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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum
Abtrennen von biologischen Zellen. Die Erfindung hat besondere Vorteile
in Verbindung mit dem Abtrennen von Tumorzellen aus Blutbestandteilen
wie roten Blutkörperchen
und/oder Stammzellen.
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Auf
vielen Gebieten müssen
Flüssigkeiten,
die Teilchensubstanzen tragen, filtriert oder bearbeitet werden,
um entweder ein gereinigtes, flüssiges
oder gereinigtes Teilchenendprodukt zu erhalten. In seinem breitesten
Sinn ist ein Filter jede beliebige Vorrichtung, die Teilchen aus
einer Substanz entfernen oder abtrennen kann. So ist der Begriff "Filter" wie hier verwendet
nicht auf ein poröses
Mediummaterial beschränkt,
sondern umfasst viele verschiedene Arten von Verfahren, bei denen
Teilchen entweder voneinander getrennt oder aus einer Flüssigkeit
abgetrennt werden.
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Auf
dem Gebiet der Medizin ist es oft notwendig, Blut zu filtrieren.
Vollblut besteht aus verschiedenen flüssigen Bestandteilen und Teilchenbestandteilen.
Manchmal werden die Teilchenbestandteile als "gebildete Elemente" bezeichnet. Der flüssige Teil des Bluts besteht
großenteils
aus Plasma, und die Teilchenbestandteile umfassen in erster Linie
rote Blutkörperchen
(Erythrozyten), weiße
Blutkörperchen
(einschließlich
Leukozyten) und Thrombozyten. Diese Bestandteile weisen zwar ähnliche
Dichten auf, aber ihre durchschnittliche Dichtungsbeziehung ist
in der Reihenfolge abnehmender Dichte wie folgt: rote Blutkörperchen,
weiße
Blutkörperchen,
Thrombozyten und Plasma. Des weiteren stehen die Teilchenbestandteile
der Größe nach
wie folgt in der Reihenfolge der abnehmenden Größe in Beziehung: weiße Blutkörperchen,
rote Blutkörperchen
und Thrombozyten.
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Zusätzlich zu
roten und weißen
Blutkörperchen
(und ihren Teilmengen wie T-Zellen und Stammzellen), Plasma und
Thrombozyten enthält
Blut auch in einigen Fällen
Tumorzellen. Diese Zellen haben im wesentlichen ähnliche Dichten, jedoch unterschiedliche
Ausfällungsgeschwindigkeiten.
Im Allgemeinen weisen Stammzellen eine Ausfällungsgeschwin digkeit auf,
die höher
als diejenige von T-Zellen und geringer als diejenige von Tumorzellen
ist.
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Die
meisten gegenwärtigen
Reinigungsvorrichtungen verlassen sich auf Dichte- und Größenunterschiede
oder Oberflächenchemieeigenschaften
zum Abtrennen und/oder Filtrieren von Blutbestandteilen für Transfusions-
oder Reinfusionszwecke. Typischerweise werden Blutbestandteile von
anderen Blutbestandteilen unter Verwendung einer Zentrifuge abgetrennt
oder geerntet. Die Zentrifuge dreht einen Blutbehälter, um die
Bestandteile innerhalb des Behälters
unter Verwendung der Zentrifugalkraft zu trennen. Bei der Benutzung tritt
Blut in den Behälter
ein, während
er sich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit dreht, und die Zentrifugalkraft
bildet Schichten der Blutbestandteile, so dass bestimmte Bestandteile
getrennt entfernt werden können. Obgleich
einige Zentrifugalabtrennungstechniken beim Trennen von manchen
Blutbestandteilen voneinander wirksam sind, können viele Zentrifugalabtrennungsverfahren
kein stark gereinigtes Endprodukt herstellen.
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Bei
einer Art des Abtrennungsverfahrens wird eine Sammlung von peripherem
Blut (aus einer Arterie oder Vene entnommen) oder eine Sammlung
von Knochenmarkblut in einem Zentrifugalabtrennungsverfahren gereinigt,
um das, was als Sammlung peripherer Zellen bzw. Sammlung von Knochenmarkzellen
bekannt ist, zu isolieren. Die Sammlung der peripheren Zellen oder
die Sammlung der Knochenmarkzellen umfasst in erster Linie Plasma,
rote Blutkörperchen,
Stammzellen und T-Zellen und kann auch Tumorzellen umfassen, wenn das
Blut des Spenders solche enthielt.
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Bei
einem weiteren Typ des Abtrennungsverfahrens wird das zu trennende
Blut kontinuierlich durch einen Blutstromkanal geleitet, der einen
oder mehrere flache Räume
umfasst, wie in dem europäischen
Patent 0 057 907 beschrieben ist.
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Krebspatienten
erhalten oft, nachdem sie sich einer therapeutischen Behandlung
wie einer Chemotherapie oder einer Strahlentherapie unterzogen haben,
um die kanzerösen
Tumorzellen zu eliminieren, eine Transfusion einer Sammlung von
peripheren Zellen oder einer Sammlung von Knochenmarkzellen, um Stammzellen
zu ersetzen, die als Nebenwirkung der Behandlung zerstört wurden.
Um die mit dem Infundieren von Blutbestandteilen von einem Fremdspender
verbundenen Risiken zu verringern, sind einige dieser Transfusionen
autolog, wobei von dem Patienten gesammelte Blutbestandteile später in den
Patienten reinfundiert werden. Die anfänglich von den Krebspatienten
gesammelten Blutbestandteile können
kanzeröse
Tumorzellen enthalten, die dann während der Reinfusion zurück in den
Krebspatienten infundiert werden. Diese Reinfusion von Tumorzellen
kann die Wirksamkeit der therapeutischen Behandlungen verringern,
die die Verringerung von kanzerösen
Tumorzellen in dem Körper
eines Patienten zum Ziel haben. Das Entfernen von Tumorzellen aus
der Sammlung von peripheren Zellen oder einer Sammlung von Knochenmarkzellen
vor der Transfusion ist jedoch extrem schwierig.
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Frühere Versuche,
Stammzellen von Tumorzellen vor der Reinfusion abzutrennen, hatten
nur begrenzten Erfolg. Bei einem Abtrennungsverfahren, wird ein
selektiver Antikörper
in eine gesammelte Blutbestandteilsprobe nach Abtrennen einer beträchtlichen
Anzahl von Thrombozyten und roten Blutkörperchen aus der Probe eingeführt. Der
selektive Antikörper
heftet sich chemisch an den Stammzellen an, um sie zu "markieren". Um die markierten
Stammzellen von den übrigen
Blutbestandteilen abzutrennen, werden die gesammelten Blutbestandteile
zwischen ortsfesten Perlen, die mit einem Material beschichtet sind,
das sich mit dem selektiven Antikörper chemisch verbindet, geleitet.
Diese chemischen Bindungen halten die markierten Stammzellen auf
den Perlen zurück,
um sie aus den verbleibenden Blutbestandteilen zu filtern.
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Um
die markierten Stammzellen von den Perlen zu entfernen, schüttelt eine
Bedienungsperson die Perlen oder spült eine chemische Lösung durch
die Perlen, um die chemischen Bindungen zwischen dem Material und
dem selektiven Antikörper
zu brechen. Dieses Trennungsverfahren ist jedoch extrem teuer, mühsam und
zeitraubend. Des weiteren entfernen die Perlen keine beträchtliche
Anzahl von Stammzellen, und eine beträchtliche Anzahl von Tumorzellen
verbleibt oft in dem abgetrennten Endprodukt.
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Bei
einem weiteren Typ des Abtrennungsverfahrens werden Magnetteilchen
oder -fluid mit einem angehefteten Antikörper der Sammlung von Blutbestandteilen
zugegeben. Der Antikörper
bindet sich chemisch mit Stammzellen in der Probe, um die Magnetteilchen
und die Stammzellen miteinander zu binden. Um die Stammzellen abzutrennen,
wird ein Magnet separator verwendet, um die verbundene magnetische
Substanz und die Stammzellen anzuziehen, und eine Substanz wird
dann hinzugefügt,
um die chemischen Bindungen zwischen den Stammzellen und der magnetischen
Substanz zu brechen.
