УСТРОЙСТВО, СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТЕКУЧИХ СРЕД НА КОМПОНЕНТЫ
DEVICE, METHOD AND SYSTEM FOR CONTINUOUS TREATMENT AND SEPARATION OF BIOLOGICAL FLUIDS INTO COMPONENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу для обработки и разделения биологических текучих сред на компоненты.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится, в частности, к устройству, системе и способу для обработки и разделения биологических текучих сред на компоненты, такого типа, который известен из патентных документов ЕР-В-0912250 и ЕР-В-1144026. Такие известные устройства содержат полую камеру центробежной обработки, которая может вращаться вокруг оси вращения. Камера обработки обычно содержит внутреннюю цилиндрическую стенку, охватывающую пространство для приема подлежащих обработке биологических текучих сред, и наклонную верхнюю стенку, которая ведет к горловине, в которой имеются входное/выходное отверстия для биологической текучей среды, которая подлежит обработке, и для компонентов текучей среды, полученных после обработки. Пространство в полой камере обработки для приема биологических текучих сред занимает весь объем, простирающийся поперек полой камеры обработки между обращенными друг к другу частями внутренней цилиндрической стенки, и вдоль длины цилиндрической стенки, при этом указанное пространство имеет заданный фиксированный объем, ограниченный дном полой цилиндрической камеры, или переменный объем, ограниченный положением подвижного в осевом направлении элемента внутри цилиндрической стенки. Устройство также содержит подвижную/неподвижную, входную/выходную головку или «вращающееся уплотнение», установленное на горловине камеры обработки. Входная/выходная головка содержит первую часть, которая может вращаться вместе с камерой обработки, и вторую часть, которая остается неподвижной. Первая и вторая части входной/выходной головки содержат средства уплотнения, которые позволяют первой части вращаться относительно второй части. Входная/выходная головка содержит центральный сквозной канал для входа биологической текучей среды, которая подлежит обработке, и выхода обработанных/разделенных компонентов текучей среды.
Обычно камера центробежной обработки внутри своей цилиндрической стенки содержит подвижный в осевом направлении элемент, такой, как поршень, который определяет пространство сепарации переменного объема, в который принимается биологическая текучая среда, подлежащая обработке и разделению. Путем осевого перемещения указанного элемента биологические текучие среды можно забирать в камеру и выпускать из камеры.
Такое известное устройство образует часть системы, в которой указанная камера обработки является частью комплекта разового пользования, содержащего ряд контейнеров для приема, с одной стороны, биологической текучей среды, которая подлежит обработке и сепарации, а с другой стороны - разделенных компонентов, и, как вариант, одного или более дополнительных контейнеров для растворов вспомогательных веществ.
Указанное известное устройство и система пригодны для обработки и сепарации множества типов биологических текучих сред, включая цельную кровь, кровь после афереза, кровь костного мозга и взрослые клетки или стволовые клетки. Однако, количество биологической текучей среды, которая может быть обработана/сепарирована за один раз ограничено максимальным объемом пространства сепарации камеры обработки. Следовательно, чтобы обрабатывать большие объемы биологических текучих сред при помощи данного известного устройства и системы, необходимо прибегать к использованию множества одноразовых комплектов, один за другим в одном аппарате или параллельно обрабатывать несколько одноразовых комплектов в аппарате мультиобработки.
Известны и другие устройства для обработки и разделения биологических текучих сред, но их конструкция несравнима с устройством, раскрытом в документе ЕР-В-1144026, и в них не реализуются те преимущества, которые свойственны устройству ЕР-В-1144026. Например, в международной заявке 2012/137086 описано устройство сепаратора для крови с вращаемым внутренним чашеобразным телом, расположенным внутри вращаемого корпуса, между которыми образован узкий промежуток для приема крови подлежащей обработке. Вдоль центральной оси устройства, в центральном углублении расположена неподвижная структура для доставки крови от входного отверстия в верхней части устройства к донной части, где кровь входит в указанный узкий промежуток с донной стороны. В верхней части узкого промежутка сепаратор разделяет компоненты крови.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в преодолении упомянутых ограничений известного устройства/системы, раскрытых в ЕР-В-1144026, путем предложения усовершенствованного переносного устройства, работающего в комбинации с одноразовой камерой центробежной обработки, которая обладает способностью седиментации и разделения компонентов биологической текучей среды из большого по объему количества биологической текучей среды, включая цельную кровь, кровь после афереза, кровь костного мозга и взрослые клетки или стволовые клетки после культивирования, до очень малого количества по объему за счет успешного сочетания механизма непрерывного потока с камерой обработки переменного (изменяемого) размера, что реализуется посредством перемещения подвижного в осевом направлении элемента, такого как поршень.
Согласно настоящему изобретению в одном его аспекте, предлагается устройство вышеупомянутого типа, которое дополнительно содержит направляющий поток элемент, вставленный в камеру обработки, и выполненный с возможностью вращения вместе с камерой обработки, причем указанный направляющий поток элемент расположен рядом с наклонной стенкой камеры обработки, слегка отстоит от наклонной стенки и соответствует наклонной стенке по форме, так что вместе с наклонной стенкой камеры обработки образует наклонный проточный канал, при этом направляющий поток элемент расположен выше указанной области, предназначенной для приема биологических текучих сред подлежащих обработке, причем наклонный канал ведет к верхней части внутренней цилиндрической стенки камеры обработки.
