Биокомпозитный фильтр для биологического контура системы экстракорпоральной гемоперфузии

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно, к устройствам для осуществления обменной обработки крови в целях компенсации функций печени пациентов с необратимой печеночной недостаточностью, например, в период ожидания трансплантации донорского органа.
Печень – самая крупная железа человеческого организма. Функции печени многочисленны и значительны: детоксикационная, экскреторная, запасающая, синтетическая, иммунная, гомеостатическая, депонирующая, кроветворная (в эмбриогенезе) и т.д., что определяют его как жизненно важный орган.
Трансплантация печени является единственным выходом для пациентов с необратимыми и серьезными деструкциями органа. Согласно статистике, основанной на данных регистра Российского трансплантологического общества, в России в 2012 году 488 человек ожидали трансплантацию печени, в 2019 году число составило уже 1900, а среднее время ожидания составляет 3,6 года. Несмотря на рост количества операций по пересадке печени, все еще существует проблема осуществления данной операции для нуждающихся вследствие нехватки донорских органов, живых доноров. В связи с этим методы и устройства экстракорпоральной поддержки печени в период ожидания трансплантата имеют важную практическую значимость.
Известны искусственные системы MARS и Prometheus, представляющие собой бесклеточные экстракорпоральные устройства, которые нацелены только на выведение токсинов путем диализа альбумина (см. Evenepoel P. et al. Detoxifying capacity and kinetics of Prometheus–a new extracorporeal system for the treatment of liver failure //Blood purification. – 2005. – Т. 23. – №. 5. – С. 349-358; Evenepoel P. et al. Prometheus versus molecular adsorbents recirculating system: comparison of efficiency in two different liver detoxification devices //Artificial organs. – 2006. – Т. 30. – №. 4. – С. 276-284).
В известных системах используется комплексное устройство достаточно сложной конструкции, комбинирующие процессы диализа, селективного афереза и сорбционные технологии. При этом данные не обладают синтетическими и метаболическими функциями, например, синтезом альбумина, которые могут быть обеспечены только живыми функциональными клетками печени.
Существует ряд биоискусственных экстракорпоральных систем типа ELAD, HepatAssist, AMC-BAL, SRBAL, hiHep-BAL, особенность которых заключается в том, что функции печени обеспечивают клетки, находящиеся в составе системы, а разница – в типе заселенных в систему клеток. Например, в основе hiHep-BAL находятся индуцированные гепатоциты человека (см. Shi X. L. et al. Improved survival of porcine acute liver failure by a bioartificial liver device implanted with induced human functional hepatocytes //Cell research. – 2016. – Т. 26. – №. 2. – С. 206-216), в основе HepatAssist и SRBAL – гепатоциты свиньи (см. Demetriou A. A. et al. Prospective, randomized, multicenter, controlled trial of a bioartificial liver in treating acute liver failure //Annals of surgery. – 2004. – Т. 239. – №. 5. – С. 660; Nicolas C. T. et al. Concise review: liver regenerative medicine: from hepatocyte transplantation to bioartificial livers and bioengineered grafts //Stem Cells. – 2017. – Т. 35. – №. 1. – С. 42-50).