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Obgleich
dieses Abtrennungsverfahren einige Stammzellen und Tumorzellen abtrennen
kann, ist es teuer und laborintensiv. Eine beträchtliche Anzahl von Tumorzellen
verbleibt in dem abgetrennten Endprodukt und eine beträchtliche
Anzahl von Stammzellen wird nicht wiedergewonnen. Des weiteren sind
die Substanzen, die der Blutprobe sowohl bei dem Perlenabtrennungsverfahren
als auch dem magnetischen Abtrennungsverfahren zugegeben werden,
potentiell toxisch, wenn sie zusammen mit den abgetrennten Blutbestandteilen infundiert
werden.
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Die
Zentrifugalausschlämmung
ist ein weiteres Verfahren, das für das Abtrennen von Tumorzellen
aus Stammzellen verwendet wird. Dieses Verfahren trennt Zellen,
die in einem flüssigen
Medium suspendiert sind, ohne die Verwendung von chemischen Antikörpern ab.
Bei einer üblichen
Form der Ausschlämmung
wird eine Zellcharge in einen Strom eines flüssigen Ausschlämmungspuffers
eingeführt.
Diese Flüssigkeit,
die die Zellcharge in Suspension trägt, wird dann in eine trichterförmige Kammer
eingeführt,
die sich in einer schnellumlaufenden Zentrifuge befindet. Wenn die
zusätzliche
flüssige
Pufferlösung
durch die Kammer strömt,
spült die
Flüssigkeit
kleinere Zellen, die langsamer sedimentieren, in Richtung auf eine
Ausschlämmungsgrenze
innerhalb der Kammer, während
größere Zellen,
die schneller sedimentieren, zu dem Bereich der Kammer mit der größten Zentrifugalkraft
wandern.
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Wenn
die Zentrifugalkraft und die durch den Fluidstrom erzeugte Kraft
ausgeglichen sind, wird der Fluidstrom erhöht, um Zellen, die langsamer
sedimentieren, aus einer Austrittsöffnung in der Kammer zu zwingen, während Zellen,
die langsamer sedimentieren, in der Kammer zurückgehalten werden. Wenn der
Fluidstrom durch die Kammer erhöht
wird, können
die immer größer werdenden
Zellen, die schneller sedimentieren, aus der Kammer entfernt werden.
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So
trennt die Zentrifugalausschlämmung
Teilchen mit unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeiten ab.
Das Stokes'sche
Gesetz beschreibt die Sedimentierungsgeschwindigkeit (SV) eines
kugelförmigen Teilchens
wie folgt:
worin r der Radius des Teilchens
ist,
p die Dichte des Teilchens ist,
m die Dichte des flüssigen Mediums ist, η die Viskosität des Mediums
ist und g die Schwerkraft- oder Zentrifugalbeschleunigung ist. Da
der Radius eines Teilchens auf die zweite Potenz in der Stokes'schen Gleichung erhoben
wird und die Dichte des Teilchens nicht, beeinflusst die Größe einer
Zelle eher als ihre Dichte die Sedimentationsrate stark. Dies erklärt, warum größere Teilchen
im Allgemeinen während
der Zentrifugalausschlämmung
in einer Kammer verbleiben, während
kleinere Teilchen freigesetzt werden, wenn die Teilchen ähnliche
Dichten haben.
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Wie
im US-Patent Nr. 3,825,175, erteilt an Sartory, beschrieben, weist
die Zentrifugalausschlämmung eine
Anzahl von Beschränkungen
auf. Bei den meisten dieser Verfahren müssen die Teilchen in einen
Strom eines Fluidmediums in getrennten diskontinuierlichen Chargen
eingeführt
werden, um eine ausreichende Teilchenabtrennung zu ermöglichen.
So gestatten einige Ausschlämmungsverfahren
nur die Abtrennung in Teilchenchargen und erfordern ein zusätzliches
Fluidmedium, um die Teilchen zu transportieren. Des weiteren müssen die
Strömungskräfte genau
gegen die Zentrifugalkraft ausgeglichen werden, um eine ordnungsgemäße Teilchenabtrennung
zu erlauben.
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Des
weiteren findet eine Coriolis-Turbulenzwirkung statt, wenn Flüssigkeit
und Teilchen aus einem hohen Zentrifugalfeld in Richtung auf ein
niedrigeres Zentrifugalfeld in eine Ausschlämmungskammer strömen. Die
Flüssigkeit
und die Teilchen kollidieren turbulent mit einer Innenwand der Kammer,
die der Drehrichtung der Zentrifuge zugewandt ist. Dieses Phänomen mischt
Teilchen innerhalb der Kammer und verringert die Wirksamkeit des
Abtrennungsprozesses. Die Coriolis-Turbulenz führt auch die Strömung der
Flüssigkeit
und Teilchen entlang der Innenwand der Ausschlämmungskammer von dem Einlass
direkt zum Auslass im Bypass. So werden Teilchen um das Ausschlämmungsfeld
herum geleitet und kontaminieren das Endprodukt.
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Wenn
die kombinierte Dichte der Teilchen und der Flüssigkeit in der Ausschlämmungskammer
beträchtlich
höher als
die Dichte der Flüssigkeit
ist, die in die Kammer eintritt, erhöht sich die Coriolis-Turbulenz. Dies
liegt daran, dass die Flüssigkeit
mit relativ geringer Dichte, die in die Ausschlämmungskammer eintritt, auf
erhöhte
Auftriebskräfte
trifft, die dazu neigen, den Flüssigkeitsstrom
in Richtung auf den Auslass der Ausschlämmungskammer zu beschleunigen.
Wenn der beschleunigte Flüssigkeitsstrom
auf Tangentialkräfte
in der Kammer trifft, kann der Flüssigkeitsstrom eine Coriolis-Turbulenz
bilden, die größere, relativ
schneller sedimentierende Teilchen wie Tumorzellen um das Ausschlämmungsfeld
herum und durch einen Auslass der Kammer hindurch trägt.
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Das
Mischen der Teilchen mittels der Teilchendichteninversion ist ein
zusätzliches
Problem, das bei einigen Ausschlämmungsverfahren
des Stands der Technik anzutreffen ist. Fluid, das innerhalb der
Ausschlämmungskammer
strömt,
besitzt eine sich verringernde Geschwindigkeit, wenn es in der zentripetalen Richtung
von einer Eingangsöffnung
in Richtung auf einen Bereich der Kammer mit vergrößertem Querschnitt strömt. Da die
Teilchen dazu neigen, sich innerhalb einer strömenden Flüssigkeit in Bereichen mit einer
geringeren Strömungsgeschwindigkeit
statt in den Bereichen einer hohen Strömungsgeschwindigkeit zu konzentrieren,
konzentrieren sich die Teilchen nahe des Bereichs der Kammer mit
vergrößertem Querschnitt.
Da die Strömungsgeschwindigkeit
in der Nähe
der Einlassöffnung
am größten ist,
ist die Teilchenkonzentration in diesem Bereich entsprechend verringert.
Die Inversion der Dichte der Teilchen findet statt, wenn die Zentrifugalkraft
die Teilchen von einer hohen Teilchenkonzentration in dem Bereich
mit vergrößertem Querschnitt
in Richtung auf die Eingangsöffnung
drückt.
Dieser Teilchenumsatz verringert die Wirksamkeit der Teilchenabtrennung
mittels Ausschlämmung.
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Die
Adhäsion
der Teilchen ist ein weiteres Problem, das mit der Ausschlämmung und
anderen Arten der Teilchenabtrennungsverfahren verbunden ist. Zwei
Arten der Adhäsion
der Teilchen verringern die Wirksamkeit der Abtrennung der Teilchen.
Bei der ersten Art der Adhäsion
der Teilchen werden einzelne Teilchen aneinander gebunden, so dass
sie als Gruppen von Teilchen wirken. Wenn eine Substanz, die diese
Teilchengruppen enthält,
in einem Ausschlämmungsverfahren
oder einem anderen Abtrennungsverfahren abgetrennt wird, bei dem
die Teilchengröße ein Faktor
ist, wirkt jede Gruppe von Teilchen als größeres Teilchen und wird zusammen
mit größeren Teilchen
abgetrennt, statt in kleine einzelne Teilchen abgetrennt zu werden.
Bei einer zweiten Art der Adhäsion
der Teilchen haften Teilchen an Vorrichtungen, die während eines
Abtrennungsverfahrens verwendet werden, wie eine Kunststoffrohrleitung
oder eine Ausschlämmungskammer.
