Материал в.е.рябинина для искусственной печени, способ его использования и искусственная печень

 

Изобретение касается материала для искусственной печени, который содержит лиофилизированный цитозоль с микросомальной и митохондриальной фракциями печени, а также способа его использования для обработки крови пациентов с острой печеночной недостаточностью, предусматривающий суспендирование указанного материала в дистилированной воде в соотношении вода : материал 14-20 : 1 и осуществление осмотического обмена между полученной суспензией и кровью пациента через полупроницаемую мембрану. Устройство для осуществления указанного способа содержит резервуар для указанного материала, снабженный перемешивающим средством и оксигенатором средства транспортировки суспензии печеночного материала и крови, обменный трубчатый модуль с полупроницаемой мембраной, в котором через указанную мембрану происходит метаболический обмен между цельной кровью пациента и суспензией материала, и трубопроводы, обеспечивающие раздельную подачу крови и суспензии печеночного материала в модуль для обработки крови и последующий возврат обработанной крови пациенту, а суспензии - в резервуар. Мембрана имеет поры, пропускающие частицы с молекулярным весом до 10000-12000. Технический результат, достигаемый при использовании изобретений, заключается в повышении эффективности и надежности искусственной печени. 3 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил., 15 табл.

Настоящее изобретение касается биологического материала для искусственной печени, способа его использования, обменного устройства для осуществления этого способа и системы обработки крови при патологическом состоянии пациента, таком как метаболические и токсемические расстройства.

Метаболические и токсемические расстройства, возникающие при печеночной недостаточности в результате отравлений, радиационного поражения, ожоговой болезни, различных травмах и инфекционных заболеваниях, в настоящее время являются широко распространенными во всем мире. Только в Японии количество случаев острой недостаточности печени достигает 150-200 тысяч в год. Значительно распространена острая недостаточность печени, возникающая вследствие отравлений различными химическими препаратами; только в США ежегодно регистрируют более миллиона острых отравлений. Нередки случаи развития острой печеночной недостаточности инфекционного генеза (вирусный гепатит, лептоспироз).

При указанных расстройствах происходит нарушение функций печени, в частности, функции метаболизма, связанной с процессами биологического окисления, синтеза и распада биологически активных соединений, а также нарушение клиренсной функции печени, осуществляемой посредством реакций детоксикации и выведения продуктов этих реакций из организма.

При поддерживающем лечении, таком как диета и традиционная терапия, коэффициент смертности при острой печеночной недостаточности достигает 80-90%. Поэтому для восполнения утраченных функций печени необходимо использовать экстракорпоральную "искусственную печень" - устройство, которое временно и частично выполняет функции печени пациента.

Общий принцип работы известных аппаратов типа "искусственная печень" заключается в обеспечении обменных процессов между материалом для искусственной печени и кровью пациента. Например, из а. с. СССР 1,424,851 известен аппарат, названный "вспомогательная печень", который фракционирует кровь пациента, разделяя его на плазму и форменные элементы крови, и осуществляет обмен путем непосредственного контактирования оксигенированной плазмы крови при 37^oC с материалом для искусственной печени, представляющем собой суспензию изолированных гепатоцитов. После обработки плазмы ее снова соединяют с фракцией форменных элементов и возвращают в организм пациента. Подобные аппараты однако не обеспечивают достаточную биологическую безопасность для пациента вследствие травмирования крови при ее фракционировании, а также вследствие непосредственного контакта суспензии чужеродных клеток материала с плазмой крови пациенту. Кроме того, эффективность использования таких аппаратов невысока из-за сохранения в крови токсических веществ, сорбированных на форменных элементах крови, не подвергающихся обработке.

Более эффективны и надежны аппараты "искусственная печень", использующие известный принцип обмена через полупроницаемую мембрану, используемый в аппаратах типа "искусственная почка". Например, из а. с. СССР 644,485 известна система, применяющая обмен между цельной кровью пациента и взвесью изолированных клеток печени в питательной среде "раствор Хенкса" через полупроницаемую мембрану обменного модуля "искусственная почка". Такая обработка крови значительно безопаснее для пациента, поскольку отсутствует прямой контакт крови со взвесью печеночных клеток. Двухчасовая обработка крови позволяет снизить содержание в крови аммиака - примерно на 80% и мочевины - примерно на 38%.

Еще одна система подобного типа известна из патента Японии JP-A-2-4303. Согласно этому техническому решению, в качестве материала для искусственной печени используют взвесь изолированных клеток печени животных в питательной среде МЕМ или WE с добавлением сыворотки коровьего эмбриона, инсулина и дексаметазона. Перед использованием взвесь суспендируют в течение нескольких часов с периодическим перемешиванием и оксигенацией, а затем осуществляют обмен цельной крови пациента с суспензией через полупроницаемую мембрану трубчатого модуля типа "искусственная почка".

Японский аппарат "искусственная печень", использующий вышеуказанный печеночный материал, и раскрытый в этом патенте, содержит резервуар для материала, магистрали отбора и возврата крови пациенту, средства транспортировки печеночного материала и крови, два модуля с мембранами, первый из которых служит для подготовки печеночного материала, обеспечивая, с помощью разделительной мембраны с размером пор 50-2000 нм, прохождение средних и мелких клеток материала и задерживая более крупные частицы, и второй модуль с ультрафильтрационной мембраной, пропускающей частицы с молекулярным весом от 20 тыс. до 300 тыс., в котором происходит обмен между цельной кровью пациента и подготовленным в первом модуле материалом, а также систему трубопроводов, обеспечивающих подачу крови во второй модуль с последующим ее возвратом пациенту и подачу материала последовательно через первый и второй модули с последующим его возвратом в резервуар. Система содержит также электронные средства контроля и управления потоком и параметрами материала для искусственной печени, а также средства регулирования таких параметров материала, как pH, температура и концентрация кислорода.