В данном усовершенствованном устройстве входная/выходная головка содержит первое входное/выходное отверстие и второе входное/выходное отверстие, причем первое и второе входное/выходное отверстия расположены на неподвижной второй части входной/выходной головки на верхней стороне и/или на боковой стороне последней, а также осевой сепаратор в центральном сквозном канале входной/выходной головки, который определяет во входной/выходной головке отдельные первый и второй направленные вдоль оси каналы.
Верхняя часть одного из первого и второго направленных вдоль оси сообщается с одним из первого и второго входных /выходных отверстий, а верхняя часть другого из первого и второго направленных вдоль оси каналов сообщается с другим из первого и второго входных /выходных отверстий. Кроме того, нижняя часть одного из первого и второго направленных вдоль оси каналов сообщается с областью в камере обработки, предназначенной для приема биологических текучих сред подлежащих обработке, а нижняя часть другого из первого и второго направленных вдоль оси каналов сообщается с наклонным каналом между направляющим поток элементом и наклонной верхней стенкой камеры обработки.
Устройство, соответствующее настоящему изобретению, может работать в режиме с непрерывным потоком, при котором подлежащую обработке биологическую текучую среду можно вводить через одно из первого и второго входных /выходных отверстий, в то время как обработанную биологическую текучую среду можно одновременно выводить через другое из первого и второго входных /выходных отверстий.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, осевой сепаратор представляет собой центральную трубку, проходящую через центральный сквозной канал входной/выходной головки, при этом центральная трубка присоединена для того, чтобы (i) доставлять поступающую биологическую текучую среду через полость центральной трубки и через промежуток между направляющим поток элементом и наклонной верхней стенкой камеры обработки к внутренней цилиндрической стенке камеры обработки, и (ii) чтобы извлекать компоненты обработанной текучей среды, которые отделены у указанной наклонной стенки камеры обработки, и которые проходят через промежуток между направляющим поток элементом и наклонной верхней стенкой камеры обработки.
В данном усовершенствованном устройстве внутренняя область камеры обработки, расположенная за пределами (т.е. ниже) направляющего поток элемента, может, например, сообщаться через отверстие в направляющем поток элементе с центральным сквозным каналом входной/выходной головки, с областью снаружи указанной центральной трубки входной/выходной головки; при этом неподвижная вторая часть входной/выходной головки содержит выходное отверстие для извлечения компонентов обработанной биологической текучей среды из внутренней области камеры обработки, причем указанное выходное отверстие сообщается с центральным сквозным каналом входной/выходной головки, с областью снаружи указанной центральной трубки.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, неподвижная вторая часть входной/выходной головки представляет собой наружное, в общем цилиндрическое тело, а указанное выходное отверстие представляет собой боковое выходное отверстие, расположенное на боковой стороне указанного в общем цилиндрического тела. В данном варианте осуществления камера обработки может содержать направленную вверх продолговатую центральную горловину, которая проходит внутрь вращаемой первой части входной/выходной головки до уровня бокового выходного отверстия. Также, в данном случае средства уплотнения входной/выходной головки могут содержать первое уплотнение, расположенное аксиально с одной стороны бокового выходного отверстия, и второе уплотнение, расположенное аксиально с другой стороны бокового выходного отверстия.
Осевой сепаратор, такой как центральная трубка, может состоять из неподвижной, наружной в осевом направлении части, которая проходит в неподвижной второй части входной/выходной головки, и вращаемой, внутренней в осевом направлении части, соединенной с центральной частью направляющего поток элемента для вращения вместе с направляющим поток элементом. В данном варианте осуществления внутренняя часть центральной трубки сообщается с промежутком между направляющим поток элементом и наклонной верхней стенкой камеры обработки.
Вращаемая первая часть входной/выходной головки в типичном варианте расположена внутри неподвижной второй части входной/выходной головки. Первое входное/выходное отверстие в типичном варианте представляет собой осевое входное/выходное отверстие во входной/выходной головке, а указанное второе входное/выходное отверстие расположено на боковой стороне входной/выходной головки.
Согласно конкретному варианту осуществления устройства, (i) наклонная верхняя стенка камеры обработки имеет форму усеченного конуса, так же, как и верхняя поверхность направляющего поток элемента; (ii) направляющий поток элемент содержит центральную втулку, которая посажена в горловину камеры обработки, причем между обращенными друг к другу усеченными коническими поверхностями оставлен промежуток величиной несколько миллиметров; (iii) нижний конец центральной трубки, которая образует осевой сепаратор, посажен в центральную втулку направляющего поток элемента, и сообщается с промежутком между обращенными друг к другу усеченными коническими поверхностями; (iv) отверстие в направляющем поток элементе выполнено в виде по меньшей мере одного сквозного канала, а предпочтительно трех равномерно распределенных по окружности сквозных каналов в центральной втулке, которые связывают полость камеры обработки с центральным каналом входной/выходной головки, с областью снаружи его центральной трубки.
