Form von Antigenen aufweisen, die die Autoantikörper an sich binden. Die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung weist darüber hinaus mindestens eine Trenneinheit auf, mit der die magnetisierbaren Metallpartikel innerhalb der Körperflüssigkeitsströmung mittels Magnetkraft festgehalten werden. Die erste magnetische Trenneinheit weist einen (Permanent- oder Elektro-)Magneten auf, dessen
Magnetfeld die Strömung der Körperflüssigkeit mit den Metallpartikeln innerhalb der Trenneinheit ausgesetzt ist.
Mit der Erfindung wird also eine Durchflussvorrichtung vorgeschlagen, mit deren Hilfe Substanzen (beispielsweise Biomoleküle) nach deren Bindung an magnetisierbaren Metallpartikeln mit daran fixierten Liganden aus humanen oder tierischen Körperflüssigkeiten entfernbar sind. Zu diesem Zweck werden die magnetisierbaren Metallpartikel dem Strom der Körperflüssigkeit zugesetzt und mit diesen vermischt. Anschließend wird die Körperflüssigkeit einem Magnetfeld ausgesetzt, in dem die Metallpartikel mit den an ihnen biologisch, chemisch oder in sonstiger Weise gebundenen Substanzen infolge von Magnetkraft zurückgehalten werden, während die übrigen Bestandteile und Phasen der somit "gereinigten" Körperflüssigkeit entweder in den Körper zurückgeführt oder einer anderen Verwendung zugeführt wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Trenneinheit einen von der Körperflüssigkeit samt den Metallpartikel durchströmbaren Kanal aufweist und dass sich die Metallpartikel infolge des Magnetfeldes bereichsweise an der Innenseite der Wandung des Kanals ansam- mein und dort magnetisch fixierbar sind.
Vorteilhafterweise ist das Magnetfeld, dem die Körperflüssigkeit samt den Metallpartikeln innerhalb des Kanals der ersten Trenneinheit ausgesetzt ist, über die Länge des Kanals nicht konstant sondern weist einen Gradienten auf, und zwar dergestalt, dass die Stärke des Magnetfeldes vom Einlass des Kanals bis zu dessen Auslass sich vergrößert. Das hat den Vorteil, dass sich die magnetisch fixierten und an der Kanalinnenseite ansammelnden Metallpartikel gleichmäßig über den Kanal verteilen und insbesondere nicht am Kanaleinlass diesen verstopfen können o.dgl.
Darüber hinaus ist es für die "magnetische Filterung" und die Bindungsreaktion der Substanzen an den Metallpartikeln von Vorteil, wenn der Kanal der ersten
Trenneinheit im Querschnitt größer ist als die Fluidverbindung, über die die Körperflüssigkeit mit den Metallpartikeln der ersten Trenneinheit zugeführt wird. Durch den vergrößerten Querschnitt kommt es zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit in der ersten Trenneinheit und auch zu einer größeren Verweildauer der Metallpartikel in der ersten Trenneinheit. Auf Grund der größeren Verweildauer besteht die Möglichkeit, dass mehr Substanz an den Metallpartikeln sich bindet. Die Strömungsberuhigung führt dazu, dass die Metallpartikel zuverlässig von dem Magneten gegen die Kanalwand "angesaugt" werden.
Der Prozess der Ablagerung der Metallpartikel an diesen gebundener Substanz kann noch verbessert werden, wenn die Wand des Kanals, an der sich die Metallpartikel ansammeln, in Strömungsrichtung der Körperflüssigkeit verlaufende Vertiefungen aufweist. Zweckmäßigerweise ist dieser Bereich der Kanal- wand wellenförmig ausgebildet. Die Metallpartikel werden sich in erster Linie innerhalb der Vertiefungen ansammeln. Bei abgelagerten Metallpartikeln entsteht dann, wenn die Vertiefungen im wesentlichen mit den Metallpartikeln gefüllt sind, eine ebene Oberfläche für die Körperflüssigkeitsströmung auf derjenigen Seite der Kanalwand, an der sich die Metallpartikel ansammeln. Dies wiederum ist vorteilhaft, da sich nunmehr auch im Grenzbereich zur Kanalwand eine laminare Strömung der Körperflüssigkeit einstellt, wodurch die Gefahr reduziert ist, dass angesammelte Metallpartikel von der Strömung mitgerissen werden.
