DE2325538C2

DE2325538C2 - Gerät und Verfahren zur Behandlung von Körperflüssigkeit

Info

Publication number: DE2325538C2
Application number: DE2325538A
Authority: DE
Inventors: Kenneth N. Berkeley Calif. Matsumura
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-12-29
Filing date: 1973-05-19
Publication date: 1983-10-20
Also published as: US3734851A; FR2229429B1; AU486293B2; US3827565A; NL7307060A; NL178224C; AU5583973A; GB1401191A; DE2325538A1; FR2229429A1; CH554680A

Description

is Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Behandlung von Körperflüssigkeit unter Anwendung einer halbdurchlässigen Membrane und einer damit verbundenen Anordnung zur Kontaktierung der zu behandelnden Körperflüssigkeit mit einer Seite der Membrane sowie ein Verfahren zur Behandlung von Körperflüssigkeit unter Anwendung eines derartigen Geräts. Die Erfindung betrifft somit das Gebiet künstlicher Organe.

Erfolgreiche künstliche Organe waren auf jene Organe begrenzt, die die einfachste Funktion aufweisen, ζ. B. im Fall der Niere, zu filtern und im Fall des Herzens, zu pumpen. Es wurde als unmöglich angenommen, ein Verfahren und Gerät für die Behandlung von Blut zu entwickeln, um die Funktion viel komplizierterer Organe, wie beispielsweise der Leber, zu ersetzen oder zu ergänzen, da dieses Organ eine Vielfalt von Funktionen im Blut hinsichtlich der Entfernung, chemischen Umwandlung und dem Zusatz einer Vielzahl von Chemikalien ausübt.

Man hat bereits als Mikrokapseln ausgebildete, chemische Entgiftungsmittel enthaltende künstliche Zellen zur Behandlung von Blut eingesetzt, die sich jedoch als Ersatz der Leberfunktion als unzureichend erwiesen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren und Gerät für die Behandlung von Blut oder anderer Körperflüssigkeit, welches die verschiedenen und komplizierten Funktionen versieht, die normalerweise durch komplizierte Organe, wie die Leber oder die endokrinen Bauchspeicheldrüsen, ausgeführt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät der eingangs genannten Gattung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß vorher dispergierte lebende Organzellen angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane und ohne direkte Berührung mit der Körperflüssigkeit angeordnet sind.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Körperflüssigkeit unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Geräts, wobei die zu behandelnde Flüssigkeit mit einer Seite einer halbdurchlässigen Membrane in Berührung gebracht wird und vorher dispergierte lebende Organzellen angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane angeordnet werden.

Als lebende Organzellen werden insbesondere lebende Leberzellen oder lebende Bauchspeicheldrüsenzellen eingesetzt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen

Fig. 1 eine teilweise angeschnittene perspektivische Ansicht des Gerätes,

F i g. 2 eine Vertikalschnittansicht längs der Linie 2-2 von Fig. 1,

F i g. 3 eine Vertikalschnittansicht längs der Linie 3-3 von F i g. 1 und

Fig.4 eine Ansicht der Einzelteile des Gerätes wiedergeben.

In dem Gerät der Erfindung sind eine halbdurchlässige Membrane 12 auf einer Seite von zu behandelndem Blut oder zu behandelnder Körperflüssigkeit, wie durch die Pfeile 14 angedeutet, und lebende Organzellen 15, insbesondere lebende Leberzellen, angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane 12 angeordnet

Vorzugsweise wird eine zweite halbdurchlässige Membrane 13 auf der gegenüberliegenden Seite der Zellen angebracht, und Dialysatflüssigkeit, angedeutet durch die Pfeile 17, flieSt über die zweite Membrane ohne Berührung mit dem Blut 14 und den Zellen 15. Auf diese Weise fließen vom Blut mitgeführte verbrauchte Produkte durch die erste Membrane, wobei die Zelleiischicht darauf einwirkt, fließen durch die zweite Membrane, und werden durch die DialysatDüssigkeit aufgenommen und weggeführt Gleichzeitig werden durch die Zellen erzeugte erwünschte Produkte und im Blut enthaltene Substanzen, auf die die Zellen unter Bildung erwünschter Produkte einwirken, in den Blutstrom 14 aufgenommen. Gleichermaßen fließen erwünschte Salze oder Substanzen, wie beispielsweise Aminosäuren und Vitamine, in der Dialysatflüssigkeit durch das Gerät, um in den Blutstrom zu gelangen, der in der Konzentration solcher Bestandteile erschöpft ist