Направляющий поток элемент или «отклоняющий/перенаправляющий поток элемент» в типичном варианте содержит наружный край цилиндрической формы, который отходит от периферической области верхней поверхности направляющего поток элемента, имеющей форму усеченного конуса. Указанный наружный цилиндрический край соответствует внутренней цилиндрической стенке камеры обработки в области ниже линии сопряжения внутренней цилиндрической стенки и наклонной верхней стенки камеры обработки; при этом между наружным цилиндрическим краем направляющего поток элемента и внутренней цилиндрической стенкой камеры оставлен небольшой промежуток.
Как и в известном устройстве, камера обработки обычно содержит внутри своей цилиндрической стенки элемент, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси камеры, такой, как поршень, который определяет область сепарации переменного объема, в которую производят прием биологической текучей среды, подлежащей обработке и разделению. Так же, как и известном устройстве, соответствующая изобретению камера обработки является частью одноразового комплекта, содержащего набор контейнеров для приема подлежащей обработке и разделению биологической текучей среды, и сепарированных компонентов, а также, при желании - один или более дополнительных контейнеров для добавляемых растворов. В соответствии с изобретением, устройство в предпочтительном варианте содержит корпус для установки камеры обработки, при этом корпус содержит средства привода для приведения во вращение камеры центробежной обработки, и предпочтительно также средства для управления осевым положением подвижного в осевом направлении элемента, такого как поршень в камере обработки.
Соответствующее настоящему изобретению устройство в предпочтительном варианте также оснащено запирающими элементами для входных/выходных линий камеры обработки, причем указанные запирающие элементы представляют собой зажимы или пережимные клапаны, которые воздействуют на трубки одноразового комплекта, или запорными кранами, включаемыми в состав одноразового комплекта и/или устанавливаемыми на корпусе для размещения камеры обработки.
Согласно настоящему изобретению в другом его аспекте, предлагается система для обработки и разделения биологических текучих сред на компоненты, содержащая устройство, о котором шла речь выше, и дополнительно содержащее по меньшей мере один перистальтический насос для прокачки поступающей биологической текучей среды через полость центральной трубки; и/или для прокачки извлеченных обработанных компонентов биологической текучей среды через центральную трубку; и/или для прокачки извлеченных обработанных компонентов биологической текучей среды через выходное отверстие во второй части входной/выходной головки.
Данная система, как вариант, может содержать первый перистальтический насос, который можно приводить в действие для нагнетания поступающей биологической текучей среды через полость центральной трубки в камеру обработки, и второй основной перистальтический насос, который можно приводить в действие для прокачки извлекаемых компонентов обработанной биологической текучей среды через указанное выходное отверстие во второй части головки, причем первый и второй (необязательный) перистальтические насосы при желании можно включать одновременно, чтобы реализовать режим обработки с непрерывным потоком. Однако, режим с непрерывным потоком можно реализовать (что предпочтительно) и при помощи одного перистальтического насоса.
Согласно настоящему изобретению в еще одном его аспекте, предлагается способ обработки и разделения биологических текучих сред на компоненты, в котором используется устройство или система, о которых шла речь выше, при этом способ содержит шаги, на которых:
(a) заполняют камеру обработки биологической текучей средой через первое входное/выходное отверстие во входной/выходной головке, при этом второе входное/выходное отверстие во входной/выходной головке держат закрытым, например, держат закрытым боковое выходное отверстие во второй части головки;
(b) вращают камеру обработки для центрифугирования биологической текучей среды в камере с целью разделения компонентов биологической текучей среды, и их собирания на внутренней цилиндрической стенке камеры обработки или более легких, ненужных компонентов - во внутренней области камеры обработки;
(c) работают в режиме непрерывной обработки, при котором заполнение камеры обработки биологической текучей средой через первое входное/выходное отверстие, например, через центральную трубку, производят одновременно с извлечением через второе входное/выходное отверстие, например, через боковое выходное отверстие во второй части входной/выходной головки, компонентов, которые были отсепарированы во внутренней области камеры обработки;
(d) закрывают первое входное/выходное отверстие, в силу чего дальнейшее заполнение камеры обработки биологической текучей средой прекращается, а через второе входное/выходное отверстие, например, через боковое выходное отверстие продолжают извлечение компонентов; и
(e) закрывают второе входное/выходное отверстие, например, боковое выходное отверстие, в силу чего дальнейшее извлечение компонентов, которые были отсепарированы во внутренней области камеры обработки, через указанное выходное отверстие прекращается, и через указанное первое входное/выходное отверстие, например, через центральную трубку, производят извлечение компонентов, которые были отсепарированы на внутренней цилиндрической стенке камеры обработки.
При данном способе, заполнение камеры обработки биологической текучей средой и/или извлечение компонентов предпочтительно производят посредством или с помощью прокачки, предпочтительно, внешним перистальтическим насосом, и/или за счет перемещения в камере обработки подвижного в осевом направлении элемента, такого, как поршень с целью изменения объема области сепарации с переменным объемом, который определяется указанным подвижным в осевом направлении элементом.
