Способ очистки биологической жидкости организма (крови) от вирусной инфекции путем сорбции на магнитоуправляемых наночастицах и устройство для его осуществления

Способ очистки биологической жидкости организма (крови) от вирусной инфекции путем сорбции на магнитоуправляемых наночастицах и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицины, в частности к очистке биологической жидкости организма (крови) от вирусной инфекции, осуществляемой посредством нанотехнологии, в которой используются уникальные свойства веществ на расстояниях, соизмеримых с атомными и молекулярными размерами, и создаются принципиально новые возможности для разработки технологических приемов в научных исследованиях и промышленности.

Известно, что нано- и микроразмерные частицы вещества обладают рядом уникальных физико-химических свойств, в том числе необычно большой удельной поверхностью и высокой адсорбционной активностью; наночастицы могут быть электрически заряженными, иметь магнитные свойства, что усиливает процессы адсорбции на их поверхности различных токсикантов биологических структур. Последние два фактора дают основу для проектирования устройств магнитной фильтрации биологических сред (крови, плазмы и т.п.) организма с целью очистки их от токсикантов и вирусов.

Известен способ удаления циркулирующих иммунных комплексов из плазмы крови путем пропускания ее через фильтры, при этом в плазму после разделения крови добавляют поливинилпирролидон с молекулярной массой 25000 в концентрации 2,8-3,2%, после чего проводят фильтрование через фильтры с диаметром пор 0,2-0,3 мм [1].

Очистка плазмы крови от циркулирующих комплексов в этом способе осуществляется по технологии макроскопической фильтрации, что обуславливает достаточно низкую степень извлечения циркулирующих комплексов (60%) и большую длительность (около 2 часов) этого процесса.

Известны также «способ очистки крови при лечении больных, страдающих почечной недостаточностью, и устройство для его осуществления» [2] и «способ очистки крови от токсических веществ и устройство для реализации способа» [3], которые находят широкое применение в клинической практике.

В основе вышеотмеченных способов и устройств для их реализации лежат такие известные методы, как гемодиализ, ультрафильтрация и гемосорбция, которые используются для детоксикации биологической жидкости организма. Однако ни один из этих методов не позволяет очищать организм от вирусной инфекции.

Гемодиализ и ультрафильтрация в основном используются для удаления низкомолекулярных соединений. Соединения со средними и высокими молекулярными весами не проходят через мембрану диализатора. Метод гемосорбции с использованием стандартных колонок, заполненных гемосорбентами, позволяет расширить диапазон выводимых из крови токсикантов, однако имеет ряд негативных сторон: большой объем выводимой из организма крови, низкая эффективность сорбции токсикантов, травматизация крови и изменение ее биохимических показателей. Отрицательное воздействие на кровь обусловлено как длительным контактом крови (более 1 часа) с активированным углем, наиболее широко используемым в качестве гемосорбента, так и с высоким гидравлическим сопротивлением из-за необходимости применения определенного типа насосов прокачки для большого объема крови через колонку.

В отличие от вышеотмеченных технических решений заявителем предлагается использовать в качестве сорбентов для очистки биологических жидкостей организма от вирусной инфекции магнитоуправляемые наночастицы, которые обладают высокой адсорбционной активностью вследствие их высокоразвитой поверхности и могут быть электрически заряженными, что усиливает процессы адсорбции на их поверхности различных токсикантов биологических структур.

Заявитель ставил перед собой практическую задачу разработки технологии слежения, исправления и контроля над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием наноустройств и наноструктур; в частности, разработки способа и устройства для очистки биологической жидкости (крови) организма от вирусной инфекции путем сорбции на магнитоуправляемых наночастицах. Объектом исследования были выбраны образцы крови пациентов, инфицированных вирусом гепатита С и вирусом гепатита В. Очистка от вирусов осуществлялась за счет сорбционной способности к антигенам и вирусам наноразмерных магнитоуправляемых частиц оксидных ферримагнетиков, в частности кобальтовой феррошпинели CoFe₂O₄.

Разработанные способ и устройство позволили получить положительный технический результат, заключающийся в их высокой сорбционной эффективности по отношению к антигенам и вирусам в широком диапазоне концентраций и снижении их концентрации в сорбирующем растворе ниже границы слабопозитивной реакции, составляющей согласно рекомендациям Минздрава 0,5 ME.

Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является способ и устройство для его осуществления, причем устройство включает магнитный фильтр, представляющий сосуд с размещенными в нем тонкими магнитными волокнами, покрытыми силиконовой смолой, и расположенные снаружи электромагниты, а также сосуд для подготовки суспензии и смешивания крови с магнитоуправляемыми частицами (патентный документ JP 1273583, опубликованный 01.11.1989 г.).

По сравнению с этим известным техническим решением предложенные способ и устройство обладают более высокой эффективностью удаления соединений различной молекулярной массы, не вызывают механических поврежедений форменных элементов биологической жидкости организма, нарушения ее электролитного баланса и сорбции белков, кроме того, предложенное техническое решение обеспечивает более высокую степень и скорость очищения биологической жидкости организма в течение более короткого времени (порядка 10 минут), что позволяет увеличить количество процедур с его примененем в лечебных стационарах и в конечном счете получить существенный социальный и экономический эффект в масштабе государства. Данный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных признаков заявленного технического решения, приведенной в следующей формуле изобретения: «способ очистки биологической жидкости организма от вирусной инфекции, включающий сорбцию на магнитоуправляемых наночастицах, при этом перед проведением процесса сорбции суспензию наночастиц в виде нанофракции кобальтовой феррошпинели CoFe₂O₄ в спирте обрабатывают ультразвуком, затем инфицированную вирусами гепатита В или С биологическую жидкость перемешивают с суспензией наночастиц и пропускают через фильтр, имеющий входную зону, в которой создают однородное магнитное поле, зону грубой фильтрации, где создают градиентное магнитное поле от аксиально намагниченной втулки, зону тонкой фильтрации, в которой создают знакопеременное высокоградиентное магнитное поле, затем освобожденную от наночастиц с сорбированными на них вирусами биологическую жидкость направляют в емкость для сбора очищенной биологической жидкости; объем суспензии наночастиц в этиловом спирте, равный 0,5÷1,5 мл, при концентрации наночастиц С₀=1 мг/мл смешивают с инфицированной вирусом гепатита В или С кровью объемом в 200 мл таким образом, что концентрация наночастиц в объеме с инфицированной кровью составляет С=0,005 мг/мл; индукция однородного магнитного поля входной зоны фильтрации магнитного фильтра составляет 50 миллитесла; индукция знакопеременного высокоградиентного магнитного поля тонкой зоны фильтрации магнитного фильтра составляет не менее 500 миллитесла на сантиметр; скорость протекания биологической жидкости через магнитный фильтр устанавливают в пределах 18÷23 мл/мин; суспензию обрабатывают ультразвуком в течение 4÷5 минут; устройство для очистки биологической жидкости организма от вирусной инфекции, включающее узел подготовки суспензии, содержащей магнитоуправляемые частицы сорбента, узел смешения биологической жидкости с суспензией и магнитный фильтр с ловушкой для осаждения частиц с адсорбированными на них вирусами; в устройство введен перистальтический насос для прокачки биологической жидкости и емкость для сбора очищенной от вирусов биологической жидкости, узел подготовки суспензии наночастиц снабжен ультразвуковым диспергатором малого объема, узел смешения выполнен в виде стакана и магнитной мешалки, магнитный фильтр - в виде внутренней и наружной трубок, коаксиально вставленных одна в другую с зазором для протекания биологической жидкости, внутренняя трубка выполнена из магнитомягкого материала, наружная - из магнитотвердого и каждая заключена в тонкостенные пластмассовые оболочки для обеспечения герметичности и стерильности пространства между ними, торцы трубок герметично закрыты заглушками с размещенными в них впускным и выпускным патрубками для подсоединения внешних магистралей, при этом наружная трубка составлена из трех втулок, создающих входную зону для дополнительного подмагничивания наночастиц, зону грубой и зону тонкой фильтрации, между внутренней трубкой и втулкой зоны тонкой фильтрации, внутренняя поверхность которой имеет магнитные полюса для формирования знакопеременного высокоградиентного магнитного поля, расположена вставка с винтовыми каналами; токностенные пластмассовые оболочки выполнены из медицинского ПВХ-пластиката; число магнитных полюсов на внутренней поверхности втулки зоны тонкой фильтрации составляет не менее шести.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема устройства, посредством которого реализуется способ очистки биологической жидкости организма (крови) от вирусной инфекции путем сорбции на магнитоуправляемых наночастицах, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг.2 - принципиальная схема магнитного фильтра на фиг.1.