В целом, вышеописанная система очень сложная и дорогостоящая. К основным ее недостаткам можно отнести следующие.

Используемый материал для искусственной печени представляет собой дисперсную систему в виде жидкой питательной среды, в которой диспергирована твердая фаза в виде клеток печени. Клетки печени имеют тенденцию к агломерации и осаждению, поэтому необходимо периодическое перемешивание для поддержания дисперсного состояния клеточной фазы. Кроме того, общим недостатком всех систем, использующих клетки печени, является необходимость поддержания жизнеспособности клеток материала, что требует значительных затрат на специальные питательные среды и соблюдение условий культивирования. Наконец, такой материал просто неудобен для практического использования, поскольку его невозможно быстро подготовить к применению, а постоянное поддержание запаса живого клеточного материала для искусственной печени могут позволить себе только крупные клиники.

При прохождении клеток материала для искусственной печени через разделительные мембраны неизбежна частичная травматизация гепатоцитов. При этом в материале, поступающем в зону обмена с кровью, появляется выделившийся из поврежденных гепатоцитов чужеродный для пациента белок, способный пройти через ультрафильтрационную мембрану в кровь пациента. Это может привести к развитию аллергических реакций вплоть до анафилактического шока. Этот недостаток также является общим для всех систем, использующим целые печеночные клетки в качестве материала для искусственной печени.

Кроме того, при размере пор мембраны второго модуля, пропускающих частицы с молекулярным весом до 300 тыс., возможен выход белков крови через мембрану в материал, из-за чего может существенно ухудшиться состав крови. Японская система также не предусматривает контроль параметров обрабатываемой крови и контроль работоспособности обменного трубчатого модуля, что небезопасно для пациента.

Другая система, о которой сообщил журнал "Медицинская техника" (1995, N 4, стр. 14-18), имеет средства контроля параметров крови, а также устройства, позволяющие регулировать объемный расход, температуру и давление, однако принцип ее работы является очевидным шагом назад по сравнению с упомянутой японской системой, поскольку здесь в метаболическом обменном устройстве, выполненном в виде резервуара, осуществляют, при перемешивании, непосредственное контактирование биологического материала на основе изолированных клеток (ксеногепатоцитов) с плазмой крови пациента. Очевидно, что эта система создана на основе аппарата по а. с. СССР 1,424,851, низкая эффективность и небезопасность которого уже обсуждалась выше.

С учетом изложенного, основная задача изобретения состоит в создании дешевого, способного к длительному хранению, простого в использовании и эффективного материала для искусственной печени.

Другая задача изобретения состоит в создании эффективного способа использования указанного материала для безопасной обработки крови с возможностью быстрой подготовки материала.

Еще одна задача изобретения заключается в создании более эффективного и надежного обменного устройства для обработки крови, и соответствующей системы, включающей в себя такое устройство.

Поставленные задачи решаются изобретением следующим образом. Материал для искусственной печени, согласно изобретению, отличается от всех известных материалов подобного типа тем, что он содержит лиофилизированный цитозоль с микросомальной и митохондриальной фракциями печени (далее сокращенно ЦММФ). Ввиду того, что целые клетки печеночной ткани в материале по изобретению отсутствуют, устраняются проблемы культивирования и поддержания жизнеспособности. Лиофилизированный цитозоль может храниться очень длительное время, и его можно быстро подготовить посредством суспендирования цитозоля водной среде непосредственно перед использованием материала. Материал по изобретению, ввиду отсутствия мембран клеток, обеспечивает более эффективный обмен между материалом и кровью, способствуя более полному удалению токсичных веществ из крови и передаче в кровь необходимых биологически активных веществ. Простая и в общем известная процедура выделения цитозоля из клеточного материала позволяет получать материал для искусственной печени по изобретению с минимальными затратами.

Предпочтительно, цитозоль выделяют в среде, содержащей физиологические концентрации ионов Na⁺, Cl^-, HCO₃^-. Более конкретно, упомянутая физиологическая концентрация ионов создается при эквимолярном соотношении NaCl и NaHCO₃ в количестве 0,154 М.

Подходящей средой выделения цитозоля является модифицированная среда Тироде, по существу свободная от кальция. Такая среда позволяет провести выделение ЦММФ из печеночных клеток с минимальными потерями без существенного увеличения расходов на получение материала по изобретению.

Изобретение также предлагает способ использования материала для искусственной печени, содержащего лиофилизированный цитозоль с микросомальной и митохондриальной фракциями печени, предусматривающий суспендирование указанного материала в дистиллированной воде в соотношении вода: материал 14-20:1 и осуществление осмотического обмена между полученной суспензией и кровью пациента через полупроницаемую мембрану. Данный способ по существу не имеет прототипа, поскольку использует новый, неклеточный материал для искусственной печени по сравнению с известными способами, использующими клеточный материал. При этом, в отличие от вышеупомянутого технического решения (патент Японии JP-A-2-4303), полученную суспензию материала можно направлять непосредственно в обменный модуль для обработки крови без ее предварительной подготовки, описанной в этом патенте.