Dies verringert die Gesamtausbeute an Teilchen, insbesondere, wenn
eine kleine Anzahl von Teilchen abgetrennt wird.
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Aus
diesen und anderen Gründen
besteht ein Bedarf, die Teilchenabtrennung zu verbessern.
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System,
das im Wesentlichen eine oder mehrere der Beschränkungen des verwandten Stands
der Technik beseitigt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Verringerung der
Adhäsion
der biologischen Zellen bei einem Abtrennungsverfahren für biologische
Zellen. Dieses Verfahren umfasst das Strömen von Flüssigkeit, die biologische Zellen
trägt,
in eine Fluidkammer und Abtrennen der biologischen Zellen in der
Fluidkammer entsprechend den Unterschieden der Sedimentationsgeschwindigkeit.
Ein Polymer wird der Flüssigkeit
zugegeben; das Polymer weist die chemische Formel HO-(CH2CH2O)A-(CHCH3CH2O)B-(CH2CH2O)A-H auf, worin
A den Ausdruck 0 ≤ A ≤ 150 erfüllt und
B den Ausdruck 0 ≤ B ≤ 100 erfüllt. Das
Polymer verringert die Adhäsion
von einigen der biologische Zellen, um die Abtrennung der biologischen
Zellen zu verbessern.
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Unter
einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein System
zur Verwendung bei der Abtrennung von biologischen Zellen. Eine
Fluidkammer ist für
das Abtrennen der biologischen Zellen vorgesehen. Die Fluidkammer
umfasst einen ersten Abschnitt mit einem Einlass, damit ein biologische
Zellen tragender Flüssigkeitsstrom
in die Fluidkammer strömen
kann, und einen zweiten Abschnitt mit einem Auslass, damit ein Flüssigkeits strom
und biologische Zellen aus der Fluidkammer nach dem Abtrennen von
mindestens einigen der biologischen Zellen in der Fluidkammer strömen kann,
wobei der erste und der zweite Abschnitt einen Innenraum mit einem
maximalen Querschnittsbereich an einer Stelle zwischen dem Einlass
und dem Auslass bilden, wobei der Innenraum von der Stelle des maximalen
Querschnittsbereichs in Richtung auf den Einlass konvergiert. Eine
Einlassleitung ist an den Einlass der Fluidkammer gekoppelt. Die
Einlassleitung ist für
eine Strömungsverbindung
mit einer Quelle gestaltet, die die die biologischen Zellen tragende
Flüssigkeit
enthält. Die
Fluidkammer und/oder die Einlassleitung weist bzw. weisen das vorstehend
erwähnte
Polymer auf.
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Es
ist liegt auf der Hand, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung
als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung beispielhaft
sind und eine weitere Erklärung
der Erfindung, wie sie beansprucht ist, zur Verfügung stellen sollen.
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Die
beigefügten
Zeichnungen sind enthalten, um die Erfindung noch besser verständlich zu
machen. Sie sind in diese Beschreibung aufgenommen und bilden einen
Teil derselben. Die Zeichnungen veranschaulichen eine Ausführungsform
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die
Prinzipien der Erfindung zu erklären.
In den Zeichnungen zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Teilchenabtrennungssystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Fluidkammer und eines Abtrennungsgefäßes, das
an einem Zentrifugenrotor, wie in 1 gezeigt,
angebracht ist; und
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3 eine
schematische Ansicht eines gesättigten,
in der Fluidkammer von 1 während eines Blutabtrennungsverfahrens
gebildeten, gesättigten
fluidisierten Teilchenbetts.
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Im
folgenden wird detailliert Bezug genommen auf die vorliegende bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung, von der ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen
gezeigt ist.
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Wo
immer es möglich
war, wurden die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen und der
Beschreibung verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise eine COBE® SPECTRATM Blutbestandteilszentrifuge, die von Cobe
Laboratories, Colorado, hergestellt wird. Die COBE® SPECTRATM Zentrifuge umfasst eine dichtungsfreie
Ein-Omega/Zwei-Omega-Rohrleitungsverbindung,
wie im US-Patent Nr. 4,425,112 offenbart. Obgleich die Ausführungsform
der Erfindung in Kombination mit der COBE® SPECTRATM Zentrifuge beschrieben wird, erfolgt diese
Bezugnahme nur aus beispielhaften Gründen und soll die Erfindung
nicht auf irgendeine Weise einschränken.
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Wie
für einen
Fachmann ersichtlich ist, kann die vorliegende Erfindung in vorteilhafter
Weise bei einer Vielzahl von Zentrifugenvorrichtungen verwendet
werden, die üblicherweise
zur Trennung von Blut in seine Bestandeile zum Einsatz kommen. Insbesondere
kann die vorliegende Erfindung mit jeder beliebigen Zentrifugenvorrichtung
verwendet werden, und zwar ungeachtet der Tatsache, ob bei der Vorrichtung
eine dichtungsfreie Ein-Omega/Zwei-Omega-Rohrleitungsverbindung
verwendet wird oder nicht.
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Wie
hier verkörpert
und in 1 veranschaulicht, weist die vorliegende Erfindung
ein Teilchenabtrennungssystem 10 mit einem Zentrifugenrotor 12 auf.
Vorzugsweise ist der Zentrifugenrotor 12 über einen
in 2 gezeigten Arm 14 mit einem Motor (nicht
gezeigt) gekoppelt, so dass sich der Zentrifugenrotor um seine Drehachse
A-A dreht.
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Wie
in 2 gezeigt, ist eine Haltevorrichtung 16 an
einer oberen Oberfläche
des Rotors 12 vorgesehen. Die Haltevorrichtung 16 hält eine
Fluidkammer 18 an dem Rotor 12 derart lösbar, dass
ein Auslass 20 der Fluidkammer 18 näher an der
Drehachse A-A als der Einlass 22 der Fluidkammer angeordnet
ist. Die Haltevorrichtung 16 richtet die Fluidkammer 18 vorzugsweise
an dem Rotor 12 aus, wobei sich die Längsachse der Fluidkammer 18 in
einer Ebene quer zur Drehachse A-A des Rotors befindet. Des weiteren
ist die Haltevorrichtung 16 vorzugsweise angeordnet, um
die Fluidkammer 18 auf dem Rotor 12 zu halten,
wobei der Auslass 20 der Fluidkammer der Drehachse A-A
zugewandt ist. Obgleich die Haltevorrichtung 16 die Fluidkammer 18 an
einer oberen Oberfläche
des Rotors 12 hält, kann
die Fluidkammer 18 auch an dem Rotor an anderen Stellen
wie unterhalb der oberen Oberfläche
des Rotors 12 befestigt sein.
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Die
Fluidkammer 18 ist vorzugsweise ähnlich wie eine oder identisch
zu einer der Fluidkammern gestaltet, die in dem vorstehend erwähnten Patent
Nr. 5,674,173 offenbart sind. Wie in 1 und 2 gezeigt, sind
der Einlass 22 und der Auslass 20 der Fluidkammer 18 entlang
der Längsachse
der Fluidkammer 18 angeordnet. Eine Wand der Fluidkammer 18 erstreckt
sich zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 20,
wodurch der Einlass 22, der Auslass 20 und ein
Innenraum der Fluidkammer 18 gebildet werden.
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Die
Fluidkammer 18 umfasst zwei kegelstumpfförmig geformte
Abschnitte, die an dem Bereich der Fluidkammer 18 mit maximalem
Querschnitt verbunden sind. Das Innere der Fluidkammer 18 verjüngt sich
(es nimmt im Querschnitt ab) von dem Bereich mit maximalem Querschnitt
in entgegengesetzten Richtungen in Richtung auf den Einlass 22 und
den Auslass 20. Obgleich die Fluidkammer 18 mit
zwei Abschnitten mit kegelstumpfförmiger Innengestalt gezeigt
ist, kann das Innere jedes Abschnitts paraboloidisch oder von jeder
anderen Gestalt mit einem größeren Querschnittsbereich
sein, der größer als
der Einlass- oder
Auslassbereich ist.
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Das
Volumen der Fluidkammer 18 sollte mindestens groß genug
sein, um die Bildung eines gesättigten
fluidisierten Teilchenbetts (nachstehend beschrieben) für einen
bestimmten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten,
Teilchengrößen und
Drehgeschwindigkeiten des Zentrifugenrotors 12 aufzunehmen.
