(57)【要約】人工バイオ装置は細胞培養チャンバ（１４）が半透膜壁によって培養基フローチャンバ（１７，２１）と血漿・血液フローチャンバ（２１）とから区分されている構造の反応器（６）を有する。少なくとも一方のフローチャンバ（１７，２１）はコイル状に巻かれた半透膜材料から成る１本のチューブ（１８，２２）によって形成されている。
2004526438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞とくに肝細胞の貯蔵・培養および／または増殖のための人工バイオ装置であって、細胞培養チャンバ（１４）が一方において培養基フローチャンバ（１７）から、他方において体物質とくに血漿または血液フローチャンバ（２１）から半透膜壁によって区分されている構造の反応器（６）を有した装置において、２つのフローチャンバ（１７，２１）のうちの少なくとも一方は細胞培養チャンバ（１４）内にコイル状に巻き付け配置された半透膜材料から成る１本のチューブによって形成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
体物質フローチャンバ（２１）は反応器（６）の外壁（１２）の近傍に配置されたチューブコイル（２２）によって形成され、培養基フローチャンバ（１７）はチューブコイル（２２）の内側で反応器（６）の中央部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
２つのフローチャンバ（１７，２１）の各々は細胞培養チャンバ（１４）内にコイル状に巻き付け配置された半透膜材料から成るそれぞれ１本のチューブ（１８，２２）によって形成され、双方のチューブコイル（１８，２２）は同軸配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
中央の培養基フローチャンバ（１７）は円筒状に形成され、半透膜材料（７１）から成る壁面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
膜（７１）はメッシュワイヤ（７２）によって支持されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも一方のフローチャンバ（１７，２１）は被駆動式キャリア（１９，２３）に巻き付け配置されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
培養基が循環するフローチャンバ（１７）のキャリア（１９）は中央駆動軸（３）と連結されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
体物質が循環するチューブコイル（２２）のキャリア（２３）は反応器（６）の被駆動式フランジ（５）と結合されており、該フランジは中央駆動軸（３）に回動式に支持されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
双方の被駆動式キャリア（１９，２３）の回転数は相違していることを特徴とする請求項６から８までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
反応器（１０６）は被駆動式外囲壁（１１２）を有し、各々のフローチャンバ（１７，２１）は定置式キャリア（１１９，１２３）に巻き付け配置されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
被駆動式外囲壁（１１２）にフローチャンバ（１７，２１）の間に突出する少なくとも１本の攪拌手段（１６２）が配されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
反応器（１０６）は被駆動式ポット形ケーシング（１１１）を有し、該ケーシングの底部から攪拌手段（１６２）が立ち上がっていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
反応器（１）は円筒状に形成され、該反応器の軸（１３）は水平に配されていることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
フローチャンバ（１７，２１）の流入・流出接続口（４７，４８，４９，５０）は反応器（６）の同一側に配置され、各フローチャンバ（１７，２１）の１つの接続口が反応器（６）内に突き出した１本の管端（２５，５３）に設けられていることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
