DE69904293T2

DE69904293T2 - Zusammensetzungen und verfahren für bioverträgliche implantate

Info

Publication number: DE69904293T2
Application number: DE69904293T
Authority: DE
Inventors: Anton-Lewis Usala
Original assignee: Encelle Inc
Current assignee: Encelle Inc
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: US5922339A; EP1051209B1; WO1999037339A3; WO1999037339A2; DE69904293D1; EP1051209B9; ATE228864T1; EP1051209A2; AU2235099A; KR20010040427A; JP2002500930A; CA2318808A1; AU743253B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Polymerchemie, Immunologie und Transplantation, insbesondere das Gebiet von Materialien zur Verwendung in Verbindung mit der Transplantation und Implantation von fremden Zellen und biologischen Materialien.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Der Ersatz beschädigter oder erkrankter Gewebe oder Ogane durch Transplantation war und ist immer noch ein seit langem bestehendes Ziel der Medizin, in dessen Richtung gewaltige Fortschritte erzielt wurden. Die Abstoßung einzudämmen und gleichzeitig die schädlichen Nebenwirkungen immunsuppressiver Substanzen zu vermeiden, ist für eine erfolgreiche Transplantation entscheidend. Abstoßung ist gekennzeichnet durch die perivaskuläre Infiltration von zytotoxischen T-Lymphozyten, die zu Zellnekrose führen, wenn sie nicht eingedämmt werden. Da eine frühe Abstoßung unbemerkt sein kann, muß sie unbedingt festgestellt werden, bevor es zur Nekrose kommt. Die immunologische Überwachung aktivierter T-Lymphozyten in peripherem Blut bietet Hinweise auf den Zeitpunkt eines Abstoßungsprozesses, war aber bis jetzt nicht zuverlässig genug, um eine Therapie der Abstoßungsreaktion anzuordnen.
Es gibt verschiedene immunsuppressive Therapieansätze, doch normalerweise umfassen sie eine Therapie mit Cyclosporin, Azathioprin und Prednison. Diese Substanzen haben jedoch schädliche Nebenwirkungen. Eine sorgfältige Überwachung der Nebenwirkungen ist also äußerst wichtig. Zu diesen Nebenwirkungen gehören Nephrotoxizität, Suppression des Knochenmarks und opportunistische Infektionen.
Das schwerwiegendste Problem, das die Verwendung von Allotransplantaten einschränkt, ist ein immunologisches Problem. Weil ihre Zellbestandteile auf ihren Oberflächen eine veränderliche Anzahl genetisch determinierter Transplantationsantigene exprimieren, die im Wirt fehlen, provozieren Allotransplantate eine Art Abwehrreaktion analog zu der von pathogenen Mikroorganismen hervorgerufenen Reaktion. Infolgedessen kommt es nach einer vorübergehenden Anfangsphase offensichtlichen Wohlbefindens oft zu einer funktionellen Verschlechterung des Transplantats, die mit seiner fortschreitenden Zerstörung verbunden ist. Die Reaktion des Wirts, bekannt als Abstoßung des Allotransplantats, drückt sich aus in der Erzeugung einer Vielzahl mutmaßlicher immunologischer Effektoren einschließlich zytotoxischer Antikörper und verschiedener Arten von Effektorlymphozyten. Der destruktive Prozess variiert etwas je nach Art des beteiligten Allotransplantats und je nach dem Grad der Antigenverschiedenheit zwischen Spender und Empfänger; zum Beispiel wird eine hyperakute Abstoßung der Nieren durch Antikörper verursacht, während die akute Abstoßung ein durch Lymphozyten verursachter Prozeß ist.
Säugetiersysteme erkennen daher fremde Materialien wie zum Beispiel Bakterien, Viren, eindringende oder operativ implantierte Objekte oder Xenotransplantatgewebe. Nach der Bindung an Stellen auf diesen fremden Einheiten, kommt es zu der Kette von Ereignissen, die Immunzellen dazu veranlassen, sich um ein solches Material herumzulegen und zyototoxische Stoffe freizusetzen sowie die Abscheidung von Fibrin zu stimulieren, um das Material zu isolieren.
Nahezu jegliche Bindung von Zelloberflächen erfolgt nicht durch die Bildung einer kovalenten oder Ionenbindung, sondern durch Dipolmomentanziehung und Wasserstoffbrückenbildung. Im Gegensatz zur Bildung einer Ionenbindung oder einer kovalenten Bindung erfordert die Dipolmoment- und Wasserstoffbrüc kenbildung vergleichsweise wenig Energie. In unmittelbarer Nähe entgegengesetzt geladener Einheiten oder in der Nähe von Elektronendonator- und Elektronenakzeptor-Atomen, sind solche Anziehungskräfte ausreichend, um Proteine auf Zelloberflächen in Wechselwirkung treten zu lassen. Indem man solche Wechselwirkungen verhindert, können sich Immunzellen wie zum Beispiel Lymphozyten, Makrophagen oder Neutrophile nicht an fremde Materialien binden. Ohne eine solche Bindung werden die Materialien nicht als fremd erkannt. Bindegewebeprotein wie zum Beispiel Fibrin bildet eine anfängliche Bindung, indem es positiv geladene (Elektronen aufnehmende) Atome an negativ geladene (Elektronen abgebende) Sauerstoffatome der Carbonylgruppen bindet. Damit erhält man ein Mittel zum Isolieren fremder Substanzen durch Dipolmoment- oder Wasserstoffbindungswechselwirkung.
Alle Proteine haben Elektronen aufnehmende Amingruppen und Elektronen abgebende Carbonylgruppen als Bestandteil jeder Aminosäure. Polymerüberzüge, die Elektronen aufnehmende Gruppen haben (Amin, Wasserstoff oder andere kationische Arten), werden sich sowohl an die Zelloberfläche als auch an Carbonylgruppen von Bindegewebeprotein anlagern. Polymerüberzüge wie Acrylate, Polyester, Polyethylenglycol, Polyvinylidenfluorid, die freiliegende Gruppen mit einem negativen Moment enthalten, wie zum Beispiel Halogene oder Sauerstoff, ziehen die positiven Amingruppen von Proteinen in den Zelloberflächen an. Ebenso ziehen Polymerüberzüge, die positiv geladene Gruppen wie Polyamide enthalten, das negative polare Moment von Halogenen, Sauerstoffen, Sulfon-, Sulfat- und anderen Gruppen an.
Demnach wird für Transplantations- und andere Zwecke ein Polymerüberzug benötigt, der keine Immunantwort evozieren wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es werden Zusammensetzungen und Verfahren zur Verhinderung einer Immunantwort in einem Säugetier auf ein Transplantat bereitgestellt. Die Zusammensetzungen umfassen nicht- immunogene, nicht-bindende aromatische Ketten mit eingestreuten aliphatischen Gruppen. Die Zusammensetzungen sind nützlich als Polymerüberzüge, die eine Immunerkennung oder Bindung von endogenen Proteinen verhindern. Die Zusammensetzungen sind nützlich als Überzüge für künstliche Organe und andere Transplantate einschließlich lebendes und nichtlebendes Gewebe.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A zeigt eine Seitenansicht eines mit dem Polymer beschichteten bioartifiziellen Nervs.
Fig. 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines mit dem Polymer beschichteten bioartifiziellen Nervs.

AUSFÜRHLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es werden Zusammensetzungen mit chemischen Strukturen bereitgestellt, die verwendet werden können, um als Bestandteil eines Transplantats Proteinbindung und Immunzellerkennung zu verhindern, sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung der chemischen Struktur. Die chemischen Strukturen umfassen nicht-immunogene aromatische Ketten mit eingestreuten aliphatischen Gruppen. Die Zusammensetzungen bieten ein biokompatibles immunisolierendes Vehikel, das sich für die Langzeitimplantation in Säugetiere eignet.
Wie bereits erwähnt, umfassen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen nicht-immunogene, nicht-bindende Polymere. Die an dem Polymer beteiligte chemische Grundeinheit ist der aroma tische Ring. Der unsubstituierte aromatische Ring ist beständig gegen eine polare Bindung, da ohne Einsatz einer signifikanten Energie und ohne Katalysatoren keine elektrophilen oder nucleophilen Zentren zur Verfügung stehen. Das Fehlen von an dem aromatischen Ring hängenden polaren Gruppen verhindert also Dipolmomentwechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindung von polaren Proteingruppen.
Die chemischen Polymere gemäß der Erfindung umfassen unsubstituierte aromatische Ringe, wobei die aromatischen Ringe keine angelagerten polaren Gruppen aufweisen. Solche aromatischen Gruppen umfassen Benzol oder Benzolderivate, Naphthalin oder Naphthalinderivate, etc., oder Kombinationen derselben.
Beispiele für die chemischen Polymere gemäß der Erfindung umfassen die allgemeinen Formeln:
4,4'-Diphenylalken
oder
3,3'-Diphenylalken
2,4'-Diphenylalken
wobei M eine aliphatische Gruppe wie zum Beispiel CH&sub2;, CnH2n, CH=CH, C(CH&sub3;)&sub2; etc., CO, NH, SH etc. und Kombinationen davon ist; und
n und n' positive ganze Zahlen sind. Vorzugsweise ist n etwa 1 bis etwa 8.
Der Wert von n' kann je nach der Größe oder Länge des Polymermoleküls verschieden sein.
Außerdem wird erkannt, daß Naphthalinderivate bei den erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können. Solche Polymere umfassen die allgemeine Formel:
wobei M eine aliphatische Gruppe wie zum Beispiel CH&sub2;, CnH2n, CH=CH, C(CH&sub3;)&sub2;, etc., CO, NH, SH, etc. und Kombinationen davon ist; und
n und n' positive ganze Zahlen sind, wobei n vorzugsweise etwa 1 bis etwa 8 ist.
Wie oben angemerkt, kann n' je nach der Größe des Polymers verschieden sein.
Es wird erkannt, daß verschiedene Kombinationen, Modifikationen und Verknüpfungen der Derivathauptketten verwendet werden können. Zum Beispiel kann das Polymer Mischungen von Benzol- und Naphthalinderivaten umfassen. Die obigen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung. Solche Modifikationen und Kombinationen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Das US-Patent Nr. 5,614,205 stellt ein polymeres Material aus Poly-para-xylylen bereit. Das Encelle übertragene Patent betrifft einen bioartifiziellen Pankreas, der in einem aus Poly-para-xylylen, Poly-monochlor-xylylen und Poly-dichlorxylylen ausgewählten polymeren Material eingekapselt ist. Demzufolge schließt die vorliegende Art des Einkapselns polymerer Materialien Poly-para-xylylen, Poly-monochlor-xylylen und Poly-dichlor-xylylen aus. Es wird zu bedenken gegeben, daß man aufgrund der Lehre des Patents 5,614,205 die Grundlage für die immunschützenden Eigenschaften des Polymerüberzugs nicht gekannt hätte. Die vorliegende Erfindung erkennt, daß die schützenden Eigenschaften nicht auf die in dem Patent 5,614,205 dargelegten Polymere begrenzt sind, sondern generische Formeln zur Bildung chemischer Polymere beschreiben, die verwendet werden können, um Proteinbindung und Immunzellerkennung zu verhindern. Erst mit der vorliegenden Erfindung wurden die dem Schutzüberzug zugrundeliegenden Mechanismen erläutert.
Es wird nun erkannt, daß der unsubstituierte aromatische Ring beständig ist gegen polare Bindung und somit einen Schutzüberzug zur Verwendung bei Transplantaten bereitstellt. Das Polymer verhindert den Durchtritt von immunogenen Substanzen.
Das Fehlen polarer Gruppen auf dem aromatischen Ring verhindert die Immunerkennung oder das Biofouling von Substraten, die in solchen Polymeren eingeschlossen sind. Das heißt, die erfindungsgemäßen Polymerüberzüge verhindern biologische Überwucherung und Bewuchs. Solche erfindungsgemäßen Polymermembranen sind insoweit biokompatibel als sie keine Entzündungsreaktion im Wirt hervorrufen.
