DE4011100A1 - Extracorporeal or implantable artificial organs - esp. to replace kidney or liver function, with semipermeable membrane controlled by biological and metabolic substances - Google Patents

Abstract

An extra-corporeal or implantable bio-artificial organ of semipermeable material suitable for replacing or supporting the function of various organs, esp. kidney or liver function, comprising an exchange and sensor part implanted in an artery or vein and consisting principally of one or more hollow fibres with a coating of endo- or mesothelial cells, and an extra-corporeal or implanted reactor part consisting of semipermeable membranes, usually in the form of hollow fibres with cells which can replace various organ functions, or hollow fibres which only allow an exchange function, connected together such that diffusion is controlled by biological signals and by metabolic substances. USE/ADVANTAGE - The reactor part contains allogenic or xenogenic cells which allow the device to take over completely the function of the organ in question as a result of signals from an implanted sensor which allows rapid exchange of biological signals and of metabolic substances.

Description

Titeltitle

Ein extrakorporales oder ein implantierbares bio-artifizielles Organ, welches verschiedene Organfunktionen ersetzen oder unterstützen kann.An extracorporeal or an implantable bio-artificial organ, which can replace or support various organ functions.

Gattung des AnmeldungsgegenstandesGenre of the object of registration

Die Erfindung betrifft ein extrakorporales oder implantierbares und aus semipermeablem Material gestaltetes bio-artifizielles Organ mit Zellen, die verschiedene Organfunktionen ersetzen können. Dieses bio-artifizielle Organ besteht aus einem in die Arterie oder in die Vene implantierten Austauschteil (meistens eine oder mehrere Hohlfasern mit der Beschichtung von Endo- und Mesothelialzellen) und aus einem extrakorporalen oder einem implantierten Reaktorteil (bestehend aus semipermeablen Membranen, meistens in Form von Hohlfasern mit Zellen, die bestimmte Organfunktionen ersetzen können oder in Form von Hohlfasern die nur Austauschfunktionen ermöglichen), die so miteinander verbunden sind, daß der Durchfluß von biologischen Signalen und von metabolischen Substanzen möglich ist.The invention relates to an extracorporeal or implantable and semi-permeable material designed bio-artificial organ with cells that can replace various organ functions. This bio-artificial organ consists of an exchange part implanted in the artery or vein (usually one or more hollow fibers with the coating of endo and Mesothelial cells) and from an extracorporeal or an implanted Reactor part (consisting of semipermeable membranes, mostly in the form of Hollow fibers with cells that can replace certain organ functions or in the form of hollow fibers that only enable exchange functions) that work together are connected that the flow of biological signals and of metabolic substances is possible.

Angaben zur GattungInformation on the genus

Das vorgegebene bio-artifizielle Organ soll vor allem die Funktion der beschädigten Organe (z. B. Nieren, Lungen oder Leber) teilweise oder vollständig ersetzen. Es kann auch in anderen Situationen, wo die Ersetzung der Funktion von bestimmten Organen wünschenswert ist, angewandt werden.The specified bio-artificial organ is primarily intended to function as the damaged one Organs (e.g. kidneys, lungs or liver) partially or completely replace. It can also be used in other situations where the function replacement from certain organs is desirable.

Stand der TechnikState of the art

Bisherige Versuche der Bildung der bio-artifiziellen Organe, welche bestimmte Organfunktionen ersetzen konnten, waren vor allem zur Konstruktion von Hämoperfusoren begrenzt. In diesen Hämoperfusoren waren Enzyme oder andere chemisch aktive Substanzen immobilisiert (Callegaro und Mitarb., 1981; Chang und Lister, 1980; Hughes und Mitarb., 1979; Tÿsen und Mitarb., 1979; Weston und Mitarb., 1974; Sofer und Mitarb., 1979). Previous attempts at the formation of bio-artificial organs, which determined Able to replace organ functions were primarily for the construction of hemoperfusors limited. Enzymes or others were in these hemoperfusors immobilized chemically active substances (Callegaro et al., 1981; Chang and Lister, 1980; Hughes and co-workers, 1979; Tÿsen et al., 1979; Weston et al., 1974; Sofer et al., 1979).  