Извлечение компонентов предпочтительно производить через второе выходное отверстие прокачкой, предпочтительно при помощи перистальтического насоса. Согласно предпочтительному варианту осуществления, в режиме непрерывной обработки на шаге (с) биологическую текучую среду непрерывно подают в камеру обработки, нагнетая ее при помощи перистальтического насоса, а сепарированные компоненты непрерывно извлекают, откачивая их при помощи перистальтического насоса.
Преимущество описанного способа заключается в том, что непрерывную обработку на шаге (с) можно продолжать, чтобы обработать/сепарировать объем биологической текучей среды, который превосходит максимальный объем области сепарации камеры обработки.
Непосредственно перед и/или во время выполнения шага (е) может быть ускорено/заторможено вращение камеры центробежной обработки или произведено вращение камеры в противоположных направлениях, чтобы разрыхлить и/или перемешать отделенные компоненты, которые налипли на внутреннюю цилиндрическую стенку камеры обработки.
Центрифугирование, выполняемое на шаге (b), обычно продолжают на шагах (с) и (d) непрерывно или периодически.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет раскрыто с помощью примеров со ссылками на сопровождающие чертежи, где:
фиг. 1А изображает в разрезе верхнюю часть камеры обработки с ее входной/выходной головкой, которая отвечает уровню техники;
фиг. 1В изображает в разрезе верхнюю часть камеры обработки с ее входной/выходной головкой, которая соответствует настоящему изобретению;
фиг. 1С изображает камеру обработки, соответствующую настоящему изобретению, как на фиг. 1 В; при этом схематически показано течение поступающей биологической текучей среды и выходящих обработанных компонентов;
фиг. 1D изображает входную/выходную головку камеры обработки, соответствующей настоящему изобретению, как на фиг. 1 В; при этом схематически показана неподвижная и вращаемая часть;
фиг. 2 представляет три проекции направляющего поток элемента -горизонтальную проекцию, боковую проекцию и аксонометрическую проекцию;
фиг. 3а, фиг. 3b и фиг. 3с изображают варианты камеры обработки с непрерывным потоком;
фиг. 4А и фиг. 4В изображают два примера одноразовых комплектов, содержащих камеру обработки, соответствующую настоящему изобретению;
фиг. 5 в аксонометрии изображает корпус для размещения камеры обработки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг. 6 в аксонометрии изображает другой корпус для размещения камеры обработки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг. 7 изображает блок-схему основной очередности операций обработки;
фиг. 8А-8Е схематически изображают камеру обработки, соответствующую настоящему изобретению, во время разных рабочих операций;
фиг. 9 изображает вариант камеры обработки без поршня.
Подробное раскрытие изобретения
Фиг. 1А изображает верхнюю часть устройства, отвечающего уровню техники, типа известного из патентного документа ЕР-В-0912250. Такие известные устройства содержат полую камеру 10 центробежной обработки, которую можно вращать вокруг оси. Камера обработки 10 содержит внутреннюю цилиндрическую стенку 16, охватывающую область 19, предназначенную для приема подлежащих обработке биологических текучих сред, и наклонную верхнюю стенку 12, которая ведет к горловине 14, в которой имеются входное/выходное отверстия 29 для биологической текучей среды, которая подлежит обработке, и для компонентов текучей среды, полученных после обработки. Область 19 в полой камере 10 обработки, предназначенная для приема биологических текучих сред занимает весь непрерывный объем, простирающийся поперек полой камеры обработки 10 между обращенными друг к другу частями внутренней цилиндрической стенки 16, и вдоль длины цилиндрической стенки. Указанное пространство имеет заданный фиксированный объем, ограниченный дном (10В, фиг. 9) полой цилиндрической камеры 10, или переменный объем, ограниченный положением подвижного в осевом направлении элемента внутри цилиндрической стенки, такого, как поршень 18. На горловине 14 установлена подвижная/неподвижная входная/выходная головка 20 или «вращающееся уплотнение». Входная/выходная головка 20 содержит внутреннюю первую часть 22, которая может вращаться вместе с горловиной 14 камеры обработки, и наружную/верхнюю вторую часть 24, которая остается неподвижной. Первая и вторая части 22, 24 входной/выходной головки 20 содержат два двойных уплотнения 26, которые позволяют первой части 22 вместе с горловиной 14 вращаться относительно неподвижной второй части 24.
Входная/выходная головка 20 содержит центральный сквозной канал, заканчивающийся входным/выходным отверстиями 29 для входа биологической текучей среды, которая подлежит обработке, и выхода обработанных/разделенных компонентов текучей среды. Часть 24 держит центральную неподвижную трубку 28.
Камера 10 центробежной обработки в пределах своей внутренней цилиндрической стенки 16 содержит подвижный в осевом направлении элемент, а именно поршень 18, который определяет область 19 сепарации переменного объема, в которое производится прием биологической текучей среды, подлежащей обработке и разделению. Путем осевого перемещения данного элемента/поршня 18 биологические текучие среды можно забирать в область 19 сепарации или выводить через центральный сквозной канал 29.
Видно, что в случае известного устройства забор подлежащей обработке биологической текучей среды производится через центральный сквозной канал (осевое входное/выходное отверстие 29), и извлечение обработанных компонентов производится также через центральный сквозной канал (то же самое осевое входное/выходное отверстие 29). Как говорилось ранее, количество биологической текучей среды, которое может быть обработано/сепарировано за один раз, ограничено максимальным объемом области 19 сепарации известной камеры 10 обработки. Вследствие этого, данная камера обработки, отвечающая уровню техники, не может быть использована для обработки больших объемов биологической текучей среды.
