DE19728089A1 - Verfahren zum Separieren einer Zellsuspension durch Zentrifugieren, insbesondere zum Trennen von Vollblut in seine Blutkomponenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Separieren einer Zellsuspension durch Zentrifugieren, insbesondere zum Trennen von Vollblut in seine Blutkomponenten.

Zur Behandlung von Patienten mit bestimmten Krankheiten werden bestimmte Blutkomponenten benötigt, die dem Patienten zugeführt werden. So werden beispielsweise zur Behandlung von thrombozytopenischen Patienten Thrombozy­ tenkonzentrate benötigt.

Zur Gewinnung eines Thrombozytenkonzentrates wird Blut eines Spenders in einem extrakorporalen Kreislauf einer Dichtezentrifugation unterworfen und in seine Bestandteile getrennt. Bei dieser Blutseparation erfolgt in einer ersten Stufe eine grobe Trennung des Blutes in zwei Phasen, nämlich in eine im wesentlichen aus Erythrozyten bestehenden Fraktion und eine im wesentlichen aus thrombozy­ tenreichem Blutplasma bestehenden Fraktion. Die Lage der Grenze zwischen den beiden Phasen wird von einer Detektoreinrichtung überwacht und nach Erreichen der gewünschten Höhe während des Separationsvorganges im allgemeinen kon­ stant gehalten. Dabei wird von einer hohen Phasengrenze gesprochen, wenn die Menge der Zellen die Menge des zellreichen Plasmas überwiegt und von einer niedrigen Phasengrenze im umgekehrten Fall. In einer zweiten Trennstufe wird das thrombozytenreiche Blutplasma dann in thrombozytenarmes Plasma und das gewünschte Thrombozytenkonzentrat separiert, das zur Behandlung des Patienten dient. Die verbleibenden Blutkomponenten werden wieder vereinigt und dem Spender zugeführt. Eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver­ fahrens ist beispielsweise durch den Zellseparator der Fresenius AG bekannt geworden.

Das Thrombozytenkonzentrat sollte mit einer möglichst geringen Kontamination durch Leukozyten gewonnen werden, da diese Immunreaktionen beim Patienten auslösen können. Lymphozyten, eine Unterfraktion der Leukozyten, die maßge­ bend für die Auslösung der Abwehrmechanismen sind, und die Thrombozyten lassen sich aber aufgrund ihrer Größenunterschiede nur schwer voneinander trennen. Um eine Immunisierung des Patienten auf jeden Fall zu vermeiden, wird das Thrombozytenkonzentrat zur Abtrennung der Leukozyten im allgemeinen zusätzlich filtriert. Hierzu sind Filtriersysteme bekannt, die zur einmaligen Verwendung bestimmt sind.

Zur Verringerung der Kontamination der gewonnenen Blutkomponente wird in der DE 41 29 516 A1 vorgeschlagen, die Phasengrenze während des Trennvor­ ganges fortlaufend zu verschieben. Dadurch wird eine erhöhte Ausbeute an Thrombozyten bei einer geringen Kontamination mit Leukozyten erreicht. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bewährt, da eine zusätzliche Filtration des gewonnenen Thrombozytenkonzentrates im allgemeinen entfallen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Verfahren zum Separieren einer Zellsuspension durch Zentrifugieren, insbesondere zum Trennen von Vollblut in seine Komponenten dahingehend zu verbessern, daß eine Kontamination des gewonnenen Zellkonzentrates mit großer Sicherheit unter einem vorgegebenen Grenzwert gehalten wird. Darüber hinaus liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Separieren einer Zellsuspen­ sion durch Zentrifugieren zu schaffen, die eine effektive Gewinnung eines Zell­ konzentrates in kurzer Zeit erlaubt, dessen Kontamination mit großer Sicherheit unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 8.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Kontamination des gewonnenen Thrombozytenkonzentrates mit Leukozyten unabhängig von der Höhe der Phasen­ grenze dann zunimmt, wenn die thrombozytenreiche Blutplasmafraktion mit einer hohen Flußrate aus der ersten Trennstufe abgezogen wird. Dies ist auf die Überführung von unzureichend ausseparierten Leukozyten aus der ersten in die zweite Trennstufe zurückzuführen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Flußrate der Fraktion der Zell­ suspension, die der zweiten Trennstufe zugeführt wird, insbesondere der throm­ bozytenreichen Blutplasmafraktion, auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt. Dadurch wird erreicht, daß die Leukozytenkontamination des Thrombozytenkon­ zentrates mit hoher Sicherheit unterhalb eines jeweils vorgegebenen, aber ver­ schiedenen Grenzwertes liegt. Der obere Grenzwert für die Flußrate der in die zweite Trennstufe überführten Fraktion kann in Abhängigkeit von der Drehzahl und Trenngrenzenposition der Zentrifuge empirisch ermittelt werden. Zur Gewin­ nung eines Thrombozytenkonzentrates mit hoher Ausbeute wird die Flußrate immer unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes gehalten. Dabei kann die Phasengrenze während des Separationsvorganges konstant gehalten oder alternie­ rend verändert werden, wie in der DE 41 29 516 A1 beschrieben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Zellsuspen­ sion in einem kontinuierlichen Prozeß getrennt wird.