Auf Grund des nachfolgend erläuterten Sachverhalts ist es von Vorteil, die Metallpartikel derart zu fixieren, dass die Wahrscheinlichkeit, dass nicht an den Metallpartikel zu bindende Substanzen der Körperflüssigkeit (z. B. Blutzellen) in Kontakt mit den Metallpartikeln bzw. den daran (indirekt) gebundenen Strukturen gelangen, verringert ist. Hierbei spielt es im übrigen eine unterge- ordnete Rolle, wie die Vertiefungen an derjenigen Kanalwand, an der die Metallpartikel auf Grund der Magnetkraft sich ansammeln und fixiert werden, ausgestaltet sind. Vielmehr ist entscheidend, dass diese Kanalwand auf ihrer
Innenseite derart beschaffen und insbesondere strukturiert ist, dass die der Körperflüssigkeitsströmung ausgesetzte "aktive" Oberfläche der Metallpartikel bzw. der daran (indirekt) gebundenen Strukturen möglichst gering ist.
Werden beim Zusammenbringen der (Liganden-)Metallpartikel und der Körperflüssigkeit z. B. Antikörper an den Liganden gebunden, was gewünscht ist, so kann der Fall auftreten, dass die gebundenen Antikörper ihr Bindungsverhalten verändern, und zwar dahingehend, dass sie nunmehr nicht aus der Körperflüssigkeit herauszutrennende (z. B. "gesunde") Bestandteile oder allgemein Phasen (z. B. Blutzellen) binden, was unerwünscht ist. Daher ist es von Vorteil, wenn man die Wahrscheinlichkeit für die (indirekte) Bindung eines solchen Bestandteils der Körperflüssigkeit an einem magnetisch fixierten Metallpartikel, an dessen Ligand ein Antikörper gebunden ist, verringert. Dies erfolgt vorzugsweise durch Ausbildung von Vertiefungen (längs- und/oder querverlaufende Rinnen durch den Kanal oder als näpfchenförmige Vertiefungen), durch entsprechende Oberflächenbeschaffenheit der betreffenden Kanalwand, durch eine Membran, durch die hindurch die mit Antikörpern versehenen Metallpartikel hindurchdringen und somit von dem Körperflüssigkeitsstrom räumlich getrennt werden können oder durch eine Deaktivierung der nicht zu trennenden Substanzen, und zwar dahingehend, dass deren Affinität, Bindungen an den Antikörpern der Metallpartikel einzugehen, verringert wird, was z. B. im Falle von Blut als Körperflüssigkeit durch eine Absenkung der Temperatur um wenige Grad unterhalb einer (Körper- )Temperatur von ca. 36° erfolgen kann, wie weiter unten noch beschrieben werden wird.
Um den Trenn- bzw. Filterungseffekt zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn man mehrere der zuvor genannten ersten Trenneinheiten vorsieht, die hintereinander in Fluidverbindung angeordnet sind.
Alternativ dazu ist es aber auch möglich, eine zweite Trenneinheit einzusetzen, die konstruktiv unterschiedlich ist von der ersten Trenneinheit. Aufgabe dieser zweiten Trenneinheit soll es sein, ebenfalls für eine magnetisch induzierte
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Fixierung von Metallpartikeln zu sorgen, die sich nach dem Verlassen der ersten Trenneinheit noch in der Körperflüssigkeit befinden und an denen im Regelfall auch Substanzen gebunden sind. Diese zweite Trenneinheit ist zweckmäßigerweise derart ausgelegt, dass sie einen Kanal mit einer Aus- buchtung bzw. Vertiefung aufweist, in deren Bereich ein Magnet (Permanentoder Elektromagnet) angeordnet ist. Der Magnet ist der Ausbuchtung des Kanals benachbart angeordnet, d.h. auf der Seite des Kanals angeordnet, in dem dieser in seiner Kanalwand die Ausbuchtung (d.h. die Vorwölbung) aufweist. Diese Ausbuchtung befindet sich zweckmäßigerweise im Betriebszustand der erfindungsgemäßen Durchflussvorrichtung unten, so dass die Anziehung der Metallpartikel in die Ausbuchtung hinein noch durch die Gravitationskraft unterstützt wird. Auch in der Ausbuchtung kommt es selbstverständlich zu einer Verlangsamung der Körperflüssigkeitsströmung, was die bereits oben angesprochenen Vorteile mit sich bringt.
Der Ausbuchtung vorgelagert kann ein Rotationsmagnet sein, bei dem es sich um einen Magneten handelt, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Die Drehrichtung dieses Magnetfeldes ist dergestalt, dass das Zuführen von Metallpartikeln in die Ausbuchtung hinein bzw. in den zum Boden der Aus- buchtung hin durch das Rotationsmagnetfeld unterstützt wird.