Устройство по изобретению, содержащее резервуар с суспензией вышеописанного материала, снабженный перемешивающим средством и оксигенатором, обменный трубчатый модуль типа "искусственная почка" с полупроницаемой мембраной, в котором через указанную мембрану происходит метаболический обмен между цельной кровью пациента и суспензией, и несколько трубопроводов со средствами подачи, обеспечивающими раздельную подачу крови и материала для искусственной печени в обменный модуль для обработки крови и последующий возврат обработанной крови пациенту, а суспензии - в резервуар, а также средства для контроля давления, концентрации кислорода и показателя кислотности суспензии, решает поставленную задачу посредством того, что упомянутая мембрана имеет поры, пропускающие частицы с молекулярным весом до 10000-12000.

В отличие от упомянутого японского устройства, в устройстве по изобретению не требуется устанавливать еще один модуль с разделительной мембраной для подготовки суспензии материала для искусственной печени, и устройство по изобретению, следовательно, может быть значительно упрощено путем выполнения системы трубопроводов одноконтурной, так, чтобы трубопровод, обеспечивающий подачу суспензии в обменный модуль, непосредственно соединял резервуар с обменным модулем. Мембраны с порами размером 10 - 12 тыс. обеспечивают эффективное удаление из крови токсических продуктов среднего молекулярного веса, не пропуская в то же время молекулы белка, что гарантирует высокий терапевтический эффект при отсутствии аллергических реакций пациента.

Еще один аспект изобретения касается системы обработки крови, содержащей вышеописанное устройство типа "искусственная печень", обеспечивающее метаболический обмен между кровью пациента и суспензией материала для искусственной печени, блок контроля и управления потоком и параметрами суспензии, а также средства регулирования этих параметров.

Усовершенствования предлагаемой системы состоят не только в том, что она использует новое высокоэффективное устройство типа "искусственная печень", но также и в том, что система по изобретению снабжена блоком управления потоком и параметрами крови, а также средствами дифференциального измерения давления в трубопроводах отбора/возврата крови и отбора/возврата суспензии, служащие для обнаружения неисправности обменного модуля устройства "искусственная печень".

Более точно, система по изобретению снабжена двумя средствами дифференциального измерения давления, гидравлически соединенными соответственно с трубопроводами отбора и возврата крови и трубопроводами отбора и возврата суспензии и электрически связанными с блоком управления параметрами суспензии и с блоком управления параметрами крови, соответствующие выходы которых связаны управляющей связью с блокирующими элементами насосов механизмов транспортировки суспензии и крови.

Предпочтительно, система по изобретению снабжена устройством для регулирования температуры крови, содержащим теплообменник, установленный на трубопроводе возврата крови пациенту, и датчики температуры, установленные на трубопроводах отбора и возврата крови и электрически связанные с блоком управления параметрами крови, соответствующие выходы которого связаны управляющей связью с теплообменником, а также устройством для регулирования концентрации кислорода в крови, включающим регулятор расхода кислорода, установленный на резервуаре, и датчик концентрации кислорода, установленный на трубопроводе возврата крови и электрически связанный с блоком управления параметрами крови, соответствующий выход которого связан управляющей связью с упомянутым регулятором расхода.

Кроме того, предпочтительно, если резервуар снабжен датчиком уровня суспензии, электрически связанным с блоком управления параметрами суспензии, соответствующий выход которого связан управляющей связью с блокирующими элементами насосов механизмов транспортировки суспензии и крови.

Такое конструктивное выполнение системы для обработки крови позволяет осуществлять своевременную коррекцию происходящих в обменном модуле процессов, и по существу исключает любую возможность возникновения аварийной ситуации, которая может быть связана со многими причинами - это может быть, например, прорыв мембраны или ее закупорка, понижение уровня суспензии в резервуаре ниже допустимого, падение или повышение давления в системе вследствие неисправности трубопроводов и т.п. В целом система по изобретению обеспечивает высокую безопасность процедуры обработки крови пациента, без вредных побочных и остаточных эффектов.

Ниже изобретение поясняется на предпочтительных примерах его выполнения, не имеющих ограничительного характера, которые иллюстрированы сопровождающими чертежами, на которых изображено: фиг. 1 - обменное устройство типа "искусственная печень" по изобретению, и фиг. 2 - система обработки крови по изобретению.

Пример. Свиную печень, извлекаемую из свиных туш в процессе их первичной переработки на конвейере убойного цеха мясокомбината, разрезают на куски для стекания крови, промывают холодным физиологическим раствором (от 0 до 4^oC) и транспортируют при этой температуре к месту, где проводится извлечение материала по изобретению. Куски свиной печени измельчают на мясорубке и затем гомогенизируют в стеклянном гомогенизаторе с тефлоновым покрытием в среде выделения цитозоля. Средой выделения цитозоля может служить водная среда, содержащая физиологические концентрации ионов Na⁺, Cl^-, HCO₃^-, которые создают обычно внесением в водную среду NaCl и NaHCO₃ в эквимолярном соотношении, в количестве 0,154 М. Альтернативно, в качестве среды выделения можно использовать известную среду Тироде, по существу не содержащую ионов кальция, и включающую в себя следующие ингредиенты (на 1 литр бидистилированной воды): NaCl - 8 г; глюкоза - 1 г; NaHCO₃ - 1 г; KCl - 0,2 г; MgCl₂ - 0,1 г и NaH₂PO₄ - 0,05 г. Гомогенат центрифугируют со скоростью 2500-3000 об/мин, и полученную надосадочную жидкость, содержащую цитозоль с микросомальной и митохондриальной фракциями, помещают в 500 мл флаконы, по 200 мл жидкости в каждый флакон. После этого осуществляют операции, соответствующие традиционной процедуре лиофилизации биологических жидкостей с осуществлением накатки в специальных ванных при температуре от -60^oC до -70^oC и выдерживанием в холодильнике в течение суток при этой температуре. Лиофилизацию производят на установке КС-30 в течение 24 часов. Все процедуры выделения и лиофилизации материала проводят в стерильных условиях. Высушенный материал помещают во флаконы, которые завальцовывают и хранят до их использования.