Данное ограничение преодолено в настоящем изобретении. Фиг. 1В изображает камеру обработки, соответствующую настоящему изобретению, при этом для обозначения подобных элементов используются те же позиционные номера, что и на фиг. 1А.
Как показано в примере на фиг. 1В, соответствующее настоящему изобретению устройство дополнительно содержит элемент, который задает направление потоку - «отклоняющий/перенаправляющий» или направляющий поток элемент 30, вставленный в камеру 10 обработки и вращаемый вместе с камерой обработки. Направляющий поток элемент 30 расположен рядом с наклонной стенкой 12 камеры 10 обработки, слегка отстоит от стенки 12 и соответствует стенке 12 по форме, оставляя при этом кольцевой промежуток величиной несколько миллиметров в форме усеченного конуса. Центральная трубка из двух частей - внутренней части 28а и наружной части 28b - проходит через центральный сквозной канал входной/выходной головки 20. Центральная трубка 28а, 28b соединена так, чтобы, с одной стороны, доставлять поступающую биологическую текучую среду через полость центральной трубки 28а, 28b и через промежуток 32 между отклоняющим/перенаправляющим поток элементом 30 и наклонной стенкой 12 к внутренней цилиндрической стенке 16 камеры 10 обработки, а, с другой стороны, удалять компоненты обработанной текучей среды, которые разделяются у наклонной стенки 12 камеры 10 обработки, и, которые проходят через промежуток 32 между отклоняющим/перенаправляющим поток элементом 30 и наклонной стенкой 12.
В данном усовершенствованном устройстве внутренняя область 19 камеры обработки, расположенная за пределами (т.е. ниже) направляющего поток элемента 30, через канал 34 в центральной части направляющего поток элемента 30 по текучей среды сообщается с областью центрального сквозного канала входной/выходной головки 20, которая лежит снаружи от центральной трубки 28а.
Кроме того, наружная неподвижная часть 24 входной/выходной головки 20 содержит боковое выходной отверстие 40 для удаления компонентов обработанной биологической текучей среды из внутренней области 19 камеры 10 обработки, при этом указанное боковое выходное отверстие 40 сообщается по текучей среде с областью центрального сквозного канала входной/выходной головки 20, которая лежит снаружи от центральной трубки 28а.
В данном варианте осуществления, выступающая вверх удлиненная горловина 14 камеры обработки заходит внутрь вращаемой первой части 22 входной/выходной головки 20 до уровня бокового выходного отверстия 40. Также в данном случае, средства уплотнения входной/выходной головки 20 содержат два первых уплотнения 26, расположенных аксиально с одной стороны бокового выходного отверстия 40, и два вторых уплотнения 26, расположенных аксиально с другой стороны бокового выходного отверстия 40.
Центральная трубка 28а, 28b содержит неподвижную расположенную вдоль оси наружную часть 28b, проходящую в неподвижной второй части 24 входной/выходной головки 20, и вращаемую расположенную вдоль оси внутреннюю часть 28а, соединенную с центральной частью направляющего поток элемента 30. Внутренняя часть 28а центральной трубки через отверстие 39 сообщается с промежутком 32 между направляющим поток элементом 30 и наклонной стенкой 12.
Вращаемая первая часть 22 входной/выходной головки 20 расположена внутри неподвижной второй части 24 указанной головки, и внутри неподвижного наружного конца.
Как обычно, наклонная верхняя стенка 12 камеры 10 обработки имеет форму усеченного конуса, так же, как и верхняя поверхность направляющего поток элемента 30. Как показано, элемент 30 имеет выступающую вверх центральную втулку 36, которая посажена в горловину 14 камеры 10 обработки, при этом между обращенными друг к другу усеченными коническими поверхностями оставлен промежуток 32 величиной несколько миллиметров. Нижний конец центральной трубки 28а входит в указанную центральную втулку 36, и сообщается с промежутком 32 через отверстия 39 во втулке 36. В данном примере направляющий поток элемент 30 содержит отверстие в виде по меньшей мере одного направленного вдоль оси сквозного канала 34, а в предпочтительном варианте, в виде трех равномерно распределенных по окружности аксиальных сквозных каналов 34 (фиг. 2) в центральной втулке 36, которые соединяют внутреннюю область 19 камеры 10 обработки с областью снаружи центральной трубки 28а центрального канала входной/выходной головки 20.
Направляющий поток элемент 30 обычно содержит наружный край 38 цилиндрической формы, который отходит от усеченного конуса верхней поверхности элемента 30. Цилиндрический наружный край 38 вписан во внутреннюю цилиндрическую стенку 16 камеры 10 обработки ниже линии сопряжения внутренней цилиндрической стенки 16 и наклонной верхней стенки 12, при этом между краем 38 и стенкой 16 оставлен промежуток.
