БЕСКЛЕТОЧНАЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ ТКАНЬ, ПОДГОТОВЛЕННАЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ И СПОСОБЫ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
CELL-FREE ORGANIC TISSUE PREPARED FOR VITALITY RECOVERY AND METHODS FOR PREPARING IT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способу подготовки бесклеточной органической ткани человеческого или животного происхождения для пересадки, в частности для введения живых клеток, содержащему этап, на котором поверхность бесклеточной органической ткани снабжается множеством отверстий, проходящих внутрь ткани, в которой указанное множество отверстий сделаны посредством одной или нескольких игл.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, в сфере медицины, в частности в области хирургии, чрезвычайно важно иметь возможность использовать ткани, которые могут быть имплантированы живым существам, чтобы удовлетворять растущую потребность в замене частей органа или целых органов.
Производство биологических заменителей, которые подготавливаются в лабораториях, а затем имплантируются донору, будь то животное или человек, относится к медицинской технологии и известно как тканевая инженерия.
Согласно известной технике подготовка тканей для трансплантации производится в лаборатории путем введения клеток в матрицу, состоящую из неорганического основания, обычно именуемого "каркас".
Каркас, вставленный, для того чтобы заменить повреждение органа, подлежащего лечению, способствует трехмерной организации клеток, до тех пор пока ткань полностью не сформируется.
Очевидно, указанный каркас должен пройти процесс разрушения, до тех пор пока он полностью не исчезнет и его не заменит регенерированная ткань, этот процесс осуществляется клетками, пересаженными на каркас.
Трансплантаты, полученные с помощью этой системы, могут быть получены как с искусственными каркасами, так и с натуральными (от «донора»), которые могут быть получены от людей и животных, например стенка пищевода.
Касательно искусственных тканей есть много публикаций, среди них можно упомянуть следующие: Tiaw K.S. et al. in "Laser surface modification of poly(epsilon-caprolactone) (PCL) membrane for tissue engineering applications" (Biomaterials 26 (2005) 763-769); Tejas S. Karande et al. in "Diffusion in Musculoskeletal Tissue Engineering Scaffolds: Design Issues Related to Porosity, Permeability, Architecture, and Nutrient Mixing" (Annals of Biomedical Engineering, Vol. 32, no. 12, December 2004, p. 1728-1743); Tejas S. Karande and С Mauli Agrawal in "Functions and Requirements of Synthetic Scaffolds in Tissue Engineering" ("Nanotechnology and Tissue Engineering: The Scaffolds", 2008 CRC Press, Taylor & Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, BOCA RATON, FL 33487-2742 USA, p. 53-86); Curtis D. Chin et al. in "A microfabricated porous collagen-based scaffold as prototype for skin substitutes" (Biomed Microdevices (2008) 10:459-467).
Описанные синтетические ткани имеют структурную пористость, получаемую искусственно, которая может быть выполнена определенным образом, чтобы обеспечить достаточную миграцию внутри ткани.
Только в последней публикации упоминается свойство, при котором цилиндрические поры (последовательно сделанные в пористой ткани) способствуют значительному улучшению проникновения клеток.
Каркас человеческого или животного происхождения уже имеет естественную пористость органической ткани, которая имеет однородную структуру, напоминающую поры губки.
Для того чтобы можно было использовать каркас, полученный от донора, и затем трансплантировать человеку, необходимо предварительно обработать ткань таким образом, чтобы полностью удалить все клетки, находящиеся между волокон соединительной ткани, и последовательно ввести человеческие клетки, принадлежащие реципиенту, для того чтобы избежать реакции отторжения.
Методы изготовления каркаса, то есть бесклеточной матрицы, начиная с взятия от донора тканей, известны и поэтому подробно не описываются, поскольку они в значительной степени заключаются в погружении ткани, которая должна быть обработана, в жидкость, содержащую ферментные вещества, способные переваривать и разрушать живые клетки, содержащиеся в ткани, в то же время сохраняя волокна соединительной ткани нетронутыми.
Как только бесклеточная ткань человеческого или животного происхождения, готовая принять клетки, взятые от реципиента, получена, указанная ткань или каркас помещают в так называемую «Чашку Петри», маленький контейнер, используемый в каждой биологической лаборатории, на дно которой помещается ткань для пересадки, или в аналогичное устройство.
Пересадка происходит путем введения стволовых клеток реципиента, выращенных в культуральной среде, в которой клетки питаются, живут, размножаются и рассредоточиваются.
В основном, стволовые клетки, которые вначале лежат на поверхности ткани, проникают через естественные поры этой ткани, занимая промежутки, которые раньше были заняты клетками донора.