Несмотря на присутствие в вышеприведенных системах тех или иных гепатоцитов, у каждой системы существуют свои недостатки. Например, ELAD содержит клетки гепатокарциномы человека HepG2/C3A, которые проявляют сниженную функциональную активность по сравнению с нативными гепатоцитами человека, не могут выводить аммиак, а также существует риск проникновения опухолевых клеток в кровоток пациента (см. Shi X. L. et al. Improved survival of porcine acute liver failure by a bioartificial liver device implanted with induced human functional hepatocytes //Cell research. – 2016. – Т. 26. – №. 2. – С. 206-216; Nicolas C. T. et al. Concise review: liver regenerative medicine: from hepatocyte transplantation to bioartificial livers and bioengineered grafts //Stem Cells. – 2017. – Т. 35. – №. 1. – С. 42-50; Lee K. C. L., Stadlbauer V., Jalan R. Extracorporeal liver support devices for listed patients //Liver Transplantation. – 2016. – Т. 22. – №. 6. – С. 839-848). HepatAssist и SRBAL имеют недостатки ввиду риска ксенозооноза, поскольку содержат гепатоциты свиньи, и имеют жесткое ограничение в некоторых религиозных странах (см. Shi X. L. et al. Improved survival of porcine acute liver failure by a bioartificial liver device implanted with induced human functional hepatocytes //Cell research. – 2016. – Т. 26. – №. 2. – С. 206-216). AMC-BAL разрабатывался на основе гепатоцитов свиней, однако при первом клиническом испытании у одного из пациентов был найдена ДНК эндогенного ретровируса свиньи из-за чего испытания данного устройства ограничили (см. Lee K. C. L., Stadlbauer V., Jalan R. Extracorporeal liver support devices for listed patients //Liver Transplantation. – 2016. – Т. 22. – №. 6. – С. 839-848; Van de Kerkhove M. P. et al. Liver support therapy: an overview of the AMC-bioartificial liver research //Digestive Surgery. – 2005. – Т. 22. – №. 4. – С. 254-264). Что же касается hiHep-BAL, то данное устройство безопасно с точки зрения трансмиграции опухолевых клеток и ксенозооноза, но оно еще не протестировано на людях (см. Shi X. L. et al. Improved survival of porcine acute liver failure by a bioartificial liver device implanted with induced human functional hepatocytes //Cell research. – 2016. – Т. 26. – №. 2. – С. 206-216).
Таким образом, наиболее эффективными считают биоискусственные системы, в которых, в отличие от искусственных, главным компонентом является биореактор, содержащий функциональные клетки печени – гепатоциты. Последние при терапии обеспечивают организм пациента не только дезинтоксикационными (которыми способны обеспечивать только искусственные устройства экстракорпоральной поддержки печени), но и синтетическими, метаболическими функциями печени. Помимо поддерживающей функции во время ожидания донорского органа, подобные системы способны также индуцировать спонтанную регенерацию печени. Из литературных источников известны исследования, доказывающие благоприятное воздействие экстракорпоральных систем на процессы регенерации печени молодых пациентов с более легким течением заболеваний печени (см. Thompson J. et al. Extracorporeal cellular therapy (ELAD) in severe alcoholic hepatitis: a multinational, prospective, controlled, randomized trial //Liver Transplantation. – 2018. – Т. 24. – №. 3. – С. 380-393).
Аппарат биологической искусственной печени (см. RU №2163148, кл. А61М 1/36, опубл. 20.02.2001) содержит корпус с содержанием тканевых фрагментов печени, заполненный однородной смесью частиц нейтрального носителя, а именно агарозного геля. Обработка плазмы происходит следующим образом: гепаринизированная кровь или плазма пациента поступает в систему с помощью перистальтического насоса, проходит через биореактор, который содержит фрагменты печени, и затем возвращается в кровоток пациента.
Недостатком известного аппарата является необходимость в большом объеме биоматериала, количество которого на практике лимитировано. Кроме того, высок риск повреждения целостности клеточной мембраны гепатоцитов при фрагментации ткани печени.
Известен аппарат для экстракорпорального очищения крови (см. RU №93276, кл. А61М 1/14, А61М 1/36, опубл. 27.04.2010), содержащий диализатор, разделенный полупроницаемой мембраной на секцию крови и связанный с системой кровообращения пациента через плазмофильтр с регулировочными распределителями и насосом, и секцию для диализирующей жидкости, соединенную с очистным контуром, заполненным диализирующей жидкостью, в качестве которой используют 10-12%-ный раствор человеческого альбумина или цитозоль печени, снабженным, по крайней мере, одной колонкой с углеродным сорбентом, вход которой является входом отработанной диализирующей жидкости, а выход сообщен непосредственно или через промежуточные элементы очистного контура с емкостью для диализирующей жидкости или входом секции для диализирующей жидкости диализатора.
Широкому использованию данного аппарата для целей детоксикации ограничивает сложность конструкции и высокая стоимость оборудования.