Die Fluidkammer 8 kann aus einem einzigen Stück Kunststoff
oder aus separaten Teilen hergestellt werden, die zur Bildung von
separaten Abschnitten der Fluidkammer 18 miteinander verbunden
werden können.
Die Fluidkamer 18 kann aus einem transparenten oder lichtdurchlässigen Copolyesterkunststoff
wie PETG gebildet sein, um das Betrachten des Inhalts innerhalb
des Kammerinneren mit Hilfe eines gegebenenfalls vorgesehenen Strobes
(nicht gezeigt) während
eines Abtrennungsverfahrens zu gestatten.
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Wie
in 1 gezeigt, ist eine Nut 24 an der Innenfläche der
Fluidkammer 18 an einer Stelle des Bereichs mit maximalem
Querschnitt ausgebildet. Die Nut 24 wird durch die oberen und
unteren Wandflächen, die
im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Fluidkammer 18 ausgerichtet
sind, und einer Innenfläche der
Fluidkammer 18 gebildet, die der Längsachse zugewandt ist. Vorzugsweise
ist die Nut 24 ringförmig,
die Nut 24 kann jedoch auch teilweise die Längsachse
der Fluidkammer 18 umgeben.
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Die
Nut 24 hilft, die Coriolis-Turbulenz innerhalb der Fluidkammer 18 zu
verteilen. Plötzliche
Erhöhungen
der Flüssigkeitsströmungsrate
während
des Teilchenabtrennungsverfahrens können die Fähigkeit des gesättigten
fluidisierten Teilchenbetts, den Teilchendurchgang zu behindern,
begrenzen. Flüssigkeit,
die in die Fluidkammer 18 strömt, kann einem Coriolis-Turbuleneffekt
unterzogen werden. Diese Turbulenzströmung verringert die Wirksamkeit
der Filtration eines gesättigten
fluidisierten Teilchenbetts, das in der Fluidkammer 18 gebildet
wird, da die Flüssigkeit
und die Teilchen zwischen dem gesättigten fluidisierten Teilchenbett
und einer Innenwandfläche
der Fluidkammer 18 statt in das Bett selbst strömen können. Die
Fluidkammer 18, die die Nut 24 aufweist, wirkt
diesen Wirkungen entgegen, indem die Coriolis-Turbulenzströmung in
einer Umfangsrichtung teilweise um die Achse der Fluidkammer 18 herum
kanalisiert wird. Deshalb verbessert die Nut 24 die Fähigkeit
des gesättigten
Betts, die Teilchen zu blockieren, insbesondere wenn sich die Flüssigkeitsströmungsraten
erhöhen.
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Eine
Vielzahl von Stufen 26 ist vorzugsweise an der Innenfläche der
Fluidkammer 18 zwischen dem maximalen Querschnitt der Kammer 18 und
dem Einlass 22 gebildet. Jede Stufe 26 weist eine
Basisfläche
auf, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Fluidkammer 18 sowie
einer Seitenfläche,
die orthogonal zur Basisfläche
angeordnet ist, ausgerichtet ist. Obgleich 1 eine Ecke
zeigt, an der sich die Seitenfläche und
die Basisfläche
schneiden, kann eine konkave Nut diese Ecke ersetzen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
ist jede Stufe 26 ringförmig
und umgibt die Achse der Kammer 18 vollständig, um
einen zylindrisch geformten Bereich zu begrenzen. Alternativ können die
Stufen 26 die Achse der Kammer 18 teilweise umgeben.
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Das
Vorsehen der Stufen 26 in der Fluidkammer 18 verbessert
auch die Eigenschaften der Blockierung von Teilchen eines in der
Fluidkammer 18 gebildeten, gesättigten fluidisierten Teilchenbetts,
insbesondere während
Erhöhungen
der Rate der Fluidströmung.
Die Stufen 26 sorgen für
diese Verbesserung, indem sie für
Triebkraftumlenkungs- und – umleitungsflächen sorgen,
um die Coriolis-Turbulenz in der Fluidkammer 18 zu verringern.
Wenn die Coriolis-Turbulenz stattfindet, strömen die Flüssigkeit und die Teilchen entlang
einer Innenfläche
der Fluidkammer 18, die der Richtung der Zentrifugendrehung
zugewandt ist. Deshalb kann die Turbulenz Teilchen zwischen der
Innenfläche
der Fluidkammer und entweder einem gesättigten fluidisierten Teilchenbett
oder einem Ausschlämmungsfeld,
das sich in der Fluidkammer 18 befindet, transportieren.
So können
die Teilchen, die in der Turbulenz strömen, die Fluidkammer 18 verlassen,
ohne abgetrennt zu werden.
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Die
Stufen 26 lenken oder ändern
die Triebkraft der Coriolis-Turbulenzströmung der Flüssigkeit und der Teilchen im
Allgemeinen in der Umfangsrichtung um die Achse der Fluidkammer 18 herum.
So muss eine beträchtliche
Anzahl der Teilchen, die ursprünglich
in der Turbulenz strömen,
in das gesättigte
fluidisierte Bett oder das Ausschlämmungsfeld eintreten, um abgetrennt
zu werden.
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Die
Nut 24 und die Stufen 26 sind vorgesehen, um Erhöhungen der
Fluidströmungsrate
zu erleichtern sowie die Fließgleichgewichtsleistung
der Fluidkammer 18 zu verbessern. Während der Abtrennung der Blutbestandteile
verringern die Nut 24 und die Stufen 26 die Anzahl
der filtrierten Zellen wie Tumorzellen sehr, die sonst ein in der
Fluidkammer 18 gebildetes gesättigtes fluidisiertes Teilchenbett
im Bypass umgehen würden.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst das System 10 des
weiteren ein erstes Rohr 28, ein zweites Rohr 30, eine
Einlassleitung 32 in Fluidverbindung mit dem Einlass 22 der
Fluidkammer 18 und einen Dreiwegeverbinder 34 mit
drei Schenkeln für
das Strömungsverbinden
des ersten Rohrs 28, des zweiten Rohrs 30 und
der Einlassleitung 32. Das erste Rohr 28 weist
eine Kopplung 36 zum Strömungsverbinden des ersten Rohrs 28 mit
einer ersten Quelle 38 auf, die Flüssigkeit enthält, welche
die voneinander zu trennenden Teilchen trägt. In ähnlicher Weise weist das zweite
Rohr 30 Kopplungen 40 zum Strömungsverbinden des zweiten
Rohrs 30 mit einer zweiten Quelle 42 auf, die
eine Verdünnerflüssigkeit
enthält.
Die Kopplungen 36 und 40 sind vorzugsweise eine
beliebige Art üblicher
medizinischer Kopplungsvorrichtungen wie Dorne oder sterile Schlauchverbinder.
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Wie
in 1 gezeigt, weist das erste Rohr 28 eine
erste Schlauchschleife 44 auf und das zweite Rohr 30 weist
eine zweite Schlauchschleife 46 auf. Während der Verwendung sind die
erste und die zweite Schlauchschleife 44 und 46 in
peristaltischen Pumpen (nicht gezeigt) für das jeweilige Pumpen des
abzutrennenden Fluids und der Verdünnerflüssigkeit von der ersten bzw.
der zweiten Quelle 38 bzw. 42 angebracht.
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Eine
Leitung 47 ist vorgesehen, um die Strömung der Verdünnerflüssigkeit
in das erste Rohr 28 fortzusetzen, nachdem die erste Quelle 38 und
der obere Teil des ersten Rohrs 28 leer sind. Die Fluidverbindung des
oberen Teils des ersten Rohrs 28 und der Leitung 47 mit
dem unteren Teil des ersten Rohrs 28 wird vorzugsweise
mittels Quetschventilen (nicht gezeigt) gesteuert. Das fortgesetzte
Strömen
der Verdünnerflüssigkeit
in das erste Rohr 28 gestattet das Einspülen jeglicher
verbleibender Teilchen in dem ersten Rohr 28 in die Fluidkammer 18 und
gestattet die fortgesetzte Perfusion der Fluidkammer 18 mit
der Verdünnerflüssigkeit,
um den Abtrennungsprozess in der Fluidkammer 18 fortzusetzen.