Die Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der zweiten Trennstufe zu­ geführt wird, d. h. der Übergangsfluß, liegt vorzugsweise nahe unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes.

Wenn der Übergang von der Separationskammer in die Sammelkammer der Zentrifuge offen ist, kann die Flußrate der in die zweite Trennstufe überführten Fraktion nicht direkt verändert werden. In diesem Fall wird vorteilhalterweise die Flußrate der Zellsuspension, die der ersten Trennstufe zugeführt wird, beim Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes entsprechend reduziert.

Die Flußrate der in die zweite Trennstufe überführten Fraktion, d. h. der Übergangsfluß, wird vorteilhafterweise aus der Summe der Flußrate des aus der zweiten Trennstufe abgezogenen Zellkonzentrates und der Flußrate der verblei­ benden Komponenten der Fraktion der Zellsuspension berechnet, die aus der zweiten Trennstufe abgezogen werden, da sich der Übergangsfluß direkt nur mit einem hohen gerätetechnischen Aufwand ermitteln läßt.

Die zu separierende Zellsuspension wird vorzugsweise mittels einer Pumpe der ersten Trennstufe zugeführt, während das gewonnene Zellkonzentrat und die verbleibenden Komponenten der Fraktion jeweils mittels einer Pumpe abgezogen werden, deren Förderrate beispielsweise über die Pumpendrehzahl erfaßt wird. Zusätzliche Durchflußmesser brauchen somit nicht vorgesehen zu sein. Beim Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes wird die Förderrate der die Zellsuspension in die erste Trennstufe fördernden Pumpe reduziert. Eine der­ artige Blutflußreduktion kann dem Anwender beispielsweise auf einem Display signalisiert werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Pumpe mit einstellbarer Förderrate zwischen die erste und zweite Stufe der Separation geschaltet.

Da die Kontamination des gewonnenen Zellkonzentrates unterhalb eines vor­ gegebenen Grenzwertes liegt, ist ein zusätzliches Filtrieren nicht erforderlich, wodurch sich der gesamte Separationsprozeß vereinfacht. Zur Durchführung des Verfahrens sind bei den bekannten Zellseparatoren nur relativ geringfügige gerätetechnische Änderungen erforderlich. Es ist ebenso von großem Vorteil, daß das Verfahren kontinuierlich betrieben wird und daher hohe Effektivität erzielt werden kann durch optimale Trennung in geringstmöglicher Zeit.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, bei dem die Leukozytenkontamination des gewon­ nenen Thrombozytenkonzentrates auf der Ordinate gegen den Fluß des thrombozytenreichen Blutplasmas in die zweite Trennstufe auf der Abszisse bei einer maximalen Drehzahl der Zentrifuge von 2200 UpM aufgetragen ist,

Fig. 2 ein Diagramm entsprechend Fig. 1, wobei die maximale Dreh­ zahl der Zentrifuge 2000 UpM ist,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Blutzellseparators zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des Blutzell­ separators zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, nimmt die Leukozytenkontamination des gewonnenen Thrombozytenkonzentrates (TK) zu, wenn der Fluß des throm­ bozytenreichen Blutplasmas (PRP) in die zweite Trennstufe erhöht wird. Wenn der Fluß des thrombozytenreichen Blutplasmas (PRP) auf maximal 25,0 ml/Min. bei einer maximalen Zentrifugendrehzahl von 2000 UpM (Fig. 1) bzw. 32,2 ml/Min. bei einer maximalen Zentrifugendrehzahl von 2200 UpM (Fig. 2) begrenzt wird, ist die Leukozytenkontamination < 5×10⁶/TK. Die Begrenzung der Flußrate des thrombozytenreichen Blutplasmas erfolgt durch eine entsprechen­ de Reduzierung des der ersten Trennstufe zugeführten Vollblutes (VB).

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Blutzellseparators (Blutzentrifuge) zur Gewinnung eines Thrombozytenkonzentrates nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei nur die wesentlichen Bestandteile des Zellseparators dargestellt sind. Da Vorrichtungen zum Separieren von Vollblut in seine Bestandteile zum Stand der Technik gehören, ist eine schematische Darstellung für das Verständnis der Erfindung ausreichend. Blutzellseparatoren sind beispielsweise aus den US-Paten­ ten 3,655,123, 4,056,224 und 4,108,353 bekannt. Einrichtungen zur Über­ wachung der Phasengrenze in solchen Blutzentrifugen sind beispielsweise aus der EP-Patentschrift 0 116 716 bekannt. Auf diese Offenbarung wird bei der nach­ folgenden Beschreibung ausdrücklich Bezug genommen.

