Brevet FR2531333A1 — publié le 19840210

- Pancréas bio-artificiel à ultrafiltration L'invention concerne les pancréas bio-artificiels, c'est-à-dire les dispositifs capables de réguler la-glycé- mie d'un sujet diabétique, dispositif comportant des ilôts de Langerhans (éventuellement provenant d'un être d'autre nature que le porteur du pancréas) destinés à sécréter l'insuline et protégés contre le rejet immun par une mem- brane perméable au glucose et à l'insuline, mais imper- méable aux immunoglobulines et aux immunocytes Un pancréas bio-artificiel, qu'on désignera par la suite par l'abréviation PBA, est d'autant plus satisfaisant que sa réponse à une variation de concentration du glucose dans le sang se rapproche de celle du pancréas biologique. Il faut en particulier que l'insuline soit sécrétée par les ilôts et parvienne au flux sanguin avant que la glycémie n'atteigne une valeur considérée comme le maximum acceptable et ce quelle que soit l'allure de la courbe d'augmentation de glycémie à partir du taux normal. On a déjà fait de nombreuses études visant à la réalisation d'un PBA ayant une réponse cinétique acceptable. On trouvera notamment un résumé de ces études dans l'article de G REACH et al dans "Journées Annuelles de Diabétologie de l'Hôtel-Dieu", Flammarion, Paris, 1982, pp 147-159 - Dans tous les cas, le principe du PBA est le même les ilôts de Langerhans sont séparés de l'hôte diabétique par une membrane artificielle biocompatible perméable au glucose et à l'insuline Mais deux types de transfert du glucose aux iîlts de Langerhans pour fournir une excitation à ces derniers ont été proposés et conduisent à des mem- branes de nature différente. Un premier type de membrane utilise un phénomène de diffusion, c'est-àdire de traversée de la membrane par les solutés eux-mêmes Il s'agit d'un processus de dialyse, dont l'analyse montre qu'il est peu satisfaisant, car il exige un gradient de concentration, ce qui retarde la stimula- tion des ilôts de Langerhans, et s'effectue à des vitesses différentes pour le glucose et l'insuline, ce 2- qui trouble la fonction de transfert d'une boucle de régu- lation entre les variations glycémiques et la délivrance d'insuline dans le sang. Un autre type de membrane utilise un phénomène de convection, c'est-àdire de traversée de la membrane par le solvant qui entraîne la masse des solutés dissous Les mem- branes utilisables pour ce type de transfert sont des mem- branes ultrafiltrantes, retenant les molécules très lourdes. Dans ce cas, aucun gradient de concentration n'est nécessaire, ce qui est un facteur favorable, et la vitesse de transfert est déterminée par le gradient de pression hydrostatique à la traversée de la membrane et la perméabilité hydraulique de cette dernière. On a déjà tenté de réaliser un PBA utilisant une membrane ultrafiltrante En particulier, on a proposé d'utiliser des fibres creuses parcourues par un flot sanguin et placées dans un bottier contenant les ilôts de Langerhans. On a également proposé des cellules plates d'ultrafiltration dans lesquelles le sang circule entre une membrane en sili- cone et une membrane ultrafiltrante de polyacrylonitrile (Gérard REACH et al, Diabetes, Vol 30, No 4, avril 1981, pp 296-301). En dehors de cette dernière approche nécessitant une pompe électrique pour la production d'ultrafiltrat, les dif- férentes tentatives n'ont pas résolu le problème d'une régu- lation satisfaisante de l'insulino-sécrétion en fonction de la glycémie; en particulier, certains PBA qui ont une réponse satisfaisante en cas d'augmentation brutale de la glycémie (obtenue par exemple au cours d'essais, par injection intra- veineuse) ne permettent pas de maintenir la glycémie au- dessous de la limite tolérable en cas de variation lente, par exemple à la suite d'un repas. La présente invention vise à écarter cet inconvénient et à fournir un PBA ( 1) ayant une réponse améliorée et per- mettant en particulier de maintenir la glycémie à un taux acceptable quelle que soit sa loi de variation dans le temps et ( 2) n'utilisant que la pression artérielle pour la produc- tion de l'ultrafiltrat à l'exclusion de toute pompe exogène. Ce résultat n'a pu être atteint que grâce à une 3 -2531333 approche fondamentale des phénomènes qui interviennent, approche qui a conduit à constater