中空纤维型人工肝反应器研究和应用进展

发布：www.liulingling.com　来源：医学杂志

        生物人工肝（BAL）系统正在成为急性肝衰竭体外有效的肝支持治疗手段。生物反应器是BAL系统的核心部件，承担着大量培养和维持肝细胞功能的重任，以及实现肝细胞与肝衰竭患者血液之间的双向物质交换与作用。设计和研究的生物反应器包括平板式反应器、中空纤维型反应器、灌流床式/支架型反应器、肝细胞包裹与悬浮型反应器等，由以中空纤维型反应器研究和应用得最为广泛。



        近年来从事中空纤维型人工肝反应器研究的机构有：美国南佛罗里达大学、美国北卡大学、意大利Sant''Anna大学医学院、德国汉挪威医学院等，国内有南京大学医学院附属鼓楼医院、第三军医大学附属西南医院等。本文将对相关的研究成果进行简单回顾。



        美国南佛罗里达大学Moussy  Y.等人研究了中空纤维人工肝中细胞充填壳区域内的敞开管流。以前的流体研究忽略了壳区域的多孔性。项研究利用Darcy法则，描述了循环液在多孔空心纤维和壳区域内流动的情况。测定了体外肝支持系统(ELAD)细胞充填壳区域的渗透值。发现可能形成优先流体通道以及许多细胞的低灌注，导致生物反应器的工作机能不完善[1]。



        美国北卡大学医学院Wolfe  SP等人开发了多元-共轴生物反应器，用于肝细胞体外三维培养。它包括四个直径依次增大的嵌套的管道，形成四个隔开的空间区域。在最里面的两个半透管或中空纤维之间，模拟了肝腺泡结构和生理参数，在外部隔间里构造循环液幅射流，最外面的隔间为透气性管道，外壳的用途是对灌注液体充氧[2]。所用的中空纤维是1mm(0.65mm管壁孔径)和3mm(0.1mm管壁孔径)外径的商业产品[3]。



        德国汉挪威医学院Jasmund  I等人研究了一种新的充氧中空纤维生物反应器OXY-HFB，包括专门的充氧纤维和内部加热纤维，设计简单而有效。原始肝细胞接种在纤维外空间的纤维表面，通过纤维提供氧和温度控制。培养介质灌注到纤维外空间，与肝细胞直接接触。反应器尺寸6´13.5´13.5cm，半透膜中空纤维管壁孔径不超过0.2mm。培养介质流经纤维外部空间时的方向与中空纤维膜垂直[4]。



        意大利Sant''Anna大学医学院Morsiani  E的研究结果则认为，就猪肝细胞祖细胞的灌注培养系统而言，空心纤维部件的效果不如幅射流生物反应器[5]。



        国内邹立军申请的中国专利CN01267249.1揭示的生物反应器由至少一个反应单元组成；所述反应单元包括密封的壳体、设于壳体内平行排列的若干半透膜中空纤维；所述壳体由两端的封头及侧壁组成，在一端的封头上设有与所述中空纤维腔相通的细胞注入口，在侧壁上分别设有循环液入口和循环液出口。所述侧壁的横截面为方形，也就是说壳体是呈长方体形或正方体形。该实用新型提高了细胞与新鲜液体的接触面积，有利于营养与氧气的供应，可以改善细胞的功能与存活，使反应器的效率大幅度增加[6]。



        南京大学医学院附属鼓楼医院肝胆外科余德才等人采用改良两步原位胶原酶灌注法分离猪肝细胞。利用肝细胞、细胞池和Bioliv  A3A生物反应器构建CBC-BALSS，进行8次闭合循环实验，监测双循环路压力，肝细胞密度和活率、生化全套和MEGx。采用的Bioliv  A3A生物反应器是中空纤维管型生物反应器，密闭管内1000根聚砜膜中空纤维细管平行排列，孔径为0.2mm，纤维管长度35cm[7]。



        第三军医大学附属西南医院王英杰等人采用中空纤维编织方法，制作三维立体型生物反应器，对反应器进行物质传输试验后，将分离的新生实验小型猪肝细胞接种于中空纤维支架上，用培养液循环式人工毛细管系统进行培养，检测生物反应器的生物功能，观察培养猪肝细胞的酶漏出量。结果传输试验显示，中空纤维编织型反应器的半秀快速传输含人白蛋白和酚红的RPMI  1640培养液……结论  初步研制出一种新的、符合生物人工肝基本要求的实验型生物反应器，该反应器内培养的肝细胞保持较好的细胞活力，具有生物合成与转换功能[8]。



        福建医科大学附属协和医院陈燕凌等人采用微载体培养高浓度L-02人肝细胞，同时使用中空纤维型生物反应器和血泵等共同构成生物人工肝系统。在体外转流试验中观察循环液中游离胆红素、葡萄糖、白蛋白、谷草转氨酶浓度的变化以及实验对肝细胞的影响等。结果    L-02肝细胞能很好地粘附于cytodex  3微载体上形成微载体诱导的肝细胞聚集体；移入生物反应器内进行体外循环，4h后可见循环液中游离胆红素和葡萄糖浓度显著降低，分别为27.1  mol/L和1.75mmol/L；白蛋白含量明显增加，为15.21mg/L；肝细胞仍有较高活力达75％。结论    本实验所建立的生物反应器作为生物人工肝系统的核心组件具备一定的生物合成和解毒代谢功能，为进一步建立混合型生物人工肝支持系统奠定了基础[9]。



        参考文献

        [1]  Moussy  Y.  Convective  flow  through  a  hollow  fiber  bioartificial  liver  .Artif  Organs.  2003  Nov;27(11):1041-9.

        [2]  Wolfe  SP,  Hsu  E,  Reid  LM,  Macdonald  JM.  A  novel  multi-coaxial  hollow  fiber  bioreactor  for  adherent  cell  types.  Part  1:  hydrodynamic  studies.  Biotechnol  Bioeng.  2002  Jan  5;77(1):83-90.

        [3]  MacDonald  JM,  Wolfe  SP,  etc.  Effect  of  flow  configuration  and  membrane  characteristics  on  membrane  fouling  in  a  novel  multicoaxial  hollow-fiber  bioartificial  liver.  Ann  N  Y  Acad  Sci.  2001  Nov;944:334-43.

        [4]  Jasmund  I,  Langsch  A,  Simmoteit  R,  Bader  A.  Cultivation  of  primary  porcine  hepatocytes  in  an  OXY-HFB  for  use  as  a  bioartificial  liver  device.  Biotechnol  Prog.  2002  Jul-Aug;18(4):839-46.

        [5]  Morsiani  E,  Galavotti  D,  Puviani  AC(Sant''Anna  University  Hosp.,Italy).  Radial  flow  bioreactor  outperforms  hollow-fiber  modules  as  a  perfusing  culture  system  for  primary  porcine  hepatocytes.  Transplant  Proc.  2000  Dec;32(8):2715-8.

        [6]邹立军.  一种生物反应器.  CN01267249.1（申请日2001.10.26公开日2002.10.02）

        [7]余德才  徐庆祥  陈钟等.  闭合型双循环生物人工肝支持系统的构建.  消化外科.2003,2(3).-163-167

        [8]王英杰  郭海涛等.  新型中空纤维编织型生物人工肝反应器的初步构建.  第三军医大学学报.2003,25(6).-469-471

        [9]陈燕凌  殷凤峙  等.  生物人工肝支持系统生物反应器的建立及体外转流试验.  中华肝胆外科杂志.2002,8(11).-670-673

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