После истечения определенного срока, во время которого регулируется температура, и в присутствии в культуральной среде питательных веществ живые клетки перемещаются в интерстиций ткани, которая становится готовой для имплантации в орган реципиента.
Можно отметить, что обычно клетки, используемые для восстановления каркаса, являются стволовыми, которые будут дифференцироваться или уже дифференцированы и возьмут на себя специфическую функцию органа, в который будет пересажена восстановленная ткань.
Успех или неудача пересадки ткани, подготовленной, как описано выше, зависит от капиллярной диффузии клеток внутри ткани.
Если указанная диффузия затруднена или поверхностна и не проникает в толщу, пересаженная ткань не может быть восстановлена и зачастую приводит к некрозу, что означает, что пересадка не удастся.
Вышесказанное ясно показывает, что необходимым и важным условием, которое должно должны быть выполнено и от которого нельзя отступить, является углубленное восстановление жизнеспособности ткани во всех ее частях и в первую очередь в ее толще.
В настоящее время, даже если подготовка и восстановление жизнеспособности проводится в течение достаточно длительного времени, определенные результаты, гарантирующие успех пересадки, могут быть получены.
Это происходит из-за недостаточно глубокого проникновения живых клеток, которые должны быть помещены на каркас. Фактически этот недостаток существенно ограничивает возможности подготовленной ткани, подходящей для пересадки, а слишком толстые ткани, в толщу которых невозможно проникнуть, после пересадки не восстанавливают жизнеспособность полностью. Поэтому очевидно, что описанный способ подходит для пересадки тканей с очень ограниченной толщиной, например не превышающей примерно 0,1 мм.
Для того чтобы устранить этот недостаток, в WO 2008/146106 A2 на имя настоящего заявителя, описан способ, согласно которому бесклеточная органическая ткань снабжена отверстиями для содействия распространению клеток по всей ткани. В US 5112354 описано перфорирование костной части, предназначенной для увеличения поверхности, подвергаемой воздействию деминерализующих средств, что способствует взаимодействию с мезенхимальными клетками, введенными для остеоиндукции. В US 2007/0248638 A1 описан способ изготовления биокаркаса из натуральных тканей путем окисления бесклеточной ткани для увеличения существующих пор.
Согласно упомянутым документам несмотря на значительное улучшение по сравнению с традиционными методами простая перфорация ткани с целью подготовки ее для введения клеток, достижение равномерного проникания клеток все еще занимает довольно много времени, в частности в случае, если ткань очень толстая или вытянутая.
Поэтому естественная пористость ткани человеческого или животного происхождения вместе с отверстиями, сделанными способом, описанным в WO 2008/146106 A2, не является оптимальной с точки зрения миграции клеток внутри ткани.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание способа подготовки бесклеточной органической ткани человеческого или животного происхождения, готовой к заселению живыми клетками и способной преодолеть недостатки, упомянутые выше.
В частности, задачей изобретения является создание способа подготовки бесклеточной органической ткани так, что когда указанная ткань восстанавливается с помощью стволовых клеток, по сравнению с существующим уровнем техники клетки легче входят и проникают в каждое междоузлие сетки, образованной волокнами соединительной ткани.
Также объектом исследования является получение дополнительного важного и значительного сокращения продолжительности обработки, необходимой для восстановления бесклеточного каркаса, когда вводятся живые клетки, предназначенные для подготовки ткани для трансплантации.
Таким образом, одной задачей изобретения является разработка способа получения готовой бесклеточной органической ткани в усовершенствованном виде для равномерного и быстрого введения восстановленных клеток.
Задача изобретения достигается способом, описанным вначале, в котором отверстия, проходящие от наружной поверхности ткани внутрь нее, пересекаются по меньшей мере частично, образуя отверстия, которые по меньшей мере частично сообщаются друг с другом.
Другими словами, ткань, которая может быть получена способом, описанным в изобретении, снабжена множеством отверстий и каждое сообщается вдоль всей длины с одним или более другим отверстием, образуя таким образом сетчатую структуру. Сетка сообщающихся отверстий значительно увеличивает скорость, с которой они могут быть заполнены восстанавливающими жизнеспособность клетками. Кроме того, сетчатая структура способствует равномерному распространению клеток.
В простейшем случае указанные сообщающиеся отверстия, в основном прямые, делают иглой через наружную поверхность указанной ткани так, чтобы отверстия перекрещивались. Использование изогнутых игл также может быть принято во внимание.