Der biologische Überzug bzw. die biologische Membran gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein phenylhaltiges Polymer, Die Phenylgruppen des Polymers haben eingestreute aliphatische Gruppen. Solche aliphatischen Gruppen umfassen unter anderem Elemente kohlenstoffhaltiger Substitutionen, CH&sub2;, CnH2n, CH=CH, C(CH&sub3;)&sub2; und dergleichen, CO sowie NH, SH, etc. und Kombinationen derselben. Es wird erkannt, daß die kohlenstoffhaltigen Substitutionen wegen ihrer extrem niedrigen polaren Ladung vielleicht vorzuziehen sind. Daher vermeiden solche Ausführungsformen eine Immunerkennung oder Proteinbindung nach der Implantation. Das resultierende Polymer umfaßt aromatische Ringe, die Schutz bieten vor einer Bindung an den Wirt, während die eingestreuten aliphatischen Gruppen für eine Bindung an bestehende Strukturen sorgen: wie zum Beispiel an einen äußeren Überzug.
Die erfindungsgemäßen Polymerüberzüge bieten eine semipermeable Membran oder umgebende Oberfläche, um Zellgruppen und andere Transplantate vor dem Immunsystem des Patienten oder Säugetiers zu schützen, während sie Zellnährstoffe, chemische Signale für die Zellproduktion und die dadurch hergestellte chemische Einheit durch die Membran strömen lassen.
Chemische Einheiten umfassen Hormone, Zellnährstoffe, Arzneimittel und dergleichen.
Die Porosität der Membran kann schwanken. Um den Bereich zwischen den Polymerketten zu vergrößern und dadurch eine Poro sität für größere Moleküle bereitzustellen, können aliphatische Verbindungsglieder von herabgesetzter Polarität und/oder ähnlicher Ladung verwendet werden, wie zum Beispiel CH&sub2;. Ebenso bietet das Polymer durch Erhöhen der Anzahl aliphatischer Gruppen, die die Phenylringe verbinden, zunehmende Stellen für die Bindung an eine darunterliegende Struktur, setzt aber den Schutz vor einer Anlagerung von Faserprotein herab. Ferner wird erkannt, daß sich durch Erhöhen der Anzahl aliphatischer Verbindungsgruppen die Biegsamkeit des Polymerüberzugs erhöhen wird, indem die aromatischen Ringe mehr Freiheit bekommen, sich zu drehen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann jede Kombination von Verbindungsgliedern in Form aliphatischer Gruppen verwendet werden. Das heißt, das Verbindungsglied bzw. die Verknüpfung zwischen den aromatischen Gruppen kann dieselbe aliphatische Gruppe oder jede beliebige Anordnung von Gruppen umfassen.
Die maximale Porengröße wird gewählt, um den Durchtritt von Immunglobulinen und Antikörpern mit einem Molekulargewicht von etwa 40.000 bis etwa 500.000 zu verhindern. Die minimale Porengröße wird, wie angemerkt, so gewählt, daß der Durchtritt chemischer Einheiten, die von Interesse sind, sowie von Nährstoffmolekülen möglich ist. Die minimale Porengröße kann also je nach dem Molekulargewicht der freigesetzten Einheit schwanken.
Wie oben angemerkt, hängt die Länge des Verbindungsglieds (M) mit der Porosität und Biegsamkeit der Membran zusammen. Im allgemeinen wird das Verbindungsglied etwa eine bis etwa acht aliphatische Gruppen umfassen, vorzugsweise etwa eine bis etwa fünf aliphatische Gruppen, mehr bevorzugt etwa eine bis etwa vier aliphatische Gruppen. Es wird erkannt, daß die erfindungsgemäßen Polymermembranen eine Porosität haben werden, die den Durchtritt wirksamer Nährstoffe für die Zellgruppe oder das Transplantat und für das von dem Transplantat er zeugte Hormon, Peptid, Enzym, Protein und dergleichen erlaubt.
Das 3,3'-Diphenylalkenderivat kann stöchiometrisch gesehen den größten Schutz vor einer Proteinbindung bieten. Sowohl das 3,4'-Diphenylalken als auch das 4,4'-Diphenylalken sowie deren Derivate bieten adäquaten Schutz vor einer Immunerkennung.
Die Dicke der erfindungsgemäßen Polymere kann bei einer Abscheidung im Vakuum auf etwa 5 bis etwa 10 Angström gesteuert werden. Dimere der aromatischen Hauptkettenpolymere können pyrolisiert, dann verdampft und schließlich in einer Vakuumkammer auf Strukturen oder Transplantate abgeschieden werden. Die Dicke der Abscheidung kann für jedes der aromatischen Polymere durch die Länge der Zeit im Vakuum geändert werden. An sich kann die Dicke des resultierenden Polymers so gesteuert werden, daß der Durchtritt von Einheiten bezogen auf ihr Molekulargewicht möglich ist und daß andere Einheiten ausgeschlossen werden.