Es ist durchaus denkbar und wahrscheinlich, dass die Körperflüssigkeit neben der zu trennenden Substanz auch Bestandteile beinhaltet, die während der Verweildauer innerhalb der erfindungsgemäßen Durchflussvorrichtung chemi- sehe oder biologische Reaktionen eingehen können, die die Eigenschaften dieser Bestandteile nachteilig verändern könnten. Im Falle von Blut als Körperflüssigkeit muss beispielsweise darauf geachtet werden, dass die Blutzellen "verschont" bleiben. Diese Blutzellen könnten jedoch an Antikörpern binden, welche ihrerseits an Liganden der Metallpartikel chemisch kovalent gekoppelt sind. Solange die Antikörper nicht an den Liganden gebunden sind, reagieren sie nicht mit den Blutzellen. Da die Antikörper jedoch dann, wenn sie an den Liganden gebunden sind, ihre Bindungseigenschaften zu anderen Substanzen
ändern, könnte dies dazu führen, dass sie dann an Blutzellen binden (z. B. Phacozytose).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Mischeinheit oder der ersten Trenneinheit eine Einheit zum Deaktivieren von in der Körperflüssigkeit befindlichen nicht zu trennenden Substanzen (beispielsweise Zellen, Biomoleküle o.dgl.) vorgeschaltet; hinter der in Strömungsrichtung letzten Trenneinheit ist dann eine Einheit zur Reaktivierung der zuvor deaktivierten Substanzen angeordnet.
Die Deaktivierung bzw. Reaktivierung erfolgt beispielsweise durch physikalische und insbesondere thermische Eingriffe (Kühlen und Erhitzen), durch chemische Eingriffe (z.B. Proteaseninhibitoren), biologische Eingriffe oder auch mechanische Eingriffe (physikalisches Trennen). Im letztgenannten Fall han- delt es sich bei einer Deaktivierungseinheit dann also um eine Separiereinheit zum Separieren von in der Körperflüssigkeit befindlichen nicht "magnetisch" zu filternden Substanzen bzw. in ihrer Funktion nicht zu beeinträchtigenden Substanzen, während die Reaktivierungseinheit dann eine Vorrichtung zum Vermischen der zuvor separierten Substanzen mit der im übrigen gereinigten Kör- perflüssigkeit ist.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn der oder den zuvor beschriebenen Trenneinheit bzw. Trenneinheiten ein zweiter Satz von Trenneinheiten mit mindestens einer weiteren Trenneinheit parallel geschaltet ist und dass die zu reinigende Körperflüssigkeit wahlweise auf einen der beiden Trenneinheitssätze umschaltbar ist. Dies hat den Vorteil, dass im Fall einer "Sättigung" einer von der Körperflüssigkeit durchströmten Trenneinheit auf die hierzu parallel Trenneinheit umgeschaltet werden kann, um während dieser Zeitdauer die "gesättigte" Trenneinheit zu reinigen, indem beispielsweise eine Spülflüssigkeit durch diese Trenneinheit fließt. Bei diesem Konzept ist insbesondere daran gedacht, der mindestens einen ersten oben beschriebenen Trenneinheit eine weitere erste Trenneinheit parallel zu schalten, wobei die Magnete dieser beiden Trennein-
heiten separat aktivierbar und deaktivierbar sind bzw. selektiv die diesen beiden Trenneinheit zugeordneten Kanäle den von diesen Magneten erzeugten Magnetfeldern wahlweise aussetzbar oder nicht aussetzbar sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich mit Vorteil zur Entfernung von Pathogenen durch Adsorption der Pathogene an mobilen festen Phasen verwenden.
Substanzen, die mit Erkrankungen oder pathologischen Erscheinungen kausal im Zusammenhang stehen (Pathogene) sind für bestimmte Krankheitsbilder verantwortlich, dazu gehören höhermolekulare Stoffe aber auch niedermolekulare Stoffe oder Ionen, z.B. Quecksilberionen. Es hat nicht an Bestrebungen gefehlt, durch Entfernung dieser Pathogene das damit verbundene Krankheitsbild zu heilen oder abzumildern. Ein Beispiel für die Entfernung von Substanzen, die pathogen wirken können, aus Körperflüssigkeiten ist die Dialyse. Hierbei wird den Patienten Blut entnommen, welches in Blutzellen und Plasma aufgetrennt wird und das Plasma wird dann von niedermolekularen Bestandteilen befreit. Diese niedermolekularen Bestandteile würden sonst bei Anreicherung zu schweren Erkrankungen zwangsläufig zum Tod führen. Auch toxische Substan- zen wurden bereits bei Intoxikationen aus den die toxischen Substanzen enthaltenen Körperflüssigkeiten entfernt. Im Folgenden wird anhand von immunologischen Dysfunktionen, das der Erfindung zugrunde liegende Konzept näher erläutert.