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Vorzugsweise
ist die Dichte der Verdünnerflüssigkeit
in der zweiten Quelle 42 niedriger als die Dichte sowohl
der Teilchen als auch der Flüssigkeit
in der ersten Quelle 38. Wie nachstehend beschrieben, vermischen
sich das abzutrennende Fluid und die Verdünnerflüssigkeit in dem Dreiwegeverbinder 34 miteinander, und
die Verdünnerflüssigkeit
regelt (verringert) die Gesamtdichte der Substanzen, die in der
Strömungskammer 18 strömen.
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Die
Flüssigkeit
und die Teilchen in der ersten Quelle 38 sind eine Zellsuspension,
die Blutbestandeile wie eine Sammlung peripherer Zellen oder eine
Sammlung von Knochenmarkzellen umfasst, die hauptsächlich Plasma,
rote Blutkörperchen,
Stammzellen und T-Zellen
enthält.
Falls das Blut des ursprünglichen
Spenders Tumorzellen enthält,
würde die
Zellsammlung in der ersten Quelle 38 auch Tumorzellen aufweisen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Verdünnerflüssigkeit
in der zweiten Quelle 40 eine Lösung, die Elektrolyte umfasst.
Um sicherzustellen, dass die Verdünnungslösung für die Blutbestandteile nicht schädlich ist,
besitzt die Elektrolytlösung
einen pH von vorzugsweise etwa 5,0 bis etwa 8,0, stärker bevorzugt von
etwa 7,0 bis etwa 7,8 und am stärksten
bevorzugt etwa 7,4. Beispielsweise ist die Elektrolytlösung eine herkömmliche
physiologische Kochsalzlösung,
eine Ringer-Lactatlösung
oder eine Dextrosekochsalzlösung mit
einem pH von etwa 7,4.
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Vorzugsweise
ist die Verdünnungslösung eine
Substanz, die als ISOLYTE
® S, pH 7,4 (Multi-Electrolyte Injection),
hergestellt von McGaw, Inc., bekannt ist. Diese Substanz weist die
folgenden Mengen an Elektrolyt in Einheiten von mEq/Liter auf:
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Jeweils
100 ml ISOLYTE® enthalten
Natriumchlorid USP (United States Pharmacopeia) 0,53 g, Natriumgluconat
USP 0,5 g, Natriumacetat·3H2O USP 0,37 g, Kaliumchlorid USP 0,037 g,
Magnesiumchlorid·6H2O USP 0,03 g, zweibasiges Natriumphosphat
7H2O USP 0,012 g, einbasiges Kaliumphosphat
NF 0,00082 g und Wasser für
die Injektion USP quantum sufficit. Des weiteren kann diese Substanz
auch Eisessigsäure
USP oder Natriumhydroxid NF umfassen, um den pH derart einzustellen,
dass der pH etwa 7,4 beträgt.
ISOLYTE® besitzt
eine berechnete Osmolarität
von 295 mOsmo/Liter, eine Dichte von 1,005 g/ml bei 25°C und eine
Viskosität
von 102 cp bei 22°C.
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Flüssigkeit
und Teilchen in der ersten Quelle 38 und/oder die Verdünnerflüssigkeit
in der zweiten Quelle 40 umfassen bis zu etwa 2 Gew.-%
eines Polymermaterials zur Verringerung der Adhäsion der Teilchen aneinander
und zur Verringerung der Adhäsion
der Teilchen an Komponenten des Systems 10. Dieses Polymermaterial
ist ein Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Polyethylenoxid-Triblockcopolymer
mit der chemischen Formel HO-(CH2CH2O)A-(CHCH3CH2O)B-(CH2CH2O)A-H, worin
A den Ausdruck 0 ≤ A ≤ 150 erfüllt und
B den Ausdruck 0 ≤ B ≤ 100 erfüllt. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
A 75 oder 76 und B 30. Beispielsweise ist das Polymermaterial vorzugsweise
PLU-RONIC® F68
oder PLURACARE® F68
Prill, hergestellt von der BASF Corp. Wie nachstehend beschrieben,
verbessert die Verwendung dieser Polymermaterialien die Teilchen abtrennung
in der Fluidkammer 18 und erhöht die Ausbeute der abgetrennten
Teilchen, insbesondere wenn die Anzahl der abgetrennten Teilchen
klein ist.
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Die
Flüssigkeit
und die Teilchen aus der ersten Quelle 38 und die Verdünnerflüssigkeit
aus der zweiten Quelle 40 strömen durch das jeweilige erste
Rohr 28 und das zweite Rohr 30 zu dem Dreiwegeverbinder 34. Diese
Substanzen vermischen sich in dem Dreiwegeverbinder 34 und
strömen
durch die Einlassleitung 32 in die Fluidkammer 18.
In der Fluidkammer 18, die sich mit dem Rotor 12 dreht,
trennen sich die Teilchen gemäß den Unterschieden
der Sedimentationsgeschwindigkeit, wobei die schneller sedimentierenden
Teilchen in der Fluidkammer 18 verbleiben und es den langsamer
sedimentierenden Teilchen gestattet wird, aus der Fluidkammer 18 wie
nachstehend beschrieben zu strömen.
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Nachdem
die Teilchen in der Fluidkammer 18 abgetrennt worden sind,
strömen
die Flüssigkeit
und die Teilchen, die eine relativ langsamere Sedimentationsgeschwindigkeit
aufweisen, durch den Flüssigkeitskammerauslass 20 in
die Rohrleitung 48. Wie in 1 und 2 gezeigt,
ist die Rohrleitung 48 mit einem Einlass 50 eines
Abtrennungsgefäßes 52 verbunden,
das an dem Zentrifugenrotor 12 angebracht ist. Wie nachstehend
beschrieben, trennt das Abtrennungsgefäß 52 die Teilchen
von der Flüssigkeit
ab.
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Benachbart
einem äußeren Teil
des Zentrifugenrotors 12 weist das Abtrennungsgefäß 52 eine
Sammelvertiefung 54 zum Sammeln von Teilchen auf, die in
das Abtrennungsgefäß 52 strömen. Die
Drehung des Zentrifugenrotors 12 setzt Teilchen in die
Sammelvertiefung 54 ab, während die langsamer sedimentierende Flüssigkeit
und möglicherweise
einige langsamer sedimentierende Teilchen oberhalb einer oberen
Grenze der Sammelvertiefung 54 verbleiben.
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Die
Sammelvertiefung 54 besitzt einen Teilchenkonzentratauslass 56,
der mit einer Teilchenkonzentratleitung 58 verbunden ist.
Die Teilchenkonzentratleitung 58 entfernt Teilchen, die
in der Sammelvertiefung 54 zurückgehalten werden, zusammen
mit einem kleinen Teil der Flüssigkeit.
Das Abtrennungsgefäß 52 umfasst auch
einen Flüssigkeitsauslass 60,
der mit einer Flüssigkeitsauslassleitung 62 verbunden
ist. Die Flüssigkeitsauslassleitung 62 entfernt
Flüssigkeit,
die oberhalb einer oberen Grenze der Sammelvertiefung 54 strömt. Des weiteren
kann die Flüssigkeitsauslassleitung 62 einige
der langsamer sedimentierenden Teilchen entfernen, die an der Sammelvertiefung 54 vorbei
strömen.
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Vorzugsweise
befindet sich der Flüssigkeitsauslass 60 an
oder benachbart einem Ende des Abtrennungsgefäßes 52 und der Einlass 50 befindet
sich an oder benachbart dem entgegengesetzten Ende des Abtrennungsgefäßes 52.
Diese Beabstandung stellt reichlich Zeit für die Abtrennung von Teilchen
aus der Flüssigkeit,
das Sammeln einer beträchtlichen
Anzahl von Teilchen in der Sammelvertiefung 54 und das
entsprechende Entfernen einer beträchtlichen Anzahl von Teilchen
durch die Teilchenkonzentratleitung 58 sicher.
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Bei
der in 2 gezeigten, bevorzugten Ausführungsform wird das Abtrennungsgefäß 52 in
einer in dem Rotor 12 gebildeten Nut 64 angeordnet.
Vorzugsweise ist das Abtrennungsgefäß 52 ein Kanal, der
aus einem halbsteifen Material gebildet ist, so dass ein Tal 66 in
der Außenwand
der Nut 64 die Sammelvertiefung 54 bildet, wenn
sich das Abtrennungsgefäß 52 in
Reaktion darauf ausdehnt, dass Flüssigkeit und Teilchen in dem
Abtrennungsgefäß 52 auf
Zentrifugalkräfte
stoßen.
