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Rinderperi ardi m gefertigte Prothesen, die eine ähnlich günstige Hämodynamik wie die Homografts aufweisen und zudem in jeder Größe und Anzahl verfügbar sind.
Aufgrund der erforderlichen Konservierung enthalten diese Bioprothesen kein lebendes Gewebe und ein Zellwachstum ist praktisch nicht möglich. Auch solche Herzklappen sind daher nicht regenerationsfähig, nicht wachstumsfähig und zudem einem allmählichen Verschleiß unterworfen. Außerdem werden diese Prothesen vom Immunsystem des Empfängerorganismus als „fremd" eingestuft und durch immunkompetente Zellen bekämpft .
Zur Lösung dieses Problems wird in der DE 198 28 276 be- reits ein Verfahren zur Herstellung bioartifizieller Transplantate beschrieben, bei dem eine zellfrei gemachte, aufgelockerte Kollagen-Matrix mit autologen Zellen des Transplantat-Empfängers oder genetisch veränderten, für den Empfänger verträglichen Zellen besiedelt wurde. Bei diesem Verfahren bereitet jedoch die vollständige und für einen störungsfreien Blutstrom über die Herzklappen und in den Blutgefäßen bzw. Umgehungsgefäßen notwendige, möglichst glatte, feste Beschichtung der Kollagen-Matrix mit körpereigenen Zellen des Empfängers Schwierigkeiten. Eine störungsfreie Funktion und eine lange Lebensdauer des Implantats ist daher nicht gewährleistet .
Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde bereits ein Ver- fahren nebst zugehöriger Vorrichtung vorgeschlagen, bei dem sich eine azellularisierte Bioprothese in einem um seine Längsachse und/oder seine Querachse drehbaren Behälter befindet, der mit einer körpereigene oder genetisch identische Zellen des Empfängers aufnehmenden Nähr- lösung gefüllt ist. Durch schrittweises Drehen mit Sedimentationspausen oder durch kontinuierliche Rotation und
die dabei auf die Zellen wirkenden Zentrifugalkräfte soll eine flächendeckende Beschichtung mit möglichst vielen lebenden Zellen gewährleistet werden.
Mit den bekannten Verfahren bzw. den entsprechenden Vorrichtungen ist es jedoch noch nicht möglich, eine gleichmäßige, ebenflächige und an die tatsächlichen Verhältnisse im menschlichen Körper weitgehend angepaßte vollständige Besiedlung der Kollagen-Matrix mit körpereigenen Zellen zu bewirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Herstellung von biologischen, den natürlichen Verhältnissen hinsichtlich der Zellbeschichtung nahekommenden Prothesen, insbesondere von Herzklappen und Blutgefäßen, anzugeben, das die Haltbarkeit und die Funktionsfähigkeit des betreffenden Implantats verbessert und die Lebensqualität des Empfängers erhöht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einer durch die Merkmale des Patentanspruches 8 gekennzeichne- ten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
Ausgehend von den bekannten Lösungen zur Herstellung von biologischen Prothesen, wonach ein azellularisiertes allogenes oder xenogenes Ausgangsprodukt, beispielsweise die Kollagen/Elastin-Matrix einer Aortenklappe vom
Schwein, durch Drehen in einer aus Zellen des Empfängers der Prothese gebildeten Zellsuspension mit körpereigenen Zellen besiedelt wird, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, daß die Beschichtung der Matrix in einem an die natürlichen Strömungsbedingungen in den betreffenden Organen, Organteilen oder Gefäßen angenäherten Zeil-
suspensionsstrom erfolgt . Durch eine solche dynamische Beschichtung lernen die aufzutragenden Zellen bereits in der Beschichtungs- und ersten Wachstumsphase, sich an die natürlichen Zustände während der späteren Funktion des Organ (teils) , z.B. Strömungsbedingungen und Wandbewegungen oder -dehnungen, bezüglich ihrer Anordnung, Form und Haftung anzupassen, so daß eine vollständige, allseitige und schnelle sowie sicher wachsende Besiedlung erreicht werden kann und die neue körpereigene Zellschicht in den später blutdurchströmten Bereichen Widerstands- und reibungsarme Strömungsbedingungen schafft. Tatsächlich ist das Verfahren durch drei Besiedlungsschritte gekennzeichnet :
1. Verteilen der Zellen auf dem in einem die
Zellsuspension enthaltenden Bioreaktor zentrisch fixierten azellularen und mit Kleber behandelten Implantat durch Drehen des Bioreaktors mit anschließender Sedimentationsphase;
2. Überströmen der Implantatflächen mit einem den natürlichen Verhältnissen in dem betreffenden Organteil weitestgehend nachempfundenen Zellsuspensions- strom zur Konditionierung und weiteren Anlagerung der Zellen; und