Das Immunsystem ist ein essentieller Bestandteil aller tierischer Lebewesen. Bei den Säugetieren dient es insbesondere zur Abwehr von Mikroorganismen, zur Geweberegeneration und zur Vernichtung von Tumorzellen. In der klassischen Immunologie wird unterschieden zwischen einer zellulären und humoralen Immunantwort.
Autoimmunerkrankungen sind Krankheiten, bei denen das Immunsystem Zellen oder Antikörper bildet, welche körpereigene Strukturen als Target haben und
deren Struktur und Funktion verändern. Dies kann im Laufe der Zeit zur Ausprägung von Krankheitssymptomen unterschiedlicher Schweregrade führen. Von besonderem Interesse in diesem Zusammenhang ist die Gruppe der Antikörper vermittelten Autoimmunerkrankungen. Zu ihnen zählt Rheuma, aber auch Myasthenia gravis, Lupus erythematodes und neuerdings auch eine bestimmte Form der Dilatativen Cardiomyopathie (DCM).
Die Pathogenese der meisten Autoimmunerkrankungen ist unbekannt. Es gibt verschiedene Hypothesen und Modelle, wie man die Entstehung von Autoim- munerkrankungen erklären kann. Ein Erklärungsmodell stellt beispielsweise das antigene/molekulare Mimikry dar. Dabei sollen Mikroorganismen, zum Beispiel Viren oder Parasiten, sich mit bestimmten Molekülen ausstatten, die in ihrer Struktur körpereigenen Strukturen des Wirts entsprechen. Damit unterläuft der Mikroorganismus das Immunsystem und hat einen Überlebensvorteil. Werden allerdings diese Moleküle doch vom Immunsystem erkannt und gegen sie Antikörper induziert und produziert, erkennen und binden diese Antikörper auch körpereigene Strukturen.
Hierdurch kann entweder das zelluläre Immunsystem oder das humorale Komplementsystem aktiviert werden. Diese löst dann vor Ort pathogene Reaktionen im Gewebe - zum Beispiel chronische Entzündungen - aus, oder aber es kommt zu einer anderen, pathologischen Fehlfunktion der Zellen, an denen diese Autoantikörper gebunden haben.
Für letztes kann als Beispiel die Dilatative Cardiomyopathie gelten. Bei dieser Herzerkrankung bildet der Organismus fehlerhaft Autoantikörper, die ein definiertes Epitop des ßi-adrenergen Rezeptors auf der Herzmuskelzelle binden. Diese Autoantikörper sind pharmako-aktiv und haben eine dem Adrenalin ähnliche Wirkung.
Jüngst wurde gezeigt, dass die Dilatation des Herzens reversibel ist, wenn man die Immunglobuline aus dem Blutplasma (und damit auch die pathologischen
Autoantikörper) entfernt. Dies geschieht dem Stand der Technik nach mittels einer unspezifischen Immunglobulinadsorption (siehe Literatur: Mueller J. et al Immunoglobulin Adsorption in Patients With Idiopathic Dilatated Cardiomyo- pathy, Circulation 2000; 101 (4): 385).
Bei der Immunadsorption wird das Blut aus dem Körper herausgeleitet und - nach Zugabe von Antikoagulantien - werden Blutzellen und Blutplasma getrennt. Das zellfreie Blutplasma strömt über eine Säule, im Inneren der Säule befinden sich an einer Festphase, zum Sepharose, Antikörper, die gegen humanes Immunglobulin gerichtet sind. Dabei werden praktische alle Immunglobuline, vorzugsweise der Klassen IgG und IgM, gebunden. Somit werden auch die pathologischen Autoantikörper, welche die Funktion der Herzmuskelzellen negativ beeinflussen, gebunden. Diese Antikörpergruppe macht deutlich weniger als 1 % aller Immunglobuline des Plasmas aus, d. h. es müssen praktisch alle Antikörper entfernt werden, um die pathologischen Antikörper zu eliminieren.