細胞培養チャンバ（１４）に少なくとも１個の検査・均圧孔（１５）が配されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は細胞なかんずく肝細胞の貯蔵・培養および／または増殖のための人工バイオ装置であって、細胞培養チャンバが半透膜壁により一方で培養基フローチャンバから、他方で体物質特に血漿または血液フローチャンバから区分されている構造の反応器を有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞なかんずく島細胞等の培養用の１つのフローチャンバを有した装置の例は米国特許第４  ２４２  ４６０号、同第４  ３２３  ４５７号または同第４  ６４９  １１４号の各明細書に記載されている。これら３種の装置のすべてにおいてフローチャンバは１本のコイル状のチューブ等によって形成されている。
【０００３】
冒頭に述べた類の２つのフローチャンバを有した、人工バイオ肝として使用することのできる装置およびシステムの例は米国特許第５  ０４３  ２６０号、同第５  ６０５  ８３５号および同第６  ００８  ０４９号の各明細書に記載されている。
【０００４】
２つのフローチャンバを有したバイオリアクターはあらゆる細胞またはあらゆる種類の組織の貯蔵・培養および増殖を可能とする。これは一方で細胞・細胞接触（任意衝突）状態を可能とし、他方で細胞表面での物質の交換を可能とする。こうした状態は極めて多様な細胞、とりわけ、細胞分裂に制限のない細胞（幹細胞）にとって好適であり、時間的に制限されない培養と増殖を可能とする。反応器を貫く２つの別々な灌流循環系の装備は人工バイオ肝において必要となるような、一方の循環系を介した栄養物質あるいは酸素の補給・供給と、他方の循環系を介した細胞合成物質の同時的または間欠的な導出あるいは患者との間の物質交換を可能とする。ただしまた、例えば特定の物質を生産するバクテリア細胞が培養される場合には、物質生産反応器から代謝産物または合成物質を導出することもできよう。
【０００５】
細胞膨張の一環における細胞の培養のため、２つの循環系を介して種々の物質を別々に供給することを可能とすることもできる。例えば、第一の循環系を経て基礎的培養基が供給され、第二の循環系を経て同じ速度または異なった速度で、場合により、異なった透過率を条件とするような別のタイプの膜を通して連続的または間欠的に増殖因子または分化因子が供給されあるいは物質が導出される。また、第二の循環系を介して、培養基とは切り離されたガス（酸素）供給を行うこともできる。
【０００６】
肝機能を備えた装置は特に以下の疾患の場合に患者の肝機能を一時的に代行できることが必要である：
１．  急性肝不全（劇症伝染性肝炎、中毒例えばタマゴテングタケ中毒、等）、
２．  移植肝の原発性機能不全、
３．  慢性肝疾患の突然の悪化に際する肝移植までの橋渡し、
４．  慢性肝不全の間欠的治療。
【０００７】
急性肝不全とは突然の肝機能障害によって生ずる一群の臨床症状である（Ｈｏｏｆｎａｇｌｅ）。定義によれば、肝性脳症、凝固障害および黄疸が認められなければならない。ただし多くの場合に、脳浮腫、腎不全および最終的に多臓器不全がさらに加わることとなり、病因に応じて種々相違した症候が現れる。例えば、パラセタモール中毒の場合には脳症および重度の凝固障害は軽度の黄疸しか伴って現れないが、他方、劇症非Ａ非Ｂ型肝炎は重度の黄疸と共存していることが多いということが知られている。
【０００８】
時間的要素は一定の予後予測を可能とする。逆説的ではあるが、脳症が最も早く発生する患者グループは自然寛解の可能性が大である（Ｇｉｍｓｏｎ  １９８６，  Ｂｅｎｈａｍｏｕ  １９９１）。それゆえ、超急性、急性および亜急性肝不全が区別される（Ｏ’Ｇｒａｄｙ  １９９３）。超急性肝不全は黄疸の発症後８日以内に脳症が現れる患者を表すために用いられる。病因からすればパラセタモール中毒と、ときには急性Ａ型・Ｂ型肝炎が最もよくこのグループに該当する。急性肝不全は黄疸の発症と脳症との間に８〜２８日の期間がある患者を含んでいる。大抵のウイルス性肝不全はこうした形で現れる。亜急性肝不全の場合には脳症は４〜２６週間の潜伏期間をおいて現れる。このグループのほとんどの患者は病因ウイルスを同定し得ないいわゆる非Ａ非Ｂ型肝炎を有している。
【０００９】
北米およびヨーロッパの中心における急性肝不全症例の５０％以上は、特定のウイルス性肝炎病原体を同定し得ないことが多いとはいえ、急性ウイルス性肝炎の経過形態と臨床像とを具えている（Ｆａｇａｎ  ＆  Ｈａｒｒｉｓｏｎ  １９９４）。ほとんどのシリーズにおいて、急性肝不全の原因となる最も頻度の高いウイルス性肝炎病原体はＢ型肝炎であり、非Ａ非Ｂ型肝炎とＡ型肝炎がそれに続いている。これは特にフランスに当てはまり、同国では急性肝不全を有する患者全体の４６％がＨＢＶ陽性である。これは日本では６２  ％にさえ達している。イギリスではＨＢＶ感染症の有病数が低いことから、同国にあっては非Ａ非Ｂ型肝炎が急性肝不全の最も頻度の高いウイルス性因子である。Ｃ型肝炎は、劇症Ｃ型肝炎に関する少数のすぐれた症例報告が発表されてはいるが（Ｔｈｅｉｌｍａｎｎ  １９９２）、西側世界の多くのシリーズにおいて二次的な役割しか果たしていない（Ｓａｌｌｉｅら、１９９４）。
