JPH04507051A - 人口膵臓灌流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ベータ細胞、膵臓のインスリン産生細胞は、ランゲルハンス小島として知られて いる膵臓中の細胞の個々の収集において見いだされる細胞の個体数の７０％より 多くを構成する。インスリンのいくつかの主要な作用は、筋肉および脂肪を包含 する種々の組織によるグルコースの吸収を増加し、そして肝臓によりグルコース の出力を減少することである。絶対的または相対的インスリンの欠乏はグルコー スの吸収を障害し、そして肝臓のグルコースの出力を増加し、これにより真性糖 尿病の特徴を示す異常に高い血糖濃度を生ずる。

膵臓小島からのインスリンの解放は、血液中のグルコースおよび他の栄養の濃度 、胃腸のホルモンおよび神経の刺激を包含する因子の組み合わせによりコントロ ールされる。ヒトにおいて、グルコースはベータ細胞からのインスリンの分泌の ための主な刺激である。しかしながら、他の燃料、例えば、アミノ酸および脂肪 酸はまた分泌を促進する。

糖尿病は、一般に、血液および尿の中のグルコースの高い濃度により特徴づけら れる。血液の中のグルコースおよび他の栄養の濃度をコントロールまたは調節す る努力において、インスリンを患者に投与する。この養生法の目的は、グルコー スレベルを正常に近く維持することである。

糖尿病に関連する合併症を予防するこの処置の失敗の１つの可能な理由は、毎日 のインスリンの注射が生理学的要求に対する正常の小島の迅速なインスリン分泌 の応答をまねないということである。結局、インスリンの注射、治療食および自 動運動により達成することが極めて困難であるか、あるいは不可能である目的で ある、正常の血液グルコースレベルを常時維持することを可能とする、糖尿病の 処置を開発することにおいて大量の関心が存在してきている。

インスリンの解放のための生理学的応答のパターンをまねるために、グルコース センサー、情報プロセッサーおよびインスリンポンプから構成された、電気化学 的人工膵臓系を製造するための試みがなされてきている。こ・ラシて、−れまで 、このアプローチは有効ではなかった。

糖尿病を処置する他のアプローチは、正常の膵臓組織を移植することによって、 機能不全の器官を置換することである。しかしながら、膵臓組織の移植は、組織 の類別、ドナーの入手可能性および免疫拒絶反応の問題のために、成功が制限さ れた。

これらの問題を取り扱うために、研究者らはグルコースレベルに対する器官の生 理学的応答をまねる、ハイブリッドの人工膵臓をつくることに集中してきた。生 きＣいる小島を含有する人工膵臓装置は免疫拒絶反応を回避するように設計され てきている。これらの装置は、免疫反応性の細胞および分子から移植した小島を 分離する半透膜を含有する。

マツムラは、いったん分散した生きている膵臓の小島をその１つの側面に配置し た半透膜を含む人工膵臓装置を記載している。（米国特許第３．８２７，５６５ 号）。

サン（Ｓｕｎ）ら（米国特許第４．３２３，４５７号（１９８２）およびフラン ス国特許出願第２．３８４，５０４号）は、直径５００μｍの中空繊維が通過し ている池の人工膵臓装置を記載している。容器は膵臓小島を保持し、そして繊維 は１００．０００ダルトンより小さい分子量の物質を通過させる多孔度を有する として記載されている。

チック（Ｃｈｉｃｋ）ら（米国特許第４，２４２，４５９号および米国特許第４ ，２４２，４６０号）は、一般に円形の流体密なキャビティおよびそれ自体の回 りを包む半透管を有してコイルを形成する細胞培養装置を記載している。他の細 胞培養装置は、ハウジングおよび静止スプールからなり、このスプールの回りを 半透管が包んでコイルを形成している。

現在入手可能な人工膵臓装置のいずれも、糖尿病個体の中への人工装置の移植に 関連する問題を解決しない。こうして、糖尿病の個体の中に移植することができ 、そして血糖濃度の変化に対する応答する正常の生理学的応答をまねるような方 法で、血糖レベルをコントロールするとき有効である、生活可能なランゲルハン ス小島を含有する膵臓装置が必要とされている。

発明の要約 本発明は、人工器官の潅流装置、とくに血糖濃度の変化に応答して個体の血液の 中にインスリンを分泌する人工膵臓潅流装置を提供する。この装置は、ハウジン グを通して血液を通す中空繊維および接続手段を使用し、このハウジングは適当 な支持物質の中に膵臓ランゲルハンス小島を含有し、そして接続手段は血管、例 えば、静脈または動脈を中空繊維の端に接続して、個体から装置を通す連続的流 れを提供しそして個体の中に戻す。小島を支持物質、例えば、寒天、アルギン酸 塩または他の適当な媒質を含有する半固体のマトリックスの中に懸濁させてハウ ジングの中に導入し、こ・うして小島が中空繊維の長さの回りに分布するように する。中空繊維は、血液を繊維の長さに沿って運ぶ間に、約ｉｏｏ、。

００ダルトンより小さい分子量の物質のみを横方向に通過させる多孔度を有する ６、このカットオフ以下の分子量の物質は、インスリ〉の分泌を刺激する物質、 例えば、グルコース、酢酸、脂肪酸、ホルモン（例えば、チロキシン、成長ホル モン、グルココルチコイド）、および神経刺激物質を包含し、中空繊維の壁を通 して小島へ拡散する。これらの物質に応答して、小島は１′ンスリンを産生し、 これは中空繊維の壁を通して横方向に拡散して、繊維内を流れる血液の中に入る 。インスリンを含有する血液は装置から、繊維の出口端を通して個体の循還の中 に入る。

好ましくは、中空繊維は、接続手段により繊維の端へ接続された血管の内径に対 して相補的である内径を有する。その結果、血液の滑らかなかつ連続的流れは、 中空繊維を通して体から生じ、そして体の中に戻る。