Die zum Zwecke der Elimination von Autoantikörpern und Immunglobulinen aus dem Blutplasma angewendeten medizintechnischen Verfahren nutzen die Erkenntnisse der Säulenchromatographie und verwenden auch solche Adsorpti- onssäulen in Kombination mit medizintechnischen Geräten, welche die Blutaufbereitung halbautomatisch besorgen.
Der technische Aufwand, der dafür betrieben werden muss, ist beachtlich. Auch ist die Anwendung des Verfahrens nicht ohne Risiken für den Patienten. Ein besonderer Nachteil dieser Technik ist der relativ hohe Plasmaverlust durch das Totvolumen der Schläuche und Säulenkörper. Nach einem ca. einwöchigen Behandlungszyklus von jeweils vier bis fünf Stunden täglich beläuft sich der Plasmaverlust der Patienten auf 1,5 bis 3 I. Hinzu kommt, dass dem Patienten nicht nur die pathologischen Autoantikörper, sondern auch die nützlichen und notwendigen anderen Immunglobuline, welche zum Schutz vor allem vor Infektionskrankheiten dienen, entfernt worden sind.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die im Stand der Technik genannten Nachteile vermieden. Das dieser Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Grunde liegende allgemeine Prinzip ist die Bindung der Pathogene an eine mobile feste Phase. Dadurch kann praktisch in homogener Lösung die Adsorption der Pathogene bewerkstelligt werden und beispielsweise die Trennung von Blutzellen und Plasma kann entfallen. Dadurch verringert sich die Menge an nicht mehr rückführbarem Blut der behandelten Patienten. Durch die Entfernung der Pathogene und im Falle der Entfernung von Autoantikörpern, dem Verbleib der nützlichen Immunglobuline im Blutplasma kann die kostenintensive Substitution der Immunglobuline durch entsprechende Präparate entfallen.
Die hier beschriebene Verwendung der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung zur Entfernung von Pathogenen aus Körperflüssigkeiten durch Adsorption der Pathogene an mobile feste Phasen geht davon aus, dass an den festen Phasen Pathogene bindende Liganden, z. B. Peptide angeordnet sind. Als Festphasen werden mobile feste Phasen eingesetzt, die mit die Pathogene enthaltenden Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, in Kontakt gebracht werden. Die erhaltene Mischung wird nach Bindung der Pathogene an die mobile feste Phase, welche in Zeiträumen im Minutenbereich üblicherweise beendet ist, durch elektromagnetische Kräfte in die mobile feste Phase und die von den Pathogenen befreiten Körperflüssigkeiten getrennt.
Als Pathogene kommen insbesondere toxische Substanzen, Biopolymere wie Antikörper, insbesondere Autoantikörper, niedermolekulare Stoffe, Peptide, Oligonucleotide in Betracht.
Typischerweise wird die mobile feste Phase durch Mikropartikel gebildet, an deren Oberfläche die Pathogene bindenden Liganden, z.B. Peptide angeordnet sind.
Dabei kann beispielsweise entweder der Mikropartikel magnetisch oder magneti- sierbar sein. Vorzugsweise beträgt die Größe der Mikropartikel 0,01 nm bis 30 μm im Durchmesser (mittlerer Durchmesser). Es haben sich insbesondere Magnetobeads bewährt, an deren Oberfläche insbesondere kovalent gebundene Peptide, die Autoantikörper binden können, eingesetzt werden. Erfindungsgemäß lassen sich insbesondere Körperflüssigkeiten wie Blut und Liquor behandeln. Die Inkubation der mobilen festen Phase, an deren Oberfläche Pathogene bindende Peptide angeordnet sind und den die Pathogene enthaltenden Körperflüssigkeiten findet extrakorporal in Durchmischungskammern und bereits auf dem Wege zu den Durchmischungskammern, beispielsweise in Schläuchen, statt. Vorzugsweise wird die Temperatur der Körperflüssigkeit während der Durchführung des Verfahrens um 5 bis 10°C abgekühlt.