Испытания показали, что материал по изобретению может храниться в течение длительного времени без снижения его биологической активности. Оценку биологической активности материала проводили по исследованию активности микросомальных ферментов деметилазы, диметиланилина, НАДФН-оксидазы и НАДФН: 2,6-дихлорфенолиндолфенолредуктазы, по традиционной методике. Результаты представлены в табл. 1.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности длительного хранения материала по изобретению.

Исследование биологической активности материала по изобретению проводили при температуре 37^oC в течение 6 часов на образце, содержащем 6,5 г лиофилизированного материала, к которому было добавлено 100 мл бидистиллированной воды. При инкубировании образца в течение 6 часов при 37^oС через каждый час производили отбор аликвот для определения биологической активности отдельных компонентов материала и уровня pH. Результаты представлены в табл. 2, 3 и 4 (определение активности ферментов, представленной в табл. 2, проводилось на автоматическом анализаторе КОНЕ).

Результаты исследований, представленные в табл. 2, подтверждают высокую активность ферментов материала по изобретению, в частности, щелочной фосфатазы (ЩФ), аспартат-аминотрансферазы (АсТ), аланин-аминотрансферазы (АлТ), гамма-глутаминтранспептидазы (ГГТП) и креатинфосфатазы (КФК); сохранение физиологической концентрации ионов Na⁺ и K⁺; незначительное изменение pH и содержания ионов Ca⁺.

Анализ данных, представленных ниже в табл. 3, свидетельствует о наличии высокой активности антиокислительных ферментов глутатион-редуктазы, каталазы и супероксид-дисмутазы, которая к концу срока хранения несколько снижалась.

Данные, представленные в табл. 3 и 4 на следующей странице, а также данные последующих табл. 5-10 представляют средние результаты, полученные по трем измерениям.

Исследование окислительной и детоксикационной способности ЦММФ производили на основе анализа функциональной активности белков ЦММФ (цитохромов Р-450 и В5, а также активности фермента деметилазы диметиланилина. Результаты, представленные в табл. 4, подтверждают высокую активность упомянутых цитохромов в течение двухчасовой инкубации регидратированного ЦММФ с последующим снижением активности Р-450; незначительное снижение активности деметилазы в течение восьми часов инкубации регидратированного ЦММФ.

Дополнительно, состояние микросомальных и митохондриальных компонентов ЦММФ контролировали также визуально, для чего проводили микрофотографирование выборочных образцов на электронном микроскопе УЭМФ с увеличением 9700х.

Для подтверждения безопасности материала по изобретению были проведены эксперименты по биотестированию токсичности ЦММФ на мышах. С этой целью в целлофановый мешочек помещали 10 мл ЦММФ, полученного по вышеописанному примеру, мешочек погружали в физиологический раствор (100 мл) на 50 минут, после чего мышам вводили внутрибрюшинно по 0,2-0,4 мл полученного диализата. Контрольной группе мышей также внутрибрюшинно вводили физиологический раствор.

Наблюдение за животными вели в течение 7 дней. Летальных исходов и ухудшения самочувствия не было отмечено ни в опытной, ни в контрольной группах.

Таким образом, можно заключить, что материал по изобретению позволяет эффективно взаимодействовать с токсичными веществами средней молекулярной массы, в том числе со среднемолекулярными пептидами, что обеспечивает наиболее полное удаление токсических продуктов из обрабатываемой крови, и, ввиду отсутствия клеточных мембран, позволяет обеспечить эффективный транспорт биологически активных веществ в кровь пациента. Лиофилизированный материал по изобретению может храниться длительное время практически без ухудшения его свойств и может быстро подготавливаться к использованию без существенных затрат.

Эффективность использования материала по изобретению оценивалась в экспериментах с донорской кровью.

Пример обработки цельной крови с использованием материала по изобретению.

Лиофилизированный ЦММФ помещали в среду для его суспендирования, в качестве которой использовали бидистиллированную воду в соотношении вода: материал 14-20:1, перемешивали для получения суспензии, и далее продолжали постоянное перемешивание в течение всего периода использования полученной суспензии. Также осуществляли постоянное оксигенирование суспензии посредством ее продувки стерильным воздухом и поддержание ее температуры около +37^oC±0,5^oC. Суспензию использовали в качестве материала для искусственной печени, который с помощью насоса перфузионного типа подавали в обменное устройство типа "искусственная почка" по его разъемам для диализной жидкости по принципу рециркуляции. Одновременно осуществляли подачу крови в обменное устройство перфузионным насосом, также по принципу рециркуляции, через разъемы устройства для крови.