Wie in 2 gezeigt, weist die obere Oberfläche des Rotors 12 vorzugsweise
Rückhaltenuten
zur Aufnahme des ersten und des zweiten Rohrs 28 und 30,
des Dreiwegeverbinders 34, der Einlassleitung 32,
der Rohrleitung 48, der Teilchenkonzentratleitung 58 und
der Flüssigkeitsauslassleitung 62 auf.
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Wie
in 1 gezeigt, ist die Flüssigkeitsauslassleitung 62 fluidtechnisch
mit einem Flüssigkeitssammelbehälter 66 zum
Sammeln von Flüssigkeit
gekoppelt, die aus dem Abtrennungsgefäß 52 entfernt wird,
und die Teilchenkonzentratleitung 58 ist fluidtechnisch
mit einem oder mehreren Teilchensammelbehältern 70 gekoppelt,
um Teilchen, die aus dem Abtrennungsgefäß 52 entfernt werden,
zu sammeln. Vorzugsweise umfasst die Teilchenkonzentratleitung 58 eine
Rohrleitungsschleife 72, die in einer peristaltischen Pumpe
angebracht werden kann, um Teilchen durch die Teilchenkonzentratleitung 58 zu
pumpen. Die Pumpe für
die Rohrleitungsschleife 72 regelt die Strömungsrate
und Konzentration der Teilchen in der Teilchenkonzentratleitung 58.
Um die Strömungsraten
der Substanzen und die Drehgeschwindigkeit des Rotors 12 während des
Betriebs des Systems 10 zu steuern, steuert ein Steuergerät (nicht
gezeigt) die Pumpen (nicht gezeigt) zum Pumpen von Sub stanzen durch
das erste Rohr 28, das zweite Rohr 30 und die
Teilchenkonzentratleitung 58 und steuert einen Motor (nicht
gezeigt), um den Zentrifugenrotor 12 zu drehen.
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Alternativ
sind die Komponenten des Systems 10, wie das erste Rohr 28,
das zweite Rohr 30, die Zuflussleitung 32, die
Fluidkammer 18, die Rohrleitung 48, das Abtrennungsgefäß 52 und
die Teilchenkonzentratleitung 58, mindestens teilweise
aus einem Polymermaterial gebildet, um die Adhäsion der Teilchen an Komponenten
des Systems 10 zu verringern. Dieses Polymermaterial umfasst
das vorstehend beschriebene Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Polyethylenoxid-Triblockcopolymer,
das die chemische Formel HO-(CH2CH2O)A-(CHCH3CH2O)B-(CH2CH2O)A-H hat, worin
A den Ausdruck 0 ≤ A ≤ 150 erfüllt und
B den Ausdruck 0 ≤ B ≤ 100 erfüllt. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
A 75 oder 76 und B beträgt
30. Beispielsweise ist das Polymermaterial bevorzugt PLURONIC® F68
oder PLURACARE® F68
Prill, hergestellt von der BASF Corp. Die Verwendung dieser Polymermaterialien
für Komponenten
des Systems 10 verbessert die Teilchenabtrennung in der
Fluidkammer 18 und erhöht
die Ausbeute an abgetrennten Teilchen, insbesondere, wenn die Anzahl
der abgetrennten Teilchen klein ist.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Abtrennen von Blutbestandteilen und zum
Abtrennen von Tumorzellen aus einer Zellsuspension wird nachstehend
unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erörtert. Obgleich
die Erfindung im Zusammenhang mit einem Blutbestandteilsabtrennungsverfahren
und einem Tumorzellenabtrennungsverfahren beschrieben wird, liegt
auf der Hand, dass die Erfindung in ihrem breitesten Sinn nicht
dadurch begrenzt ist. Die Erfindung kann zur Abtrennung einer Anzahl
von unterschiedlichen Arten von biologischen Zellen verwendet werden.
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Anfänglich wird
peripheres Blut oder Knochenmarkblut von einem Patienten gesammelt,
und dieses Blut wird in einem Zentrifugenabtrennungsverfahren gereinigt,
um das, was als die Sammlung peripherer Zellen bzw. die Sammlung
von Knochenmarkzellen bekannt ist, zu isolieren. Während dieses
anfänglichen
Zentrifugierungsverfahrens, wird Plasma, das reich an Thrombozyten
ist, und ein Teil der roten Blutkörperchen und dichterer weißer Blutkörperchen
aus dem Blut abgetrennt, um eine Sammlung von peripheren Blutzellen
oder eine Sammlung von Knochenmarkzellen zu erhalten, die hauptsächlich Plasma,
rote Blutkörperchen,
Stammzellen und T-Zellen enthalten. Des weiteren umfasst diese Sammlung
sehr wahrscheinlich einige Thrombozyten und Tumorzellen, falls das
Blut des Spenders solche Zellen enthält. Wie nachstehend detaillierter
beschrieben und in 3 gezeigt, werden bestimmte
Teilchen wie rote Blutkörperchen "R" und möglicherweise einige T-Zellen "T" verwendet, um ein gesättigtes
fluidisiertes Teilchenbett in der Fluidkammer 18 zu bilden.
Falls die Anzahl der roten Blutkörperchen "R" in der Sammlung peripherer Zellen nicht
ausreicht, um das gesättigte
Bett zu bilden, werden der ersten Quelle 38 vorzugsweise
zusätzliche
rote Blutkörperchen
derart zugegeben, dass die Anzahl der roten Blutkörperchen
die Anzahl der Stammzellen, T-Zellen und eventueller Tumorzellen
in der ersten Quelle 38 übersteigt.
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Die
anfängliche
Abtrennung des peripheren Bluts oder Knochenmarks wird vorzugsweise
mit einer Zentrifuge (nicht gezeigt) durchgeführt, die von dem System 10 getrennt
ist, wie einem Zweistufen- oder Einstufenzentrifugenabscheider.
Bei einer alternativen Ausführungsform
kann der Zentrifugenrotor 12 eine Struktur umfassen, um
für eine
anfängliche
Blutbestandteilsabtrennung mit dem Zentrifugenrotor 12,
wie in dem vorstehend angegebenen US-Patent Nr. 5,674,173 offenbart,
zu sorgen.
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Die
Sammlung abgetrennter peripherer Zellen oder die Sammlung abgetrennter
Knochenmarkzellen wird in die erste in 1 gezeigte
Quelle 38 verbracht und die erste Quelle 38 wird
mit dem ersten Rohr 28 gekoppelt. Des weiteren wird die
zweite Quelle 42, die die Verdünnerflüssigkeit enthält, mit
dem zweiten Rohr 30 gekoppelt. Der Zentrifugenrotor 12 wird
um die Drehachse A-A gedreht und die Blutbestandteile und die Verdünnerflüssigkeit
werden von der ersten und der zweiten Quelle 38 und 42 und
durch das erste bzw. zweite Rohr 28 bzw. 30 gepumpt.
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Beispielsweise
wird der Zentrifugenrotor 12 mit einer Drehzahl von etwa
2.400 UpM gedreht, um etwa 776 g am Fluidkammereinlass 20 und
etwa 466 g am Fluidkammerauslass 22 zu erzeugen. Wenn möglich, wird
die höchste
durchführbare
Drehzahl des Rotors 12 verwendet, um den dynamischen Bereich
der bei dem Verfahren verwendeten Strömungsraten zu maximieren. Die
Gleichgewichtsströmungsraten
stehen in einer quadratischen Beziehung zu der Drehzahl.
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Wenn
die Blutbestandteile und die Verdünnerflüssigkeit in den Dreiwegeverbinder 34 strömen, vermischen
sie sich miteinander und strömen über die
Einlassleitung 32 in die Fluidkammer 18. Obgleich
die Blutbestandteile und die Verdünnerflüssigkeit vorzugsweise während des
Abtrennungsverfahrens in dem Dreiwegeverbinder 34 gemischt
werden, könnten
die Substanzen auf andere Weise gemischt werden. Beispielsweise könnte die
Verdünnerflüssigkeit
der ersten Quelle 38 zugegeben werden, um die Verdünnerflüssigkeit
und die Blutbestandteile in der ersten Quelle 38 zu mischen.