小島は生活可能に止まり、そしてインスリンを産生ずる。なぜなら、必要な物質 （例えば、栄養および酸素）はそこを通して流れる血液により提供されるからで ある。そこを通して流れる血液は、また、装置内の細胞により産生される廃物の 産生物を運び去る。

中空繊維は、約ｉｏｏ、ｏｏｏダルトンより小さい分子量の物質の通過を選択的 に可能とする孔サイズを有して、宿主の免疫反応から異種移植片を保護するバリ “ヤーを提供する。それゆえ、膵臓小島は本発明を使用して処置すべき個体の組 織の型と必ずしも合致することは必要ではない。

ハウジングの内壁は、繊維の長さに沿って中空繊維のチャンバーを定める方法に おいて、中空繊維から間隔を置いて離れて位置する。好ましくは、ハウジングの 内壁は中空繊維に対して十分に近接して、繊維を出入りする物質の拡散を最大と する。小島が懸濁している半固体のマトリックス（小島懸濁液と呼ぶ）を導入し てチャンバーを実質的に充填するのは、このチャンバー内である。好ましくは、 小島懸濁液はチャンバーを実質的に充填するばかりでな（、かつまた繊維の長さ に沿って周辺方向にかつ縦方向に膵臓小島を分布させる。小島と繊維との間の距 離を最小にすると、物質、例えば、中空繊維内を流れる血液から繊維の壁を通し て横方向に小島へのグルコースの拡散を最大にしそして、また、繊維の壁を通し て繊維内を流れる血液の中へのインスリンの通行を最大にする。

本発明の１つの実施態様において、中空繊維は管状ハウジング内を直線でかつ湾 曲しないで同軸に横たえる。管状／％ウジングの内壁と中空繊維の外壁との間に おいて、膵臓小島は好ましくは繊維の回りに周辺方向にかつ縦方向に、例えば、 半固体のマトリックスにより分布される。

他の実施態様において、ハウジングは中空繊維の回りに繊維の長さに沿って同軸 的に位置する。ハウジングは中空繊維と一緒に縦軸の回りにコイル状にされる。

膵臓小島はコイル状になったハウジング内で繊維の回りに分布する。

好ましい実施態様において、中空繊維は単独で縦軸の回りに１または２以上のル ープにコイル状になり、そして環状のハウジング内に囲まれる。これは立体配置 において、コイル状になった中空繊維の各ループは先行しかつ連続するループか らスペーサーにより間隔を置いて位置することができる。スペーサーは中空繊維 の各ループの間のギャップを保証しそして、引き続いて、小島を繊維の長さに沿 って周辺方向にかつ縦方向に分布させることができる。環状のハウジングは軽量 であり、そして個体の中への移植を促進する仕上げられた外形を有する。

こうして、本発明の装置は生活可能なランゲルハンス小島を含有し、そして糖尿 病の個体の中に移植することができる。小島は血糖レベルに応答してインスリン を分泌する。インスリンは繊維の壁を横切って個体の血液の流れの中に拡散する 。中空繊維は組織適合性であり、そして物質、例えば、グルコースおよびインス リンを繊維の壁を横切って選択的に通過させる多孔度を有する。

図面の簡単な説明 本発明の前および他の目的、特徴および利点は、添付図面に示す、本発明の好ま しい実施態様の次のより特定の記載から明らかになるであろう。図面において、 同様な参照数字は異なる図面を通して同一部分を示す。図面は必ずしも一定の割 合ではなく、本発明の原理を例示するために強調を施しである。

第１図は、一般に本発明を使用する人工膵臓潅流装置の略図である。

第２図は、本発明を使用しそしてコイル状ハウジングを有する、他の人工膵臓潅 流装置の略図である。

第３ａ図は、環状ハウジングを有する本発明の他の実施態様の部分的に切り取っ た略図である。

第３ｂ図は、第３ａ図の実施態様の平面図である。

第３ｃ図は、軽量の環状ハウジングを有する他の実施態様の分解図である。

第４図〜第６図は、本発明を有する３つの別々のコイル状装置における試験管内 のインスリンの出力のグラフの表示である。

第７図および第８図は、小島接種密度、表面積およびインスリンの出力の間の相 関関係のグラフの表示である。

好ましい実施態様の詳細な説明 本発明は、血液グルコースレベルの変動のコントロールに有用である装置、なら びにとくに糖尿病をもつ個体における、このような変動を処置する方法に関する 。この装置は、生活可能な完全な膵臓ランゲルハンス小島、小島断片、またはそ れらの組み合わせを包含し、これらは、約１００．０００ダルトンより小さい分 子量の通過を選択的に可能とする中空繊維を通して血液が流れるとき、血液グル コースレベルを感知しそして血液グルコースレベルに対して応答する。用語「中 空繊維」とは、媒質（すなわち、血液）を輸送することができそしてそれを横切 る物質の通過を選択的に可能とする多孔度を有する、種々の中空の、組織適合性 材料を包含することを意味する。

本発明を使用する人工膵臓潅流装置は、第１図において全体的に４０で例示する 。この装置はランゲルハンス小島１４により取り囲まれた中空繊維１２を提供す る。個体からの血液は入口端１６を通して中空繊維１２に入り、そして中空繊維 １２内を流れ、繊維１２の長さに沿って出口端１８に向かって流れる。中空繊維 １２は、約１００．０００ダルトンより小さい分子量の横方向の通過を選択的に 可能とする孔サイズをもつ、多孔質膜である。こうして、血液が繊維１２の長さ に沿って流れるとき、孔はグルコースおよび必要な栄養を血液から中空繊維１２ の壁を通して小島１４へ拡散させる。提供されたグルコースおよび栄養に応答し て、小島１４はインスリンを発生させそして分泌し、このインスリンは中空繊維 １２の外側から繊維の壁を通して、そこを通して拡散して流れる血液の中に入る 。インスリンを含有する血液（すなわち、この装置から流れる血液）は出口端１ ８において繊維１５を出て、発生したインスリンを個体に提供する。