Kritik des Standes der TechnikCritique of the state of the art

Hämoperfusoren finden nur begrenzte Anwendung bei der Unterstützung oder Ersetzung der Nieren- oder Leberfunktion. Das Hauptproblem bei der praktischen Anwendung von Hämoperfusoren liegt an deren unzureichenden Biokompatibilität (Weston und Mitarb., 1977; Silk und Williams, 1978). Diese schlechte Biokompatibilität verursacht viele Komplikationen wie z. B.: Emboliesierung der Kohleteilchen, Thrombozytopenie, Neutropenie, die Aktivierung des Komplements und Respiratory Distress Syndrome (Weston und Mitarb., 1974, Berk und Mitarb., 1980; Silk und Williams, 1978; Zeneroli und Mitarb., 1981).Hemoperfusors have limited use in support or Replacement of kidney or liver function. The main problem with practical Use of hemoperfusors is due to their insufficient biocompatibility (Weston and co-workers, 1977; Silk and Williams, 1978). This bad biocompatibility causes many complications such as For example: embolization of the Carbon particles, thrombocytopenia, neutropenia, activation of the complement and Respiratory Distress Syndrome (Weston et al., 1974, Berk and Coworker, 1980; Silk and Williams, 1978; Zeneroli and co-workers, 1981).

Aufgabetask

Die Konstruktion eines extrakorporalen oder implantierbaren bio-artifiziellen Organs, das zur Ersetzung und/oder Unterstützung der Funktion von verschiedenen Organen (vor allem zur Ersetzung der Nieren- oder Leberfunktion) fähig ist. Dieses Organ soll aus einem in die Arterie oder in die Vene implantierten Sensorteil, das schnellen Austausch von biologischen Signalen und von metabolischen Substanzen durch die Ultrafiltration ermöglicht, und aus einem extrakorporalen oder einem implantierten Reaktorteil bestehen. Beide Teile sollen so verbunden werden, daß der Durchfluß von metabolischen Substanzen und Nährstoffen weniger als 15 min dauert.The construction of an extracorporeal or implantable bio-artificial Organ designed to replace and / or support the function of various Organs (especially to replace kidney or liver function) is. This organ is said to be from an implanted in the artery or vein Sensor part, the rapid exchange of biological signals and metabolic Substances made possible by ultrafiltration, and from an extracorporeal or an implanted reactor part. Both parts should be connected so that the flow of metabolic substances and nutrients lasts less than 15 min.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der entsprechend der vorherigen Patentanmeldung (Bodziony, 1989) angefertigte Austauschteil mit dem Reaktorteil, wie auf dem Bild 1 und 2 gezeigt, durch die Silikonkapillaren verbunden ist. Der Durchfluß des Perfusionsmediums ist durch die entsprechende Pumpe in dieser Weise erzwungen, daß es zuerst im Austauschteil auf dem Weg der Ultrafiltration und Diffusion zum Austausch von Nährstoffen und von metabolischen Substanzen (z. B. Kreatinin, Harnstoff, Bilirubin) kommt und danach das mit dem Plasma biochemisch ausgeglichene Medium zum Reaktorteil überpumpt wird. Im Reaktorteil (meistens eine oder mehrere Hohlfasern) sind die (meistens) allo- oder xenogenen Zellen, die bestimmte Organfunktionen ersetzen können, in dieser Weise von außen oder von innen angebracht, so daß ihre mehrjährige metabolische Funktion möglich ist. Diese Zellen können verschiedene metabolische Aufgaben der z. B. beschädigten Leber übernehmen und in dieser Weise z. B. die Leber als Hauptort der Entgiftung, der Proteinsynthese, des Aminosäureumsatzes, des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels ersetzen. This object is inventively achieved in that the previous according to the patent application (Bodziony, 1989) is produced replacement part with the part of the reactor, as shown on the figure 1 and 2, is connected by the Silikonkapillaren. The flow through the perfusion medium is forced by the corresponding pump in such a way that nutrients and metabolic substances (e.g. creatinine, urea, bilirubin) are exchanged first in the exchange part on the path of ultrafiltration and diffusion and then with the biochemically balanced medium is pumped over to the reactor part. In the reactor part (usually one or more hollow fibers), the (mostly) allo- or xenogenic cells, which can replace certain organ functions, are attached in this way from the outside or from the inside, so that their metabolic function over several years is possible. These cells can perform various metabolic tasks such. B. take over damaged liver and in this way, for. B. replace the liver as the main site of detoxification, protein synthesis, amino acid turnover, carbohydrate and fat metabolism.