3. Erholen und Wachsen der konditionierten Zellen in einer an die ÜberStrömungsphase anschließenden Ruhephase .
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Kondi- tionierungs- und Ruhephase mit jeweils gegenüber der vorhergehenden Phase erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in zwei oder mehreren Teilschritten durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen separat handhabbaren, in Längsund Querrichtung von Hand oder motorisch drehbaren Bioreaktor, der mit der Zellsuspension gefüllt wird und in dem das zu beschichtende Implantat axial zur Durchströmungs- richtung straff fixiert wird. Für den Durchströmungs- oder Zellkonditionierungsvorgang ist der Bioreaktor in eine Ringleitung eingebunden, die zur Erzeugung eines pulsierenden, in der Geschwindigkeit veränderlichen Flüs- sigkeitsstromes an eine Membranpumpe angeschlossen ist.
Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung ist es möglich, mit körpereigenen Zellen beschichtete Implantate aus xenogenem oder allogenem oder künstlichem Fremdmaterial herzustellen, die über die bekannten Vorteile der Verwendung körpereigener Zellen hinaus auch in ihrer dynamischen Wirkung den natürlichen Verhältnissen weitestgehend entsprechen, eine lange Lebensdauer aufweisen sowie einen hohen Lebenskomfort gewährleisten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für die Herstellung einer gerüstfreien Aortenklappe anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beschichtung einer azellularisierten porcinen Aortenklappe in einem Strömungskreislauf aus einer mit körpereigenen Endothelzellen des vorgesehenen Empfängers versetzten
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einer Schraubkappe 23 mit Innengewinde, das in ein Außengewinde am Hohlzylinder 9 eingreift, verspannbar ist. Zur flüssigkeitsdichten Befestigung ist eine zweite Dichtung 19 vorgesehen. Das dem Bioreaktor nachgeschaltete Schlauchstück der Ringleitung 1 besteht aus flexiblem
Material (Silikon) , so daß die Durchströmung aufgrund der pulsierenden Pumpwirkung gewährleistet ist. Sämtliche Teile der Vorrichtung, die mit dem Zellmaterial während der Beschichtung in Berührung kommen, bestehen aus biolo- gisch abstoßendem Material, an dem die Zellen nicht haften können.
Aufgrund der zuvor beschriebenen Ausbildung und Anordnung der Einsatzstücke 10, 11 kann außerhalb des Hohlzylinders 9 eine entsprechend vorbereitete, das heißt, dezellulari- sierte, mit dem natürlichen Kleber Pronectin + L-Laminin behandelte und zugeschnittene Aortenklappe 8 an den gegenüberliegenden Befestigungsabschnitten 14, 15 der Einsatzstücke 10, 11 angenäht werden. In dieser Form wird die Aortenklappe 8 in den Hohlzylinder 9 eingebracht, und zwar so, daß die Strömungsrichtung in der Vorrichtung mit der natürlichen Strömungsrichtung durch das Implantat im menschlichen Körper übereinstimmt. Aufgrund dessen, daß mit dem Auslaßventil 6 und der Aortenklappe 8 zwei quasi gleichartige Ventile hintereinander geschaltet sind, könnte in diesem Fall auf das Auslaßventil 6 der Membranpumpe 3 verzichtet werden. Wenn aber Blutgefäße in der gleichen Weise mit Körperzellen beschichtet werden, ist das Auslaßventil 6 in der Membranpumpe 3 weiterhin erfor- derlich.