詳しくは、装置４０の生体内使用において、中空繊維１２の１端を接続手段によ り血管、例えば、動脈に血液を受け取るために接続し、そして繊維１２の反対の 端を接続手段により第２血管、例えば、静脈に接続してインスリンを含有する血 液を個体に供給する。装置４０の生体外使用のために、血液または他の媒質が入 口端１６から中空繊維１２を通して出口端１８へ流れるかぎり、動脈および静脈 以外への接続は適当である。接続手段は種々の組織適合性材料、例えば、脈管移 植材料の任意の１つから構成することができる。中空繊維の端は、接続手段を単 一の血管、例えば、動脈または静脈に接続することができる。あるいは、中空繊 維の端は２つの血管、例えば、前述したように動脈および静脈に接続することが できる。

好ましくは、中空繊維１２は約１００．０００ダルトンの平均の多孔度の多孔質 コポリマーの膜、例えば、Ｗ、　Ｒ，ブレイス・アンド・カンパニー（Ｇｒａｃ ｅ　＆　Ｃｏ、）のアミコン・ディビジョン（Ａｍｉｃａｎ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ）、コネチカット州、によりＸＭ型である。

選択した孔サイズは、宿主免疫反応から異種移植片を保護するためのバリヤーを 提供する。孔サイズは繊維がＩｇＧ溶液の〉９０％を保持しなくてはならないと いう基準に基づいて選択する。この保護のバリヤーの結果、小島は種々の哺乳動 物源、例えば、イヌ、ウシ、ブタまたはヒトの膵臓組織から、小島の免疫変調ま たは受容体の免疫抑制を必要としないで、得ることができる。

中空繊維の端は１または２以上の血管に、繊維の内径が血管の内径と実質的に合 致ような方法において、接続して、血液の滑らかなかつ連続的流れを提供する。

血管の内径に実質的に合致する内径を有する繊維はを使用することができる。例 えば、中空繊維１２は約４ｍｍ〜約７ｍｍの均一な内径を有する。このような直 径は、繊維１２の端がこの装置の生体内使用において接続すべき個体の動脈およ び静脈の内径と適合性である。その結果、脈管の接続接合部における凝固につい ての可能性が減少する。あるいは、中空繊維は血管の内径と異なる内径を有する ことができる。例えば、中空繊維は接続手段と適合させることができ、この接続 手段は１端において血管の直径と合致し、そして反対の端において、繊維の直径 と実質的に合致し、こうして血管からこの装置の中への血液の滑らかなかつ連続 的流れるを提供する。

さらに、接続手段は血管と繊維１２との間の滑らかな、本質的に段階がない内部 の移動を提供する、突き合わせジヨイントからなることができる。マンドレル繊 維および移植片の管腔の中に配置して内径に合致させる。滑らかな剛性棒をマン ドレルとして利用することができる。棒は繊維および移植片の両者の管腔の中に 緊密に嵌合するテーパーをもつ端もたな（ではならない。圧縮したとき膨張する 変形可能な材料をマンドレルとして使用することができる。これは繊維および移 植片の管腔の中に配置し、そして膨張させることができる。膨張した材料は移植 片および繊維に緊密に嵌合して、繊維と移植片との間に徐々の転移をつくるであ ろう。いったん所定位置になると、接着剤をマンドレルの回りに繊維と移植片と の間に残ったわずかのギャップの間に流延することができる。

硬化すると、マンドレルを取り出し、そして繊維と移植片との間の滑らかな内部 の転移が残りるであろう。

繊維は１００〜２００ミクロンの壁厚さおよび約６０ｃｍ”より大きい繊維の内 側表面積を提供するために十分な長さを有し、ここで中空繊維１２の内側表面積 は、繊維の長さ、繊維の内径および夏の積である。

例えば、約６０ｃｍ２またはそれより大きい内側表面積は要求される量のインス リンを生成するために必要な小島の数の維持を可能とする。例えば、ヒトの被検 体の中への移植のために、中空繊維の内側表面積は約１００ｃｍ”であり、そし て繊維の長さは約５５ｃｍであることができ、これは約３００，０００の小島を 生体外で支持するために十分であることが示された。

小島１４は、小島を約中空繊維１２の回りに分布されるような方法で、装置の中 に導入されるか、あるいは接種される。中空繊維１２の回りの小島の適切な分布 を保証しかつ小島１４を中空繊維１２の回りに所望の位置に維持するために、小 島の適当な支持物質、例えば、半固体のマトリックスまたは懸濁液（小島懸濁液 と呼ぶ）を使用する。支持物質は、小島の生活可能性を維持しそして懸濁液中の 小島を生理学的に維持することができる、種々の維持から構成することができる 。例えば、他の実施態様において、半固体のマトリックスは小島を栄養培地およ び液化したアルギン酸塩または寒天の溶液にａｄして懸濁液を形成することによ って形成する。この懸濁液は、小島が繊維１２の外側の回りに分布し、そして繊 維１２の回りに小島１４を懸濁させる汁固体を形成することができるするような 方法で導入する。寒天の場合において、懸濁液を導入し、次いで冷却して、半固 体の支持体を形成する。アルギン酸塩を使用して半固体のマトリックスを形成し て小島を懸濁する実施態様において、架橋剤、例えば、塩化カルシウムをまたア ルギン酸塩とともに含めてアルギン酸塩を架橋してポリマーにする。