Die erste Membrane ist von solcher Art, um den Durchgang von Molekülen, jedoch vorzugsweise nicht von Zellen zu erlauben. Somit verhindert die Membrane 12 die Übertragung von immunologischen Zellen im Blut, welche sonst die Leberzellen zerstören könnten, wenn genetische Gewebsunverträglichkeit zwischen den Leberzellen und dem behandelten Lebewesen besteht, und sie verhindert auch den Verlust von Leberzellen in das Blut Die Membrane 12 erlaubt optimalen Durchgang von Molekülen großer Abweichung in Größe, Form und elektrischer Ladung, wie beispielsweise Protein, Kohlehydrat, Bilirubin, Ammoniak etc. Eine solche Membrane kann z. B. aus Filtermaterial bestehen, wie beispielsweise aus gemischten Celluloseestern hergestelltes Filtermaterial mit einer Porosität oder durchschnittlichen Porengröße von etwa 0,45 μίτι. Andere Arten von Membranen, z. B. andere Membranen mit kleiner Porengröße, können geeignet sein. Jede Membrane mit verschiedenem chemischen Aufbau und verschiedener Struktur weist ihre charakteristischen Eigenschaften bezüglich des bevorzugten Durchganges bestimmter Moleküle, der erlaubten Diffusionsrate, der Giftigkeit, der Leichtigkeit der Handhabung, der Festigkeit, der Dauerhaftigkeit im Gebrauch, der Gerinnsel bildenden Eigenschaft etc. auf, wie im Fachgebiet wohlbekannt, und wird demgemäß durch den Fachmann ausgewählt. Die Membranen weisen solche Dicke auf, daß ein leichter oder schneller Austausch von Molekülen möglich ist, und können von etwa 30 bis 150 μΐη variieren.

Die Membrane 13 ist von solcher Art, daß der Durchgang von Molekülen mit geringerer Größe als Proteinmoleküle und von solchen verschiedener Form und elektrischer Ladung möglich ist. Die Membrane verhindert den Durchgang großer Moleküle, wie beispielsweise Proteine, und den Verlust von Leberzellen an die Dialysatflüssigkeit. Während des Hepatifikationsvorganges, d. h. der Ausübung der Leberfunktion,. tauscht das behandelte Blut durch die Membrane 12 Moleküle, wie beispielsweise nichtkonjugiertes Bilirubin, Ammoniak, Glucose, Proteine, Aminosäuren, Vitamine etc, mit Molekularprodukten der Leberzellen aus. Gleichzeitig fließen solche Leberzellenprodukte, wie konjugiertes Bilirubin, Gallensalze, Harnstoff etc. durch die Membrane 13 heraus in die Dialysatflüssigkeit Eine vorteilhafte Membrane für die Verwendung als zweite Membrane ist eine Membrane aus regenerierter Cellulose, wie sie in künstlichen Nieren verwendet wird. Die Membrane 13 variiert in der Dicke von etwa 25 bis 75 μπι. Andere Arten von Membranen, wie beispielsweise solche aus hochpolymeren Organosiliciumverbindungen, können geeignet sein. Die Membrane wird vom Fachmann ausgewählt um z. B. ihren bekannten, bevorzugten Durchgang der Moleküle, die geeignete Ungiftigkeit ihre Festigkeit die Leichtigkeit der Handhabung und die Dauerhaftigkeit im Gebrauch hervorzubringen.

Die Dialysatflüssigkeit variiert in der Zusammensetzung in Abhängigkeit von dem behandelten Lebewesen und seinem besonderen Bedarf. Solche wäßrigen Dialysatflüssigkeiten sind im Handel erhältlich.