Für die Besiedelung der Aortenklappe liegen aus der oben beschriebenen Zellzüchtung die als lebensfähig nachgewiesenen Endothel-Zellen in einer Anzahl von mindestens 8 Millionen in dem auch bei der Zellzüchtung verwendeten Medium vor, das zu 20 % aus Serum des Empfängers, den
handelsüblichen Zellwachstumsmitteln DMEM und bFGF sowie Antibiotika, L-Glutamin und gegebenenfalls einem HEPES- Puffer besteht. Diese Zellsuspension wird über einen der von der Ringleitung 1 gelösten Anschlußstutzen 12, 13 oder ein Füll- und Ablaßventil 24, 25 in den Bioreaktor 2 gefüllt. Nach dem Schließen des von der Ringleitung 1 gelösten Bioreaktors 2 an den Anschlußstutzen 12, 13 mit Stopfen oder Abdeckkappen (nicht dargestellt) wird als erster Besiedlungsschritt durch wiederholtes Drehen des in einer Drehvorrichtung (nicht dargestellt) gehaltenen Bioreaktors 2 sowohl um seine Längsachse als auch um seine Querachse und dazwischenliegende Absetzphasen eine Verteilung der Endothelzellen auf den Flächen der Aortenklappe 8, und zwar sowohl unter der Wirkung der Schwer- kraft als auch von Zentrifugalkräften, vorgenommen. Das Drehen kann vorzugsweise auch manuell unter gleichzeitiger visueller Beobachtung durchgeführt werden. Bei an den Bioreaktor 2 angeschlossener Ringleitung 1 erfolgt anschließend ein erster Zellkonditionierungsschritt , indem über die Membranpumpe 3 ein pulsierender Zellsus- pensionsstrom mit einer Fließgeschwindigkeit von 1 1/min in Richtung des Pfeils erzeugt wird. Die Strδmungsrich- tung der Zellsuspension entspricht der Strömungsrichtung des Blutes in implantiertem Zustand der Bioprothese. Bei der impulsartigen Strömung der Zellsuspension über die
Innenflächen (Strömungsflächen) der Aortenklappe 8 werden bei zunächst geringer Strömungsgeschwindigkeit allmählich die Endothelzellen durch den ständig wiederholten Strömungsreiz in ihrer Form und Ausrichtung an die Strömungs- richtung und -kräfte sowie die Bewegungen der Implantat - wände angepaßt, d.h. die Zellen werden konditioniert und lernen, sich so auszubilden und anzuordnen, daß in der Wachstumsphase eine glatte, der Strömung einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzende einschichtige Endo- thelzellenflache entsteht. Das heißt, in der sich an den ersten Zellkonditionierungsschritt anschließenden Ruhe-
phase, die mit einem diskontinuierlichen Drehen des Bioreaktors 2 verbunden sein kann, haben die Endothelzellen Gelegenheit, in der durch die zuvor eingegebene Strömungsreize erlernten Form und Richtung an der Kollagen- Matrix zu wachsen. Beim Durchströmen gegebenenfalls abgelöste Zellen werden in dieser Phase wieder angesiedelt.
In dem darauffolgenden zweiten Zellkonditionierungsschritt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 1/min werden die Endothelzellen mit entsprechend stärkeren
Informationsreizen versorgt, um sich entsprechend diesen veränderten Strömungsbedingungen auszubilden und zu wachsen.
Nach einer weiteren Ruhe- und Wachstumsphase (Zwischeninkubation) ohne Strömungsbewegung der Zellsuspension, jedoch wahlweise bei einer Drehbewegung des Bioreaktors 2, folgt ein dritter Zellkonditionierungsschritt mit einer Fließgeschwindigkeit von 4 1/min, an den sich wie- der eine Nachinkubationsphase (Erholungs- und Wachstums- phase) anschließt.