ハウジングはプラスチック（例えば、ポリアクリル）、ステンレス鋼、チタンま たは他の移植可能な金属物質から構成することができる。例えば、ハウジングは ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートまたはそれらの混合物であること ができる。ハウジングは組織適合性でありかつ十分に不撓性であって中空繊維１ ２を保護し、そして好ましくは軽量である。第１図に例示する実施態様において 、押出されたプラスチックのハウジング４２は一般に円筒形であり、そして中空 繊維１２と同程度に長い。ハウジング４２は同軸的に中空繊維１２を囲い、中空 繊維１２はハウジング４２内を実質的に直線にかつ湾曲しないで横たわる。ハウ ジング４２の内壁は繊維１２の外側表面の回りにチャンバー３４を形成する。好 ましくは、小島懸濁液はこのチャンバー３４内で周辺方向にかつ縦方向に中空繊 維１２の長さに沿って分布される。

第２図に示す実施態様において、ハウジング２０は一般に管状であり、そして、 例えば、長さ約２２インチである、中空繊維１２の輪郭に従う。

さらに詳しくは、ハウジング２０は繊維１２の長さに沿って繊維１２の回りに同 軸に位置し、そしてハウジング２０は繊維１２と一緒に縦軸の回りにコイル状で あって、コンパクトな装置１ｆｉｏを節約する空間を提供する。このような立体 配置において、ハウジング２０の内壁は中空繊維１２の外側表面の回りにチャン バーを形成する。小島懸濁液をこのチャンバーに導入し、そしてそれは繊維１２ がその長さに沿って小島１４により取り囲まれるように繊維１２のの回りに半固 体のマトリックスを形成する。

本発明の好ましい実施態様は第３ａ図および第３ｂ図に例示されており、そして 全体的に参照数字３０で示す。中空繊維１．２は縦軸の回りに１または２以」二 のループにコイル状し、そしてコイル状繊維を環状／＼ウジング２２の中に囲む 。この立体配置において、ハウジング２２内で中空繊維１２により形成された各 ループは先行するおよび引き続くループからスペーサー２４間隔を置いて位置す ることができる。スペーサー２４は繊維１２の各ループの間にギャップ２５を形 成し、そして究極的に小島を中空繊維１２の長さに沿って周辺方向に位置させる ことができる。その目的で、小島懸濁液を環状ハウジング２２の間に、中空繊維 １２のループならびに各ループの内側および外側の回りの区域の間のギャップを 実質的に充填する方法で、導入される。小島懸濁液は繊維１−２をその長さに沿 って取り囲む半固体を形成する。

さらに、ハウジング２２は第３ｂ図に示すように注入口２６および２８を包含す る。これらの口は小島懸濁液をハウジングの中に、小島懸濁液がハウジング２２ 内でコイル状中空繊維１２を取り囲むような方法で、導入することを促進する。

本発明において、懸濁液を一方の口２６を通して他方の口２８において発生した 負圧により抜き出す。

さらに詳しくは、小島懸濁液を含有する注射器を、注射のために、口２６に位置 させる。ハウジング２２がら空気を抜き出す手段、例えば、第２注射器を口２８ に位置する。抜き出し手段は口２８を通してハウジング２２がら空気を抜き出し 、こうして口２６からハウジング２２を通して向けて口２８から出る流れをつ（ る。結局、負圧を口２６をまず通しテ引いてハウジング２２の中に入れ、モして 口２８に向ける。

いったん懸濁液がハウジングの中に抜き出されたとき、懸濁液がハウジング２２ から口２８を通して抜き出されることを防止するために、スクリーン３２を取り 付けて口２８の内部の開口２８をカバーすることができる。例えば、スクリーン ３２は小島が抜き出されるのを防止するために十分な開口（すなわち、小島より 小さい）をもつ組織適合性メツシュ材料からなる。例えば、２０〜３０ミクロン の幅の開口をもつスクリーン、例えば、商標Ｎｙ　ｔ　ｅ　ｘＲまたは同様な型 のスクリーンを使用することができる。スクリーン３２はハウジング２２の内壁 に開口３６の上に、普通の方法および手段、例えば、組織適合性エポキシにより 固定する。

さらに、中空繊維１２は環状ハウジング２２を出るので、中空繊維１２の１端１ ６を血管、例えば、動脈に、血液が装置を通して、そこから出るような方法で、 接続する。中空繊維１２の反対の端１８を第２血管、例えば、静脈に接続して、 第１図に記載するように、インスリンを含有する血液を個体に接続する。

環状ハウジング１１は、また、装置３０を個体に定着するために、１または２以 上の縫合部位３８を提供することができる。

第３ａ図および第３ｂ図の装置３０に対する別の実施態様において、環状ハウジ ングはとくに軽量であるように設計する。このような軽量の環状ハウジングは第 ３ｃ図に分解図で例示されており、そして下に記載する。

底の半分４４をアクリルから機械加工し、ここでこれは８字形の中央キャビティ ー６８、内側周辺方向のみぞ５４、周辺方向のみぞ５４の中に導く２つの孔５６ （好ましくは１／１６インチの直径）および外部の回りの縫合部位６４を有する 。中空繊維１２はみぞ５４の中にコイル状に静止し、端１６および１８は接続手 段、例えば、装置６０の生体内使用のための脈管移植片５２に取り付ける。さら に、ハウジングの底半分４４は繊維の端１６および１８に接続された脈管移植片 ５２を収容して、これらの移植片をハウジングから突起させる形状を有する。さ らに、突き合わせジヨイントは前述したようにマンドレルを使用して、繊維と移 植片管腔との間に、滑らかな、本質的に段階を含まない内部の転移を提供するこ とができる。必要に応じて、スクリーン、例えば、第３ｂ図に記載するスクリー ン３２をみぞ５４の壁に取り付けて、みぞの中の開口をカバーして、小島懸濁液 をハウジングの中に導入する間のハウジングの中から外への抜き出し防止するこ とができる。