Membranen mit einer Dicke von etwa 100 bis etwa 7500 Angström, vorzugsweise etwa 1500 bis etwa 5000 Angström, und mehr bevorzugt etwa 2500 bis etwa 3500 Angström liefern die gewünschten Porositätseigenschaften für bioartifizielle Organe.
Nicht lebendes Gewebe oder nichtlebende Strukturen, wie zum Beispiel ein mikroporöser Träger, können mit etwa 50 bis etwa 500, vorzugsweise etwa 100 bis etwa 200 Angström Beschichtungsmaterial überzogen werden, um die Faseranlagerung an die hierin beschriebenen nichtpolaren aromatischen Polymere zu verhindern. Jedes Material im Inneren des beschichteten porösen Trägers kann in einen Wirtskörper diffundieren, in den der Träger implantiert wurde. Ebenso können Materialien oder Substanzen aus dem Wirt in den implantierten Träger diffun dieren. Es wird erkannt, daß die Untergrenze weit unter der oben angegebenen liegen kann, solange die Dicke nicht zu einer ungenügenden Festigkeit der Membran führt. Die Dicke des Membranüberzugs kann schwanken, solange er dick genug ist, um einen direkten Kontakt zwischen den Zellen und/oder Substanzen auf beiden Seiten der Membranbarriere zu verhindern. Die Dicke der Membran liegt im allgemeinen im Bereich zwischen etwa 4 und etwa 200 um, vorzugsweise zwischen etwa 10 und etwa 100 um, mehr bevorzugt zwischen etwa 5 und etwa 50 um.
Ferner wird erkannt, daß in Fällen, wo die Übertragung oder Diffusion von Materialien nicht erwünscht ist, dickere Überzüge aufgebracht werden können. Überzüge mit Dicken von mehr als etwa 2000 Angström würden jegliche Übertragung von Materialien mit einem Molekulargewicht von ungefähr 20.000 bis etwa 60.000 durch den polymeren Überzug wirksam verhindern, würden aber verhindern, daß Materialien an der beschichteten Struktur haften. Die aromatischen Fasern könnten auf zur Implantation bestimmten Strukturen, Schläuchen, Vorrichtungen etc. verwendet werden, wo eine Anlagerung von Fasern oder ein Anhaften von Zellen vermieden werden soll. Solche Strukturen umfassen Stents, wie zum Beispiel Stents für Koronararterien, Gefäßtransplantate, Katheter wie zum Beispiel Zentralvenen- oder -arterienkatheter. Dialyseshunts, intravenöse Katheter oder andere strukturelle Stützvorrichtungen.
Arten des immunologischen Angriffs, die durch Verwendung der erfindungsgemäßen Polymerüberzüge verhindert bzw. minimiert werden können, umfassen den Angriff durch Mikrophagen, Neutrophile, zelluläre Immunreaktionen (z. B. natürliche Killer- Zellen und antikörperabhängige, durch T-Zellen hervorgerufene Zytolyse) und humorale Immunantwort (z. B. antikörperabhängige komplementbedingte Zytolyse).
Verfahren zur Bildung der Membranen und zur Abscheidung auf einem Transplantat stehen in der Technik zur Verfügung. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 5,614,205. Im allgemeinen werden die Membranen durch herkömmliche Abscheidung im Vakuum gebildet und haben eine Porosität, die genau gesteuert werden kann, so daß eine selektive Membran hergestellt werden kann. Wie oben erwähnt, kann der aromatische Überzug mit herkömmlichen Geräten aufgebracht werden, die bei der Firma Specialty Coatings System von Indianapolis, Indiana, oder bei Para Tech Coating, Inc. von Aliso Viejo, Kalifornien, erhältlich sind, die auch die aromatische Kettenstruktur liefern. Das Gerät ist in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, die einen Überzug nach genauen Vorgaben aufbringen können.
Eine spezielle Maschinenkonfiguration ist in dem US-Patent Nr. 4,683,143 von Riley dargelegt. Im Prinzip arbeiten alle solchen Systeme mit einer Verdampfungsvorrichtung, die mit einer Pyrolysevorrichtung verbunden ist, die wiederum mit einer Vakuumkammer verbunden ist, die durch eine Kühlfalle entleert wird, die von einer Vakuumpumpe geschützt wird. Unter Vakuum und Wärme wird die aromatische Struktur in der Verdampfungsvorrichtung verdampft und gelangt zu der Pyrolysevorrichtung, in der die Kette thermisch zu einem Monomer gespalten wird, das auf die Vorrichtungen in der Kammer bei Umgebungstemperatur als langkettiges Polymer konform abgeschieden wird. Wie wohlbekannt ist, kann die Dicke des Überzugs auf beschichteten