Для моделирования ситуации острой печеночной недостаточности, в донорскую кровь добавляли хлорид аммония, и на протяжении всего времени проведения эксперимента производили замеры концентрации аммиака в крови и ЦММФ по фенолпруссидному методу (см. "Лабораторное дело", N 3, 1977, с. 177, статья А. Л. Белкина и Л.П. Осадчей "Определение концентрации аммиака в небольших количествах крови").

В процессе эксперимента метаболический обмен крови с материалом для искусственной печени осуществляли через полупроницаемую мембрану устройства типа "искусственная почка" в течение 6-8 часов при скоростях перфузии крови и материала 100 мл/мин.

Результаты этого эксперимента, представленные в табл. 5, показывают, что уже через 1 час после начала эксперимента из крови было удалено 84% аммиака, а через два часа было удалено уже 91% аммиака.

В то же время данные по концентрации мочевины в крови и в ЦММФ показывают в целом повышение концентрации мочевины в ЦММФ, что объясняется синтезом мочевины из аммиака.

Анализ данных вышеприведенной табл. 6 по изменению концентрации молочной кислоты (лактат), пировиноградной кислоты (пируват) и глюкозы в материале и крови показал, что за время проведения эксперимента в крови происходит увеличение концентрации лактата, пирувата и глюкозы, соответственно, в 1,87, 1,62 и 1,4 раза. Это свидетельствует о диффузии этих веществ в кровь и о протекании метаболических и окислительных процессов.

В табл. 7 ниже представлены данные по изменению концентрации аскорбиновой кислоты и АТФ в крови и в материале по изобретению. Полученные данные показывают, что концентрации аскорбиновой кислоты и АТФ увеличились соответственно в 1,96 и 1,15 раза за счет диффузии этих веществ из ЦММФ в кровь.

Данные по изменению содержания в крови и в материале по изобретению продуктов перекисного окисления липидов представлены в табл. 8. В табл. 9 представлены данные по содержанию в крови и в ЦММФ общего белка, а в табл. 10 - содержание билирубина в крови.

Представленные в табл. 8-10 данные свидетельствуют об отсутствии существенных отклонений концентраций этих веществ от физиологического уровня, что подтверждает безопасность обработки крови, проводимой по изобретению.

Кроме того, при анализе изменения содержания свободных аминокислот в суспензии печеночного материала и в крови было установлено, что во время проведения эксперимента концентрация свободных аминокислот в крови повышается в 1,5-2 раза, а концентрация свободных аминокислот в суспензии соответственно снижается, что является еще одним благоприятным фактором для поддержания белкового обмена в организме пациента.

Далее со ссылкой на сопровождающие чертежи описывается неограничивающий вариант выполнения устройства по изобретению, на котором возможно осуществление вышеописанного способа обработки крови.

Устройство по изобретению (фиг. 1) содержит резервуар 1 для суспензии материала для искусственной печени, с установленным в нем электроприводным средством перемешивания 2 и оксигенатором 3, а также блок 4 поддержания температуры суспензии. Трубчатый обменный модуль 5 типа "искусственная почка" с полупроницаемой мембраной соединен с резервуаром 1 трубопроводами отбора 6 и возврата 7 суспензии в резервуар, образующими вместе с резервуаром 1 и модулем 5 замкнутый контур. Для перемещения суспензии по этому контуру, устройство снабжено насосом 8 перфузионного типа. Другой контур, с трубопроводом 9 подачи крови в модуль 5 и трубопроводом 10 возврата крови, также снабжен насосом 11, обычно перфузионного типа для уменьшения травматизации форменных элементов крови.

Метаболический обмен между кровью и материалом по изобретению осуществляется через полупроницаемую мембрану обменного модуля 5, которая в общем известна и представляет собой совокупность пустотелых нитей с порами. Зона обмена 12 условно показана на схеме (фиг.2) чередующимися темными и светлыни участками в модуле 5. Согласно настоящему изобретению, размер пор полупроницаемой мембраны должен обеспечивать прохождение через мембрану только таких частиц, молекулярный вес которых не превышает 10000-12000.

Устройство также содержит инъекционные узлы (не показаны) для введения в суспензию материала и в кровь необходимых ингредиентов.

Блок 4 для поддержания температуры суспензии материала в заданном диапазоне электрически связан, на входе, с датчиком 13 температуры суспензии и на выходе - с нагревательным элементом 14 резервуара 1.

На трубопроводе 6, служащем для отбора суспензии материала из резервуара и для ее подачи в обменный модуль 5, установлен датчик 15 концентрации кислорода. Его показания необходимы для своевременного включения оксигенатора 3. Также имеется датчик кислотности суспензии материала 16, установленный в резервуаре 1.

Удобно, если резервуар 1 выполнен из прозрачного материала, например, полиметилакрилата, для обеспечения светозависимого разрушения билирубина, поступающего в резервуар 1 в результате его перехода из крови в суспензию материала. Светозависимое разрушение билирубина в суспензии, находящейся в резервуаре, обеспечивает более длительное (в течение 6 часов) поддержание биологических свойств ЦММФ.

В качестве кровяных трубопроводов 9, 10 могут использоваться, например, серийные магистрали МК-03-05, МК-04-01, а также специальные магистрали, снабженные ловушками воздушных пузырьков и позволяющие производить через вышеупомянутые инъекционные узлы инфузию необходимых лекарственных средств, а также осуществлять измерение давления крови. Обычно такие магистрали изготовлены из стерилизованного винилхлорида, силикона и т.п.