Das unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ablaufende Verfah- ren lässt sich insbesondere zur Elimination von Autoantikörpern einsetzen, die für pathologische Erscheinungen wie Dilatative Cardiomyopathie (DCM), Rheuma, Myasthenia gravis, Lupus erythematodes verantwortlich oder damit involviert oder gegen Protein G gekoppelte zelluläre Rezeptoren gerichtet sind.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet, Pathogene, die in relativ geringer Menge im Organismus vorliegen, zu entfernen.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfϊndungsgemäßen Durchflusstrennvorrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 und
Fign. 3 und 4
ein zweites Ausführungsbeispiel einer in unterschiedlichen Betriebsstellungen dargestellten Durchflusstrennvorrichtung, bei der von zwei parallel zueinander geschalteten magnetischen Trenneinheiten eine jeweils die Trennfunktion erfüllt, während die andere zu dieser Zeit gereinigt werden kann.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10, durch die mittels einer (nicht dargestellten) (Schlauch-)Pumpe Körperflüssigkeit (nachfolgend wird in diesem Zusammenhang auf Blut Bezug genommen) durch mehrere Stationen hindurchgepumpt wird. (Alternativ kann die Blutströmung auch auf Grund des natürlichen venösen Blutflusses erfolgen.) Die Vorrichtung 10 dient der Elimination von beispielsweise Biomolekülen oder Autoantikörpern aus dem Blut, die pathologisch oder toxisch sind. Zunächst durchströmt das Blut eine Kühleinheit 12, deren Aufgabe es ist, die Reaktivität der im Blut befindlichen Zellen herunter- zusetzen. Insofern handelt es sich also bei dieser Einheit 12 um eine Deaktivierungseinheit zum Deaktivieren von solchen Bestandteilen des Bluts, die bei dem Eliminationsvorgang nicht Schaden nehmen sollen bzw. anfällig für Reaktionen während des Trennvorgangs sind.
Der Auslass der Kühleinheit 12 ist mit einer Mischeinheit 14 verbunden, in der dem Blut aus einem Gefäß 16 magnetisierbare Metallpartikel 18 zugesetzt werden. In der Mischeinheit 14 werden diese Metallpartikel 18 mit dem Blut vermischt und gelangen danach in eine erste magnetische Trenneinheit 20, die einen im Querschnitt erweiterten Kanal 22 aufweist. Dieser Kanal 22 ist gegenüber dem die einzelnen Einheiten der Vorrichtung 10 verbindenden Schlauchsystem im Querschnitt vergrößert.
Oberhalb der Wandung 24 des Kanals 22 befindet sich ein (Permanent- oder Elektro-)Magnet 26, der ein zur Schwerkraft entgegen gesetzt gerichtetes Magnetfeld erzeugt, dem das durch den Kanal 22 fließende Blut ausgesetzt ist. Durch die Keilform des Magneten 26 soll in der Fig. 1 angedeutet sein, dass das von diesem Magneten 26 erzeugte Magnetfeld vom Einlass 28 bis zum
Auslass 30 graduell ansteigt. Mit anderen Worten ist das Blut in dem Kanal 22 einem Magnetfeldgradienten ausgesetzt.
Die magnetisierbaren Metallpartikel 18 haben die Neigung, an den aus dem Blut herauszutrennenden Biomolekülen bzw. Autoantikörpern zu binden. Hierzu weisen die Metallpartikel 18 Liganden oder Antigene auf, die mit den Biomolekülen bzw. den Autoantikörpern des Bluts eine Bindung eingehen, für diese also wie ein Rezeptor wirken. Gelingt es nun, diese Metallpartikel 18 innerhalb der Blutströmung zurückzuhalten, d.h. zu fixieren, so ist die Aufgabe der Trennung ausgeführt.
Die magnetische Fixierung der magnetisierbaren Metallpartikel 18 erfolgt in der magnetischen Trenneinheit 20. Auf Grund des Magnetfeldes des Magneten 26 werden die magnetischen bzw. magnetisierbaren Metallpartikel 18 im bezogen auf Fig. 1 oberen Bereich 32 der Kanalwandung 24 auf dieser fixiert. Auf Grund des Magnetfeldgradienten erfolgt hier eine im wesentliche gleichförmige Verteilung magnetisierbarer bzw. magnetischer Metallpartikel mit gebundener Substanz (Biomolekül, Autoantikörper) über die Länge des Kanals 22. Wie man anhand von Fig. 2 erkennen kann, weist die Kanalwand 24 in ihrem oberen Bereich 32 eine Rippen- und Rinnenstruktur mit wellenförmigen Bergen und Täler auf, wobei die Rippen und Rinnen in Strömungsrichtung, d.h. in Richtung der Erstreckung des Kanals 22 verlaufen. Wie man anhand von Fig. 2 sehen kann, lagern sich die Metallpartikel in den Längsvertiefungen 34 an. Hierbei erfolgt neben der Fixierung auch eine räumliche Trennung der mit Liganden oder Antigenen versehenen Metallpartikel mit den daran gebundenen Biomolekülen bzw. (Auto-)Antikörpern, was dazu führt, dass die Wahrscheinlichkeit verringert ist, dass Blutzellen, die auf Grund der Schwerkraft dazu neigen, bei der Durchströmung des Kanals 22 in Richtung auf dessen Boden abzudriften, in Kontakt mit den gebundenen (Auto-)Antikörpern bzw. Biomolekülen gelan- gen.