Teilen, dadurch ermittelt werden, daß man während des Beschichtungsverfahrens eine ebene Schauplatte in der Beschichtungsvorrichtung anbringt. Soweit die gesamte Kammer, Vorrichtung und alle Teile einen im wesentlichen gleichmäßigen Überzug erhalten, kann die Schauplatte entfernt werden und durch eine herkömmliche Dickenmeßvorrichtung geprüft werden, um dadurch die Dicke auf dem beschichteten Teil zu ermitteln. Dies ist ein praktisches Verfahren für vorgeformte Filme, wie bei einigen der nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben wird. Wenn der Überzug jedoch über eine Hydrogelmatrix auf getragen wird, wie nachfolgend im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen beschrieben, ist festzu stellen, daß es infolge einer Gasabgabe von Flüssigkeiten zu einer Abkühlung der Matrix kommt, was zu Veränderungen in der Dicke zwischen der Schauplatte und der aufgebrachten Membran führt, wie anhand von Farbveränderungen dazwischen optisch festzustellen ist, wobei das Paralen ein charakteristisches Farbspektrum im Vergleich zur Dicke hat. Gleichzeitig sind der Anmelderin keine verfügbaren Dickenmeßgeräte bekannt, die unter diesen Bedingungen eine direkte Messung der Membrandicke ermöglichen. Dennoch können die spezifischen Merkmale der Membranvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine in vitro vorgenommene Funktionsprüfung ermittelt werden, ergänzt durch die nachfolgend angegebenen grundsätzlich erforderlichen Parameter.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die maximale Porengröße so gewählt, daß der Durchtritt von Immunglobultnen und Antikörpern mit einem Molekulargewicht von 40.000 bis etwa 500.000 verhindert wird. Die minimale Porengröße ist so gewählt, daß der Durchtritt von Nährstoffmolekülen wie zum Beispiel Glucose, Elektrolyte und Wasser in die Transplantate hinein und aus diesen heraus sowie die Freisetzung des fraglichen biologischen Produkts aus der Vorrichtung möglich ist. Die obengenannte maximale Porosität würde daher, wie der Fachmann verstehen wird, von dem freigesetzten biologischen Produkt abhängen. Zum Beispiel würde eine bioartifizielle Pankreasvorrichtang eine Reduzierung des Molekulargewichts um mindestens 5.600 erfordern, um den Durchtritt von Insulin zu erlauben, eine Vorrichtung zur Behandlung der Parkinson-Krankheit, die aus Hirngewebe isolierte Substantia-nigra-Zellen enthält, würde eine Reduzierung des Molekulargewichts um mindestens 1.000 erfordern, um den Durchtritt von Dopamin und verwandter Verbindungen zu erlauben, während die Behandlung der Schilddrüsenunterfunktion durch isoliertes Schilddrüsengewebe eine Reduzierung des Molekulargewichts um lediglich 500 erfordern würde, um die Übertragung von Schilddrüsenhormon zu erlauben. Die Porengröße wird somit je nach Verwendung des Transplan tats und des freizusetzenden biologischen Produkts eingestellt.
Die erfindungsgemäßen Polymerüberzüge haben einen weiten Einsatzbereich. Sie sind nützlich zum Schutz implantierter Zellen, Gewebe oder sonstiger Materialien vor einem immunologischen Angriff. Ebenso finden die Überzüge Verwendung bei der Passivierung von nichtlebendem Gewebe und beim Schutz solcher Strukturen vor einer Reorganisation durch das Immunsystem. Ferner sind die Polymerüberzüge nützlich für die Verabreichung eines weiten Bereichs an Zellprodukten, einschließlich Produkte mit hohem Molekulargewicht, an ein Individuum, das solche Produkte braucht, und/oder für die Bereitstellung der benötigten Stoffwechselfunktionen für ein Individuum, zum Beispiel die Entfernung schädlicher Substanzen. Produkte, die unter Verwendung der oben beschriebenen Membran verabreicht werden können, umfassen eine große Vielzahl von Faktoren, die normalerweise von verschiedenen Organen oder Geweben abgeschieden werden, einschließlich zum Beispiel Insulin an einen Diabetespatienten, Dopamin an einen Patienten, der an der Parkinson-Krankheit leidet, Faktor VIII an einen Bluter vom Typ A, etc.