Фиг. 1С изображает течение биологической текучей среды, поступающей в камеру 10 обработки, и выходящей из камеры 10. Вначале биологическая текучая среда поступает в камеру через входное отверстие 29, расположенное в средней верхней части. Текучая среда спускается вниз, проходя вначале через неподвижную часть 24 входной/выходной головки 20, затем продолжает движение через подвижную часть 22, которая потенциально может совершать вращение, а затем достигает направляющего поток элемента 30. Направляющий поток элемент 30 вынуждает текучая среда продолжать движение от приосевой зоны к наружной стороне конической камеры 10, которая совершает вращение, как показано утолщенной линией "IN". Это обеспечивает плавный переход для клеток, которые от статического режима переходят к режиму вращения, и потенциально подвергаются действию большой центробежной силы.
Затем происходит центрифугирование биологической текучей среды внутри камеры 10 обработки, и биологические клетки отделяются от побочного продукта или иной среды, согласно физическому принципу различия в плотности и поведения в поле горизонтальных сил, вызывающих седиментацию. Клетки остаются уплотненными на внешней стороне камеры 10 у внутренней цилиндрической стенки 16, в то время как побочный продукт или среда могут быть удалены через центральную ось. Как показано серой стрелкой "OUT", текучую среду, подлежащую удалению, затем откачивают из придонной центральной области камеры (середины области 19), при этом откачиваемая текучая среда проходит через каналы 34 в центре направляющего поток элемента 30, и поднимается вверх по области снаружи трубки 28а, которая совершает вращение. Затем, сепарированную и подлежащую удалению биологическую текучую среду после ее откачки до высоты бокового выходного отверстия 40 извлекают через указанное отверстие 40 в неподвижной части 24 входной/выходной головки 20. Удаленная биологическая текучая среда, таким образом, переходит из режима быстрого вращения в статический режим. Действие такого механического принципа потенциально могло бы быть вредным для клеток. Под вредом имеется в виду создание давления, трение, грубое воздействие или даже разрезание клеток вращающейся механической частью, что будет либо потенциально запускать дифференцировку стволовых клеток, лишая их тотипотентных свойств, или даже убивать их путем апоптоза, некроза или иных деструктивных механизмов. По этой причине гарантируется, что по указанному пути проходит только удаляемый продукт, совсем не содержащий клеток, или имеющий низкую концентрацию клеток.
Фиг. 1D иллюстрирует неподвижную и подвижную часть входной/выходной головки 20 камеры обработки, причем воздухонепроницаемость и водонепроницаемость обеспечиваются посредством уплотнений 26. Центральная светлая часть 22 показывает подвижные механические узлы, которые при нормальной работе будут вращаться. Внешняя темная часть 24 показывает неподвижные механические узлы, которые при нормальной работе вращаться не будут. Герметичность обеспечивается четырьмя уплотнениями 26, которые показаны черным цветом.
Фиг. 2 изображает конструкцию направляющего поток элемента 30. Верхняя коническая поверхность имеет такую же форму и размеры, как и внутренняя поверхность наклонной верхней стенки 12 камеры обработки. В собранном состоянии остается небольшой канал или промежуток 32 величиной несколько миллиметров, позволяющий текучей среды проходить сквозь него. В центре элемента центральное отверстие 35 в центральной втулке 36 через поперечные отверстия 39 сообщается с промежутком 32, который будет образован между усеченными коническими поверхностями. Это вызывает отклонение потока текучей среды и вынуждает биологическую текучую среду стекать по верхней конической поверхности. Три отверстия 34, разнесенные друг от друга по окружности на 120°, и на расстояние нескольких миллиметров, обеспечивают откачку текучей среды из центральной области камеры вверх через наружную область канала подвижной части 22, и таким образом достижение текучей средой бокового выходного отверстия 40.
Фиг. 3 изображает варианты конструкции камеры обработки с непрерывным потоком.
Фиг. 3а представляет вариант направляющего поток элемента 30, который можно было бы использовать в случае, если бы направление течения не требовалось изменять на обратное. При такой конструкции входное отверстие 29 будет доставлять вниз биологическую текучую среду, поступающую через середину центробежной камеры, в то время как выходное отверстие 40 соединено с каналом, расположенным сбоку внутренней камеры, например, с наклонным кольцевым промежутком 32. На данном чертеже убран путь обратного течения. Входное отверстие 29 соединено с центральной осью камеры, а выходное отверстие 40 соединено с боковыми каналами или промежутком 32 камеры. Обработка с непрерывным потоком такая же, только соединения входного/выходного отверстий выполнены обратным образом.
На фиг. 3d конструкция упрощена за счет использования только двух уплотнений 26 для обеспечения герметичности вместо четырех уплотнений. Каждое уплотнение 26 содержит две радиально направленные манжеты, которые обеспечивают герметичность, когда создается давление или разрежение за счет вспомогательного перистальтического насоса, или движения поршня вверх и вниз.
На фиг. 3с изображен вариант конструкции, содержащий два уплотнения 26, каждое состоящее из двух радиально направленных манжет для обеспечения герметичности, как было описано согласно фиг. ЗЬ.