Eine Alternative besteht darin, dass der Magnet 26 unterhalb des Bodens des Kanals 22 angeordnet ist und dass die Metallpartikel zum Boden hin angezogen und dort fixiert werden. Der Boden weist in diesem Fall die gleiche Struktur wie der Bereich 34 der Kanalwand 24 in Fig. 2 auf.
Das den Auslass des Kanals 22 verlassende Blut kann immer noch Metallpartikel 18 aufweisen. Obwohl diese Metallpartikel so gewählt sind, dass sie inert gegenüber den übrigen Bestandteilen des Bluts sind und vom menschlichen Körper biologisch abbaubar sind, ist es dennoch von Vorteil, wenn auch diese noch verbleibenden Metallpartikel magnetisch in der Vorrichtung 10 gebunden werden. Zu diesem Zweck befindet sich in Strömungsrichtung hinter der ersten Trenneinheit 20 eine zweite magnetische Trenneinheit 36, die ebenfalls einen Kanal 38 und einen außerhalb des Kanals 38 angeordneten Magneten 40 aufweist. Auch dieser Magnet 40 kann entweder ein Dauer- oder ein Elektro- magnet sein. Der Kanal 38 dieser zweiten Trenneinheit 36 weist eine Ausbuchtung 41 in Form einer Senke auf. Im Bereich dieser Senke ist der Magnet 40 angeordnet. Die Metallpartikel 18 werden sich also in der Ausbuchtung 41 nahe dem Magneten 40 ansammeln, da dort das Magnetfeld am stärksten ist. Zur Unterstützung der Bewegung der Metallpartikel 18 mit den an ihnen ge- bundenen Substanzen (Biomoleküle, Autoantikörper) dient ein Rotationsmagnet 42, der eine rotierendes Magnetfeld erzeugt, dessen Drehsinn 44 so gewählt ist, dass die Metallpartikel 18 dem Drehsinn des Magnetfeldes des Magneten 42 folgend in die Ausbuchtung 41 hinein gelenkt werden. Der Magnet 42 ist in Strömungsrichtung betrachtet vor der Ausbuchtung 41 und nahe zu die- ser angeordnet. Bei dem Magneten 42 kann es sich entweder um einen rotierenden Magneten oder aber um einen feststehenden Magneten handeln, dessen durch Stromfluss erzeugtes Magnetfeld, durch entsprechende Ansteuerung rotiert. Anstelle einer Senke kann die Ausbuchtung auch im oberen Bereich der Leitung 54 ausgebildet sein. Der Magnet 42 ist dann oberhalb der Leitung 54 vor der Ausbuchtung angeordnet. Die Vorteile dieser Variante sind die gleichen, wie sie weiter oben im Zusammenhang mit der Anordnung des Magneten 26 oberhalb des Kanals 22 beschrieben sind.
Nachdem das Blut die zweite Trenneinheit 36 passiert hat, gelangt es in eine Erwärmungseinheit 46, in der das Blut wieder auf Körpertemperatur erwärmt wird. Im Anschluss an die Einheit 46 kann dann das Blut beispielsweise wieder direkt dem menschlichen oder tierischen Blutkreislauf zugeführt werden.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Der Unterschied besteht darin, dass zwei erste magnetische Trenneinheiten 20 parallel geschaltet sind. Hierzu verzweigt sich die Verbindungsleitung zwischen der Mischeinheit 14 und den Kanälen 22 der beiden Trenneinheiten 20 in zwei Teilleitungen 48, auf die wahlweise durch ein Ventil 50 o.dgl. umgeschaltet werden kann. Ebenso sind die Auslässe 30 der beiden Kanäle 22 über Teilleitungen 52 mit der zur zweiten Trenneinheit 36 führenden Leitung 54 verbunden. Auch hier befindet sich zwischen diesen Leitungen ein Umschaltventil 56 o.dgl. Die Kanäle 22 weisen an ihren Ein- und Auslässen 28,30 zusätzliche Ein- und Auslässe 58,60 für Spülleitungen 62,64 auf, wobei zwischen den Einlassen 28 und 58 bzw. den Auslässen 30,60 jeweils Umschaltklappen oder -ventile 66,68 angeordnet sind.