Die Leberzellenschicht kann, wenn gewünscht durch Präparieren einer »augenblicklich« konfluierenden Monoschicht oder superkonfluierenden Schicht unter Anwendung bekannter Gewebekulturtechniken auf jeder Membrane vor ihrer Anordnung zu der hier beschriebenen und dargestellten Trilaminatstruktur aus einer frischen, wäßrigen Suspension von Leberzellen, d. h. einmal bzw. vorher dispergierte Zellen, hergestellt werden. Eine solche Suspension kann durch viele bekannte Gewebespaltungsverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise das Trypsin-Verfahren von A. Moscona. Der Ausdruck »augenblicklich« bedeutet, daß eine Membrane mit einer Suspension von lebenden Zellen bei hoher Konzentration behandelt oder damit in Berührung gebracht wird, und es bildet sich dann durch Zellhaftung an der Membrane eine Monoschicht, wobei unverzüglich eine konfluierende Monoschicht oder superkonfluierende Schicht entsteht. Eine konfluierende Monoschicht ist eine Schicht, weiche die Membrane auf eine Tiefe von einer Zelle vollständig bedeckt, aber es versteht sich, daß ein kleinerer Teil der Oberfläche der Membrane mit einer Schicht von mehr als einer Zeile in der Tiefe bedeckt werden kann; und in einer superkonfluierenden Schicht ist eine solche Bedeckung zwei oder mehr Zellen tief. Diese Ausdrücke und Verfahren sind im Fachgebiet bekannt. Wenn eine konfluierende Schicht auf die übliche Art und Weise, ausgehend von einer Suspension von 2,5 · 10⁵ZeIlCn pro cm³ Leberzellen, hergestellt wird, entsteht eine unerwünschte Änderung in dem Verhältnis von Epithelialzellen zu Fibroblastzellen in der Monoschicht von dem in vivo gefundenen. Fibroblastzellen vermehren sich selektiv schneller als Epitheiialzellen. Es ist deshalb aus zwei Gründen besonders vorteilhaft, eine konfluierende Monoschicht oder superkonfluierende Schicht zu verwenden: Erstens um maximale Hepatifikation, d. h. Herbeiführung der Leberfunktion, pro Oberfläche zu erlauben und zweitens die Vermehrung von Fibroblasten als auch die Entdifferenzierung, d. h. Verlust der Fähigkeit zur Entgiftung von Körperflüssigkeit, von Epitheiialzellen zu verhindern. Zur Erzielung eines optimaien Austausche sowohl mit dem Blut als dem Dialysat als auch zur Verhinderung der Entdifferenzierung entspricht die Tiefe der Leberzellenschicht in vorteilhafter Weise der Dicke einer Zellschicht. Es ist jedoch nicht wesentlich, eine Monoschicht zu verwenden, solange die Zellschicht, wie hierin beschrieben, den

Fluß zwischen den Membranen erlaubt.

Verfahren und Gerät der Erfindung werden, wenn sowohl die Leber als auch die Niere gleichzeitig versagen, als künstliche Leber-Nierenfunktion oder in Fällen von Diabetes mit Elektrolyt-Ungleichgewicht als eine künstliche endokrine Bauchspeicheldrüsen-Nierenfunktion verwendet. Im letzteren Fall ist die Zellschicht der Trilaminatstruktur aus Bauchspeicheldrüsenzellen, die unter Verwendung der von S. Moskalewski in Gen. Comp. Endoc. 5:342 (1965) oder C. Hellerstrom (1964), Acta Endocrinol. 45:122—132 beschriebenen Technik isoliert werden oder aus Insulinoma-Zellen eines Patienten, d. h. gutartigen, nicht-cancerösen Tumorzellen der Pancreasinseln, aufgebaut. Eine Monoschicht von Insulinoma-Zellen kann aus niedrigeren Zellkonzentrationen, z. B. 5 · 10⁵ Zellen pro cm³, durch herkömmliche Verfahren gebildet werden.

Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Behandlungseinheiten 10, die jeweils mindestens eine Kombination von Körperflüssigkeit oder Blut, Membrane und lebenden Zellen enthalten, in einem Gehäuse 11 angeordnet, das, wie in F i g. 2 dargestellt, mit einem Einlaß 40 und einem Auslaß 42 zum Einlassen und Auslassen des zu behandelnden Blutes versehen ist. Vorzugsweise und in der hier speziell dargestellten Form, enthält jede Einheit 10 das Membranenpaar 12 und 13 mit den als Zwischenschicht angeordneten lebenden Zellen 15, so daß das Blut 14 über die Membrane 12 fließen kann, während die Dialysatflüssigkeit 17 über die Membrane 13 fließen kann, siehe F i g. 3. Demgemäß ist das Gehäuse 11 mit Einlaß- und Auslaßöffnungen 43 und 44 für die Zuführung und den Auslaß von Dialysatflüssigkeit versehen. Die Membranen 12 und 13 können um ihre Kanten, wie bei 16 veranschaulicht, durch ein geeignetes Mittel, wie beispielsweise einen Klebstoff aus hochpolymeren Organosiliciumverbindungen, abgedichtet sein, um die lebende Zellschicht 15 dazwischen einzuschließen. Wie in Fig.2 und 3 dargestellt, sind Einheiten 10 in abwechselnd umgekehrten Stellungen angeordnet, so daß die Membranen 12 von benachbarten Einheiten sich im Abstand voneinander befinden, um einen Blutweg 18 dazwischen zu bilden; und die Membranen 13 befinden sich in im Abstand voneinander angeordneter gegenüberliegender Stellung und bilden Durchgänge 19 dazwischen für Dialysatflüssigkeit.