Demnach kann der erfindungsgemäße Polymerüberzug bei jedem Transplantat verwendet werden. Mit Transplantat sind Zellen, Gewebe oder sonstige lebende oder nichtlebende Vorrichtungen gemeint, die für die Transplantation in ein Säugetier bestimmt sind. Erfindungsgemäße Transplantate umfassen Allotransplantate, künstliche Organe, Zelltransplantation und sonstige Anwendungen für eine hormonproduzierende oder gewebeproduzierende Implantation in defiziente Individuen, die an Beschwerden wie Diabetes, Mangel an Schilddrüsenhormon, Mangel an Wachstumshormon, kongenitale Nebennierenhyperplasie, Parkinson-Krankheit und dergleichen leiden. Ebenso sind die Polymerüberzüge nützlich für Transplantate mit therapeutischen Zwecken, die von implantierbaren Verabreichungssystemen für biologisch wirksame und gentherapeutische Produkte zur Behandlung von Krankheiten des Zentralnervensystems und anderer chronischer Beschwerden profitieren. Insbesondere werden die beschriebenen Vorrichtungen und Matrizes Anwendung finden bei verschiedenen Transplantationstherapien, die ohne Einschränkung auch Zellen umfassen, die menschliche Nervenwachstunisfaktoren abscheiden, um den Verlust an degenerierenden cholinergen Neuronen zu verhindern. Satellitenzellen für die Wiederherstellung des Herzmuskels, Striatum-Hirngewebe für Chorea Huntington, Leberzellen, Knochenmarkszellen, dopaminreiches Hirngewebe und Zellen für die Parkinson-Krankheit, an Cholinergikum reiches Nervensystem für die Alzheimer- Krankheit, chromaffine Nebennierenzellen zur Verabreichung von Analgetika an das Zentralnervensystem, gezüchtetes Epithelgewebe für Hauttransplantate und Zellen, die ziliaren neurotropen Faktor freisetzen für die amyotrophe Lateralsklerose, und dergleichen. Wenn das Transplantat Zellen für die Produktion von Hormonen oder anderen Faktoren umfaßt, sind die Zellen in einer Kapsel oder Kammer enthalten. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 5,614,205, das eine bioartifizielle endokrine Vorrichtung umfaßt. Eine solche Vorrichtung kann verwendet werden, um andere Zellen in gleicher Weise aufzunehmen.
Die erfindungsgemäßen Polymerüberzüge machen das Transplantat biokompatibel, indem sie einen Schutzüberzug oder eine umgebende Membran liefern. Mit biokompatibel ist gemeint, daß das Transplantat schädliche Auswirkungen auf die verschiedenen Schutzsysteme des Körpers vermeidet und für einen beachtlichen Zeitraum funktionsfähig bleibt. Neben der Vermeidung von Schutzreaktionen des Immunsystems oder einer fibrotischen Fremdkörperreaktion impliziert der Begriff biokompatibel auch, daß durch das Transplantat und seinen Inhalt keine spezifischen unerwünschten zytotoxischen oder systemischen Wirkungen verursacht werden, die die gewünschte Funktionsweise des Transplantats oder seines Inhalts beeinträchtigen würden.
Der Überzug sorgt auch für eine Immunisolierung. Das heißt, der Polymerüberzug sorgt für einen Schutz des Transplantats vor dem Immunsystem des Individuums, in das das Transplantat implantiert ist, indem er verhindert, daß schädliche Substanzen aus dem Körper des Patienten in das Transplantat eindringen, und indem er eine physische Barriere schafft, die ausreicht, um einen schädlichen immunologischen Kontakt zwischen der isolierten Einheit und dem Immunsystem des Individuums zu verhindern.
Die erfindungsgemäßen Polymerüberzüge können auch bei Anwendungen verwendet werden, bei denen eine Faserproteinbindung verhindert werden muß und bei denen ein elektrisches Signal geleitet werden muß. Solche Anwendungen sind bei biokompatiblen Sensoren oder bei bioartifiziellen Nerven zu finden. Bei bioartifiziellen Nerven kann ein poröses Röhrchen beschichtet werden, um Nervenwachstum entlang der Innenfläche zu erleichtern, und kann mit etwa 500 bis etwa 5.000 Angström eines aromatische Verbindungen enthaltenden Polymers überzogen werden. Das Nervengewebe wird dadurch durch Diffusion durch das Polymerfenster genährt und kann sein elektrisches Signal entlang der Außenseite des beschichteten Röhrchens leiten. Siehe zum Beispiel Fig. 1. Diese Anwendung ist möglich, weil die aromatische Verbindungen enthaltenden Polymere wegen der Elektronenwolke des aromatischen Rings einzigartig sind in ihrer Fähigkeit, elektrische Signale zu leiten. Der hier auftretende Erfinder hat entdeckt, daß sich durch Rasterelektronenmikroskopie bei einem mit Poly-para-xylylen N beschichteten porösen nichtleitenden Delrin-Träger zeigte, daß das Parylen N den (schwarz erscheinenden) Elektronenstrahl leitet, im Vergleich zu dem nichtleitenden Delrin, das aufgrund der Reflexion des Strahls weiß erscheint.