ハウジングの上部半分４６をアクリルからから機械加工し、ここでこれは底半分 ４４における８字形の中央キャビティー６８、孔５６および内側みぞ５６と合致 する８字形の中央キャビティー６８、開口２８および内側周辺方向のみぞを有す る。ノλウジングの上部半分４６をそれぞれの部分を整列させて底半分４４に溶 接または他の方法で気密シールする。

注入口のアセンブリー４８を開口５８の中にスナツピングする。各注入ロアセン ブリ−４８は、この分野において普通であるように、キャップ６２の内側にシリ コーンのプラグ５０を包含する。開口５８の中に位置するロアセンブリ−４８は 、ハウジングの内側みぞ５４内でコイル状になった中空繊維１２へ小島懸濁液を 導入する注入口または部位を提供する。あるいは、注入部位はハウジングの上部 半分４６または底半分４４の中に溶接することができるであろう。

ハウジングの上部半分４６および体液４４をと一緒に溶接した後、組織適合性接 着剤をハウジングが接続手段に出会う所に適用して／％−メチツクシールを保証 する。医学的等級のエポキシ、例えば、エマーフン・アンド・クミンゲス・イン コーホレーテッド（Ｅｍｅｒｓｏｎ　ａｎｄＣｕｍｉｎｇｓ、Ｉｎｃ、）製のＴ ６７４は好ましい。

中央キャビティーのために、繊維１２を取り囲む小島懸濁液をもつ装置６０は約 ４０ｇの重量である。ハウジングの上部および底側のための、シリコーンなどの 材料の平らなカバーは、８字形の中央キャビティーをカバーし、そして実質的な 重量を加えないで、装置６０の生体内使用の間に流体がキャビティー内に蓄積す るのを防止する。このようなカバーをハウジングの上部半分４６および底半分４ ４を収容するそれぞれの他の表面へ溶接、接着剤またはこの分野において普通の 他の方法および手段により取り付ける。

本発明の他の立体配置は可能であることが理解される。このような立体配置は中 空繊維１２の回りに、好ましくは繊維１２の回りに周辺方向かつ縦方向に、小島 を分布させることを保証することのみが必要であり、こうして繊維１２はその長 さに沿って小島１４により取り囲まれる。立体配置の設計を最適化するとき、イ ンスリンの分泌を刺激する物質を包含する物質、ならびに栄養および酸素の血液 から小島への拡散最大とするために、小島と中空繊維との間の距離は最小とする ことが必要である。

小島の調製およびこの装置の中への小島の導入は、次のようにして実施する。膵 臓のランゲルハンス小島は、種々の哺乳動物、例えば、イヌ、ウシ、ブタまたは ヒトの膵臓組織の任意の１つから分離される。ここで使用するとき、用語「小島 」は、ランゲルハンス小島内の構成細胞の型、例えば、ベータ細胞、小島の実際 の生成物、完全な小島、小島断片またはそれらの組み合わせを包含する。ドナー の膵臓の外分泌組織から小島を分離する手順を実施例１に記載する。

ランゲルハンス小島は支持物質、例えば、液化ガスまたはアルギン酸塩の中に懸 濁させる。追加の成分、例えば、コラーゲンおよびラミニンおよび／または成長 因子を小島懸濁液に添加することができる。例えば、はぼ１００μｇ／ｍｌのコ ラーゲン１１はぼ８０〜１００μｇ／ｍｌのコラーゲンＩＶおよびほぼ５〜１０ μｇ／ｍｌのラミニンを小島懸濁液に添加することができる。

小島懸濁液は、また、小島の生活可能性を増強する他の細胞を含有することがで きる。内皮細胞または繊維芽細胞は、小島が自然に存在する環境に似た環境をつ くることができる。成長因子または基底膜の成分を生成する他の細胞の型を、小 島とともに培養して成長および生活可能性を環境することができる。さらに、移 植片部位における内皮細胞層は、吻合部位の開存性の増加に寄与することができ る。

液化した小島懸濁液を中空繊維１２の外側に導入しそして半固体のマトリックス を形成させ、このマトリックスは小島を中空繊維１２の回りのそれらの位置にお いて懸濁する。寒天を使用するとき、懸濁液を中空繊維１２の外側に導入し、そ してく４５℃に冷却して半固体の支持体を生成する。しかしながら、アルギン酸 塩を使用するとき、架橋剤、例えば、塩化カルシウムをまたアルギン酸塩ととも に含めてアルギン酸塩をポリマーに架橋する。

入口端１６および出口端１８を接続手段、例えば、脈管移植材料、例えば、ポリ ウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、またはダクロン（Ｄａｃｒｏｎ”）（ デュポン社）に取り付ける。入口端１６の移植材料を血管に外科的に接続し、そ して出口端１８移植材料を第２血管に外科的に接続し、そして血液の流れを繊維 を通してこの分野においてよく知られている手段により確立する。

実施例１　膵臓組織からの小島の分離 ランゲルハンス小島はドナー動物（例えば、イヌ、ウシ、ブタ）の膵臓から得た 。ランゲルハンス小島は、発表された手順、例えば、モス力９８２）の変法によ り分離および精製される。簡単に述べると、膵臓に膵臓管を経てコラゲナーゼの 懸濁液を注入し、この懸濁液は接続組織を消化し、そして腺の一体性を崩壊させ る。組織の断片が５００ミクロンより小さい大きさの直径に減少するまで、腺を 大理石とともに震盪することによってさらに解離する。この解離手順は小島を取 り囲む外分泌組織から小島を解放した。次いで、小島を非小島組織からフィコー ル（Ｆｉｃｏｌｌゝ）［ファーマシア・ファイン・ケミカルス・インコーホレー テッド（Ｐｈａｒｍａｃｉａ　Ｆｉｎｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ。