Известен способ гемокоррекции при терапии печеночной недостаточности (см RU №2693677, кл. А61М 1/16, опубл. 03.07.2019), который включает поступление крови пациента в устройство, фильтрацию плазмы крови от клеток крови, перфузию плазмы через картриджи, содержащие направленно дифференцированные гепатоциты, смешивание обработанной плазмы с клетками крови и возврат крови пациенту. При этом дифференцируемые стволовые клетки являются аутоклетками, которые были получены репрограммированием мононуклеаров периферической крови.
Недостатком известного технического решения является длительность процессов получения, репрограммирования, культивирования и направленной дифференцировки стволовых аутоклеток, кроме того, выполнение процессов является трудоемким и ресурсозатратным.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в создании устройства для нормализации биохимических показателей крови пациентов с необратимой печеночной недостаточностью, характеризующегося простотой в использовании.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в создании системы экстракорпоральной гемоперфузии, содержащего фильтр с функциональными гепатоцитами человека, обеспечивающий организм дезинтоксикационной, метаболической и синтетической функциями.
Для достижения поставленной задачи фильтр для биологического контура системы экстракорпоральной гемоперфузии, составленный из последовательно соединенных и запечатанных в герметичном корпусе плазмофильтров с гепатоцитами, подключенные последовательно друг к другу посредством трубок и внешним средствам подачи и оттока без образования воздушных пространств, отличается тем, что в качестве плазмофильтров используют устройства проточного инкубатора с модульным исполнением, каждый из которого выполнен из биосовместимого полимера и состоит из послойно накладываемых элементов, а именно, крышки, полости для транспорта плазмы со спиральным расположением каналов и отводными отверстиями для ввода и вывода плазмы, полости для заселения гепатоцитов, повторяющей ход каналов полости для транспорта плазмы, перегороженные трековой мембраной с размерами пор, достаточной для предотвращения попадания клеток гепатоцитов в циркуляцию плазмы, например, не более 5,0 мкм, полости для фильтрата, содержащей питательную среду для клеток гепатоцитов, с отводными отверстиями для ввода и вывода, причем, между полостью заселения гепатоцитов и полостью для фильтрата размещена трековая мембрана с размерами пор, достаточными для предотвращения попадания клеток гепатоцитов в циркуляцию питательной среды, например, не менее 0,2 мкм.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с известными признаками свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность новых признаков обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, за счет системы экстракорпоральной поддержки, представленной сетью полупроницаемых мембран с функциональными гепатоцитами человека для последующего использования в системах экстракорпоральной гемоперфузии в качестве поддерживающей терапии печени пациентов с различными необратимыми патологиями печени с частично или полностью утраченными функциями, обеспечивающей организм дезинтоксикационной, метаболической и синтетической функциями, например, в период ожидания донорского органа.
Преимуществами заявленного решения являются: отсутствие риска ксенозооноза, поскольку используются клетки человека; компенсация не только дезинтоксикационной, но и метаболической, синтетической функции; использование биологического контура, способствующего быстрому получению и культивированию клеток; повышение регенеративного потенциала печени.
В новом техническом решении используется устройство проточного инкубатора, являющегося структурно-функциональной единицей биологического контура, где в результате гемофильтрации через особую сеть полупроницаемых мембран, помещенных в среду с культивированными гепатоцитами, происходят обменные процессы между клетками, культивируемой средой и плазмой пациента.
Таким образом, биологический контур предназначен для дальнейшего использования в гемоперфузионной системе очистки крови в качестве поддерживающей терапии для пациентов с тяжелыми формами печеночной недостаточности.
Заявленный способ иллюстрируется чертежом, где на фигуре 1 показаны элементы каркаса проточного инкубатора: крышка (1), полость для размещения клеток (2), полость для потока плазмы (3), полость фильтрата или диализирующего раствора (4); на фигуре 2 – схема сборки каркаса проточного инкубатора для биологического контура; на фигуре 3 - схема конструкции проточного инкубатора 9 с пористо-проницаемой (5) и полупроницаемой мембранами (6) и гепатоцитами (7); на фигуре 4 – фото слоя размещения клеток каркаса проточного инкубатора в культуральной чашке; на фигуре 5 – схема биологического контура, подключенного к внешним системам подачи и вывода веществ (10 – направление циркуляции потока плазмы крови, 11 - направление циркуляции потока желчи), включающего последовательно расположенные проточные инкубаторы (9) в герметичном корпусе (8).