qu'un paramètre essen- tiel pour déterminer les caractéristiques fonctionnelles était le volume du compartiment contenant les ilôts Pour tenir compte de cette analyse, l'invention propose un PBA comportant des ilôts de Langerhans contenus dans un volume délimité par deux membranes ultrafiltrantes approximativement parallèles dont les surfaces opposées au volume occupé par les ilôts sont successivement balayées par le même flux sanguin sur une longueur supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la distance qui sépare les membranes. Un tel PBA est susceptible d'être réalisé avec des. membranes de natures très diverses On peut en particulier utiliser des membranes planes, par exemple en polyacrylo- nitrile tel que celui vendu sous la référence "AN 69 " par RHONE POULENC On peut également utiliser une nappe de fibres creuses ultrafiltrantes Les géométries adoptables sont également très diverses, comme on le verra plus loin. Dans la pratique, le volume V 1-occupé par les ilôts de Langerhans et délimité par les membranes devra répondre à la condition: Vi S PM T AP/8 dans laquelle: T est la constante de temps acceptable, dont des études physiologiques effectuées sur l'homme indiquent qu'elle ne doit pas dépasser 20 minutes et doit, de préférence, être de 15 minutes au plus; a P est la différence de pression motrice disponible, de l'ordre de 80 mm de mercure dans le cas courant d'une implantation en shunt artério- veineux; S est la surface totale de membrane; PM est la perméabilité hydraulique de la membrane. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, qui se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: 14 - la figure 1 est un schéma montrant la constitution de principe d'un pancréas bio-artificiel et les grandeurs qui interviennent dans son fonctionnement; la figure 2 donne les courbes représentatives de la glycémie G 8 dans le sang et de la concentration en glu- cose G dans le compartiment contenant les ilôts d'un PBA, en fonction du temps, en réponse à une absorption de sucre, la figure 3 est un schéma de principe en coupe montrant un PBA à fibre creuse, les figures 4 A et 4 B montrent la disposition d'une fibre dans une variante de réalisation, la figure 5 montre un boîtier de PBA à membrane plate, la figure 6 est une vue de détail schématique montrant la mise en place des ilôts de Langerhans dans une trame. Avant de décrire des modes particuliers d'exécution de l'invention, il peut être utile de rappeler quelques indications sur les conditions que doit remplir un PBA, puis de fournir une analyse d'un modèle de PBA. Le principe d'un PBA est le suivant: un tissu pancréatique est placé dans un compartiment 10 séparé par une membrane ultrafiltrante 11 d'un flux sanguin de l'hôte diabétique, flux schématisé par une flèche 12. La membrane est traversée par un flux d'ultrafiltrat QF 1 dans le sens sang-ilôts et, dans sa partie aval, par un flux d'ultrafiltrats QF 2 dans le sens ilôts-sang On appellera constante de temps T la valeur Vi/QF 1 (Vi étant le volume du compartiment 10) On verra que cette constante de temps correspond au retard du l'insulino-sécrétion par le PBA, par rapport au pancréas endocrine normal, pour des variations très lentes de la glycémie GB, par exemple à la suite d'un repas A la suite d'une injection de glycémie, GB et Gi s'élèvent, suivant une loi du genre représenté en figure 2, à partir de la glycémie Go à jeun Les ilts de Langerhans commencent à sécréter de l'insuline dès que la glycémie atteint un seuil d'insulino-sécrétion Gs Dans le cas du pancréas biologique, la sécrétion commence à l'ins- tant TA pour lequel GB = GS Dans le cas d'un PBA, la sécrétion commence à l'instant Ti pour lequel Gi = GS Si l'on désigne par TB l'instant auquel la glycémie atteint la limite supérieure acceptable GD, une condition nécessaire pour que le PBA soit efficace et que l'on ait: Ti d'insuline,régulée par la glycémie,avec un retard suffisam- ment faible pour la maintenir dans des limites acceptables. Il faut au surplus tenir compte non seulement du retard à l'insulinosécrétion, qui n'intervient qu'une fois que la concentration en glucose dans le compartiment 10 a atteint le seuil Gs, mais aussi du temps nécessaire au trans- fert de masse de l'insuline secrétée à travers la membrane 11 On verra que, dans un