Ｉｎｃ、）］の不連続の勾配（２７％ｗ／ｖ　；　２．３５％ｗ／ｖ；および１ １％Ｗ／Ｖ）で遠心することによって分離し、これは細胞の型の密度の差を利用 して、小島（より低い密度）を１１％および２３．５％のフィコール（Ｆｉｃｏ ｌｌ）層の界面に位置させるが、非小島組織を遠心下に分離した。小島を集め、 洗浄し、そして使用するまで、培養プレートの中にプレイティングした。

実施例ＩＩ　寒天埋め込みプロトコル ２％（Ｗ／Ｖ）寒天ゲル［無菌のバクトー寒天ディフコ（Ｄｉｒｃｏ）］を加熱 により液化した。装置の中の埋め込みのために必要な体積は細胞隔室の体積の半 分であった（例えば、６ｍｌの細胞チャンバーの体積）。小島のペレットは分離 した小島を集めそして遠心することによって得られた。このペレットを２×培地 Ｍ１９９／ＥＢＳＳ　［培地１９９；アールス・バランスド塩溶液（Ｅａｒｌｓ 　Ｂａ１ａｎｃｅｄ　５ａｌｔＳｏｌｔｉｏｎ）］を添加して３ｍｌ　（６ｍｌ の細胞チャンバーの体積の１／２）の体積にした。小島−培地の懸濁液に、３ｍ ｌの２％の寒天懸濁＋添加剤（例えば、コラーゲン、ラミニン、成長因子）を使 用した。装置内の小島の接種において使用した化合物の最終濃度は、次の通りで あった： １％の寒天　１００μｇ／ｍｌのコラーゲン１１×培地　１００μｇ／ｍｌのコ ラーゲンＩＶ５μｇ／ｍｌのラミニン 小島懸濁液を第３ｂ図および第３ｃ図におけるように注入口を通して接種するか 、あるいは第１図〜第３ａ図におけるようにある他の手段により分布した。寒天 の場合において、懸濁液を装置に適用し、次いで水上にほぼ１０〜１５分間配置 して移植の前に寒天を有効にゲル化して、その中に小島が懸濁しているマトリッ クスを形成した。アルギン酸塩の場合において、塩化カルシウムおよびアルギン 酸塩を一緒にして架橋してポリマーにした。

小島を第３ａ図、第３ｂ図および第３Ｃ図に記載されているような装置の中に、 上の実施例ＩＩにおける埋め込み手順に従い接種した。コイル状装置は次の特性 を有した： 繊維の多孔度：５０，０００ダルトンの分子量〜ｓｏ、ｏｏｏダルトンの分子量 繊維の内径：約４．２〜５．９ｍｍ 繊維の壁の厚さ：約１２０〜１４０ミクロン繊維の表面積＝６３〜８０ｃｍ２ 細胞の隔室の体積：約４．５〜７．　５ｍｌ生体外の培養において、接種した装 置をＭ２Ｏ３、アールス・バランスド塩溶液および５％の胎児ウシ血清からなる 循環懸濁液を有する嬬動ポンプに取り付けた。培地を２日毎に交換し、そして試 料を取ってラジオイムノアッセイによりインスリンを測定した。

埋め込まれた小島によるインスリンの分泌は、１週〜４か月の範囲の期間にわた って、小島不含の培養（ｎ＝６）において得られた対照値の平均５２±６％であ った。対照の出力は、培養において維持したのと同一の小島調製物のサンプリン グからのインスリンの分泌に基づく。可溶性マトリックス因子、コラーゲンＩ、 コラーゲンｒＶおよびラミニンの添加はインスリンの分泌をさらに増強した。こ れらの添加剤の存在下に、２週〜３か月の間の培養において装置から予測された （ｎ−＝３０）の平均７４±５にであった。これらの装置の３つからのデータを 第４図〜第６図に示し、そして分離した小島が生活可能性に止まり、そして生体 外で数か月間インスリンを分泌し続けることを実証する。

直線状装置 インスリンの分泌は、また、第１図に記載されている、直線状装置の中に接種さ れた埋め込まれた小島を使用して評価した。これらの装置を嬬動ポンプに取り付 け、そしてコイル状装置について前述したのと同一の手順に従った。直線の装置 は接種密度（チャンバー体積の１ｍｌ当たりの小島の膜）おＪ：び繊維表面積（ １ｃｍ２の繊維当たりの小島の数）の効果の研究にと（に有用であった。

繊維の長さ：１２．７ｃｍ、１９ｃｍおよび３８ｃｍ。

繊維の直径：５．８ｍｍ、６．２ｍｍおよび５．５ｍｍ０表　面　積　３０．４ ９．５６および６４ｃｍ２゜細胞の隔室体積：　１．３〜２．８ｍ１０ボイド体 積・０．８ｍｌ〜６．２ｍｌ。

直線状装置における小島からのインスリンの出力は、きわめてすぐれ、対照値（ ｎ＝１９）の２００％±２２９６であった。インスリンの出力と繊維表面積につ いての接種密度との間の相関関係を第７図および第８図に示す。コイルでは、こ れらのデータは長期間の生活可能性および分泌応答性実証する。なぜなら、６つ の直線状装置はここで６〜９が月間培養されてきたからである。

実施例ＩＶ　人工膵臓装置の生体内の長期間の開存性の研究合計３７の接種しな い潅流装置を正常のイヌの中に移植した。それらのうちで、外科の間に、あるい は外科直後に合併症を有した９匹の動物は次の平均に含めなかった： 外科の第１期の間に、外科技術および装置の設計を広範に開発しているとき、１ ０の装置は９日の平均および１８日の最大レベルの開存性を達成した。実際には 、外科医は吻合を改良し、そしてヘパリン添加および感染を減少する技術は最適 化した。装置において、膜の移植片の接合を改良して、血液のためのより滑らか な通路をつ（った。これらの装置に最初に選択した外科的移植部位はイヌの大腿 領域であり、装置は動脈−静脈のシャントとして作用した。装置の移植の２〜３ 日前に、自然のシャントをイヌの中に配置し、引き続いて装置をこのシャントに 吻合した。動物が反復した外科にかけられるために、合併症が生ずることがある 。