VERSUCHE

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

Eine Membran aus Poly-para-xylylen N mit einer Dicke von 3.271 Angström wurde auf einer zylindrischen Hülse angebracht und teilweise in destilliertes Wasser eingetaucht. Eine Bestandteile von verschiedenem Molekulargewicht enthaltende Flüssigkeit wurde auf die Oberseite der Membran gegeben. Danach wurden Proben des Wassers auf ein SDS-PAGE-Gel aufgebracht und einer Elektrophorese unterzogen, um die Proben nach ihrem Molekulargewicht zu trennen. Es wurden niedrige Molekulargewichte identifiziert, die Glucose, Insulin und Zellnährstoffen entsprachen. Bestandteile mit höherem Molekulargewicht, d. h. größer als 26.000, wurden ausgeschlossen.
Insbesondere enthält die Zelleinheit bei einer implantierbaren bioartifiziellen Pankreasvorrichtung eine Vielzahl von insulinproduzierenden Inseln. Die Inseln stammen von Pankreasspenderorganen, sowohl menschlichen als auch tierischen, wobei in herkömmlicher Weise mit Kollagenaufschluß und Gradiententrennung mit Ficoll gearbeitet wird. Die Inseln werden einem herkömmlichen RPMI-Nährmedium beigemischt, um die Matrix in einer Konzentration von rund 10 bis 50 Inseln pro Mikroliter zu bilden.
Die Zylinderkammer kann im Hinblick auf die Handhabung, Beschichtung und Implantation sowie im Hinblick auf die vom Empfänger benötigte therapeutische Insulinproduktion in Größe und Form variieren.
Im Hinblick auf die Biokompatibilität des Implantats kann der Zylinder aus einem geeigneten Material hergestellt sein, zum Beispiel aus Edelstahl medizinischer Qualität oder vorzugsweise durch konforme Beschichtung mit Poly-para-xylylen, dessen Dicke nicht besonders kritisch ist, doch wird eine Über zugsdicke von etwa 0,5 um bevorzugt. Dieser Überzug kann in kontrollierten Dicken nach den herkömmlichen Verfahren genau aufgebracht werden. Die Materialien für Überzug und Membran werden als nichtimmunogene Substrate zur Implantation in den Menschen erkannt. Das Material tritt nicht in Wechselwirkung mit Plasmafaktoren wie zum Beispiel Fibrin oder Zellen wie zum Beispiel Fibroblasten oder Blutplättchen. Demnach werden die Vorrichtungs- und Membranporen nicht verstopft und beeinträchtigen auch nicht die Insulinfreisetzung als Funktion des Wachstums von Wirtsgewebe.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Eine Membran aus Poly-para-xylylen N mit einer Dicke von rund 3100 Angström wurde auf einer zylindrischen Hülse angebracht und in ein Medium wie destilliertes Wasser teilweise eingetaucht. Fünfundsiebzig (75) adulte Schweineinseln wurden in RPMI-Nährmedium auf die Oberseite der Membran gegeben. Von dem Nährmedium wurden in regelmäßigen Abständen Proben genommen, und nach der Probenahme wurde das Nährmedium ausgewechselt. Am vierten und am sechsten Tag wurden zwei aliquote Teile von dem Nährmedium abgezogen. Die aliquoten Teile wurden in einem T¹²&sup5; Insulin RIA (Ventrex) doppelt getestet. Der Insulingehalt auf der Probe vom vierten Tag betrug 70 + 149 uU/ml und betrug auf der Probe vom sechsten Tag 235 + 150 uU/ml, womit bewiesen war, daß von den Inseln abgeschiedenes Insulin durch die Membran gelangt war. Es kam zu keiner Anlagerung von Fibrin oder Lymphaction.

Beispiel 3

Eine Membran aus Poly(m-phenylenisophthalamid) der nachfolgend angegebenen Formel
wird auf einer zylindrischen Hülse angebracht und in ein Medium wie zum Beispiel destilliertes Wasser teilweise eingetaucht. Die Membran wird in einer Dicke von etwa 2000 Angström aufgebracht. Fünfundsiebzig(75) adulte Schweineinseln werden in RPMI-Nährmedium auf die Oberseite der Membran gegeben. Von dem Nährmedium werden in regelmäßigen Abständen Proben genommen, und das Nährmedium wird nach der Probenahme ausgewechselt. Am vierten und am sechsten Tag wurden zwei aliquote Teile von dem Nährmedium abgezogen, was darauf hindeutet, daß von den Inseln abgeschiedenes Insulin durch die Membran gelangt war. Es ist keine Anlagerung von Fibrin oder Lymphaction festzustellen.

Beispiel 4

Eine Membran aus Poly(p-phenylenterephthalamid) der nachfolgend angegebenen Formel:
wird auf einer zylindrischen Hülse angebracht und in ein Medium wie zum Beispiel destilliertes Wasser teilweise eingetaucht. Die Membran wird in einer Dicke von etwa 50 bis etwa 3500 Angström aufgebracht. Fünfundsiebzig adulte Schweineinseln werden in RPMI-Nährmedium auf die Oberseite der Membran gegeben. Von der Membran werden in regelmäßigen Abständen Proben genommen, und die Membran wird nach der Probenahme ausgewechselt. Am vierten und am sechsten Tag werden aliquote Teile von dem Nährmedium abgezogen und gemessen. Die Messungen zeigen, daß Insulin von den Inseln abgeschieden wird und durch die Membran gelangt. Es ist keine immunogene Wirkung festzustellen.

Beispiel 5

Eine Membran aus einem Polymer der Klasse Poly(m- acetyl, dinaphthalin) der nachfolgend angegebenen Formel:
wird auf einer zylindrischen Hülse angebracht und in ein Medium wie zum Beispiel destilliertes Wasser teilweise eingetaucht. Die Membran wird in einer Dicke von etwa 50 bis etwa 3500 Angström aufgebracht. Fünfundsiebzig adulte Schweineinseln werden in RPMI-Nährmedium auf die Oberseite der Membran gegeben. Von der Membran werden in regelmäßigen Abständen Proben genommen, und die Membran wird nach der Probenahme ausgewechselt. Am vierten und am sechsten Tag werden aliquote Teile von dem Medium abgezogen und gemessen. Die Messungen zeigen, daß Insulin von den Inseln abgeschieden wird und durch die Membran gelangt. Es ist keine immunogene Wirkung festzustellen.