PBA suivant l'invention, la courte longueur du trajet suivi par le flux QF 2, associée aux caractéristiques favorables de la membrane ultrafiltrante 11, permet de négliger le temps nécessaire au transfert de masse. En utilisant le modèle de la figure 1, on peut déter- miner par le calcul la relation qui existe entre la vitesse a de variation de la glycémie dans le sang, la constante de temps T déjà définie et le retard R = TB TA à l'in- sulino-sécrétion On trouve la relation: T l exp ( a R+Gs-GO) 1 l + R = O ca.s L'examen de cette formule montre que R tend vers T lorsque a tend vers O, c'est-à-dire que T est le retard de l'insulino-sécrétion par le PBA, par rapport au pancréas normal, pour les variations lentes de la glycémie Cette formule montre également que R dépend largement de a et que, pour qu'un PBA soit satisfaisant, il faut que R reste acceptable même dans le cas le plus défavorable o a est faible Incidemment, la formule montre pour quelle raison divers PBA antérieurs améliorent la tolérance au glucose -6- administré par voie veineuse, tandis qu'ils sont inefficaces pour combattre l'augmentation de la glycémie à la suite d'un repas Dans le premier cas, a est très grand et on arrive à un retard R ne dépassant pas dix minutes Au con- traire, dans le cas d'un repas,ci est faible et on arrive à une valeur de R dépassant quarante minutes Or, l'expérience de l'insulino thérapie en boucle ouverte ou en boucle fer- mée (c'est-à-dire avec régulation) montre que le retard R ne doit pas dépasser vingt minutes et doit avantageusement rester inférieur ou égal à quinze minutes En conséquence, un PBA répondant au modèle exposé cidessus devra remplir la condition: V./QF 1 balayées sur leurs surfaces externes par le même flux san- guin La pression dans ce flux sanguin diminue le long du parcours du fait de la perte de charge répartie qu'il subit. Dans une première portion du parcours, o la pression du flux sanguin sera supérieure à la pression qui règne dans le compartiment 10 occupé par les ilôts, il y aura passage du débit QFI à travers la membrane filtrante Dans la seconde portion, o la pression sanguine est inférieure à la pression dans le compartiment, il y aura passage du débit QF 2 et transfert de masse de l'insuline vers le flux sanguin. Les deux membranes ultrafiltrantes seront généra- lement constituées par deux portions successives d'une même membrane repliée en U sur elle-même Cette membrane peut être soit plate, soit constituée par une ou des fibres creuses de diamètre interne suffisant pour éviter la coa- gulation. 7- Le schéma de la-figure 3 montre la constitution de principe d'un PBA à une seule fibre 13 pliée en épingle à cheveux et parcourue par un flux sanguin La fibre est placée dans un bottier 14 et délimite le volume 10 occupé par les ilôts Du fait de la diminution de la pression hydrostatique par suite de la perte de charge le long de l'écoulement, le débit d'ultrafiltration par unité de lon- gueur dans le compartiment 10 diminue depuis l'entrée jus- qu'à une distance déterminée L 1, sensiblement égale à la moitié de la longueur totale L de la fibre, o il s'annule. Au-delà, il y a inversion de l'écoulement d'ultrafiltration et augmentation progressive du débit linéaire d'ultrafiltra- tion jusqu'à la sortie. Une étude théorique de ce montage de-principe fait apparaître que-la régulation permet d'éviter une hyper- glycémie dépassant le seuil GB si la condition suivante est remplie Vis S PM t Ap (l) Dans cette formule, T, Ép, S et PM ont la signi- fication indiquée plus haut La-surface S à prendre en considération est évidemment uniquement celle qui délimite le compartiment 10. Ainsi, pour une surface de membrane déterminée, de perméabilité hydraulique Pm il existe un volume maximal du compartiment 10 permettant de conserver une valeur accep- table de T, typiquement 15 minutes, lorsque le PBA constitue un shunt artério-veineux, pour lequel âp est déterminé-et de l'ordre de 80 mm de mercure Le volume pourra être d'autant plus important que la perméabilité est plus élevée. A titre d'exemple, on peut indiquer que, dans le cas d'une implantation sur le rat utilisant une membrane AMICON XM 50 de 50 cm dé long et de 0,4 mm de rayon (au-dessous duquel on peut difficilement descendre sans risque de coagulation), le volume Vi ne doit