開存性は期２の間に改良された：８つの装置のうちで、平均開存を８４日間止め たが、最長は１４４日間であった。設計の改良は、新しい移植部位に加えて、装 置の寿命を増加することを促進した。装置を首における頚動脈および頚静脈に吻 合し、そしてよりきれいな、より無菌の技術を適合さぜた。それらの装置のうち で５つは、変位し、外部の移植片を９０°曲げ、そして血液の流れを中断したの で、不合格であった。

さらに、いくつかの装置を通る血液の流れは移植片の吻合部位における組織の内 方成長のために中断し、これは商業的動脈静脈シャントを使用するときの共通の 原因であった。

１０の長期間の開存性の装置の最後の系列は、頚動脈および頚静脈に吻合するか 、あるいは鼠径部における共通の腸骨の動脈および静脈に吻合した。鼠径部の中 に移植した３つの装置のうちで、平均の開存性は３８日であるが、最大寿命は７ ６日であった。吻合部位における装置の移動または凝固のために、不合格はしば しば生じた。首に移植した７つの装置のうちで、平均の開存性は５０日であった が、最大の寿命は１８９であった。この期の間に、中空繊維と移植片物質との間 の大部分の接合を期２におけるのと異なるようにエポキシ化し、血液の流れの滑 らかさに劣る通路を生じ、結局凝固を生じた。より古い、より有望な方法に類似 する新しい技術を適合させ、そして装置の寿命は６月を越えて増加した。

実施例■　接種した人工膵臓装置における生体内のインスリンの分泌イヌにおい てアロキサンおよびストレプトシトシンの組み合わせを投与することによって、 糖尿病を薬理学的に誘発した。埋め込まれたイヌの小島を含有するコイル状装置 （第３ａ図、第３ｂ図および第３Ｃ図）を糖尿病の動物の中に移植した。移植の 前に、イヌをほぼ６単位／日のインスリンで維持した。誘発後、Ｋ速度（グルコ ースの静脈内注射後、循環から消失するグルコースの測度）は４．１の値から０ ．　９に減少した。装置をイヌの中に移植している間に、４つのグルコース許容 度試験（ＧＴＴ）を実施した。補助のインスリンをこの期間の間に添加したが、 Ｋ速度は２．５±０．４　（Ｘ＋ＳＥＭ）に増加した。

３０日後、装置を動物から取り出して、接種した小島の組織学的評価を実施した 。結果が示すように、寒天マトリックスの中に健康な小島（８０％の生活可能性 ）が存在した。

第２装置を糖尿病の分析の中に８週間移植した。装置からのインスリンの出力（ はぼ４単位／日）は、移植の期間の間に血糖正常に回復するために不十分であっ た。しかしながら、組織学的評価は、再び、小島は生体内の８週間健康（７５％ の生活可能性）に止まったことを示した。

これらの予備的データが実証するように、記載した装置は生体内の小島の生活可 能性を支持しそして、１つの場合において、糖尿病のイヌにおいてグルコースの 調節を改良した。

同等の実施態様 本発明をその好ましい実施態様を参照してとくに示しそして記載したが、添付し た請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲を逸脱しないで、形態お よび詳細の種々の変化をなすことができることが理解されるであろう。