【００１０】
ロンドンのキングスカレッジにおいて１９９３年から１９９４年にかけて調査されたＩＩＩ度ないしＩＶ度の脳症のある３４２例の急性肝不全症例のうち２５０症例にパラセタモール（アセトアミノフェン）中毒が認められた。ウイルス性肝不全は４４名の患者に推定された（Ａ型肝炎ｎ＝８、Ｂ型肝炎ｎ＝８、非Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ型ｎ＝２８）。稀な原因として認められたものは、ウィルソン病、妊娠中毒症、悪性リンパ腫トランスフォーメーション、敗血症、バッド・キアリ症候群、虚血性肝炎および薬物反応（例えば、シプロテロン、非ステロイド性抗炎症薬、クロロキン、リファンピシン、イソニアジド、ハロタン、フルクロキサシリン）である。
【００１１】
患者が引き渡された時点ですでに重大な肝傷害が進行していた。この時点での肝臓の組織学的検査は壊死ゾーンと、潜伏期間に応じて、すでに再生ゾーンも示している。臨床症状と疾病経過は以下の３つの要因の協働に依存している：１）肝臓の再生能力、２）肝機能障害の有害な代謝結果および３）壊死肝臓からの炎症前の一部毒性のメディエーターの放出。特徴的な点は肝不全が多臓器不全を招来することである。
【００１２】
予後は続発性脳浮腫を伴う脳症の存在によって決定的に影響される。脳症がＩ−ＩＩ度以上に進行していない急性肝不全患者の予後は良好であるが、他方、ＩＩＩ−ＩＶ度の患者グループの死亡率は遥かに高い。通例、ＩＶ度の脳症のある患者の８０％に脳浮腫が発症する（Ｏ’Ｇｒａｄｙら、１９８８）。肝性脳症および脳浮腫を結果する病理学的因子はまだほとんど研究されていないが、血液脳関門の障害によって細胞外浮腫を結果するバソゲニック因子と細胞内浮腫を結果するサイトトキシックメディエーターとを区別することができる。後者として考えられるのはベンゾジアゼピン・アゴニスト、γ−アミノ酪酸状態の変化、芳香族アミン、アンモニアおよびメルカプタンの濃度上昇である。Ｂａｓｉｌｅら、（１９９１）は急性肝不全患者の脳内における１，４−ベンゾジアゼピンの濃度上昇を検出した。
【００１３】
頭蓋内圧の上昇によって生ずる臨床兆候は昏睡、全身性高血圧、瞳孔反射の異常および脳幹反射障害である。頭蓋内圧の上昇は、さらに、脳内血液灌流の減少を招来し（Ａｌｍｄａｌら、１９８９，Ｓａｒｉら、１９９０）、続発性脳虚血と時としててんかん性症状を引き起こす。
【００１４】
低血糖症状は臨床経過において早期に発生するが、これは糖新生障害およびグリコーゲン分解低下と同時に生ずるインスリン循環の増加の結果である。これにくわえてさらに低リン血症状も早期に観察される。頻繁に見出された代謝性アシドーシスは肝臓の乳酸代謝制限と末梢乳酸形成の増加による組織低酸素（Ｂｉｈａｒｉ，１９８５）によって説明することができる。
【００１５】
感染症は急性肝不全に高い頻度で生ずる合併症の一つであり、この場合には、肝不全においてとりわけ好中性白血球とクップフェル細胞との機能ならびにオプソニン作用が侵害されていると想定されなければならない。これは菌体内毒素のクリアランス障害と腸の粘膜防壁を透過するバクテリアの転位を結果する。
【００１６】
キングスカレッジ・シリーズにおいて急性肝不全患者の８０％に細菌感染症が同定されたが、その際、培養によりスタヒロコッカスアウレウス［Ｓｔａｐｈｙｌｏｋｏｋｋｕｓ  ａｕｒｅｕｓ］が最も頻度の高い病原体として検出された（Ｒｏｌａｎｄｏら、１９９０）。真菌症――ほとんどの場合にカンジダアルビカンス［Ｃａｎｄｉｄａ  ａｌｂｉｃａｎｓ］である――は爾後の疾患経過において重要性を増すこととなる（Ｒｏｌａｎｄｏ  １９９１）。
【００１７】
急性肝不全のもう一つの特徴的な主症状は凝固障害である。プロトロンビン時間は肝傷害の程度とすぐれて相関している。凝固因子Ｖは最短の半減期を有することから、これは凝固障害の最も敏感なパラメーターである。ただし凝固障害は凝固因子合成の制限によるのみでは説明不可能である。これにくわえてさらになお播種性血管内凝固（ＤＩＧ）の一環として末梢酸素消費の増加が現れる（Ｏ’Ｇｒａｄｙら、１９８６）。また、血小板機能も制限されている。これに関連して、急性肝不全に際する血小板減少症と凝集制限との記載が行われた。
【００１８】