В качестве обменного модуля могут использоваться серийные аппараты типа "искусственная почка" МСА-130, МСА-160, МСА-180 фирмы ALTHIN с мембраной из модифицированных целлюлозно-ацетатных материалов. Перфузионные насосы 8, 11 для транспортировки материала и крови обычно размещают в одном узле, содержащем измерители и регуляторы скорости вращения этих насосов. В качестве такого узла можно использовать серийные перфузионные блоки БП-03 и БП-05. В качестве датчика 15 концентрации кислорода можно использовать, например, серийный мониторный пульс-оксиметр модели NONIN 8600.

Работа устройства по изобретению.

Прежде всего, устройство должно быть подготовлено к работе обязательной промывкой модуля 5, всех трубопроводов и других элементов конструкции, контактирующих с кровью, изотоническим раствором хлорида натрия с добавлением 5000 ед. гепарина.

Затем в резервуар 1 заливают 5 литров суспензии ЦММФ для обработки крови взрослого пациента или 3 литра в случае лечения ребенка, после чего включают средство перемешивания 2, обеспечивая скорость вращения крыльчатки 24 об/мин.

Давление кислорода в суспензии ЦММФ поддерживают в диапазоне 100-200 мм. рт.ст и уровень pH - в диапазоне 7,3-7,4.

Пациента подключают к системе посредством артериовенозного или веновенозного шунта, проводят забор его крови посредством насоса 11 и трубопровода 9, и осуществляют подачу крови в обменный модуль 5, в котором кровь проходит с одной стороны полупроницаемой мембраны (фактически, по внутренней стороне пустотелых нитей мембраны), а суспензия материала, поступающая в модуль 5 нагретой до 37^oC и насыщенной кислородом, проходит с другой стороны мембраны, то есть по внешней стороне упомянутых пустотелых нитей. После того, как в обменном модуле произойдет метаболический обмен между кровью и суспензией материала через полупроницаемую мембрану, обработанную кровь возвращают по трубопроводу 10 в кровеносную систему пациента, а суспензия ЦММФ, содержащая извлеченные из крови токсические и другие нежелательные продукты, отводится по трубопроводу 7 обратно в резервуар 1.

Детоксикационный и метаболический эффекты обменного устройства по изобретению во многом определяются равенством объемных расходов суспензии ЦММФ и крови через трубчатый обменный модуль 5, поэтому производительность насосов 8 и 11 должна соответствующим образом регулироваться в процессе обработки крови.

Скорость транспортировки крови и суспензии материала через модуль 5 подбирают эмпирически, таким образом, чтобы обеспечить необходимый период обмена крови с суспензией материала и выход токсических веществ из крови. При поддержании скорости в пределах 100 мл/мин обычно наблюдается наиболее стабильная диффузия токсических веществ и метаболитов.

Вышеописанная процедура обработки крови на устройстве по изобретению не оказывает на пациента существенной нагрузки, поскольку объем забираемой у пациента крови и находящейся в соответствующем контуре устройства, составляет не более 250 мл, и, кроме того, может при необходимости возмещаться одновременным введением пациенту того же количества донорской крови или кровезаменителя.

Таким образом, устройство по изобретению является недорогим и надежным аппаратом, обеспечивающим эффективную и безопасную обработку крови пациента.

На основе описанного в тексте и показанного на фиг. 2 обменного устройства авторами настоящего изобретения создана эффективная и простая в эксплуатации система обработки крови, содержащая вышеописанное обменное устройство типа "искусственная печень", обеспечивающее метаболический обмен между кровью пациента и суспензией печеночного материала, блок контроля и управления потоком и параметрами суспензии и средства регулирования этих параметров.

Система по изобретению, в отличие от аналогичных известных систем, снабжена блоком управления потоком и параметрами крови, а также средствами дифференциального измерения давления в трубопроводах отбора/возврата крови и отбора/возврата суспензии, служащими для обнаружения неисправности обменного модуля устройства "искусственная печень".

Средства дифференциального измерения давления, в предпочтительном варианте выполнения, содержат два датчика 17, 18 (фиг. 2 и 3), которые в общем случае представляют собой обычные манометры, установленные на входах в модуль 5 трубопроводов 6 и 9 для подачи соответственно суспензии материала и крови. Датчики 17, 18 гидравлически связаны с соответствующими входами и выходами обменного модуля и электрически связаны с блоком 19 управления параметрами суспензии и с блоком 20 управления параметрами крови.

Предпочтительно, система по изобретению снабжена устройством для регулирования температуры крови, включающим датчики температур 21 и 22, установленные на трубопроводах отбора 9 и возврата 10 крови соответственно и электрически связанные с блоком 20 управления параметрами крови, а также снабжена устройством для регулирования концентрации кислорода в крови, включающим датчик 23 концентрации кислорода, установленный на трубопроводе 10 возврата крови и электрически связанный с блоком 20 управления параметрами крови.

В ходе процесса обработки крови в обменном модуле 5, осуществляют постоянный контроль давления суспензии и крови по датчикам давления 17, 18. При осуществлении контроля давления суспензии материала и крови по датчикам 17, 18, в случае возникновения перепада давления, превышающего заданную величину, выключают насосы 8 и 11 и приостанавливают процесс очистки крови на короткое время для замены неисправного обменного модуля 5.

Основными факторами, обеспечивающими нормальную перфузию крови, являются вязкость крови (отсутствие заметного сгущения крови) и непрерывное поступление крови в модуль 5, адекватное поступлению суспензии, о чем было упомянуто выше, при указании на необходимость равенства обменных расходов. Контролировать эти факторы также можно с помощью датчиков 17, 18.