Die Strömung der Flüssigkeiten durch diese Durchgänge wird auch durch Rahmen 21, 21' begrenzt und gelenkt, welche die Seitenwände 22, 23, 24 und 25 solcher Durchgänge und die Stirnwände 27, 28, 29 und 30 bilden. Von den Seitenwänden 22 und 23 angrenzend an ihre Verbindung erstrecken sich nach innen Trennwände 32'; und von den Stirnwänden 29 und 30 in dem Rahmen 2Γ erstrecken sich Trennwände 33 nach innen, die sich im allgemeinen senkrecht zu den Wänden 29 und 30 und den im allgemeinen parallel zu den Wänden 29 und 30 verlaufenden Wänden 34 erstrecken, um einen eingeschlossenen Bereich 35 zu bilden. Der

Bereich oder die öffnung 35 grenzt im zusammengebauten Zustand an den Raum 36 in dem Rahmen 21, um einen Eintritts- oder Ausgangsdurchgang oder Vorratsbehälter zu bilden, der mit dem Durchgang 18 verbunden ist. Gleichermaßen passen die durch die Wände 32, 32' in dem Rahmen 21 eingerahmten öffnungen 38 mit Bereichen oder öffnungen 39 in dem Rahmen 2V nach Zusammenbau zusammen, um eine Leitung oder einen Durchgang oder Vorratsbehälter zu bilden, der mit dem Dialysatdurchgang 19 an einem Ende des Gerätes verbunden ist, und um das Dialysat am anderen Ende abzuziehen, ähnlich der obigen Anordnung für die Leitung von Blut zu und von den Einheiten zur Ausübung der Leberfunktion. Einlaß- und Auslaßleitungen 40 und 42 sind, wie oben angegeben, vorgesehen,

um Einführen und Abziehen der Körperflüssigkeit, wie beispielsweise Blut, zu ermöglichen; und Leitungen 43 bzw. 44 ermöglichen das Einführen und Abziehen der Dialysatflüssigkeit im Gegenstrom zum Blutstrom. Die Strömung kann im Gleichstrom bewirkt werden, aber es

ist vorteilhaft, sie im Gegenstrom auszuführen. Die Rahmen 21 und das Gehäuse können aus hochpolymeren Organosiliciumverbindungen, Acrylharzen oder anderem mit Körperflüssigkeiten verträglichem Material hergestellt sein und werden vorzugsweise behan-

delt, um die Bildung von Blutgerinnseln im Blut zu vermeiden. Das Verfahren kann mit Zellbehandlung und Dialyse des Blutes betrieben werden und kann gleichzeitig oder hintereinander geschaltet durchgeführt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Gerät zur Behandlung von Körperflüssigkeit unter Anwendung einer halbdurchlässigen Membrane und einer damit verbundenen Anordnung zur Kontaktierung der zu behandelnden Körperflüssigkeit mit einer Seite der Membrane, dadurch gekennzeichnet, daß vorher dispergierte lebende Organzellen (15) angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane (12) und ohne direkte Berührung mit der Körperflüssigkeit angeordnet sind.

.2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab lebende Leberzellen angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane (12) und ohne direkte Berührung mit der Körperflüssigkeit angeordnet sind.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lebende Bauchspeicheldrüsenzellen angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane und ohne direkte Berührung mit der Körperflüssigkeit angeordnet sind.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zweite halbdurchlässige Membrane (13), deren eine Seite neben der zuerst erwähnten Membrane (12) liegend angebracht ist, wobei die Zellen (15) zwischen den Membranen (12) und (13) enthalten sind, und eine Anordnung, die Dialysat-Flüssigkeit auf die gegenüberliegende Seite der zweiten Membrane (13) ohne direkte Berührung mit den Zellen und der Körperflüssigkeit führt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (12) für Moleküle, die kleiner sind als die Zellen, durchlässig ist und die Membrane (13) für Moleküle, die kleiner als Proteinmoleküle sind, durchlässig ist

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in einer konfluierenden Monoschicht oiier superkonfluierenden Schicht angeordnet sind.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in einer Schicht angeordnet sind, die eine Dicke von etwa einer Zelle aufweist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane aus einem Filtermaterial besteht.

9. Verfahren zur Behandlung von Körperflüssigkeit unter Anwendung des Geräts nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Flüssigkeit mit einer Seite einer halbdurchlässigen Membrane in Berührung gebracht wird und vorher dispergierte lebende Organzellen angrenzend an die gegenüberliegende Seite der Membrane angeordnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Organzellen lebende Leberzellen angewendet werden.

II. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Organzellen lebende Bauchspeicheldrüsenzellen angewendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch eine zweite Membrane mit einer Dialyseflüssigkeit dialysiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite einer zweiten halbdurchlässigen Membrane neben der ersten

Membrane zur Aufnahme der Zellen dazwischen angeordnet wird und Dialysat-Flüssigkeit auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Membrane ohne direkte Berührung mit den Zellen und der Körperflüssigkeit angeordnet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Körperflüssigkeit in einer Richtung der ersten Membrane fließen läßt und die Dialysat-Flüssigkeit in einer entgegengesetzten Richtung der zweiten Membrane fließen läßt