Die Blutzentrifuge weist als erste Trennstufe eine Separationskammer 1 auf, der über eine Zuführleitung 2, in die eine Blutpumpe 3 geschaltet ist, das zu separie­ rende Blut eines Spenders, das sogenannte Vollblut VB zuführbar ist. In dieser Separationskammer 1 wird das Vollblut VB grob in zwei Phasen getrennt. Die erste Fraktion besteht im wesentlichen aus Blutzellen, insbesondere den Ery­ throzyten RBC, während die zweite Fraktion im wesentlichen aus thrombozyten­ reichem Blutplasma PRP besteht. Der Separationskammer ist eine Einrichtung zur Erfassung der Phasengrenze 4 zwischen den beiden Fraktionen zugeordnet.

Die Blutzentrifuge weist darüberhinaus als zweite Trennstufe eine Sammelkam­ mer 5 auf. Die Separationskammer 1 und die Sammelkammer 5 sind Bestandteil eines Disposables, das in die Zentrifuge eingelegt wird, wobei die Sammelkam­ mer über einen Kanal 6 mit der Separationskammer in Strömungsverbindung steht. In der Sammelkammer 5 wird die thrombozytenreiche Blutplasmafraktion PRP zur Gewinnung des Thrombozytenkonzentrates TK weiter separiert.

An die Sammelkammer 5 ist eine zu einem Sammelbehältnis 7 führende Sammel­ leitung 8, in die eine Thrombozytenkonzentratpumpe 9 geschaltet ist, und eine Rückführleitung 10 angeschlossen, in die eine Blutplasmapumpe 11 geschaltet ist. Das gewonnene Thrombozytenkonzentrat TK wird über die Sammelleitung 8 mittels der Thrombozytenkonzentratpumpe aus der Sammelkammer 5 abgezogen, während das in der Sammelkammer 5 verbleibende thrombozytenarme Blutplasma PPP mittels der Plasmapumpe 11 abgezogen und dem Spender wieder zugeführt wird.

Über eine weitere Rückführleitung 12, die an der Separationskammer 1 ange­ schlossen ist, wird die im wesentlichen aus Erythrozyten RBC bestehende erste Fraktion durch die Zentrifugalkraft abgezogen und dem Spender wieder zugeführt.

Die Steuerung der Zentrifuge übernimmt eine Steuereinheit 13, die über Steuer- und Datenleitungen 14-17 mit der Blutpumpe 3, der Plasmapumpe 11 und der Thrombozytenkonzentratpumpe 9 sowie dem Phasendetektor 4 verbunden ist. Vorzugsweise erfolgt die Programmsteuerung mittels eines Mikroprozessors.

Die Plasmapumpe 11 wird von der Steuereinheit 13 derart angesteuert, daß deren Flußrate verändert wird, sobald eine Lageverschiebung der Phasengrenze detek­ tiert wird oder eintreten soll. Die Einstellung der Phasengrenze zwischen den beiden Fraktionen der Separationskammer 1 erfolgt durch Vorgabe des Verhält­ nisses zwischen den Flußraten der Plasma- und Blutpumpe 11, 3. Befindet sich die Blutzentrifuge im Grundzustand an der unteren Trenngrenze, so fördern Blut- und Plasmapumpe in einem vorgegebenen ersten Verhältnis (z. B. 50/20). Soll die Phasengrenze hochgefahren werden, muß dieses Verhältnis zugunsten der Plas­ maförderrate verändert werden. Die Programmsteuerung übernimmt dabei die notwendigen Einstellungen. Üblicherweise wird hierzu die Plasmapumpe hoch­ gefahren. Sobald die obere vorbestimmte Trenngrenze erreicht ist, fördern die Pumpen im alten Verhältnis (z. B. 50/20). Beim Herunterfahren erfolgt eine umgekehrte proportionale Steuerung. Die Plasmapumpe wird auf eine niedrige Pumpgeschwindigkeit eingestellt und pumpt daher weniger ab, bis die untere Trenngrenze erreicht ist.

Es können zwei verschiedene Betriebsarten vorgegeben werden. Bei der ersten Betriebsart wird die Phasengrenze während des Separationsvorganges konstant gehalten. Bei der zweiten Betriebsart wird die Phasengrenze alternierend zwi­ schen zwei Stellungen verschoben, wobei in einem Sammelabschnitt vorzugsweise eine niedrige bis hohe Trenngrenze eingestellt wird, so daß es zu einer Anhäu­ fung von Thrombozyten kommt. In dem folgenden Transferabschnitt wird die Phasengrenze hingegen extrem hochgefahren, so daß die in der Separations­ kammer gesammelten Thrombozyten mit überspült werden.