Erzielbare VorteileAchievable advantages

Das oben beschriebene bio-artifizielle Organ ermöglicht die Ersetzung der Funktion von verschiedenen Organen (vor allem die Ersetzung der Nieren- oder Leberfunktion). Das angewandte semipermeable Material ist als sog. biomechanische Barriere benutzt, was die Verwendung von allo- und xenogenen Zellen möglich macht. Der Gegenstand der Erfindung ist durch die Herstellung der bio-artifiziellen Organe mit allo- oder xenogenen Zellen, die verschiedene Organfunktionen ersetzen können, gewerblich anwendbar. Dieses bioartifizielle Organ kann die Funktion der beschädigten Organe (z. B. Nieren, Lungen oder Leber) ersetzen.The bio-artificial organ described above enables the replacement of the Function of various organs (especially the replacement of the kidney or Liver function). The semi-permeable material used is so-called biomechanical Barrier uses what is the use of allo- and xenogeneic cells makes possible. The object of the invention is through the manufacture of the bio-artificial organs with allo- or xenogenic cells that are different Can replace organ functions, industrially applicable. This bioartificial Organ can damage the function of damaged organs (e.g. kidneys, or lungs Liver).

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

Abb. 1 zeigt in einer klinischen Situation das oben beschriebene bio-artifizielle Organ. Ein in die Vene implantierter Sensorteil (A - Hohlfaser mit der Beschichtung von Zellen, die mehrjährige Implantation in Arterien und und Venen ermöglichen) ist durch Silikonkapillaren (C) mit einem Reaktorteil (B) verbunden. Dieser Reaktorteil enthält allogene oder xenogene Leberzellen, die die Funktion der eigenen Zellen vollständig ersetzen können. Das Perfusionsmedium wird durch die Pumpe (D) in Bewegung gesetzt und zuerst wird der Austauschteil perfundiert, wo die biochemische Ausgleichung mit dem Plasma stattfindet. Danach werden die Leberzellen im Reaktorteil (B) perfundiert. Diese Zellen können die metabolische Funktionen der beschädigten Leberzellen übernehmen und in dieser Weise die Leber als Hauptort der Entgiftung, der Proteinsynthese, des Aminosäureumsatzes, des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels ersetzen. Fig. 1 shows the bio-artificial organ described above in a clinical situation. A sensor part implanted in the vein (A - hollow fiber with the coating of cells that allow implantation in arteries and veins for several years) is connected to a reactor part (B) by silicone capillaries (C). This part of the reactor contains allogeneic or xenogeneic liver cells, which can completely replace the function of your own cells. The perfusion medium is set in motion by the pump (D) and the exchange part is perfused first, where the biochemical adjustment with the plasma takes place. The liver cells in the reactor section (B) are then perfused. These cells can take over the metabolic functions of the damaged liver cells and in this way replace the liver as the main site of detoxification, protein synthesis, amino acid turnover, carbohydrate and fat metabolism.

Abb. 2 zeigt eine andere Anwendungsmöglichkeit, mit zwei Austauschteilen, einem implantierten und einem extrakorporalen. In diesem Fall wird der extrakorporale Teil mit einem anderen Perfusionssystem verbunden. Fig. 2 shows another application, with two replacement parts, one implanted and one extracorporeal. In this case, the extracorporeal part is connected to another perfusion system.