Комплекты одноразового применения
На фиг. 4А изображен типичный одноразовый комплект, который будет использован совместно с камерой 10/20/40 обработки, соответствующей настоящему изобретению. Вверху слева: мешок 50, содержащий подлежащий обработке объем, соединен с одноразовым комплектом. Внизу слева: приемный мешок 52 присоединен к комплекту для сбора концентрированного клеточного продукта. Вверху справа: мешок 54 при желании может быть присоединен к одноразовому комплекту, и может содержать моющий раствор для ополаскивания камеры в самом конце процедуры, или иногда для суспендирования концентрированного клеточного продукта в питательном растворе. Внизу снизу: мешок 56 для отходов используется для удаления побочного продукта, которая была отделена от клеток.
Буфер, содержащий фильтр, введен во входную линию в целях удаления агрегатов и другого нежелательного материала из объема, подлежащего обработке, а также в качестве препятствия прохождению воздушных пузырей в камеру обработки. Дополнительно, крановый распределитель 58 используется для переключения между несколькими мешками, или иногда, если необходимо, для первоначального заполнения воздухом воздушного фильтра для обеспечения стерильности. Одноразовый комплект может также содержать пережимные клапаны, расположенные на трубках, для управления открыванием/запиранием трубок.
В линии отходов воздушный фильтр, предназначенный для присоединения датчика давления, используется для непрерывного контроля максимального давления или разрежения, создаваемого внутри разового комплекта. Также к линии отходов присоединен перистальтический насос 59, который создает течение при минимальном потенциальном повреждении клеток, которые не циркулируют через механизм насоса.
В предпочтительном варианте между боковым выходным отверстием 40 камеры обработки и перистальтическим насосом 59 присоединен воздушный буфер. Данный воздушный буфер 57 ограничивает скачки давления при работе перистальтического насоса 59. Воздушным буфером может служить капельница.
Как показано, линия отходов, ведущая к мешку 56 для отходов, присоединена к боковому выходному отверстию 40 входной/выходной головки 20 камеры обработки.
На фиг. 4В изображен аналогичный одноразовый комплект, который содержит несколько входных-выходных линий, и способен вести обработку и переключаться между большим числом биологических текучих сред. Выбор мешка выполняют посредством восьми кранов 58, которые обслуживают до восьми мешков на входных и выходных линиях.
Фиг. 5 изображает модифицированный вариант корпуса известной системы, в которую встроен перистальтический насос. Как показано, система содержит корпус 60, который включает в себя переднюю часть 62 особой формы для установки камеры центробежной обработки через откидные панели 64. Верхняя часть корпуса также содержит спектрометрический датчик 66, включающий в себя устройство обнаружения пузырей, работающее по ультразвуковой технологии для измерения биологических элементов и воздушных пузырей, втекающих в камеру обработки. Орган управления перистальтическим насосом расположен с боковой стороны корпуса, а орган 68 управления мотором запорного крана - на верхней стороне корпуса.
Данная система работает в соответствии со схемой одноразового комплекта, изображенной на фиг. 4А. Дополнительно, для надлежащего определения воздушных пузырей, поступающих в камеру обработки, встроенный датчик оптической линии может совмещать в себе ультразвуковой излучатель и приемник, с помощью которых можно вычислять объем воздуха, проходящего по трубке в масштабе реального времени.
Фиг. 6 изображает модифицированный вариант той же системы, которая совмещает в себе перистальтический насос и четыре мотора запорных кранов с индивидуальными органами 68 управления. Данная система работает в соответствии со схемой одноразового комплекта, изображенной на фиг. 4В.
Функция непрерывной обработки потока, которая может быть реализована в устройстве, соответствующем настоящему изобретению, главным образом обеспечивается посредством одного или более внешних перистальтических насосов, создающих течение текучей среды, с одной стороны через входное отверстие 29, для нагнетания биологической текучей среды на наружную вращающуюся сторону 16 камеры обработки, где сила G, вызывающая оседание клеток, максимальна, и с другой стороны - через боковое выходное отверстие 40, расположенное в середине входной/выходной головки 20 камеры - для удаления плазмы, побочного продукта или иной нежелательной биологической текучей среды низкой плотности, на которую действует незначительная осаждающая сила или вообще осаждающая сила не действует. Благодаря сочетанию указанных функций с функцией изменяемого объема обработки, например, который раскрыт в документе ЕР-В-0912250, настоящее изобретение устраняет существующие ограничения сбора малого объема концентрированных клеток из большого объема биологических текучих сред.
Основная последовательность обработки
Основное применение настоящего изобретения касается быстрого сокращения объема большого количества биологической текучей среды, и сбора небольшого количества концентрированных клеток, как показано на фиг. 8А-8Е. Блок-схемы на фиг. 7А-7 В иллюстрируют шаги обработки, соответствующие каждой из фиг. 8А-8Е.
Первый шаг состоит из установки камеры 10 центробежной обработки внутрь оборудования при закрытых входном и выходном отверстиях 29, 40, как показано на фиг. 8А. Затем может быть начато заполнение центробежной камеры 10 путем закачивания в нее объема, который подлежит обработке (фиг. 8В). После соединения входного отверстия 29 с подлежащей обработке биологической текучей средой производят всасывание поршня 18 вниз посредством вспомогательной пневматической системы, которая создает вакуум, как описано в документе ЕР-В-0912250. Во время заполнения потенциально может возникать необходимость удаления воздуха, который мог оставаться запертым в камере 10 обработки. Для выполнения этого действия поршень 18 можно подать немного вверх за счет давления сжатого воздуха, которое создают под подвижным поршнем. Оставшийся воздух и небольшая часть уже закачанного объема будут извлечены и снова переданы в объем, который подлежит обработке. Затем заполнение может начаться снова, и продолжаться до тех пор, пока поршень 18 не достигнет дна камеры 10 обработки.