В качестве датчиков 17, 18 можно использовать, например, серийные приборы ИНТЕКС-МТ, контролирующие перепад давлений в трубопроводах от -1999 до 1999 Па.

Упомянутое устройство регулирования температуры крови связано, через блок 20 для управления параметрами крови, теплообменником 24, установленным на трубопроводе 10 возврата крови. Теплообменник 24 предпочтительно является устройством с термоэлектрическими элементами, использующими эффект Пелтье, то есть выделяющие/поглощающие теплоту в зависимости от направления постоянного тока.

Устройство для регулирования концентрации кислорода в крови, содержащее датчик 23, установленный на трубопроводе 10 возврата крови, связано также с блоком 20, который управляет электровентилем 25 оксигенатора 3.

Удобно, особенно в случае выполнения резервуара из непрозрачного материала, если резервуар снабжен датчиком 26 уровня суспензии, электрически связанным с блоком управления параметрами суспензии, соответствующий выход которого связан управляющей связью с блокирующими элементами насосов механизмов транспортировки суспензии и крови.

Работа системы по изобретению.

Работа системы по изобретению в общем понятна из описания системы в статике и из описания работы обменного устройства, которые были приведены выше.

После подготовки обменного устройства и подключения пациента к системе, осуществляют постоянный контроль за параметрами суспензии материала и крови.

При несанкционированной перепаде давления в трубопроводах 6 и 7 или 9 и 10 с отклонением их от расчетных величин, дифференциальный измеритель давления 17 или, соответственно, 18, выдает информацию о возможной аварийной ситуации, которая может быть вызвана как разрушением пустотелых нитей мембраны, так и их закупориванием, о чем сообщает измеритель 17, либо закупориванием экстракапиллярного пространства, по которому следует суспензия материала для искусственной печени, о чем сообщает измеритель 18. Получив такую информацию, блок 20 управления параметрами крови выдает команду на отключение перфузионных насосов 8 и 11. После выявления причин аварийной ситуации и замены, если необходимо, неисправного модуля, работа может быть продолжена.

Аналогичное отключение насосов происходит и при критическом понижении уровня суспензии в резервуаре. Команда на отключение насосов в этом случае поступает от блока управления параметрами суспензии, который получает соответствующий аварийный сигнал от датчика 26 уровня суспензии в резервуаре.

Регулирование температуры крови в системе осуществляется работой теплообменника 24 при коммутации блоком 20 управления параметрами крови постоянного тока соответствующего направления в термоэлектрических элементах теплообменника 24 на основании информации, поступающей от датчиков 21, 22 температуры крови.

При снижении концентрации кислорода, о чем сигнализируют датчики концентрации кислорода 15 (в материале) и 23 (в крови), блок 20 управления параметрами крови выдает команду на включение электровентиля 25 оксигенатора 3, с тем, чтобы посредством обогащения суспензии материала кислородом усилить диффузию кислорода в кровь пациента в обменном модуле.

Эффективность системы обработки крови по изобретению подтверждена клиническими испытаниями.

Примеры клинических испытаний.

Пример 1.

Больная Г. , 40 лет, поступила в токсикологический центр в коматозной состоянии с диагнозом - суицидальное отравление бензоналом. Проведение в течение первых трех дней гемодиализа, гемосорбции и плазмофереза не привело к улучшению состояния больной, в связи с чем было решено провести операцию с использованием обменного устройства "искусственная печень" и материала по изобретению.

Использованный при данной операции ЦММФ хранился во флаконах при -20^oC в течение 6 мес. Проведение биохимического анализа показало его функциональную активность. Результаты данного анализа представлены в табл. 11.

Операцию осуществляли следующим образом. ЦММФ растворили в 5 л дистиллированной воды в количестве, соответствующем 1 кг исходного веса свиной печени, и после перемешивания залили полученную суспензию регидратированного материала в резервуар обменного устройства. Подачу суспензии в системе осуществляли с объемным расходом 100 мл/мин. После выделения бедренной артерии и подключичной вены, их катетеризации с образованием артерио-венозного шунта, пациентку подсоединили к обменному устройству, бедренной артерией - к магистрали отбора крови, а подключичной веной - к магистрали возврата крови. Перекачку крови через систему осуществляли посредством перфузионного насоса с объемным расходом 80-100 мл/мин.

Метаболический обмен суспензии материала по изобретению с кровью пациентки происходил в течение 50 минут. При проведении операции состояние больной оставалось стабильным. Динамика изменения некоторых биохимических показателей крови больной представлена в табл. 12 на следующей странице.

Анализ полученных данных показал, что при проведении операции произошли изменения следующих параметров: увеличение содержания калия в крови с 3,55 ммоль/л до нормального значения 4 ммоль/л; снижение концентрации общего билирубина на 36%; увеличение концентрации креатинина, свидетельствующее об усилении его ферментативного биосинтеза; незначительное уменьшение активности ACT, АЛТ, ЛДГ; повышение в сторону нормализации активности ферментов ГГТП, ЩФ; увеличение концентрации мочевины в крови, свидетельствующее о повышении метаболической функции печени, синтезирующей мочевину из аммиака; уменьшение концентрации глюкозы на 11%, ведущее к снижению гипергликемии.