FundstellenSites

• 1. Berk P. D., Scharschmidt B. F., Martin J. F., Plotz P. H.: Artificial support systems for liver failure. Kidney Int., 1976, 10, 233-238.1. Berk P. D., Scharschmidt B. F., Martin J. F., Plotz P. H .: Artificial support systems for liver failure. Kidney Int., 1976, 10, 233-238.
• 2. Bodziony J.: Hohlfaser mit der Beschichtung von Zellen, die mehrjährige Implantation in Arterien und Venen ermöglichen. Deutsches Patentamt, Patentanmeldung Nr. P 39 41 873.1.2. Bodziony J .: Hollow fiber with the coating of cells that are perennial Allow implantation in arteries and veins. German Patent Office, patent application P 39 41 873.1.
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• 6. Sofer S. S., Wills R. A., Van Wie B. J.: A model enzymic extracorporeal detoxification system. Artif. Organs, 1979, 3. 127-135.6. Sofer S. S., Wills R. A., Van Wie B. J .: A model enzymic extracorporeal detoxification system. Artif. Organs, 1979, 3, 127-135.
• 7. Tÿssen J., Bantjes A., Van Doorn A. W. J., Feÿen J., Van Dÿk B., Vonk C. R., Dÿkhuis I. C.: A hemoperfusion column based on activated carbon granules coated with a ultrathin membrane of cellulose acetate. Artif. Organs, 1979, 3, 11-21.7. Tÿssen J., Bantjes A., Van Doorn A. W. J., Feÿen J., Van Dÿk B., Vonk C. R., Dÿkhuis I. C .: A hemoperfusion column based on activated carbon granules coated with an ultrathin membrane of cellulose acetate. Artif. Organ, 1979, 3, 11-21.
• 8. Weston M. J., Gazzard B. G., Buxter H., Winch J., Machado A. L., Flax H., Williams R.: Effects of hemoperfusion through charcoal or XAD-2 resin on animal model of fulminant liver failure. Gut, 1974, 15, 482-487.8. Weston M.J., Gazzard B.G., Buxter H., Winch J., Machado A.L., Flax H., Williams R .: Effects of hemoperfusion through charcoal or XAD-2 resin on animal model of fulminant liver failure. Gut, 1974, 15, 482-487.
• 9. Zeneroli M. L., Schafer D. F., Waggoner J. G., Jones E. A.: Hemoperfusion- induced respiratory distress syndrome in an animal model: The effects of corticosteroids. In: Artificial Liver Support, Springer-Verlag, 1981.9. Zeneroli M.L., Schafer D.F., Waggoner J.G., Jones E.A .: Hemoperfusion- induced respiratory distress syndrome in an animal model: The effects of corticosteroids. In: Artificial Liver Support, Springer-Verlag, 1981.

Claims (1)

Ein extrakorporales oder implantierbares und aus semipermeablem Material gestaltetes bio-artifizielles Organ, das fähig zur Ersetzung und/oder Unterstützung der Funktion von verschiedenen Organen ist (vor allem zur Ersetzung/ Unterstützung der Nieren- oder Leberfunktion), gekennzeichnet durch ein in die Arterie oder in die Vene implantierten Austausch- und Sensorteil (meistens eine oder mehrer Hohlfasern mit der Beschichtung von Endo- oder Mesothelialzellen) und durch ein extrakorporalen oder implantierten Reaktorteil (bestehend aus semipermeablem Membranen, meistens in Form von Hohlfasern mit Zellen, die verschiedene Organfunktionen ersetzen können oder Hohlfasern, die nur Austauschfunktion ermöglichen), die so miteinander verbunden sind, daß der Durchfluß von biologischen Signalen und von metabolischen Substanzen möglich ist.An extracorporeal or implantable bio-artificial organ made of semi-permeable material, which is capable of replacing and / or supporting the function of various organs (especially to replace / support the kidney or liver function), characterized by an in the artery or in the vein implanted replacement and sensor part (usually one or more hollow fibers with the coating of endo- or mesothelial cells) and through an extracorporeal or implanted reactor part (consisting of semipermeable membranes, mostly in the form of hollow fibers with cells that can replace various organ functions or hollow fibers , which only enable exchange function), which are connected to each other in such a way that the flow of biological signals and of metabolic substances is possible.