Объектом заявленного способа были выбраны образцы крови пациентов, инфицированных вирусами гепатита В и С, которые сорбировали на наноразмерных частицах кобальтовой феррошпинели CoFe₂O₄, используя экстракорпоральную схему устройства магнитного нанофильтра. Блок-схема устройства нанофильтрации приведена на фиг.1. В состав этого устройства входят: емкость 1, содержащая кровь с вирусами; узел 2 для подготовки суспензии магнитного наносорбента, включающий в себя ультразвуковой диспергатор малого объема; узел 3 смешения крови с суспензией наносорбента, состоящий из стакана и магнитной мешалки; перистальтический насос 4 для прокачки анализируемой среды через рабочую зону; собственно магнитный фильтр 5, где отработанные наночастицы вместе с адсорбированными на них вирусами осаждаются магнитными силами на внутренних поверхностях магнитной ловушки; емкость 6 для сбора очищенной от вирусов крови.

Магнитный фильтр предназначен для отделения магнитных наночастиц из потока жидкой среды органической или неорганической природы и последующего их осаждения на рабочих поверхностях устройства. Жидкой средой может быть биологическая жидкость (кровь, плазма и т.п.), смешанная с суспензией наноразмерных магнитных частиц различной природы с целью выведения токсических веществ из жидкости. В предложенном изобретении в качестве магнитных наночастиц использовали, как уже отмечалось, нанофракции CoFe₂O₄. Эти частицы благодаря малым размерам имеют высокую сорбционную емкость и высокую скорость удаления целевых компонентов из биологической жидкости. Важным параметром процесса очистки является скорость прокачки очищаемой жидкой среды (в данном случае крови) через рабочую зону устройства. Этот параметр можно позиционировать как «время экспозиции», то есть время, в течение которого очищаемая среда контактирует с сорбирующим нанопорошком. Время экспозиции, также как и концентрация наночастиц, определяют степень очистки биологической среды.

Основными конструктивными элементами магнитного нанофильтра являются две трубки 7, 8, одна 7 из которых вставляется в другую 8 коаксиально с обеспечением некоторого расстояния (зазора) 9 между соответствующими (наружной и внутренней) поверхностями трубок 7, 8 для протекания биологической жидкости (крови). Внутренняя трубка 7 изготовлена из магнитомягкого материала. Поскольку функционально фильтр имеет три зоны фильтрации - входную, грубой и тонкой фильтрации, то наружная трубка 8 выполняется составной из трех частей, изготовленных из магнитотвердого материала, а именно: магнитной втулки 10 входной зоны для дополнительного подмагничивания наночастиц, магнитной втулки 11 зоны грубой фильтрации и магнитной втулки 12 зоны тонкой фильтрации.

Предварительно для обеспечения герметичности и стерильности внутри пространства между трубками 7, 8 размещаются плотной посадкой тонкостенные оболочки 13, изготовленные из медицинского ПВХ-пластиката. Торцы 14, 15 конструкции нанофильтра герметично закрываются заглушками 16, 17 с впускным и выпускным патрубками 18, 19 для подсоединения внешних магистралей.

Наружная втулка 10 входной зоны фильтрации намагничена таким образом, что в пространстве между трубками 7, 8 создается однородное диаметральное магнитное поле. Наружная втулка 11 зоны грубой фильтрации намагничена аксиально, а втулка 12 зоны тонкой фильтрации намагничена многополюсно с расположением полюсов на внутренней поверхности втулки 12, при этом число полюсов может меняться от 6-ти до 12-ти. В зону тонкой фильтрации между внутренней трубкой 7 и втулкой 12 введена пластмассовая вставка 20 со спиральными (винтовыми) каналами по ее внешней поверхности, организующими поток магнитной жидкости поперек силовых линий магнитного поля.

Очистка крови по данному изобретению проводилась следующим образом. Для получения однородной дисперсной фазы магнитного нанопорошка перед его использованием и разрушения агломератов наночастиц, образовавшихся в процессе хранения последних, перед проведением процесса сорбции суспензию магнитных наночастиц в этиловом спирте обрабатывают ультразвуком посредством ультразвукового диспергатора малого объема в течение 4÷5 мин в узле 2 подготовки суспензии магнитного наносорбента (для этой цели можно использовать ультразвуковую ванну стандартной конструкции).