Ни один из документов существующего уровня техники не раскрывает сообщающиеся друг с другом отверстия, добавленные к отверстиям, относящимся к структурной пористости ткани. Наоборот, в документах, относящихся к искусственным тканям, рассматривается структурная пористость (и только в одном случае, статья Curtis D. Chin, применение дополнительных цилиндрических отверстий, изолированных друг от друга), которая является удовлетворительной с точки зрения достигаемой степени проникновения клеток.
В соответствии с настоящим изобретением отверстия выполнены так, что их глубина, по меньшей мере частично, распространяется в толще ткани, но предпочтительно почти на всю толщину ткани или, в особых случаях, на всю толщину ткани.
На стороне, противоположной перфорированной поверхности, желательно оставить тонкий неперфорированный слой, чтобы предотвратить вытекание введенных клеток.
Преимущественно отверстия равномерно распределены по всей ткани и вдоль всех ее сторон.
Отверстия могут быть выполнены в толщине ткани с помощью игл и различными способами, при условии что выполнение этих отверстий не приведет к ухудшению или изменениям (разрыв, некроз, уменьшение или увеличение толщины, изменение состава жидкости, коагуляция) соединительной ткани вокруг отверстия и, в любом случае, каркаса в целом.
Согласно особенно предпочтительному варианту изобретения ткань также снабжена полостями резервуаров, сообщающимися по меньшей мере с частью указанных отверстий. Полости резервуаров можно рассматривать как углубления, то есть хранилища с запасами клеток для введения в ткань, сопоставимыми с хранилищами запасов клеток в организме (например, хранилище эпителиальных клеток в кишечнике).
Если клетки для введения в ткань не просто распределяются по поверхности ткани, а также помещаются в полости резервуаров, выполненных в ткани, которые сообщаются по меньшей мере с частью отверстий, то возможно дополнительно улучшить равномерность распределения клеток и дополнительно ускорить проникновение клеток по всей ткани.
Образование полостей резервуаров, сообщающихся по меньшей мере с частью указанных отверстий, увеличивает для клеток, относящихся к ткани (и помещенных в полость резервуара), количество точек доступа к сетке отверстий.
Преимущественно полости резервуаров находятся на поверхности ткани, чтобы облегчить их заполнение клетками, то есть чтобы обеспечить легкий доступ к ним. Предпочтительно полости резервуаров распределены равномерно.
Полученный диаметр отверстий в любом случае должен быть достаточным для легкого попадания клеток в указанные отверстия и восстановления окружающей ткани.
Относительно размера клеток - их размер должен быть как минимум 50 мкм.
Выбор диаметра также должен осуществляться в зависимости от необходимости сохранять структурную целостность ткани, при этом обеспечивая быстрое проникновение и полное заполнение отверстий.
Полости резервуаров могут быть подготовлены до или после формирования отверстий.
Предпочтительно каналы внедряются после создания полостей резервуаров, для того чтобы обеспечить прочность ткани.
Полости резервуаров в основном цилиндрической формы, с диаметром примерно до 1 мм. Для этой задачи особенно подходят полости резервуаров диаметром от 700 мкм до 1 мм. По существу цилиндрические полости резервуаров могут быть легко созданы как отверстия, сделанные подходящей иглой, имеющей соответствующий диаметр. Очевидно, диаметр полостей резервуаров не должен быть таким, чтобы ослабить структуру ткани. Диаметр полостей резервуаров должен быть больше, чем диаметр каналов, сообщающихся с ними, так чтобы полости резервуаров могли служить запасами клеток и чтобы каналы не превращались в дополнительные полости резервуаров, что ослабит структуру самой ткани. Глубина полостей резервуаров зависит от особенностей ткани и может быть легко оптимизирована специалистом в данной области в соответствии с потребностями.
То же самое относится к расстоянию между каналами и полостями резервуаров.
Могут быть предусмотрены одинаковые расстояния около 200 мкм между отдельными полостями резервуаров, а также более длинные или короткие расстояния.
Необходимо выбирать идеальные расстояния в соответствии с потребностями с точки зрения скорости проникновения и стабильности ткани.
В другом предпочтительном варианте изобретения отверстия имеют отличный друг от друга диаметр. То же самое относится к полостям резервуаров, которые даже могут иметь разный диаметр внутри ткани. Выбор распределения диаметров должен определяться компромиссом между увеличением скорости проникновения, которая, безусловно, увеличивается с увеличением диаметра, и необходимостью избежать слишком сильного ослабления прочности ткани в результате излишней перфорации. Возможность изменять диаметры отверстий внутри ткани создает большую гибкость в регулировании баланса между ускоренным проникновением и прочностью ткани.