Beispiel 6

Eine Membran aus einem Polymer der Klasse Poly(m- amino, dinaphthalin) der nachfolgend angegebenen Formel:
wird auf einer zylindrischen Hülse angebracht und in ein Medium wie zum Beispiel destilliertes Wasser teilweise eingetaucht. Die Membran wird in einer Dicke von etwa 50 bis etwa 3500 Angström aufgebracht. Fünfundsiebzig adulte Schweineinseln werden in RPMI-Nährmedium auf die Oberseite der Membran gegeben. Von der Membran werden in regelmäßigen Abständen Proben genommen, und die Membran wird nach der Probenahme ausgewechselt. Am vierten und am sechsten Tag werden aliquote Teile von dem Nährmedium abgezogen und gemessen. Die Messungen zeigen, daß Insulin von den Inseln abgeschieden wird und durch die Membran gelangt. Es ist keine immunogene Wirkung festzustellen.
Die obengenannte Einkapselung kann auch bei anderen Anwendungen für eine hormonproduzierende oder gewebeproduzierende Implantation in defiziente Individuen, die an Beschwerden wie Mangel an Schilddrüsenhormon, Mangel an Wachstumshormon, kongenitale Nebennierenrindenhyperplasie und dergleichen leiden, wirksam eingesetzt werden.
Alle in der Beschreibung genannten Veröffentlichungen und Patentanmeldungen geben einen Hinweis auf das Niveau des Fachmanns auf dem Gebiet dieser Erfindung.
Wenngleich die vorstehende Erfindung zur Veranschaulichung und beispielhaft zum besseren Verständnis ausführlich beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß bestimmte Änderungen und Modifikationen im Rahmen der beigefügten Ansprüche praktiziert werden können.

Claims

1. Transplantat, das in eine Polymermembran eingekapselt ist, wobei die Membran als Hauptkette einen aromatischen Ring mit eingestreuten aliphatischen Gruppen hat, wobei die Membran nicht Poly-para-xylylen, Poly-monochlor-xylylen und Polydichlor-xylylen ist.

2. Transplantat nach Anspruch 1, bei dem die Polymermembran eine Struktur umfaßt, die ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe:

wobei M eine aliphatische Gruppe ist und n und n' positive ganze Zahlen sind.

3. Transplantat nach Anspruch 1, bei dem die aliphatischen Gruppen ausgewählt sind aus CH&sub2;, NH, CO, SH und Kombinationen derselben.

4. Transplantat nach Anspruch 2, bei dem die aliphatische Gruppe ausgewählt ist aus der aus CH&sub2;, NH, CO, SH und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe.

5. Transplantat nach Anspruch 1, bei dem die Membran eine Porosität hat, die Nährstoffe und ein in Frage kommendes biologisches Produkt hindurchgelangen läßt.

6. Transplantat nach Anspruch 2, bei dem die Membran eine Porosität hat, die Nährstoffe und ein in Frage kommendes biologisches Produkt hindurchgelangen läßt.

7. Transplantat nach Anspruch 6, bei dem das biologische Produkt ausgewählt ist aus der aus Insulin, Dopamin und Schilddrüsenhormon bestehenden Gruppe.

8. Transplantat nach Anspruch 2, bei dem n eine Zahl von 1 bis 8 ist.

9. Transplantat nach Anspruch 1, bei dem die Membran eine Porosität hat, die Nährstoffe hindurchgelangen läßt, Immunreaktionen auslösende Stoffe aber nicht.

10. Zur Transplantation bestimmtes künstliches Organ, bei dem das Organ mit einer Polymermembran überzogen ist, wobei die Membran als Hauptkette einen aromatischen Ring mit eingestreuten aliphatischen Gruppen hat, wobei die Membran nicht Poly-para-xylylen, Poly-monochlor-xylylen und Poly-dichlorxylylen ist.

11. Künstliches Organ nach Anspruch 10, bei dem die Polymermembran eine Struktur umfaßt, die ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe:

wobei M eine aliphatische Gruppe ist und n und n' positive ganze Zahlen sind.

12. Künstliches Organ nach Anspruch 10, bei dem die aliphatischen Gruppen ausgewählt sind aus der aus CH&sub2;, NH, CO, SH und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe.

13. Künstliches Organ nach Anspruch 11, bei dem die aliphatische Gruppe ausgewählt ist aus der aus CH&sub2;, NH, CO, SH und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe.

14. Künstliches Organ nach Anspruch 11, bei dem die Membran eine Porosität hat, die Nährstoffe und das in Frage kommende biologische Produkt hindurchgelangen läßt.

15. Künstliches Organ nach Anspruch 14, bei dem das biologische Produkt ausgewählt ist aus der aus Insulin, Dopamin und Schilddrüsenhormon bestehenden Gruppe.

16. Künstliches Organ nach Anspruch 11, bei dem n eine Zahl von 1 bis 8 ist.

17. Verfahren zum Schutz eines Transplantats vor Biobewuchs, wobei bei dem Verfahren das Transplantat mit einer Polymermembran überzogen wird, wobei die Membran als Hauptkette einen aromatischen Ring mit eingestreuten aliphatischen Gruppen hat, wobei die Membran nicht Poly-para-xylylen, Polymonochlor-xylylen und Poly-dichlor-xylylen ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Polymermembran eine Struktur umfaßt, die ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe:

wobei M eine aliphatische Gruppe ist und n und n' positive ganze Zahlen sind.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die aliphatischen Gruppen ausgewählt sind aus der aus CH&sub2;, NH, CO, SH und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe.

20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die aliphatische Gruppe ausgewählt ist aus der aus CH&sub2;, NH, CO, SH und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe.

21. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Membran eine Porosität hat, die Nährstoffe und das in Frage kommende biologische Produkt hindurchgelangen läßt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das biologische Produkt ausgewählt ist aus der aus Insulin, Dopamin und Schilddrüsenhormon bestehenden Gruppe.