Затем определенный объем (0.5÷1.5 мл) суспензии наносорбента в этиловом спирте при концентрации С₀=1 мг/мл смешивают в узле 3 смешения крови с суспензией наносорбента с инфицированной кровью пациентов (200 мл) таким образом, чтобы концентрация наночастиц в объеме с инфицированной кровью составляла примерно С₀=0.005 мг/мл. После чего биологическая жидкая среда (кровь с вирусами), перемешанная с магнитной суспензией в устройстве 3, поступает в первую ступень (входную зону) магнитного фильтра через впускной патрубок 18 торцевой заглушки 16. Магнит наружной втулки 10 создает внутри однородное магнитное поле напряженностью около 50 миллитесла. Эта часть наружной втулки 10 намагничена таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля были практически параллельны диаметру втулки 10, при этом внешнее магнитное поле отсутствует. Наночастицы дисперсной фазы суспензии намагничиваются в магнитном поле и становятся «микромагнитами», склонными к агрегации. Это существенно облегчает последующее их удаление. Следует отметить, что осаждения дисперсной фазы на рабочих поверхностях первой ступени фильтра практически не происходит.

Далее очищаемая среда поступает во вторую ступень (зону грубой фильтрации) магнитного фильтра. На этой стадии биологическая жидкость, перемешанная с магнитными наночастицами, находится под воздействием градиентного магнитного поля от аксиально намагниченной втулки 11. На внутренней стенке втулки 11 второй ступени фильтра аккумулируется основная доля магнитного нанопорошка с адсорбированными на них вирусами - до 80÷90 процентов от общей массы дисперсной фазы.

На третьей ступени (зоне тонкой фильтрации) биологическая жидкость течет по винтовым каналам (подобным многозаходной резьбе) пластмассовой вставки 20, расположенной между внутренней трубкой 7 и втулкой 12. Внутренняя поверхность втулки 12 имеет несколько магнитных полюсов, что позволяет очищаемой биологической жидкости двигаться в знакопеременном высокоградиентном (не менее 500 миллитесла на сантиметр) магнитном поле. Предназначение этой ступени - полное удаление (осаждение) на внутренней поверхности оболочки 13 и винтовых каналов вставки 20 оставшихся в очищаемой среде наиболее мелких и трудноуловимых магнитных наночастиц.

На последнем этапе биологическая жидкость (кровь), освобожденная от наночастиц с сорбированными на них вирусами, покидает магнитный фильтр через выпускной патрубок 19 заглушки 17 и поступает в емкость 6 для сбора очищенной от вирусов крови.

На протяжении всего процесса очистки инфицированная кровь с наночастицами перемешивалась в устройстве 3 с помощью магнитной мешалки с небольшой скоростью вращения, достаточной для получения однородной смеси двух вязких жидкостей - крови и суспензии магнитных наночастиц. Скорость протекания крови с магнитной наножидкостью через магнитный фильтр варьировалась в пределах 18÷23 мл/мин.

Результаты клинических испытаний in vitro (в искусственных условиях) по сорбции вирусов гепатита В и С магнитоуправляемыми наночастицами по заявленным способу и устройству, когда в качестве очищаемой жидкости была взята сыворотка донорской крови, инфицированной вирусами гепатита В и С, показали, что в течение 8÷10 минут количество вирусов в крови снижается примерно в 5 раз и далее асимптотически приближается (стабилизируется) к значению около 80000 МЕ/мл, при этом это значение соответствует режиму насыщения, определяемому сорбционной емкостью сорбента.

Увеличение времени экспозиции до 24 минут не приводило к деструкции форменных элементов крови, что свидетельствовало о правильном выборе скорости движения очищаемой биологической среды, обеспечивающем при смешивании и магистральном движении близкий к ламинарному режим течения. Скорость очищения биологической среды (крови) зависела от относительной концентрации магнитоуправляемых наночастиц линейным образом, при этом данная зависимость может быть легко описана простым аналитическим выражением, удобным для прогнозирования параметров процедуры очистки биологической жидкости (объема очищаемой среды, необходимой концентрации сорбирующих наночастиц и времени экспозиции).

Таким образом, предложенные способ и устройство очистки биологической жидкости организма (крови) от вирусной инфекции путем сорбции на магнитоуправляемых наночастицах ферромагнетика CoFe₂O₄ (кобальтовой феррошпинели) обеспечивают мощное сорбирующее действие по отношению к HBV и HCV (вирусам гепатита В и С) во всем диапазоне исследуемых концентраций и снижение количества этого вирусов в сорбирующем растворе в 5 и более раз, что связано с индуцированными дипольными взаимодействиями между полярными молекулами магнетита и кобальтового феррита, с одной стороны, и вирусами, а также антигенами, с другой.