Для изготовления каркаса проточного инкубатора используют биосовместимый полимер. Каркас состоит из четырех послойных элементов: крышки 1, полости 3 для протекания плазмы со спиральным расположением каналов, полости 2 для заселения линий гепатоцитов, повторяющей ход каналов вышележащего слоя 3, полости 4 для фильтрата, содержащей питательную среду для клеток (см. фиг. 1, 2). Поскольку гепатоциты 7 должны одновременно контактировать с плазмой пациента и культуральной средой, при этом смешение двух жидкостей недопустимо, клетки располагаются посередине, а сверху и снизу накладываются трековые мембраны. Например, между полостью 3 для плазмы и полостью 2 для гепатоцитов 7 размещается пористо-проницаемая мембрана 5, а между полостью 2 для гепатоцитов 7 и резервуаром 4 - полупроницаемая мембрана 6 (см. фиг. 3).
В полости фильтрата 4 для культуральной среды будут выводиться токсины и продукты метаболизма, поэтому для плазмы крови и культуральной среды предусмотрены отдельные полости и трубки для протекания этих жидкостей в целях недопущения их смешения.
Для опытного образца диаметр конструкции проточного инкубатора составлял 84 мм, при этом послойные элементы были изготовлены из синтетического полимера полилактида путем 3D печати (см. фиг. 1, 4). Выбор материала полимера определяли по следующим свойствам: биосовместимость, что необходимо для работы с пациентами; низкая степень биорезорбции; термопластичность; доступность материала (см. Белов Д. Биоразлагаемый полимер полилактид // Наука и инновации. – 2013. – Т. 9. – №. 127; Левченко Е.В., Чернышева Н.Л. Производство биоразлагаемого полимера полилактида // Вестник молодежной науки. – 2016. – №. 4 (6)).
В качестве мембран были выбраны трековые мембраны «Реатрек» известной конструкции из полиэтилентерефталата с диаметрами пор 5,0 и 0,2 мкм, соответственно. Преимуществом трековых мембран является их правильная геометрия пор, возможность контроля их количества, а также однородность в размерах пор, что не допускает риск проникновения, как клеточных единиц, так и их составных частей в случае деструкций (см. Волков В. В. и др. Мембраны и нанотехнологии // Российские нанотехнологии. – 2008. – Т. 3. – №. 11-12. – С. 67-99).
Диаметр пор трековой мембраны, разделяющей гепатоциты от плазмы, равный 5 мкм, был выбран из расчета недопущения риска попадания клеток гепатоцитов в кровоток пациента, поскольку средний диаметр гепатоцитов варьирует от 20 до 30 мкм.
Для формирования биологического контура составные картриджи предварительно заселяют гепатоцитами человека, для чего, производят посев гепатоцитов в полости 2, дно которой выполнено в виде полупроницаемой трековой мембраны 6. Далее, слой 2 с трековой мембраной 6, на которой адгезированы клетки гепатоцитов, переносят в полость фильтрата 4 каркаса, предназначенный для культуральной среды. Затем поверх гепатоцитов накладывают пористо-проницаемую мембрану 5 для препятствия попадания гепатоцитов в кровоток пациента. После чего, накладывают остальные слои: полость 3 для протекания плазмы по сети разветвленных каналов и крышку 1. Все слои картриджа размещают друг относительно друга по типу «сэндвич» (см. фиг. 2, 3).
Проточные инкубаторы 9 с гепатоцитами последовательно соединяют медицинскими трубками и запечатывают в герметичный корпус 8. Таким образом, изготовленный биологический контур поставляют в специализированное медицинское учреждение, где для использования подключают посредством выходных трубок к внешним средствам подачи и оттока веществ без образования воздушных пространств, например, к инфузионному насосу, который подает 10 кровь в биологический контур, а по другой линии обеспечивает отток 11 желчи и использованной культуральной среды (см. фиг. 5).
Заявленное техническое решение реализуется следующим образом.