Dieses Mischen könnte
auch vor oder zu Beginn eines Abtrennungsverfahrens durchgeführt werden.
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Die
Drehung des Zentrifugenrotors 12 und die Strömungsrate
der Substanzen, die in die Fluidkammer 18 eintreten, werden
gesteuert, um Teilchen in der Fluidkammer 18 zu akkumulieren,
während
Flüssigkeiten wie
das Plasma und die Verdünnerflüssigkeit
aus der Fluidkammer 18 strömen. Wie schematisch in 3 gezeigt,
bildet sich ein fluidisiertes Teilchenbett, das rote Blutkörperchen "R" und möglicherweise einige T-Zellen "T" enthält, schließlich in dem Bereich der Fluidkammer 18 mit
dem größten Querschnitt.
Wenn mehr rote Blutköperchen "R" und T-Zellen "T" in
das Teilchenbett strömen,
erreicht es einen Zustand der Sättigung.
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Wie
in 3 gezeigt, strömen
Plasma, Verdünnerflüssigkeit
und alle langsamer sedimentierenden Thrombozyten durch das gesättigte Teilchenbett,
während
das Teilchenbett die relativ schneller sedimentierenden Stammzellen "S" und Tumorzellen "M" in
einem Bereich der Fluidkammer 18 zurückhält, der sich zwischen dem Bett
und dem Fluidkammereinlass 22 befindet. Die Stammzellen "S" befinden sich genau unter dem gesättigten
fluidisierten Bett und die schneller sedimentierenden Tumorzellen "M" befinden sich näher an dem Einlass 22.
Zusätzlich
zu den Stammzellen "S", die normalerweise
einen als CD34+ bekannten Antikörper
exprimieren, kann das gesättigte
fluidisierte Teilchenbett auch alle oder eine beträchtliche
Anzahl von anderen Blutteilchen, die den CD34+ Antikörper exprimieren,
zurückhalten,
da diese Teilchen normalerweise ähnliche Sedimentationsgeschwindigkeiten
aufweisen. Einige kleinere Stammzellen "S" können sich
in dem gesättigten fluidisierten
Teilchenbett befinden oder durch das Bett zusammen mit dem Plasma
und der Verdünnerflüssigkeit
strömen,
statt unter dem Bett zu bleiben.
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Wenn
rote Blutkörperchen "R" und T-Zellen "T" weiter
in die Fluidkammer 18 strömen und in das gesättigte fluidisierte
Bett eintreten, strömen
die roten Blutkörperchen "R" und die T-Zellen "T" aus
dem Auslass 20. Da das fluidisierte Teilchenbett gesättigt ist,
ist die Rate, mit der rote Blutkörperchen
und T-Zellen "T" in den Einlass 22 eintreten,
gleich der Rate, mit der die roten Blutkörperchen "R" und
die T-Zellen "T" durch den Auslass 20 hindurchtreten.
Der Strom von roten Blutkörperchen "R" und T-Zellen "T" trägt auch
einen Teil der Anzahl der Stammzellen "S" mit
sich. Im Allgemeinen tritt eine größere Anzahl der Stammzellen "S" aus der Fluidkammer 18 aus,
wenn die Anfangsanzahl der roten Blutkörperchen "R" und/oder
der weißen
Blutkörperchen größer ist.
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Da
die Verdünnerflüssigkeit
eine geringere Dichte als das Plasma und andere Blutbestandteile
aufweist, die durch das erste Rohr 28 strömen, verringert
das Vermischen der Verdünnerflüssigkeit
und der Blutbestandteile in dem Dreiwegeverbinder 34 die
Gesamtdichte der kombinierten Suspension der Flüssigkeiten und der Teilchen
in der Fluidkammer 18. Dies verringert die Coriolis-Turbulenz
des Plasmas und der Verdünnerflüssigkeit,
die durch die Fluidkammer 18 strömen, da die gemischte Flüssigkeit
eine Dichte aufweist, die näher
an derjenigen der Gesamtdichte der Substanzen in der Fluidkammer 18 liegt.
Mit anderen Worten, wenn die Gesamtdichte der Substanzen in der
Fluidkammer 18 näher
an der Dichte der Flüssigkeiten
liegt, die in die Fluidkammer 18 eintreten, verringert
dies die Auftriebskräfte,
die dazu neigen, die Flüssigkeit
in Richtung auf den Fluidkammerauslass 20 zu bewegen.
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Im
Gegensatz hierzu bewirken die Auftriebskräfte, wenn die Gesamtdichte
der Substanzen in der Fluidkammer 18 relativ hoch ist,
dass die Flüssigkeiten
geringerer Dichte in einer Coriolis-Turbulenz entlang der Innenwandfläche der
Fluidkammer strömen,
die der Drehrichtung des Rotors 12 zugewandt ist. Diese
Coriolis-Turbulenz der Flüssigkeit
trägt schneller
sedimentierende Teilchen wie die Tumorzellen "M" in
Richtung auf den Fluidkammerauslass 20 und gestattet es
deshalb, dass diese Teilchen aus der Fluidkammer 18 strömen und
sich mit den langsamer sedimentierenden Teilchen wie roten Blutkörperchen,
T-Zellen und Stammzellen mischen. Da die Coriolis-Turbulenz bei
der vorliegenden Er findung verringert ist, kann eine größere Menge
der schneller sedimentierenden Tumorzellen "M" aus
den Blutbestandteilsteilchen abgetrennt werden.
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Das
Verdünnen
der Blutbestandteile mit Verdünnerflüssigkeit
gestattet es, dass die Blutbestandteile in dem ersten Rohr 38 in
die Fluidkammer 18 gepumpt und mit einer schnelleren, konstanteren
Strömungsgeschwindigkeit
getrennt werden, während
Teilchen in die Fluidkammer 18 eintreten und danach, während reine Verdünnerflüssigkeit
in die Fluidkammer 18 eintritt. Im Gegensatz hierzu gestatten,
wenn die Blutbestandteile in der Fluidkammer 18 ohne Verdünnung abgetrennt
werden, die Viskosität
und die Dichte des Plasmas keine so hohen Strömungsraten. Des weiteren können einige
der Tumorzellen durch den Fluidkammerauslass 20 aufgrund
der hohen Suspensionsdichten in der Kammer, kombiniert mit der geringen
Dichte der reinen Verdünnerflüssigkeit,
die den letzten Zellen in die Kammer 18 folgt, durch den
Fluidkammerauslass 20 gezwungen oder getragen werden.
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Während der
Teilchenabtrennung wird das Pumpen der Blutbestandteile in das erste
Rohr 28 und das Pumpen der Verdünnerflüssigkeit in das zweite Rohr 30 derart
gesteuert, dass die Strömungsrate
der Verdünnerflüssigkeit
die Strömungsrate
der Blutbestandteile übersteigt.
Beispielsweise beträgt
das Verhältnis
der Strömungsrate
der Verdünnerflüssigkeit
zu der Strömungsrate
der Blutbestandteile vorzugsweise etwa 1 bis etwa 20, stärker bevorzugt
etwa 2 bis etwa 8 und am stärksten
bevorzugt etwa 6. Das starke Verdünnen der Blutbestandteile mit
der Verdünnerflüssigkeit
gestattet die Abtrennung der Tumorzellen und der Blutteilchen mit
einer erhöhten
Strömungsrate.
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Obgleich
die Verdünnerflüssigkeit
und die Blutbestandteile vorzugsweise in dem Dreiwegeverbinder 34 während eines
Teilchenabtrennungsverfahrens gemischt werden, sind andere Mischungsgestaltungen möglich. Die
Fluidkammer könnte
beispielsweise modifiziert werden, um separate Einlässe für Blutbestandteile und
Verdünnerflüssigkeit
aufzuweisen. Des weiteren könnte
die Verdünnerflüssigkeit
nur während
bestimmter Teile des Abtrennungsverfahrens zugegeben werden. Die
Verdünnerflüssigkeit
könnte
den Blutbestandteilen in der ersten Quelle 38 auch vor
oder zu Beginn des Abtrennungsverfahrens zugegeben werden.