pas dépasser 200 pl Le débit- qui i passe alors dans le PBA est compatible avec un shunt depuis la carotide sur le rat. Il faut remarquer au passage que, grâce à la structure en épingle à cheveux de la fibre, le temps de retour de l'ultrafiltrat est très bref Si les deux bran- ches de la fibre sont séparées par une distance correspon- dant à l'épaisseur d'un ilôt, c'est-à-dire 200 lm et qu'il se forme'en moyenne 0,008 pl par minute dans le comparti- -ment, le transfert de masse est réalisé en moyenne en une minute, ce qui est négligeable par rapport au temps de transmission de la variation du taux de glucose. Une structure en épingle à cheveux simple présente l'inconvénient d'une longueur excessive pour permettre l'implantation Diverses solutions permettent de s'affran- chir de cette difficulté et en même temps de réduire les problèmes de courbure de fibre-sous un faible rayon Comme illustré en figures 4 A et 4 B, la fibre 13 est enroulée pour constituer deux limaçons successifs qui sont ensuite appli- qués l'un contre l'autre en laissant simplement subsister l'épaisseur nécessaire pour intercaler les ilôts, dans un boîtier 14 de forme plate Avec deux fois sept spires, on peut réaliser un compartiment 10 ayant un volume de l'ordre de 100 Fl, pouvant recevoir 800 ilôts de 250 Mm de diamètre. On retrouve toutefois-dans ce montage le problème des courbures sous faible rayon lorsque la spire interne est de faible diamètre Le problème est totalement écarté, mais au prix d'une diminution de compacité, en utilisant un montage en double solénoïde, Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on utilise une membrane plate flexible Dans ce cas, la totalité de la surface de la membrane est utilisée pour -30 délimiter le compartiment 10 sur la figure 3 Les ilôts étant situés entre les deux branches de la membrane, il convient d'adopter une disposition mécanique permettant de glisser l'ensemble des ilôts et de la membrane dans le boîtier 14 (figure 5). Une disposition commode, qui permet au surplus de diminuer le volume Vi, consiste à séparer les feuillets de la membrane par une trame en fil synthétique (polyamide ou polyester en général) délimitant des mailles o l'on place les ilôts. a 9 2 2531333 Quelques exemples numériques de réalisation seront maintenant donnés. Pour réaliser un PBA utilisable pour des essais sur le rat, on peut adopter un encombrement en plan de 65 x 5,5 mm, donc une surface S de membrane de 7,15 cm 2; pour per- mettre une épaisseur e accrue du compartiment 10, une trame de 300 pm d'épaisseur est placée entre les deux branches de la membrane (Figure 6) Cette trame maintient de plus l'écartement à une valeur déterminée Si on utilise une membrane AN 69, fabriquée par RHONE POULENC, dont la perméa- bilité Pm est de 25 ml/h/m 2/mm Hg, on peut adopter une trame de pas il = 0,5 mm, chaque maille recevant quatre ilôts 15. Une autre solution, plus avantageuse, consiste à utiliser une membrane AN 69 S ayant une perméabilité de 40 ml/h/m 2 I mm Hg, avec une trame ayant un pas de 1 mm Les 800 ilôts nécessaires peuvent être placés uniquement dans les mailles du premier tiers de la trame, o la différence de pression hydrostatique entre les deux branches provoque un débit transmembranaire important La différence de pression totale disponible sur un shunt artério-veineux ne dépassant pas 80 mm de mercure et les raccords se traduisant par une perte de charge qui peut atteindre 10 mm de mercure, l'épaisseur moyenne du film de sang se trouve approximati- vement déterminée Pour un débit de 5 ml/mn, cette épais- seur sera de l'ordre de 200 pm Si on dépasse cette épaisseur en maintenant le débit à la même valeur, il y aura une baisse du débit transmembranaire et donc une perte d'efficacité. Il faut encore remarquer que la partie de la membrane à proximité de l'extrémité du U ne joue guère de rôle pour les transferts, surtout si le compartiment 10 ne contient pas d'ilôts dans cette zone On peut donc diminuer la lon- gueur de la trame et de la membrane, ainsi que l'encombre- ment en plan du PBA, en augmentant localement la perte de charge près de l'extrémité-du U Cette augmentation peut être réalisée en diminuant l'épaisseur du film de sang ou sa largeur à cet endroit; par exemple à l'aide d'un étranglement qui doit toutefois être réalisé