Der gesamte zuvor beschriebene Vorgang der Zellbeschich- tung in dem Bioreaktor 2 findet in einem Inkubator (nicht dargestellt) statt, in dem ständig eine Temperatur von 37°C herrscht und eine Luftfeuchtigkeit von 98 % sowie ein C02-Gehalt von 5 % aufrechterhalten werden. Der Zugang dieser Atmosphäre bzw. der entsprechenden Medien zum Bioreaktor 2 wird über mindestens ein semipermeables Membranventil 26 realisiert, das von außen gasdurchlässig ist, aber in umgekehrter Richtung nicht flüssigkeitsdurchlässig ist. Die Membranventile 26 können an einer geeigneten Stelle des Bioreaktors 2, z.B. in den Einsatzstücken 10, 11 oder auch in der Ringleitung 1 angeordnet sein.
Im Ergebnis dieses Prozesses der allmählichen Besiedlung und Ausbildung der Endothelzellen bei sich stufenweise erhöhender und dabei schonend und mit Lernfunktion auf die Zellen wirkender pulsierender Strömungsgeschwindig- keit mit zwischen- und nachgeschalteten Erholungs- und
Wachstumsphasen wird unter physiologischen, den Funktionen des menschlichen Herzens entsprechenden Fließbedingungen auf der mit einer Submatrix aus Fibronectin versehenen Kollagen-Matrix der Bioprothese (Aortenklappe 8) eine geschlossene, einschichtige Endothelflache aus körpereigenen Zellen gebildet, die der Endothelschicht an den Gefäß- und Klappenwänden des Prothesen-Empfängers hinsichtlich Form, Größe und Ansiedlung der Zellen sowie Stärke und Ebenflächigkeit der Zellschicht weitestgehend entspricht.
Es werden somit Implantate für die Herz- und Gefäßchirurgie bereitgestellt, deren Anwendung nicht mit der Gefahr von Immunreaktionen und viralen Infektionen verbunden ist. Von wesentlicher Bedeutung gegenüber dem nächstlie- genden Stand der Technik ist hier die Tatsache, daß die auf das Implantat aufgebrachte Zellschicht weitestgehend annähernd den physiologischen Vorgängen im menschlichen Organismus, hier der spezifischen Dynamik im Bereich des Herzens und der Gefäße, ausgebildet ist. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung erreichte Ausbildung der EndothelZellenschicht gewährleistet im implantierten Zustand der Bioprothese mit den natürlichen Verhältnissen übereinstimmende Strö- mungsverhältnisse, so daß die Verschleißerscheinungen deutlich minimiert und damit die Lebensdauer des Implantats erhöht werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Aus- führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind im Schutzbereich der Patentansprüche vielfältige Modifikationen des
Verfahrens und der Vorrichtung denkbar. Anstelle der beispielhaft behandelten porcinen Aortenklappe können auch Pulmonal- oder Mitralklappen oder Gefäße, und zwar allgemein aus allogenem, xenogenem oder künstlichem Ausgangs- material, in der beschriebenen Weise hergestellt werden.
Bezugszeichenliste
Ringleitung
Bioreaktor
Membranpumpe
Ausgleichskammer
Schlauchleitung (für 3)
Auslaßventil
Einlaßventil
Aortenklappe (Bioprothese)
Hohlzylinder erstes Einsatzstück (in St ömungsrichtung vorn) zweites Einsatzstück (in Strömungsrichtung hinten)
Anschlußstutzen
Anschlußstutzen
Befestigungsabschnitt
Befestigungsabschnitt
Befestigungslöcher
Befe tigungslδcher
BundSteg von 11 erste Dichtung
Ringsteg von 9
Schraubring
Bund von 10
Schraubklappe
Füll- und Ablaßventil
Füll- und Ablaßventil
Me branventi1
Zweite Dichtung