インスリン（単位７日） インスリン（単位７日） インスリン（単位７日） インスリン（単位／１０６小島／日） インスリン（単位／Ｉ　Ｏ’小島／日）補正書の写しく翻訳文）提出書　（特許 法第１８４条の８）平成４年２月２１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、インスリンを個体に供給する人工膵臓灌流装置であって、ａ）中空繊維、前 記中空繊維は接続手段を通して血管に接続されて個体から血液を受け取る１端お よび第２接続手段を通して血管へ接続されて血液を個体に戻す反対の端を有し、 そして前記中空繊維はそれに接続された血管の内径に実質的に合致する内径を有 し、そして物質を横方向に選択的に通過させる多孔度を有し、こうして血液は中 空繊維内を繊維の長さに沿って流れる、および ｂ）ハウジング、前記ハウジングは適当な支持物質の中に中空繊維の回りに分布 した膵臓のランゲルハンス小島を含有し、こうして中空繊維はその長さに沿って 膵臓の小島により取り囲まれている、からなる人工膵臓灌流装置。 ２、中空繊維は１００，０００ダルトンより低い多孔度を有する、上記第１項記 載の人工膵臓灌流装置。 ３、支持物質は中空繊維の回りに周辺方向にかつ縦方向に分布されている、上記 第１項記載の人工膵臓灌流装置。 ４、支持物質は小島を懸濁する半固体のマトリックスからなり、前記半固体のマ トリックスは中空繊維の回りに配置されていて繊維を取り囲んでいる、上記第１ 項記載の人工膵臓灌流装置。 ５、支持物質を中空繊維に液体の形態で導入し、そして適当な条件下に維持して 半固体のマトリックスを形成する、上記第１項記載の人工膵臓灌流装置。 ６、前記支持物質は寒天またはアルギン酸塩からなる、上記第５項記載の人工膵 臓灌流装置。 ７、ハウジングは中空繊維を間隔を置いて離れる方法で囲み、こうしてハウジン グは中空繊維の長さに沿って中空繊維の回りに周辺方向にチャンバーを定め、ハ ウジングは繊維の長さに沿って繊維に十分に近接して、繊維の壁を横切る拡散を 最大とする、上記第１項記載の人工膵臓灌流装置。 ８、ハウジングは円筒形であり、そして中空繊維はその中に同軸に位置する、上 記第７項記載の人工膵臓灌流装置。 ９、ａ）ハウジングは中央軸の回りにおいて環状であり、そしてｂ）中空繊維は 中央軸の回りにおいてコイル状であり、そしてハウジングの内壁から間隔を置い て離れる方法で水素内に横たわり、コイル状繊維の各ループは連続しかつ先行す るループから間隔を置いて離れている、上記第７項記載の人工膵臓灌流装置。 １０、ループを間隔を置いて離れる方法で維持するスペーサーをコイル状繊維の 連続的にループの間にさらに含む、上記第９項記載の人工膵臓灌流装置。 １１、ハウジングはコイル状管であり、そして中空繊維はその中に同軸的に位置 する、上記第７項記載の人工膵臓灌流装置。 １２、接続手段は脈管移植物質からなる、上記第１項記載の人工膵臓灌流装置。 １３、接続手段は突き合わせジョイントからなる、上記第１項記載の人工膵臓灌 流装置。 １４、インスリンを個体に供給する人工膵臓灌流装置であって、ａ）中空繊維、 前記中空繊維は接続手段を通して血管に接続されて個体から血液を受け取る１端 および第２接続手段を通して血管へ接続されて血液を個体に戻す反対の端を有し 、血液は繊維内を繊維の長さに沿って流れ、繊維は物質を横方向に選択的に通過 させる多孔度を有する、および ｂ）ハウジング、前記ハウジングは、繊維内の血液からの物質が中空繊維の壁を 横切って小島に拡散するのを最大にして小島によるインスリンの発生を刺激し、 そして発生したインスリンが繊維の壁を横方向に通過しそして繊維内を流れる血 液の中にはいるのを最大にする方法で、適当な支持物質の中に中空繊維の回りに 分布した膵臓のランゲルハンス小島を含有する、 からなる人工膵臓灌流装置。 １５、ハウジングは膵臓小島を中空繊維の回りに周辺方向にかつ縦方向に位置さ せ、こうして繊維はその長さに沿って膵臓小島により取り囲まれている、上記第 １４項記載の人工膵臓灌流装置。 １６、支持物質は小島を懸濁する半固体のマトリックスからなり、半固体のマト リックスは中空繊維の回りに繊維の長さに沿って周辺方向に分布している、上記 第１４項記載の人工膵臓灌流装置。 １７、ハウジングは中空繊維を間隔を置いて離れる方法で囲み、こうしてハウジ ングは繊維の長さに沿って繊維の回りに周辺方向にチャンバーを定め、ハウジン グは繊維の長さに沿って繊維に十分に近接して拡散を最大とする、上記第１４項 記載の人工膵臓灌流装置。 １８、ハウジングは円筒形であり、そして中空繊維はその中に同軸に位置する、 上記第１７項記載の人工膵臓灌流装置。 １９、ａ）ハウジングは中央軸の回りにおいて環状であり、そしてｂ）中空繊維 は中央軸の回りにおいてコイル状であり、そしてハウジングの内壁から間隔を置 いて離れる方法で横たわり、コイル状繊維の各ループは連続しかつ先行するルー プから間隔を置いて離れている、上記第１７項記載の人工膵臓灌流装置。 ２０、ループを間隔を置いて離れる方法で維持するスペーサーをコイル状繊維の 連続的にループの間にさらに含む、上記第１９項記載の人工膵臓灌流装置。 ２１、ハウジングはコイル状管であり、そして中空繊維はその中に同軸的に位置 する、上記第１７項記載の人工膵臓灌流装置。 ２２、ａ）ランゲルハンス小島を栄養培地および液化寒天から本質的に成る溶液 の中に懸濁させ、これにより小島懸濁液を形成し、ｂ）前記感濁液を人工器官の 中に注入し、そしてｃ）小島懸濁液を固化し、これによりハウジング内に小島細 胞を懸濁する半固体のマトリックスを形成する、からなる、人工器官をランゲル ハンス小島で接種する方法。 ２３、負の圧力を発生させで小島懸濁液を人工器官の中に引き入れることによっ て、懸濁液を注入する、上記第２２項記載の方法。 ２４、追加の成分を栄養培地に添加して小島の生活可能性を増強し、前記成分は コラーゲン、ラミニンおよび成長因子から成る群より選択される、上記第２２項 記載の方法。 ２５、移植片の生物適合性および小島の生活可能性を増強する細胞と小島懸濁液 を同時培養し、前記細胞は内皮細胞、繊維芽細胞、および成長因子または基底膜 を生成する細胞から成る群より選択される、上記第２２項記載の方法。 ２６、インスリンを個体に供給する人工膵臓灌流装置であって、ａ）環状のプラ スチックのハウジング、ｂ）ハウジング内でコイル状にされておりそしてハウジ ングの内壁から間隔を置いて離れて位置する中空繊維、中空繊維は血管にカップ リングずるように適合した対向する端を有し、こうして中空繊維は１端を通して 血液を個体から受け取り、血液は中空繊維内を繊維の長さに沿って流れ、そして 繊維の反対の端を通して、流れる血液を個体に供給し、中空繊維は繊維の壁を通 して物質を横方向に選択的に通過させる多孔度を有し、そしてインスリンの分泌 に要求される数の小島を支持するために適切な合計の内側表面積を有する、およ びｂ）ハウジング内の中空繊維を取り囲む膵臓小島懸濁液、懸濁液内の小島は、 血液から中空繊維の壁を横切って拡散する物質に応答して、インスリンを発生し 、インスリンは中空繊維の壁を横切って中空繊維内を流れる血液へ拡散する、か らなる人工膵臓灌流装置。