Как указано на фиг. 8В, осевое входное отверстие 29 открыто, а боковое выходное отверстие 40 закрыто.
В этот момент область сепарации камеры 10 обработки заполнена биологическим раствором, и может быть начата седиментация. Процесс седиментации выполняют путем центрифугирования одноразового комплекта, как это описано, например, в документе ЕР-В-1144026.
По прошествии некоторого времени центрифугирования при определенной скорости вращения, кровяные тельца или биологические клетки отделяются от побочного продукта или раствора среды, и может быть запущен процесс непрерывного потока для сепарации большого объема, как показано на фиг. 8С. На данной стадии боковое выходное отверстие 40 соединяют с мешком для отходов, и включают внешний перистальтический насос, соединенный с линией отходов. Есть вероятность того, что запертый воздух все равно присутствует в канале выходного отверстия 40, но он будет удален в мешок для отходов, как только включится перистальтический насос. Теперь производится непрерывная подача биологической текучей среды из исходного объема, соединенного с входным отверстием 29 камеры, и сепарация за счет центрифугирования в области сепарации при вращении, при этом производится удаление побочного продукта из центральной приосевой области камеры обработки, и его перенаправление через выходное отверстие в мешок для отходов. Во время всего процесса сепарации биологические клетки будут оставаться в камере 10 обработки, при этом скорость течения рассчитывают так, чтобы у клеток было достаточно времени находиться в поле действия разделяющих сил, чтобы гарантировать хорошую сепарацию.
Как показано на фиг. 8С, во время непрерывной обработки осевое входное отверстие 29 открыто для непрерывного забора биологической текучей среды, и боковое выходное отверстие 40 открыто для непрерывного удаления отделенных отходов.
Как только требуемый объем будет полностью обработан, перистальтический насос (насосы) останавливают. В начале процедуры через программу пользовательского интерфейса системы оператор уже задал требуемый конечный объем, поэтому на данном шаге входное отверстие 29 закрывается, и поршень 18 начинает двигаться вверх за счет того же механизма приложения воздушного давления, о котором шла речь выше, как показано на фиг. 8D (осевое входное отверстие 29 закрыто; боковое выходное отверстие 40 открыто). На этой стадии скорость вращения поддерживают, чтобы обеспечить надлежащую сепарацию клеток, а поршень 18 при согласованной скорости вращения движется вверх, и вытесняет оставшийся объем в мешок для отходов до тех пор, пока конечный требуемый объем не будет соответствовать объему, оставшемуся в камере 10 обработки.
Последняя стадия - это процедура извлечения концентрированных клеток, показанная на фиг. 8Е. Клеточную суспензию, оставшуюся в камере 10 обработки, вначале перемешивают, совершая несколько циклов разгона/торможения мотора в обоих направлениях, чтобы отделить клетки, которые потенциально могли прилипнуть к внутренним пластиковым стенкам 16 одноразовой камеры 10, и перемешать их. Затем входное отверстие 29 открывают, в то время как боковое выходное отверстие 40 держат закрытым, и поршень 18 начинает вытеснять концентрированные клетки через осевое входное/выходное отверстие 29. При этом клетки никогда не проходят через механизм перистальтического насоса, который мог бы создавать некоторое механическое напряжение в биологических клетках или стволовых клетках. Дополнительно, чтобы обеспечить надлежащее извлечение клеток из камеры обработки, может быть также быть выполнена процедура разведения путем закачки небольшого количества моющего раствора или буфера суспензии в центробежную камеру 10, повторного перемешивания суспензии и затем ее извлечения суспензии в конечную требуемую суспензию. За счет этого минимизируются потери клеток.
Вариант камеры обработки без поршня
На фиг. 9 изображен вариант камеры 10 обработки, в которой цилиндрическая стенка проходит до дна 10 В, обеспечивая внутреннее пространство фиксированного объема для приема биологических текучих сред, подлежащих обработке. Верхняя часть (входная/выходная головка 20) имеет такую же конструкцию, как и в ранее рассмотренной камере 10, однако сама камера 10 обработки не содержит подвижного поршня для обеспечения переменного объема.
Камера 10 заданного фиксированного объема способна обрабатывать большие объемы при непрерывном течении, когда конечный объем, который требуется собрать, равен объему самой камеры обработки. Камера 10 может быть использована совместно с тем же корпусом и разовыми комплектами, которые были рассмотрены ранее. Данный вариант изобретения значительно упрощает технологию, поскольку более вообще не требуется никакой пневматической системы для перемещения поршня вверх и вниз, и никакой инфракрасной системы обнаружения для определения в реальном времени объема, оставшегося в камере обработки. В случае данного варианта, перистальтические насосы используют для забора биологической текучей среды и выхода сепарированных компонентов.