Der Vorteil der Vorrichtung gemäß Fig. 3 besteht darin, dass dann, wenn eine der beiden ersten Trenneinheiten 20 "gesättigt" ist, unter Aufrechterhaltung des Reinigungs- bzw. Trennvorgangs des Bluts diese Trenneinheit gereinigt werden kann, wobei während dieser Zeit die parallel geschaltete zweite Trenneinheit die Aufgabe der Reinigung des Bluts übernimmt. Zu diesem Zweck sind sämtliche Ventile und die Magneten 26, bei denen es sich um ein- und ausschaltbare Elektromagnete handelt, mit einer Steuereinheit 70 verbunden, die die Ansteuerung der zuvor beschriebenen Komponenten übernimmt.
Fig. 4 schließlich zeigt die Situation, bei der innerhalb der Vorrichtung gemäß Fig. 3 die weiter oben angeordnete erste magnetische Trenneinheit 20 die Blutreinigung übernimmt, während die untere Trenneinheit 20 gerade gespült wird. In der Fig. 3 ist diese Situation exakt umgekehrt wiedergegeben.
Für die Situationen gemäß Fign. 3 und 4 gilt, dass der Elektromagnet 26 der gerade zu reinigenden Trenneinheit 20 abgeschaltet ist, wobei die Ventile 66,68 den Einlass 58 und den Auslass 60 freigeben sowie den Einlass 28 und den Auslass 30 verschließen. Für die jeweils im „Trennmodus" befindliche Trenneinheit 20 gilt, dass deren Elektromagnet 26 eingeschaltet ist, wobei die Ventile 66,68 den Einlass 28 und den Auslass 30 freigeben sowie den Einlass 58 und den Auslass 60 verschließen.
Aus den im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 genannten Gründen ist es von Vorteil, wenn die Elektromagnete 26 der Vorrichtung nach den Fign. 3 und 4 oberhalb der Kanäle 22 angeordnet sind. Dementsprechend können dann auch die Spülleitungen 62 und 64 gegen die Leitungen 48 und 52 vertauscht sein.
Ein Anwendungsbeispiel eines mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung ablaufenden Verfahrens zur Entfernung von mit Erkrankungen oder pathologischen Erscheinungen kausal im Zusammenhang stehenden Substanzen (z. B. Pathogenen als Spezialfall solcher Substanzen) aus Blut (Körperflüssigkeit) wird nachfolgend erläutert.
Im folgenden wird als Ausführungsbeispiel die Anwendung von der mobilen Phase mit Peptiden zur Elimination von Autoantikörper bei der Dilatativen Cardiomyopathie beschrieben. Für diese Krankheit ist bekannt, dass der Organismus bei ca. 80% der Patienten Antikörper bildet, welche sich gegen Epitope auf den Loop 1 oder Loop 2 des ßi-adrenergen Rezeptors richten. Diese Antikörper können in biologischen Tests bestimmt werden. In diesen Tests wurde auch gezeigt, dass Aminosäureketten, welche Teile des Loops darstellen, die funktio- nell aktiven pathologischen Autoantikörper neutralisieren. Dies geschieht durch deren Bindung an die Peptide. Peptide mit solchen Eigenschaften, nämlich der Neutralisation der Autoantikörper, wurden an Magnetpartikel gekoppelt bzw. als Liganden für Metallkomplexe verwendet.
Anschließend wurden die Magnetpeptide an die Magnetpartikel gebundenen Peptide mit dem Blut durchmischt und das Blut durch ein Magnetfeld geleitet.
Die Ergebnisse zeigen, das Peptide, die Teile des ßl-adrenergen Rezeptors darstellen, gekoppelt an eine magnetisierbare mobile feste Partikelphase von ca. 10 μm, die pathologischen Autoantikörper einer Patienten mit Dilatativer Cardiomyopathie binden und sich diese Autoantikörper beladenen Magnetpartikel anschließend mittels eines Magnetfeldes aus einen Patientenblut eliminieren lassen. Im Ergebnis wurde eine Reduktion der Autoantikörper im Blut, gemessen im biologischen Test, nachgewiesen, d.h. es waren keine Autoantikörper mehr nachweisbar.
Spiegel von ßi-adrenergen Autoantikörpern eines Patienten mit Dilatativer Cardiomyopathie. Das Blutplasma/Serum bzw. die darin enthaltenen Immunglobuline haben eine biologische Aktivität. Nach Koinkubation von Vollblut mit Mag- netpeptiden und Elimination der Magnetpeptide aus dem Blutplasma durch Anlegen eines Magnetfelds ist in den Immunglobulinen die biologische Wirkung reduziert.