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Schließlich strömen alle
Blutbestandteile von der ersten Quelle 38 zur Fluidkammer 18 und
die erste Quelle 38 erreicht einen leeren Zustand. Danach
wird eine Menge der Verdünnerflüssigkeit
allein in die Fluidkammer 18 eingeleitet, um die Gesamtdichte
der Substanzen in der Fluidkammer 18 noch weiter zu verringern und
dadurch die Coriolis-Turbulenz
zu verringern. Beispielsweise werden 250 ml reine Verdünnerflüssigkeit
in die Fluidkammer 18 eingeleitet, nachdem die erste Quelle 38 leer
ist. Die Verdünnerflüssigkeit
spült etwas
von den gewünschten
Teilchen aus der Fluidkammer 18 heraus.
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Nachdem
die Blutbestandteile aus der ersten Quelle 38 erschöpft sind
und das Verdünnerfluid
eine ausreichende Anzahl von gewünschten
Zellen aus der Kammer 18 ausgespült hat, um die Suspensionsdichte in
der Kammer 18 weiter herabzusetzen, werden die verbleibenden
Stammzellen "S" und andere gewünschte Teilchen
in der Fluidkammer 18 geerntet. Während des Erntens wird die
Strömungsrate
der Verdünnerflüssigkeit
in Inkrementen allmählich
derart erhöht,
dass Teilchen mit relativ niedrigerer Sedimentationsgeschwindigkeiten
aus der Fluidkammer 18 gespült werden. Die Strömungsgeschwindigkeit
der Verdünnerflüssigkeit
wird vorzugsweise auf relativ langsame und allmähliche Weise und mit einer
relativ konstanten (linearen) Rate erhöht. Das langsame Erhöhen der
Strömungsgeschwindigkeit
der Verdünnerflüssigkeit
auf diese Weise verringert die Wahrscheinlichkeit einer Coriolis-Turbulenz,
die durch plötzliche
Erhöhungen
der Strömungsrate
verursacht wird.
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Wenn
das Ernten fortgesetzt wird, wird die Strömungsrate der Verdünnerflüssigkeit
erhöht,
bis sie beispielsweise etwa 50 % bis etwa 100 % höher ist
als die kombinierte Strömungsgeschwindigkeit
der Blutbestandteile und der Verdünnerflüssigkeit vor dem Ernten. Vorzugsweise
verbleibt ein fluidisiertes Bett von Teilchen während eines beträchtlichen
Teils des Erntens. Die verringerte Gesamtdichte der Substanzen in
der Fluidkammer 18 verringert die Wahrscheinlichkeit der
Coriolis-Turbulenz während
des Erntens der Teilchen. Vorzugsweise wird die Erhöhung der
Strömungsrate
bis kurz vor den Zeitpunkt fortgesetzt, zu dem Tumorzellen "M" beginnen, aus dem Fluidkammerauslass 20 auszutreten.
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Die
Verdünnerflüssigkeit,
Plasma, rote Blutkörperchen,
T-Zellen, Stammzellen und alle anderen Materialien, die aus dem
Fluidkammerauslass 20 strömen, werden durch die Zwi schenrohrleitung 48 zum
Einlass 50 des Abtrennungsgefäßes 52 geleitet. In
dem Abtrennungsgefäß 52 hält die Zentrifugalkraft,
die durch die Drehung des Rotors 12 verursacht wird, die
Teilchen in der Sammelvertiefung 54 zurück, während die Verdünnerflüssigkeit
und das Plasma durch den Flüssigkeitsauslass 60 und
die Flüssigkeitsauslassleitung 62 strömen. Dies
trennt die roten Blutkörperchen,
die Stammzellen und andere Teilchen aus der Verdünnerflüssigkeit und dem Plasma ab.
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Die
Teilchen und ein Teil der Flüssigkeiten
strömen
durch die Teilchenkonzentratleitung 58 zu einem oder mehreren
Teilchensammelbehältern 70,
und die Verdünnerflüssigkeit
und das Plasma strömen
durch die Flüssigkeitssammelleitung 62 zu
dem Flüssigkeitssammelbehälter 66.
Nachdem die erste Quelle 38 leer ist und die gewünschten
Zellen in den Sammelbehältern 70 gewonnen
wurden, beendet eine Bedienungsperson (ein Verfahrenstechniker)
die Drehung des Rotors 12 und entfernt gegebenenfalls Tumorzellen
und alle anderen Zellen aus der Fluidkammer 18 zum Testen
oder für
andere Zwecke.
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Wenn
die Blutkomponenten in der ersten Quelle 38 und/oder die
Verdünnerflüssigkeit
in der zweiten Quelle 42 das vorstehend erwähnte Polymer
mit der chemischen Formel HO-(CH2CH2O)A-(CHCH3CH2O)B-(CH2CH2O)A-H aufweisen,
verringert das Polymer die Adhäsion
von mindestens einigen der Teilchen wie der roten Blutkörperchen,
T-Zellen und Stammzellen. Insbesondere verringert das Polymer das
Verbinden der roten Blutkörperchen
miteinander. Dies verbessert das Abtrennen der Teilchen in der Fluidkammer 18,
da die einzelnen Teichen nicht aneinander oder an den Komponenten
des Systems 10 haften. Deshalb erhöht die Verwendung des Polymers
die Anzahl der roten Blutkörperchen,
T-Zellen und/oder Stammzellen,
die in den Teilchensammelbehältern 70 gesammelt
wurden, insbesondere, wenn die erste Quelle 38 anfänglich eine
geringe Anzahl dieser Teilchen umfasst.
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Unter
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Polymer zum Verbessern
der Teilchenabtrennung verwendet werden, wenn die Teilchen in der
Fluidkammer 18 gemäß den Unterschieden
der Sedimentationsgeschwindigkeit ohne Bildung eines gesättigten
fluidisierten Teilchenbetts in der Fluidkammer 18 getrennt werden.
Das Polymer kann bei spielsweise verwendet werden, wenn die Teilchen
in der Fluidkammer 18 mittels Ausschlämmung getrennt werden.
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Wenn
die vorliegende Erfindung verwendet wird, um biologische Zellen,
einschließlich
roter Blutkörperchen,
abzutrennen, wirken die roten Blutkörperchen als einzelne, unabhängige sedimentierende
Teilchen ohne eine beträchtliche
Verbindung der roten Blutkörperchen.
Die Verwendung der Verdünnerflüssigkeit
verringert die Dichte und Viskosität der Substanzen, die in die
Fluidkammer 18 strömen
und begrenzt dadurch das Auftreten von roten Blutkörperchen
bei der Verbj dindung der roten Blutkörperchen. Die Zugabe des vorstehend
erwähnten
Triblock-Copolymers zu den Substanzen, die in die Fluidkammer 18 strömen, begrenzt
auch die Neigung der roten Blutkörperchen,
sich miteinander zu verbinden, indem die Adhäsion der roten Blutkörperchen
aneinander verringert wird. Da die Verbindung der roten Blutkörperchen
verringert ist, bilden die roten Blutkörperchen mindestens einen Teil
des gesättigten
fluidisierten Teilchenbetts statt wie schneller sedimentierende
Teilchen zu wirken.
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Bei
der vorliegenden Erfindung blockieren die roten Blutkörperchen
in dem gesättigten
Bett den Durchtritt der schneller sedimentierenden Tumorzellen.
Da die das Bett bildenden, roten Blutkörperchen sich so verhalten,
als ob sie eine schnellere Sedimentationsgeschwindigkeit als Stammzellen
haben, gestatten es die roten Blutkörperchen, dass die Stammzellen
durch das gesättigte
Bett hindurchtreten. Die Gewinnung der Stammzellen und das Filtern
der Tumorzellen werden verbessert, wenn eine große Anzahl von roten Blutkörperchen
verwendet wird. Im Gegensatz dazu werden bei der Ausschlämmung rote
Blutkörperchen
typischerweise vor der auf der Strömungsrate beruhenden Abtrennung
entfernt.
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Es
liegt für
Fachleute auf der Hand, dass verschiedene Modifikationen und Abänderungen
der Gestaltung und Methodik der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden
können,
ohne den Umfang oder den Geist der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
könnte
die vorliegende Erfindung zum Abtrennen von Tumorzellen von roten
Blutkörperchen
verwendet werden und die Zellsuspension in der ersten Quelle 38 umfasst
möglicherweise
keine T-Zellen und/oder Stammzellen. Angesichts des Vorstehenden
ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen
und Abänderungen
dieser Erfindung abdeckt, vorausgesetzt, sie fallen unter den Umfang
der nachfolgenden Ansprüche.