同所性肝移植は劇症および慢性肝不全に際する選択療法である。しかしながら我々はますます明白な臓器不足に直面している。米国のデータは、３０分毎に１人の患者が移植リストに登録される一方で、ドナーの登録はおよそ２時間に１人でしかないことを示している。わが国の状況も同様である。１９９６年には欧州移植圏内で９７３件の肝移植が行われたが、他方同期間に１３９３名の新たな患者が肝移植待機者リストに登録された。１９９６年には２００名（１２％）の患者が肝移植待機者リストに登録されたままで死亡した。
【００１９】
急性肝不全の場合には肝移植が不可避であることが多いが、それは伝染性肝炎あるいは中毒（タマゴテングタケ、アセトアミノフェン、テトラクロロカーボン、等）の劇症的経過後に肝臓は十分急速には再生しないからである。文献によれば移植をしない場合の死亡率は７０％〜９０％とされている。肝移植適用に関する臨床基準が複数のグループによって策定されはしたが、肝移植の適正な時点を定めあるいは適切な臓器を適時に得ることは極めて困難である。暫間代用肝は患者が、多大な出費を要ししかも臓器不足によって適時に行えないことが多い移植なしでも、肝再生期を切り抜けることを可能とするであろう。またそうした場合には、生涯にわたる免疫抑制をそのいっさいの副作用とともに免れることができるであろう。従来、暫間代用肝として多数の各種の方法が試みられてきた。しかしながら、血液透析、活性炭による血液吸着、代謝産物を除去するための親和性クロマトグラフィーおよび数多くのその他の技法は広く受け入れられるに至らなかった。最も有望と思われる開発は“生物学的人工”肝の開発である。肝臓の複雑な代謝・生理学的機能に鑑み、この体外代用肝システムは生体肝細胞を含んでいる。しかしながらヒトの肝細胞は十分には入手し得ず、培養によっても十分に増殖させることができないことから、ヘパトーム細胞系または豚の異種肝細胞が使用されてきた。これは患者血漿または血液が肝細胞コンパートメントと直接に接触しない場合にのみ患者にとって適切な安全性をもって使用することが可能であり、こうしてのみ望ましくない免疫反応ならびに感染を防止することができる。従って半透膜は一方における血液／血漿を他方における肝細胞から分離するが、それにもかかわらず物質交換を可能とする。劇症肝不全患者に対するこうした生物学的人工肝の連続的使用に関する個々の症例報告は当初希望を抱かせるものであった。しかしながら一部商業的に入手し得るこれらのシステムの対照臨床研究は急性肝不全患者の生存の点でなんらの利点も示すことができなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
そこで本発明の目的は、特に顕微鏡的微小担体粒子（マイクロキャリアー）での細胞の培養と以下の条件下での体外システムとしてのその使用とが可能となる冒頭に述べた類の人工バイオ装置を創作することである：
１．  懸濁液中に含有されている細胞（例えば２×１０10個の肝細胞）のための十分なスペースの実現、
２．  培養細胞と体物質フローチャンバとの間の隔壁の最大交換表面積の実現、
３．  最大質量約１０００００から１２００００ダルトンまでの物質交換の実現、
４．  気泡の排除の実現、
および望ましくは：
５．  微小重力条件の遵守、すなわち極端に低いせん断力および乱流の実現、
６．  酸素飽和された培養基の連続的供給の実現、
７．  細胞品質と培養基状態との連続的判定の実現。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
そこで本発明による装置は、２つのフローチャンバのうちの少なくとも一方が細胞培養チャンバ内にコイル状に巻き付け配置された半透膜材料から成る１本のチューブによって形成されていることを特徴としている。こうした配置は、フローチャンバが特に懸濁液の形で設けられた培養細胞によって実際全面的に包囲されることとなるため、極めて単純な構造で最大の交換表面積をつくりだすことができる。複数の互いに平行に直線的に配置されたフラットスリット、ハローファイバ等の形のフローチャンバが設けられている反応器とは異なり、本発明による装置は、複数の平行配置された流入・流出接続口に代えて、チューブと流入径路または流出経路との間にそれぞれ単一の接続口を設けるだけでよく、しかもチューブはそれがコイル状に巻かれていることから所要の大きな交換表面積を実現するという利点を有している。
【００２２】
さらに、人工バイオ肝として使用する場合には、血漿／血液と細胞懸濁液との間の交換面積は培養基と細胞懸濁液との間の交換面積よりも遥かに大きい必要があると考えられることから、体物質フローチャンバを反応器外壁近傍に配置したチューブコイルによって形成し、培養基フローチャンバを該チューブコイルの内側で反応器中央部に配置するのが好適である。反応器内中央部に配置されたこのフローチャンバは、第一の好適な実施形態において、同じくコイル状に巻き付け配置された半透膜チューブから成る１本のチューブによって形成することができる。従ってこれら双方のチューブコイルは互いに同軸配置されていてよい。この実施例において培養基フローチャンバも大きな交換面積を実現することができる。