de façon à - ne pas créer des risques de coagulation et d'obtura- tion locale. Un tel PBA peut être monté dans un boîtier du genre montré en figure 5 La membrane est d'abord posée à plat, puis recouverte sur la moitié de sa longueur par la trame. Les ilôts de Langerhans sont déposés dans les mailles de la trame, puis la membrane refermée sur la trame L'ensem- ble ainsi constitué est alors enfilé dans le boîtier 14, muni de rainures latérales 15 de guidage et de maintien du sandwich ainsi formé La rainure 15 présente une épaisseur correspondant à celle de la membrane et de la trame et les distances h entre les bords des rainures et le fond de la cavité dans le boîtier fixent l'épaisseur des films de sang Un couvercle 16, muni de moyens d'étanchéité non représentés, ferme ensuite le boîtier Des raccords 17 prévus dans le couvercle permettent d'organiser la circulation. Lorsque l'on souhaite extrapoler un tel PBA à l'organisme humain, il faut tenir compte du fait que le nombre d'ilôts nécessaire atteint 200 000 environ Mais la différence de pression artério-veineuse disponible n'est pas sensiblement modifiée, bien que le débit sanguirn qui peut être détourné puisse être accru, pratiquement multiplié par 15 dans le cas d'un implantation sur le bras. La meilleure solution semble être alors de disposer les ilôts en plusieurs couches en prévoyant une trame d'épais- seur plus forte ou plusieurs trames superposées On peut ainsi envisager de réaliser un PBA à membrane plate ayant un encombrement en plan de 130 x 55 mm, ce qui permet de ' conserver un rapport longueur/largeur acceptable La mem- brane délimite un film de sang de 320 Mm d'épaisseur et le compartiment entre les deux plis de la membrane contient quatre couches d'ilôts répartis dans les mailles de la trame. D'autres dispositions encore sont possibles, par exemple sous forme bobinée, mais elles rendent plus diffi- cile la mise en place dans un boîtier. Il va sans dire que la présente invention ne se - il " limite pas aux modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples, mais s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. No 12 - REVENDICATIONS 1 Pancréas bio-artificiel comportant des ilôts de Langerhans contenus dans un volume limité par une mem- brane, caractérisé en ce que ledit volume de faible épais- seur est délimité par deux membranes ultrafiltrantes appro- -ximativement parallèles, dont les surfaces opposées au volume occupé par les ilôts sont successivement balayées par le même flux sanguin sur une longueur supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la distance qui sépare les membranes. 2 Pancréas bio-artificiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume Vi occupé par les ilôts de Langerhans et délimité par les membranes répond à la condi- tion: Vi S PM t AP/8 ( 1) dans laquelle: T est la constante de temps acceptable, dont des études physiologiques effectuées sur l'homme indiquent qu'elle ne doit pas dépasser 20 minutes; AP est la différence de pression motrice disponible, de l'ordre de 80 mm de mercure dans le cas courant d'une implantation en shunt artério-veineux; S est la surface totale de membrane PM est la perméabilité hydraulique de la membrane. 3 Pancréas bio-artificiel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les membranes sont constituées par deux portions successives d'une même membrane plate repliée en U. 4 Pancréas bio-artificiel selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux parties de la membrane sont séparées -par une trame définissant l'épaisseur du volume ( 10) et réduisant celui-ci. Pancréas bio-artificiel selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ilôts de Langerhans sont disposés, en une ou plusieurs couches, dans les mailles de la trame. 6 Pancréas bio-artificiel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane est constituée par au moins une fibre creuse ultrafiltrante repliée en U. 7 Pancréas bio-artificiel selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le volume ( 10) ne contient des ilôts de Langerhans ( 15) que dans la partie éloignée de l'extrémité de 1 'U. 8 Pancréas bio-artificiel selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le trajet du flux sanguin présente un étranglement destiné à créer une perte de charge à proximité de l'extrémité du U.