Как показали микроскопические исследования очищенной крови, практически весь объем наночастиц оказывается собранным на стенках в магнитной ловушке фильтрующего устройства, что позволяет говорить о высокой эффективности предлагаемых способа и устройства и целесообразности их использования в медицинской практике.

Источники информации

[1]. Патент Российской Федерации №2053797 «Способ удаления циркуляционных иммунных комплексов», класс А61М 1/38, заявл. 11.03.92, опублик. 10.02.96. Бюллетень №4.

[2]. Патент Российской Федерации №2086264 «Способ очистки крови при лечении больных, страдающих почечной недостаточностью, и устройство для его осуществления», класс А61М 1/38, 1/34, заявл. 09.03.90, опублик. 10.08.97. Бюллетень №22.

[3]. Авторское свидетельство №757165 «Способ очистки крови от токсических веществ и устройство для реализации способа», класс А61М 1/38, заявлено 10.05.78, опубликовано 23.08.80. Бюллетень №31.

1. Способ очистки биологической жидкости организма от вирусной инфекции, включающий сорбцию на магнитоуправляемых наночастицах, при этом перед проведением процесса сорбции суспензию наночастиц в виде нанофракции кобальтовой феррошпинели CoFe₂O₄ в спирте обрабатывают ультразвуком, затем инфицированную вирусами гепатита В или С биологическую жидкость перемешивают с суспензией наночастиц и пропускают через магнитный фильтр, имеющий входную зону, в которой создают однородное магнитное поле, зону грубой фильтрации, где создают градиентное магнитное поле от аксиально намагниченной втулки, зону тонкой фильтрации, в которой создают знакопеременное высокоградиентное магнитное поле, затем освобожденную от наночастиц с сорбированными на них вирусами биологическую жидкость направляют в емкость для сбора очищенной биологической жидкости.

2. Способ по п.1, в котором объем суспензии наночастиц в этиловом спирте, равный 0,5÷1,5 мл, при концентрации наночастиц С₀=1 мг/мл смешивают с инфицированной вирусом гепатита В или С кровью объемом в 200 мл таким образом, что концентрация наночастиц в объеме с инфицированной кровью составляет С=0,005 мг/мл.

3. Способ по п.1, в котором индукция однородного магнитного поля входной зоны фильтрации магнитного фильтра составляет 50 мТл.

4. Способ по п.1, в котором индукция знакопеременного высокоградиентного магнитного поля тонкой зоны фильтрации магнитного фильтра составляет не менее 500 мТл на сантиметр.

5. Способ по п.1, в котором скорость протекания биологической жидкости через магнитный фильтр устанавливают в пределах 18÷23 мл/мин.

6. Способ по п.1, в котором суспензию обрабатывают ультразвуком в течение 4÷5 мин.

7. Устройство для очистки биологической жидкости организма от вирусной инфекции, включающее узел подготовки суспензии, содержащей магнитоуправляемые частицы сорбента, узел смешения биологической жидкости с суспензией и магнитный фильтр с ловушкой для осаждения частиц с адсорбированными на них вирусами, отличающееся тем, что в устройство введен перистальтический насос для прокачки биологической жидкости и емкость для сбора очищенной от вирусов биологической жидкости, узел подготовки суспензии наночастиц снабжен ультразвуковым диспергатором малого объема, узел смешения выполнен в виде стакана и магнитной мешалки, магнитный фильтр - в виде внутренней и наружной трубок, коаксиально вставленных одна в другую с зазором для протекания биологической жидкости, внутренняя трубка выполнена из магнитомягкого материала, наружная - из магнитотвердого, и каждая заключена в тонкостенные пластмассовые оболочки для обеспечения герметичности и стерильности пространства между ними, торцы трубок герметично закрыты заглушками с размещенными в них впускным и выпускным патрубками для подсоединения внешних магистралей, при этом наружная трубка составлена из трех втулок, создающих входную зону для дополнительного подмагничивания наночастиц, зону грубой и зону тонкой фильтрации, между внутренней трубкой и втулкой зоны тонкой фильтрации, внутренняя поверхность которой имеет магнитные полюса для формирования знакопеременного высокоградиентного магнитного поля, расположена вставка с винтовыми каналами.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что тонкостенные пластмассовые оболочки выполнены из медицинского ПВХ-пластиката.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число магнитных полюсов на внутренней поверхности втулки зоны тонкой фильтрации составляет не менее шести.