Предпочтительно в целях эффективного предотвращения проблем некроза при формировании отверстий и/или полостей резервуаров указанное множество отверстий и/или полостей резервуаров сделаны посредством одной или нескольких металлических игл, подключенных к источнику электроэнергии, вызывающему на кончике каждой иглы прохождение электрического тока с такой интенсивностью и формой волны, чтобы предоставить количество энергии, достаточное для того, чтобы разомкнуть связующие звенья, которые соединяют молекулы органической ткани в непосредственной близости от кончика указанной иглы, как описывалось, например, в уже упомянутом WO 2008/146106 A2.
В этом случае каждое отверстие таково, что кончик указанной иглы проникает в пространство, оставленное свободным путем размыкания указанной молекулярной связи, и образует указанные отверстия. Надо понимать, что отверстия и/или полости резервуаров также могут быть сделаны другим способом, например механически.
Наилучшие результаты с точки зрения качества отверстий/полостей резервуаров, сделанных в ткани, достигаются путем применения напряжения высокой частоты на кончике каждой иглы, обычно 4 MГц, создавая электрический ток, который является слабым, но достаточным для того, чтобы разомкнуть связующие звенья между молекулами соединительной ткани, так что образуется отверстие без разрушения самих молекул. Предпочтительно отверстия и/или полости резервуаров сделаны с помощью иглы, на которую подается напряжение с частотой 4 MГц, указанной выше.
Предпочтительно величина напряжения составляет 200-230 В. Преимущественно приложенное синусоидальное напряжение является искаженной синусоидой с гармониками по меньшей мере первого, второго и третьего порядка.
Имеющийся на кончике каждой иглы ток предпочтительно отрегулирован так, чтобы иметь величину от 2 до 2,5 мA.
Логично и очевидно, что образование нескольких пересекающихся отверстий означает создание новых путей для пересадки клеток в глубокие слои ткани, что гарантирует полное восстановление жизнеспособности самой ткани.
Подготовка бесклеточной органической ткани для пересадки может включать этапы применения различных материалов, например, промывающих растворов, питательных растворов, клеток разных типов (например, аутогенных клеток, клеток от другого донора или другого типа, клеток, которые должны быть дифференцированы или уже дифференцированные) и так далее. Преимущественно введение этих материалов в отверстия происходит с помощью аспирационной системы, которая содержит привод, подходящий для облегчения попадания материалов в отверстия.
Всасывающая система может содержать перистальтический насос. Ткань, подготовленная для восстановления жизнеспособности согласно настоящему изобретению, похожа на проницаемую губку для жидкостей, а также для клеток вдоль отверстий. В случае когда ткань снабжается через отверстия и, следовательно, не имеет неперфорированного слоя на стороне, противоположной перфорированной поверхности, ткань расположена на биологически разлагаемой мембране, снабженной микропорами, пропускающими жидкость, но не клетки, предотвращая таким образом вытекание клеток во время фазы всасывания.
Преимущественно отверстия, выполненные в ткани с помощью иглы или набора игл, перемещаются и наклонены в соответствии с командой системы управления, которая работает по алгоритму, который гарантирует, что отверстия сформируются так, чтобы пересекаться с заранее определенной плотностью, то есть образуя определенное количество точек, в которых они пересекают друг друга.
Способ, описанный выше, может быть использован для всех типов органических тканей.
Бесклеточные ткани, снабженные сообщающимися отверстиями, могут быть восстановлены с помощью всех типов клеток, подходящих для дальнейшего использования ткани.
Ткань по настоящему изобретению практически не создает ограничений по толщине ткани для трансплантации, так как наличие сообщающихся отверстий, которые могут быть сделаны через всю толщину ткани и по всей ее поверхности, гарантирует полное восстановление. Это связано с тем, что живые клетки, которые будут вновь помещены в бесклеточный каркас и, предпочтительно, в полости резервуаров, могут достичь каждую часть ткани.
Способ по настоящему изобретению позволяет получить бесклеточную органическую ткань человеческого или животного происхождения, подготовленную для восстановления жизнеспособности, в частности для введения живых клеток, которая содержит отверстия, которые сделаны путем прокола иглой и проходят от поверхности ткани внутрь нее, где отверстия пересекаются, по меньшей мере частично и, следовательно, по меньшей мере частично сообщаются друг с другом.
В соответствии с вариантами способа, описанного выше, ткань также может содержать полости резервуаров. Отверстия и/или полости резервуаров в ткани, подготовленной согласно изобретению, имеют характеристики, в частности диаметры, глубины и расстояния, описанные выше.