В начале терапии кровь пациента выводится из вены через двухпросветный катетер с помощью насосной системы, далее поступает в плазмофильтр, где происходит сепарация плазмы крови от форменных элементов через мембрану. Например, в известных исследованиях кровь для подобных целей забиралась у пациента из правой поверхностной бедренной вены со скоростью 90-100 мл/мин (см. Chen S. C. et al. Treatment of severe liver failure with a bioartificial liver //Annals of the New York Academy of Sciences. – 1997. – Т. 831. – С. 350).
После чего, получаемая плазма через отдельный канал поступает в биологический контур, который к этому моменту должен содержать не менее 10 млн. клеток гепатоцитов, и циркулирует в капиллярной системе, взаимодействуя с гепатоцитами, которые обеспечивают биологический эффект - синтез веществ, связывание токсинов, в частности билирубинов (см. Malhi, H. Hepatocyte transplantation: new horizons and challenges / H. Malhf, S. Gupta // J. Hepatobiliary Pancreat. Surg. — 2001. — Vol. 8. — P. 40-50; Fitzpatrick, E. Human hepatocyte transplantation: state of the art / E. Fitzpatrick, R. R. Mitry, A. Dhawan // J. Intern. Med. — 2009. — Vol. 266. — P. 339-357; Nahmias Y, Berthiaume F, Yarmush ML. Integration of technologies for hepatic tissue engineering. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2007; 103: 309–329; Долгих М.С. Современные технологии создания имплантируемой биоискусственной печени / М.С. Долгих // Биомедицинская химия. – 2010. – т. 56 – вып. 4 – С. 425-442; Афанасьева Ю.И. Гистология, эмбриология, цитология. Учебник / Ю.И. Афанасьева, Н.А. Юрина // ГЕОТАР Медиа. – 2018. – с. 595; Пономарев Б.Л., Морфология гепатоцитов человека в ранние периоды онтогенеза/ Б.Л. Пономарев, Л.Е. Обухова, Ю.А. Высоцкий, Н.И. Барсукова, Т.М. Черданцева // Российский медико-биологический вестник им. акад. И.П. Павлова. 2013. №3).
Продукты метаболизма и токсины гепатоцитов выводятся в культуральную среду, которая оттекает с помощью насоса. Оптимальная скорость притока свежей среды должна составлять от 1,2 до 2,0 мл/ч (см. Басок Ю.Б. и др. Культивирование клеток печени человека и мезенхимальных стромальных клеток жировой ткани человека в перфузионном биореакторе // Вестник трансплантоологии и искусственных органов. - 2018. – Т. 20. – №. 1. – С. 70-78; Mueller D. et al. Real-time in situ viability assessment in a 3D bioreactor with liver cells using resazurin assay //Cytotechnology. – 2013. – Т. 65. – №. 2. – С. 297-305).
Поскольку гепатоциты расходуют большое количество кислорода, то допускается использовать оксигенатор для обогащения культуральной среды кислородом. Устойчивость реактора при расчетной концентрации оксигенатора не менее 0,3 нмоль/сек на 10 млн. клеток.
В завершении происходит объединение обработанной плазмы крови с эритроцитарной массой, после чего, кровь обратно возвращается пациенту, и процедура экстракорпоральной гемоперфузии завершается, устройство отключается от кровотока.
Для экспериментальных работ использовалась плазма крови десяти условно здоровых добровольцев. В целях соблюдения мер безопасности добровольцы дополнительно сдавали кровь на определение ВИЧ, гепатита В и С. Эксперимент производился в асептических условиях с соблюдением требований биологической безопасности.
Исследование биохимического спектра исследуемой плазмы проведено при помощи автоматического биохимического анализатора Horiba ABX Pentra 400, «Хориба АБИкс САС», Франция, ВР 7290-34184 (ФСЗ 2010/07857), ОКП 94 4300 с использованием колориметрической, фотометрической технологий для определения концентрации отдельных химических веществ и продуктов обмена. Были определены уровни следующих биохимических показателей: альбумина, аспартатаминотрансферазы, аланинаминотрансферазы, натрия, общего и несвязанного билирубина.