【００２３】
第二の好適な実施形態において、中央の培養基フローチャンバは円筒状に形成され、半透膜から成る壁面を有している。この実施形態において半透膜はダイアフラムフィルタにも使用されているようなニトロセルロースから成っているのが好適であり、この場合、ポアサイズを適切に選択することにより培養基と細胞培養チャンバとの間の透過率を必要に合わせてよりよく調整することができる。この種のニトロセルロース膜は自己支保性をもっていないことから、この膜をメッシュワイヤ上に張って支保するのが好適である。
【００２４】
人工バイオ肝として使用する場合には、細胞培養チャンバと培養基フローチャンバとの間の圧力差１バールにて１立方センチメートルあたり３３ｍｌ／ｍｉｎ．の透過率を有する、ポアサイズ０．３μｍのニトロセルロース膜が特に好適であることが判明した。
【００２５】
細胞への培養基の供給にも、また、体物質との物質交換にも、各々のフローチャンバが回転駆動されるキャリアに巻き付け配置されているのが好適である。チャンバの回転は一種の無重力状態を産み出し、同状態において細胞は、互いに上下層をなして重なり合っているのではなく、攪拌効果によって懸濁液中に浮遊して均一に分散していることから、細胞への培養基の供給が向上する。この場合、培養基が循環するチャンバのキャリアは中央駆動軸と連結され、体物質が循環するチューブコイルのキャリアは中央駆動軸に回動式に支持されている反応器の被駆動式フランジに結合されているのが好適である。
【００２６】
各々のチューブはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成り、少なくとも外側に配されたチューブは約１０００００ダルトンに相当するポアサイズを有しているのが好適である。双方のフローチャンバがチューブコイルによって形成されている場合には、培養基のフロー方向と体物質のフロー方向とは互いに逆方向であるのが好適である。
【００２７】
回転速度は可変的であるが、１分あたり２０〜４０回転に設定される必要があろう。例えば内側キャリアの方がより速く駆動されて外壁と内壁との間の勾配に対抗し得るようにするため、双方のキャリアは別々に駆動されるのが好適である。円筒内の容積は約１リットルであるのが好適である。これには肝細胞培養懸濁液が気泡を排除して満たされる。細胞懸濁液は、この場合、およそ１頭の豚の肝臓収量に相当する約２×１０10個の細胞を含んでいる。血漿／血液用の外側チューブコイルは約４．５ｍ２の表面積を有しているのが好適である。このバイオリアクタ−は恒温器、水ジャケット、外側ヒーティングコイル等によって３７℃に温度調節される。内側フローチャンバの壁面を通した酸素飽和された培養基からの酸素の連続的供給と、外側チューブの壁面を通した好ましくは酸素蓄積された血漿ないし血液からの連続的酸素供給とによって２０日間の肝細胞平均寿命を達成することができ、その際、最低１４日以上にわたる非常に良好もしくは十分な機能性が確認された。
【００２８】
反応器は円筒状に形成され、その軸は水平方向に配されているのが好適である。
【００２９】
各々のフローチャンバの流入・流出接続口は反応器の双方の側に配置することもできるが、これらは同一側に配置されているのが好適であり、その際、チューブはコイル末端からさまざまな方法で還流させられていてよい。第一の可能性は第二のコイルを設けることであり、第二の可能性はまっすぐな還流区間を設けることであり、好適な第三の変法は特に中央軸内を走る剛性還流管を設けることである。
【００３０】
この人工バイオ装置には、別法として、固定式流路と定置式フローチャンバとを装備することができる。この場合、反応器はフローチャンバの固定された定置式支持ブロックに回動式に支持されているとともに外側駆動要素を備えている。この場合、細胞培養懸濁液の穏和な攪拌効果は、特にポット形反応器が反応器底部から立ち上がってチューブコイルないしフローチャンバの間に突出する攪拌羽根を有することによって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を添付の図面を参照して詳細に説明する。ただし本発明は図面の実施例に制限されるものではない。
【００３２】