Варианты конструкции по настоящему изобретению являются предметом дополнительных пунктов формулы изобретения. Дополнительные характеристики и детали изобретения будут раскрыты более подробно в описании предпочтительных вариантов изобретения, представленных в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение проиллюстрировано с помощью прикрепленных чертежей, на которых:
Фиг.1 - схематическое сечение бесклеточной органической ткани, подготовленной для восстановления жизнеспособности и снабженной сообщающимися отверстиями;
Фиг.2 - вид сверху бесклеточной органической ткани, подготовленной для восстановления жизнеспособности и снабженной полостями резервуаров и отверстиями;
Фиг.3 - сечение по линии III-III ткани по фиг.2.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ
Как показано на фиг.1, ткань, обозначенная в целом позицией 2, снабжена множеством отверстий 4, которые скрещиваются в точках 6 пересечения и, следовательно, сообщаются друг с другом.
В приведенном примере все отверстия 4 наклонены по отношению к поверхности 3 ткани 2.
Очевидно, проницаемость/перфорация должны повторяться по всей поверхности 8 каркаса 2 для получения равномерного распределения отверстий 4 по всей толщине и всей полезной площади ткани 2 для пересадки.
На фиг.2 показан вид сверху дополнительного варианта изобретения, в котором бесклеточная органическая ткань 12 снабжена не только отверстиями (для упрощения отверстия показаны только в сечении по фиг.2, то есть на фиг.3), но и полостями резервуаров 20.
На чертеже показано множество полостей резервуаров 20 в форме больших отверстий круглого сечения на поверхности 18 ткани 12.
Наконец, на фиг.3 показано в сечении по линии III-III на фиг.2 как отверстия 14 сообщаются друг с другом и полостями резервуаров 20.
Поскольку ряд отверстий 4, 14 (и, если необходимо, полостей резервуаров 20) выполнены в бесклеточной ткани 2, 12, как указано выше, ясно, что указанную ткань без клеток можно поместить в чашку Петри или аналогичное устройство, в которое введены живые клетки, обычно стволового типа, будущего реципиента.
Эти стволовые клетки, получающие правильное питание в среде для культивирования, могут легко и быстро попасть во все имеющиеся отверстия 4, 14, таким образом гарантируется полное и эффективное восстановление жизнеспособности всей ткани для трансплантации.
Типовой технологический процесс имеет следующие этапы: органическую ткань 2, 12, без клеток и при этом заранее обработанную, именуемую каркасом, помещают на плоскую поверхность и распределяют по ней. На иглу подают электрический ток таким образом, чтобы подать на молекулы ткани для обработки такое количество энергии, которое достаточно для разрыва связей между молекулами, по которым проходит ток, в то время как окружающая область не затрагивается разрывающим или разрушающим эффектом, не подвержена некрозу, увеличению или уменьшению толщины или изменению состава жидкости, коагуляции или другим дегенеративным эффектам.
Главным образом, этот разрыв молекулярных связей эквивалентен образованию микроотверстий 4, 14, которые на практике имеют тот же диаметр, что и каждая игла, учитывая, что в любом случае минимальный диаметр иглы не может быть меньше, чем диаметр восстанавливающей жизнеспособность клетки.
Таким образом, игла вводится достаточно медленно и так, что во время ее продвижения кончик находит отверстие, уже подготовленное при прохождении тока и последующего разрыва молекулярных связей.
Полости резервуаров 20 могут быть подготовлены тем же способом, выбрав иглу подходящего диаметра, предпочтительно, но не обязательно, делать полые резервуары до отверстий.
Формирование сетки отверстий очень важно и полезно, поскольку клетки, которые будут вновь введены, могут проникать вглубь ткани и приживаться в стенках отверстий, размножаться и таким образом очень быстро восстанавливать всю органическую ткань.
Следует понимать, что способ и ткань по настоящему изобретению успешно выполняет все задачи изобретения, поскольку достигается совершенное и эффективное восстановление жизнеспособности, исключая таким образом любой риск отторжения трансплантата, который должен быть пересажен.
Кроме того, процесс восстановления происходит даже быстрее и с более равномерным распределением клеток, чем в известных способах.
На практике в настоящее изобретение могут быть внесены дополнительные изменения или могут использоваться варианты исполнения способа по изобретению, не описанные в настоящем документе.
Все указанные изменения или варианты исполнения должны быть обоснованно защищены настоящим патентом, при условии что они входят в объем защиты приложенной формулы изобретения.
Если технические признаки, указанные в любом пункте формулы изобретения, обозначаются ссылочными позициями, эти ссылочные позиции добавлены исключительно для повышения ясности формулы изобретения и, соответственно, такие ссылочные позиции не имеют никакого ограничивающего влияния на объем защиты каждого элемента, обозначенного для примера такими ссылочными позициями.