Кроме того, операция позволила снизить активность КФК на 10% и несколько снизить активность АХЭ, что свидетельствует о частичном восстановлении мозговых функций больной, утраченных вследствие наркотического влияния бензонала на проницаемость мембран нервных клеток, приведшее к понижению потребления кислорода мозгом и угнетению функций ЦНС. Частичное восстановление функций мозга объясняется диффузией различных витаминов группы B и аскорбиновой кислоты, содержащихся в ЦММФ, в кровь пациента.

Данные анализа функциональной активности суспензии ЦММФ до и после операции приведены в табл. 13.

Анализ данных табл. 13 и 14 показывает повышение концентрации калия как в крови, так и в суспензии ЦММФ. Подобные однонаправленные изменения концентраций веществ в крови и в ЦММФ подтверждаются данными по изменению концентраций глюкозы, мочевины, натрия и креатинина.

Полученные данные показывают, что достигнутая нормализация биохимических показателей не является только результатом диффузии веществ по градиенту концентрации через полупроницаемую мембрану, а нормализация обменных процессов связана с действием различных факторов ЦММФ, способных ингибировать развитие патохимических сдвигов.

В течение 7 дней наблюдения за больной после операции не наблюдалось отрицательной динамики клинических показаний.

Пример 2.

Больной П, 72 лет, поступил с диагнозом механическая желтуха, острый калькулезный холецистит. После удаления желчного пузыря общее состояние больного оставалось тяжелым, нарастали явления токсикоза. Традиционные методы лечения не дали терапевтического эффекта, и возникли явления печеночной недостаточности и предкоматозное состояние с резким торможением сознания.

Операцию проводили аналогично примеру 1, со скоростью перфузии 80 мл/мин. В табл. 14 и 15 приведены данные анализа биохимических параметров крови больного непосредственно перед и сразу после операции, и анализа биохимических параметров крови за более длительный период наблюдения.

Результаты показывают, что во время операции произошло незначительное изменение концентрации мочевины и глюкозы (в пределах нормы), некоторое повышение содержания билирубина и небольшие изменения активности ферментов ACT, АЛТ и ГГТП. В то же время концентрация веществ средней молекулярной массы и среднемолекулярных пептидов снизилась за 50 мин операции на 38% и 9-12% соответственно. Как известно, эти соединения являются биоиндикаторами, снижение содержания которых в крови считается положительным признаком.

На основании данных табл. 15 можно заключить, что в течение нескольких суток после операции сохранился высокий уровень мочевины, что свидетельствует о хорошей утилизации аммиака, наблюдалась прогрессивная нормализация уровней калия и натрия, существенно понижалась концентрация фракций билирубина и активности ферментов АЛТ и ACT, что является признаком улучшения функций гепатобилиарной системы.

Следует особо отметить отсроченный эффект операции на состояние больного, так как в последующие дни наблюдений практически все биохимические показатели крови соответствовали норме.

В связи с положительной клинической динамикой и улучшением общего состояния больной П. вскоре был выписан из стационара.

Подводя итог вышеизложенному описанию изобретения, следует заметить, что для специалиста в данной области в общем очевидны различные модификации и усовершенствования изобретения, не выходящие из его объема, который определяется исключительно формулой изобретения.

Изобретение может найти применение не только в стационарах, но также и в полевых условиях для лечения метаболических и токсемических расстройств в результате печеночной недостаточности, для лечения пораженных лучевой болезнью, больных с обширными ожогами, различными тяжелыми травмами и инфекционными заболеваниями, что делает изобретение важным средством борьбы с последствиями стихийных бедствий и катастроф.

Формула изобретения

1. Материал для искусственной печени, отличающийся тем, что он содержит лиофилизированный цитозоль с микросомальной и митохондриальной фракциями печени млекопитающих.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он выделен в среде, содержащей физиологические концентрации ионов Na⁺, Cl^-, НСО₃^-.

3. Материал по п. 2, отличающийся тем, что упомянутая физиологическая концентрация ионов создается при эквимолярном соотношений NaCl и NaHCO₃ в количестве 0,154 М.

4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он выделен в среде Тироде, по существу, свободной от кальция.

5. Способ использования материала для искусственной печени, включающий суспендирование материала в среде и осуществление обмена цельной крови пациента с суспензией через полупроницаемую мембрану, отличающийся тем, что суспендируют материал по п. 1, содержащий лиофилизированный цитозоль с микросомальной и митохондриальной фракциями печени, в дистиллированной воде в соотношения материал : вода 1 : 14-20.

6. Искусственная печень, содержащая резервуар с печеночной суспензией, снабженный перемешивающим средством и оксигенатором, средства транспортировки печеночной суспензии и крови и обменный трубчатый модуль с полупроницаемой мембраной для обмена между кровью и суспензией, связанные трубопроводами для раздельной подачи крови и суспензии в обменный модуль и возврата крови и суспензии пациенту и в резервуар соответственно, а также средства контроля давления, концентрации кислорода и показателя кислотности суспензии, отличающаяся тем, что в качестве печеночной суспензии использован суспендированный материал по п. 1, полупроницаемая мембрана выполнена с порами, имеющими возможность пропускания частиц с молекулярным весом до 12000, а трубопровод подачи суспензии в обменный модуль соединяет резервуар и обменный модуль непосредственно.

7. Искусственная печень по п. 6, отличающаяся тем, что средство контроля давления представляет собой средства дифференциального измерения давления в трубопроводах подачи и возврата крови и в трубопроводах подачи и возврата печеночной суспензии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12