図１〜３に示したように人工バイオ装置は１個の反応器６を有し、該反応器は水平軸１３を中心に回動し得るようにしてベーススタンド１に配されている。ベーススタンド１には支持ブロック２が垂直に嵌めこまれており、該ブロック内には端部に１個のフランジ５を具えた中空円筒形の外側駆動軸４が支持されている。このフランジ５と、着脱容易な締結リング１６を介して該フランジと結合された、特に透明な材料から成るポット形ケーシング１１とが反応器６を形成している。中空円筒駆動軸４内には中央駆動軸３が回動式に支持されている。２本の駆動軸３，４は伝動駆動要素３３，３４例えば歯車、ベルト車等を備え、それら歯車ないしベルト車等は適切な伝動手段を介してモータ３１の駆動要素３２と連結されている。伝動駆動要素３４は、駆動軸４の回転数が駆動軸３の回転数よりも小さくなるように、より大きな外径を有しているのが好適である。
【００３３】
反応器６は１個の細胞培養チャンバ１４を有し、該チャンバにはフランジ５内に形成された検査孔１５を経てアクセスすることができる。この孔を介して培養細胞のサンプリングを行うことができ、また同じく、場合により反応器６内の圧力変化を補償するための排出・補給を行うことができる。この検査孔１５からは、任意のサンプリングが行えるように、パイプ片ないしチューブ片５４が細胞培養チャンバ１４内に達しているのが好適である。
【００３４】
培養基フローチャンバ１７と体物質とくに血漿／血液フローチャンバ２１とは細胞培養チャンバ１４内を通っている。フローチャンバ１７と２１とは互いに分離して配置されており、それぞれ、ポアサイズが最大にて約１０００００ダルトンに相当する半透膜材料とくにポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成るチューブで形成されている。培養基フローチャンバ１７はチューブコイル１８によって形成されており、該コイルを支える複数本のキャリアバーを備えたキャリア１９にねじ山状に巻き付けられている。キャリア１９はねじ８１によって中央駆動軸３に固定された締結要素２０の前面側において該要素から突き出ている。従ってキャリア１９とチューブコイル１８とは駆動軸３とともに回転する。血漿／血液フローチャンバ２１を形成しているチューブも同様にチューブコイル２２の形でキャリア２３を形成する２〜８本のキャリアバーにねじ山状に巻き付けられている。キャリア２３のキャリアバーは反応器６の外壁１２の近傍に配置され、好ましくは緩速で回転する外側駆動軸４に設けられたフランジ５から突き出ている。
【００３５】
双方のチューブコイル１８，２２は細胞培養チャンバ１４内に配置されており、その際、水平回転軸１３と双方のチューブコイル間の好適な回転数差とにより培養細胞に軽度穏和な攪拌効果が生じ、これにより中央側チューブ内培養基と培養細胞との間の物質交換ならびに外側チューブ内血漿／血液と培養細胞との間の物質交換が促進される。さらに双方のチューブのねじ山状配置によって各媒体間の交換表面積は非常に大きなものとなる。チューブコイルは互いに接触（図１）してまたは互いに離間（図２）してキャリア１９，２３に巻き付け配置することができる。相互接触配置によればコイル巻き付け回数が多くなることにより総延長は長くなり、他方、相互離間配置は、相互接触配置の場合に生ずるコイルの重複接触部分が消失することにより、チューブの全周におよぶ交換が可能となる。
【００３６】
チューブコイル１８，２２への培養基および血漿／血液の流入ならびにそれらの環流はそれぞれ中央駆動軸３を経て互いに分離した流れ路で行われる。支持ブロック２には接続口４７，４８，４９，５０が設けられており、これらは中央駆動軸３の半径方向孔２７，２８，２９，３０と連結して流れ路を形成する。支持ブロック２の内壁と外側駆動軸４との間には流入系／還流系ごとに外側環状路４１が設けられており、これらは軸方向に互いに離間配置された分離リング４２によって互いに隔離されており、それぞれ接続口４７，４８，４９，５０と回転する外側駆動軸４の半径方向孔３７，３８，３９，４０との間の流れ連結路をつくりだす。外側駆動軸４の内壁と中央駆動軸３との間には流入系／還流系ごとに内側環状路３５が設けられており、これらは軸方向に互いに離間配置された分離リング３６によって互いに隔離されており、それぞれ外側駆動軸４の半径方向孔３７，３８，３９，４０と該軸より早く回転する中央駆動軸３の孔２７，２８，２９，３０との間の流れ連結路をつくりだす。
【００３７】
中央駆動軸３は互いに平行な４本の流れ路７，８，９，１０を含んでいる。そのうちの流れ路７はポット形ケーシング１１内に突き入った延長管２５によって延長されており、半径方向に屈曲された該延長管の端部はチューブコイル１８のフランジ５とは反対側の第一の端部と連結されている。流れ路８は締結要素２０内にまで延長されて末端に半径方向流入孔２４が形成されており、該流入孔にチューブコイル１８のフランジ側の第二の端部が接続されている。従って、培養細胞に供給される培養基は第一の接続口４７を経て外側環状路４１に達し、さらに外側駆動軸４の孔３７を通って内側環状路３５に達し、中央駆動軸３の孔２７を経て第一の流れ路７に至り、さらに延長管２５を通ってチューブコイル１８内に流入する。循環した培養基はチューブコイル１８から流入孔２４、第二の流れ路８、中央駆動軸３の半径方向孔２８を通って当該内側環状路３５に達し、さらに外側駆動軸４の孔３８と当該外側環状路４１を経て支持ブロック２の第二の接続口４８へと流れ出る。