Плазма условно здоровых доноров, изготовленная в объеме около 50 мл путем центрифугирования, транспортировалась по каналу плазмофильтра через слой для потока плазмы предварительно изготовленного картриджа с заселенными гепатоцитами на поверхности фильтрационной мембраны слоя для размещения клеток (инкубационного слоя), являющейся одновременно верхней стенкой полости диализирующего раствора с питательной средой. При этом, в рамках эксперимента на одном картридже плазма задерживалась в среднем на 30 минут и выводилась через выходное отверстие полости протекания плазмы. Извлеченную плазму исследовали на предмет изменений концентрации веществ, прямо или косвенно отражающих функции печени.
На выходе наблюдался достоверный рост во всех пробах уровней аспартатаминотрансферазы, натрия и умеренный подъем уровня альбумина, а также очевидное снижение концентрации несвязанных билирубинов (см. таблицы 1-3).
Рост уровня альбумина свидетельствует о наличии синтетического процесса в гепатоцитах и их функциональности. Повышение аминотрансфераз объясняется деструкцией клеток в присутствии полимерного каркаса в одной среде. О наличии косвенных желчеобразующих признаков, связанных с метаболизмом прямого билирубина, можно судить из снижения уровня билирубина после обработки и роста концентрации ионов натрия, которые являются составной частью желчных кислот.
Таким образом, установлено, что система экстракорпоральной поддержки печени с заявленным устройством биокомпозитного фильтра способна оказывать поддерживающую функцию при печеночной недостаточности, компенсировать нарушение дезинтоксикационной, метаболической и синтетической функций печени, а значит, повысить выживаемость больных, которые ожидают донорскую печень, снизить вероятность возникновения осложнений, а также спонтанную регенерацию печени пациентов с более легким течением заболеваний печени, что позволит нацелить пул донорских органов на пациентов с более тяжелыми стадиями болезней.
Таблица 1
Результаты биохимического анализа плазмы крови после обработки плазмы в проточной системе
№ пробы
Альбумин (г/л)
Аланинаминотрансфераза (Е/л)
Аспартатаминотрансфераза (Е/л)
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
1.1
45,7
32,6
33,1
40,8
29,2
31,0
24,7
36,3
45,8
1.2
34,4
32,8
31,0
30,2
26,0
31,0
1.3
32,1
31,6
28,2
27,1
25,5
34,2
1.4
36,9
35,6
31,8
32,8
25,5
32,1
2.1
43,9
27,3
27,6
99,5
56,6
58,7
69,2
59,4
57,3
2.2
38,1
38,0
85,0
84,5
65,5
66,6
2.3
22,2
23,8
49,6
54,3
44,2
67,9
2.4
31,4
31,2
70,0
65,6
55,2
57,9
Таблица 2
Результаты биохимического анализа плазмы крови после обработки плазмы в проточной системе
Глюкоза (ммоль/л)
Мочевина (ммоль/л)
Натрий (ммоль/л)
№ пробы
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
1.1
5,86
3,94
3,87
5,44
3,65
3,77
81,8
277,2
281,8
1.2
4,38
4,10
3,83
4,25
278,4
272,7
1.3
3,92
3,81
3,18
3,36
262,5
280,6
1.4
4,59
4,3
4,07
4,01
234,0
280,6
2.1
6,11
8,65
8,17
4,67
4,13
4,85
95,4
143
128,6
2.2
6,47
6,20
4,67
5,03
127,2
192,8
2.3
3,0
3,06
0,25
2,52
285,2
295,7
2.4
4,14
3,92
3,65
4,01
278,4
285,2
Таблица 3
Результаты биохимического анализа плазмы крови после обработки плазмы в проточной системе
Билирубин прямой (мкмоль/л)
Билирубин непрямой (мкмоль/л)
№ пробы
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
Контроль
Через 30 мин
Через1 ч
1.1
2,7
2,6
2,0
13,3
12,9
12,7
1.2
2,6
1,9
13,0
12,5
1.3
2,3
2,1
12,6
12,2
1.4
2,7
2,5
13,0
12,5
2.1
4,0
3,9
3,8
16,1
14,9
14,4
2.2
3,5
3,5
15,5
15,3
2.3
3,7
3,3
15,7
15,1
2.4
3,5
3,7
14,1
14,0