【００３８】
中央駆動軸３の流れ路９，１０は内側半径方向孔４３，４４を経て環状路４５と連結されており、該環状路は分離リング４６によって互いに隔離され、中央駆動軸３と外側駆動軸４のフランジ５との間に配置されている。フランジ５は外側キャリア２３に達する流れ路５１，５２を有している。流れ路５１の出口にはチューブコイル２２が接続されている。流れ路５２の出口から延長管５３が延びてキャリア２３の自由端に達し、同所でチューブコイル２２の第二の端部が延長管５３と連結されている。
【００３９】
血漿／血液は第三の接続口４９を経て人工バイオ装置内に流入し、先ず当該外側環状路４１と外側駆動軸４の孔３９を通って当該内側環状路３５に達し、さらに中央駆動軸３の孔２９を経て第三の流れ路９に至り、流れ路９の末端の第二の内側孔４３を通って当該環状路４５に達し、最後にフランジ５内の流れ路５１を経て外側チューブコイル２２を循環し、該コイル循環により細胞培養チャンバ１４内の培養細胞との物質交換を通じて血漿／血液の浄化が行われる。前記処理の行われた血漿／血液は延長管５３とフランジ５内の流れ路５２を経て当該環状路４５に達し、中央駆動軸３の内側孔４４を通って第四の流れ路１０に至り、さらに中央駆動軸３の外側孔３０を経て当該内側環状路３５に達し、同所から外側駆動軸４の孔４０と当該環状路４１とを経て支持ブロック２の第四の接続口５０に達する。
【００４０】
初回充填ないし排出を行うには、支持ブロック２をベーススタンド１から取り外し、軸１３が垂直になるようにして反応器６を縦に置く。締結リング１６を取り外した後、支持ブロック２をフランジ５および２つのキャリア１９，２３に巻き付け配置されたチューブコイル１８，２２とともに上方に持ち上げて取去ることができる。こうして使用済みの培養細胞を排出し、あるいは新たな培養細胞をポット形ケーシング１１に注入することができる。次いで、２つのチューブコイル１８，２２付きのフランジ５と支持ブロック２とから成るユニットをポット形ケーシング１１上に載置し、締結リング１６を用いて反応器６と密に締結する。続いて反応器６を寝かせ、支持ブロック２をベーススタンド１に嵌めこむことができる。
【００４１】
好適な実施形態においてポット形ケーシング１１は約１立方デシメートルの容積を有し、溶媒中に懸濁された約２×１０10個の肝細胞を収容することができる。２本の駆動軸３，４の回転数は特に２０〜４０回転／ｍｉｎ．であり、その際、中央駆動軸３の回転数は例えば外側駆動軸４の回転数の１と４分の１倍に相当している。従ってこの場合、一方の回転数２０〜３０回転／ｍｉｎ．に対して他方の回転数は２５〜３７．５回転／ｍｉｎ．である。
【００４２】
図４と５は、肝臓重量がそれぞれ約３０ｋｇの３頭のドイツ系在来種の豚に外科的処置を施して急性肝不全を発症させた場合の生存期間を調査した動物実験の結果を示したものである。急性肝不全は８０％の肝臓切除とそれに続いて１時間にわたる残余肝の門結紮によって引き起こされた。さらに特に頭蓋内圧（ＩＣＰ）がチェックされた。プラズマフェレーシスは急性肝不全の治療にも利用されることから、以下のテスト仕様が講じられた。３頭のうちの１頭は治療が施されないままとされた（対照畜）。第二の動物についてはプラズマフェレーシス装置で血液から血漿が分離され、さらなる処置なしで全血として再び再注入が行われた（対照畜／プラズマフェレーシス）。第三の動物の場合にも同様にプラズマフェレーシス装置で血液から血漿が分離され、次いでこれが前記の特性を具えた人工バイオ装置内を循環させられた。こうして処理された血漿は再び先に分離された残余血液と混合されて返送された（ＩＢＡＬ  １）。
【００４３】
図４は対照畜とプラズマフェレーシス−対象畜とがそれぞれ２４時間の生存時間を有していたことを示している。他方、血漿が本発明による人口バイオ装置で浄化ないし再生された第三の動物はほぼ５０時間の生存時間を示し、しかもその際の死因は、図５から判明するように、頭蓋内圧（ＩＣＰ）の上昇のうちには認められなかった。これに対して対照畜の頭蓋内圧は極端に上昇し、プラズマフェレーシス−対照畜のそれも対照畜ほどではなかったが、やはり著しく上昇していた。
【００４４】
図６に示した実施例において、中央の円筒状保持手段１０３は支持ブロック１０２に取り外し式に配置されている。この保持手段は培養基の流出入が行われる図示接続口１４７，１４８ならびに血液・血漿の流出入が行われるさらに２つの接続口を有している。接続口１４７，１４８は軸１１３と平行に延びた流れ路１０７，１８０に連結している。保持手段１０３には外周にころがり軸受け１６０を備えたフランジ１０５が取り付けられており、該ころがり軸受けにより反応器１０６のポット形ケーシング１１１が回動式に支持されている。ポット形ケーシング１１１はその囲壁１１２の外側に１個のリングギア１６１を備え、伝動駆動要素を介してモータ１３１と回転連結されている。フランジ１０５と反応器１０６のポット形ケーシング１１１とは細胞培養チャンバ１１４を形成し、該チャンバ内にはポット形ケーシング１１１の底部から２本の攪拌手段１６２が延びており、該攪拌手段はケーシング壁１１２の回転に起因する細胞培養チャンバ１１４内の内容物の穏和な攪拌を実現する。
【００４５】
流れ路１０８はねじ１８１でフランジ１０５ないし保持手段１０３に固定された締結要素１２０内に達し、該締結要素内に設けられた半径方向孔１２４と連結している。流れ路１０７は延長管１２５によって締結要素１２０のさらに先まで延びている。キャリア１１９のバーにコイル状に巻き付けられたチューブ１１８は一方で延長管１２５と連結し、他方で半径方向孔１２４と連結しており、その際、このチューブコイルは保持手段１０３の延長方向においてポット形ケーシング１１１の中央に突き出している。
【００４６】
血液／血漿フローチャンバを形成するのはキャリア１２３のバーにコイル状に巻き付けられた第二のチューブ１２２であり、これはフランジ１０５内を通る不図示の流れ路を経て保持手段１０３内に配された流れ路と連結されており、図中にはそれらの流れ路のうち流れ路１０９が破線で示唆されている。反応器１０６は１個の検査孔１１５を有し、該孔は内部チューブ片ないしパイプ片１５４を経て細胞培養チャンバ１１４とつながっている。
【００４７】
図７はさらなる実施例を示したものであり、該実施例において、血漿／血液フローチャンバ２１はまたもチューブコイル２２の形で形成されており、反応器６の外壁１２の近傍に配置されている。他方この実施例において培養基フローチャンバ１７は２つの室８２，８３に区分された１本の円筒形インサートによって形成されており、これはねじ８１によって中央駆動軸３に固定され、半透膜７１から成る壁面を有している。このインサートは２枚のエンドプレート７３，７４とおおよそ中央に配された１枚の隔壁７６とを有し、これらは１本の中央スペーサロッド７５によって互いに結合されている。半透膜７１はメッシュワイヤ７２によって支持されており、該メッシュワイヤは各室８２，８３ごとに少なくとも１本のコイルばね７９，８０によって補強されている。半透膜７１は特にニトロセルロースからつくられており、０．３μｍのポアサイズを有している。メッシュワイヤ７２は例えば４５μｍの網目の大きさを有しており、耐食金属ないし適切なプラスチックから成っている。
【００４８】
エンドプレート７３は図１および２において中央駆動軸３の前面と結合された締結要素２０に相当している。エンドプレート７３は流れ路７と整合した孔７７を有し、該孔は第一の室８２に開口している。第二の室８３には管片７８が突き入っており、該管片はエンドプレート７３から軸１３と平行に延び、第二の室８３から中央駆動軸３の流れ路８への培養基の還流に利用される。
【００４９】
図７に示した実施例においても、図１〜３に示した場合と同様に２つのフローチャンバ１７，２１は反応器６のポット形ケーシング内に回動式に配置されており、駆動軸３，４を介し図１〜３に述べたようにして駆動される。ただし、定置式フローチャンバと被駆動式ポット形ケーシングを備えた図６に示した実施例において培養基フローチャンバをニトロセルロース半透膜７１を有した円筒形インサートとして形成することも同様に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】肝機能を具えた人工バイオ装置の第一の実施例を図３の切断線Ｉ−Ｉから見た軸方向断面図である。
【図２】９０°ずらした図３の線ＩＩ−ＩＩから見た前記人工バイオ装置の軸方向断面図である。
【図３】正面図である。
【図４】３種の実験動物の生存時間を示したヒストグラムである。
【図５】実験動物の頭蓋内圧経過の当該グラフである。
【図６】肝機能を具えた人工バイオ装置の第二の実施例の、図１と同じ軸方向断面図である。
【図７】人工バイオ装置の第三の実施例の、図１と同じ軸方向断面図である。
【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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