Die Steuereinheit 13 umfaßt eine Überwachungseinheit 18, die die Flußrate der thrombozytenreichen Blutplasmafraktion PRP überwacht, die aus der Separations­ kammer 1 in die Sammelkammer 5 und damit in die zweite Trennstufe überführt wird. Die Ermittlung der Flußrate erfolgt, indem die Summe der Förderraten der Plasmapumpe 11 und der Thrombozytenkonzentratpumpe 9 gebildet wird, wobei die Fördermengen der Pumpen über deren Betriebsspannungen ermittelt werden. Es können aber auch separate Sensoren vorgesehen sein, die ein der Drehzahl der Pumpen proportionales Ausgangssignal erzeugen. Zur Summenbildung weist die Überwachungseinheit 18 eine Recheneinheit 19 auf.

Über eine Eingabeeinheit 20 kann vom Anwender oder vom Gerätehersteller ein Grenzwert für die maximale Leukozytenkontamination vorgegeben werden. Dem vorgegebenen Grenzwert ordnet die Steuereinheit einen oberen Grenzwert für die Flußrate der thrombozytenreichen Blutplasmafraktion PRP zu, die bei den gege­ benen Betriebsparametern der Blutzentrifuge ermittelt und in einem Speicher der Steuereinheit abgelegt ist.

In der Überwachungseinheit 18 wird der aus den Förderraten der Plasmapumpe 11 und der Thrombozytenkonzentratpumpe 9 ermittelte Übergangsfluß mit dem gespeicherten Grenzwert verglichen. Die Steuereinheit 13 ist dabei derart ausge­ bildet, daß beim Überschreiten des Grenzwertes die Förderrate der Blutpumpe 3, d. h. deren Betriebsspannung, stufenweise verringert wird, bis der Übergangsfluß nahe unterhalb des gespeicherten Grenzwertes und damit auch die Leukozyten­ kontamination unterhalb des eingegebenen Grenzwertes liegt.

Ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Blutzellseparators zur Gewinnung eines Thrombozytenkonzentrates nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in Fig. 4 dargestellt, wobei die Teile, die den Teilen des unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Blutzellseparators entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Der Blutzellseparator gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem Blutzellseparator gemäß Fig. 3 dadurch, daß eine in den Kanal 6 zwischen der Separationskammer 1 und der Sammelkammer 5 geschaltete Pumpe 21 vorgesehen ist. Die Pumpe 21 ist über eine Steuer- und Datenleitung 22 mit der Steuereinheit 13 verbunden. Die Steuereinheit 13 stellt die Förderrate der Pumpe 21 derart ein, daß die Flußrate der durch den Kanal 6 geförderten thrombozytenreichen Blutplasmafraktion PRP nahe unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Separieren einer Zellsuspension durch Zentrifugieren, insbesondere zum Trennen von Vollblut in seine Komponenten, bei dem die Zellsuspension in einer ersten Trennstufe zur groben Trennung in mindestens zwei Fraktionen, insbesondere eine vorwiegend aus Blutzellen bestehende erste Fraktion und eine vorwiegend aus thrombozytenreichem Blutplasma bestehende zweite Fraktion, getrennt wird und bei dem eine der Fraktionen, insbesondere die thrombozytenreiche Blutplasmafraktion, einer zweiten Trennstufe zugeführt wird, in der die Fraktion zur Gewin­ nung eines Zellkonzentrates, insbesondere eines Thrombozytenkonzen­ trates, weiter getrennt wird, wobei das gewonnene Zellkonzentrat und die verbleibenden Komponenten der Fraktion, insbesondere das thrombozy­ tenarme Blutplasma, aus der zweiten Trennstufe abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der zweiten Trenn­ stufe zugeführt wird, insbesondere der thrombozytenreichen Blutplasma­ fraktion, auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate nahe des vorbestimmten Grenzwertes liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der zweiten Trennstufe zugeführt wird, überwacht und beim Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes die Flußrate der Zellsuspension, die der ersten Trennstufe zugeführt wird, reduziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu sepa­ rierende Zellsuspension der ersten Trennstufe mittels einer ersten Pumpe zugeführt wird, deren Förderrate beim Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der zweiten Trennstufe zugeführt wird, die Summe aus der Flußrate des gewonnenen Zellkonzentrates und der Flußrate der verbleibenden Komponenten der Fraktion der Zellsuspension gebildet wird, die aus der zweiten Trennstufe abgezogen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gewonne­ ne Zellkonzentrat aus der zweiten Trennstufe mittels einer zweiten Pumpe und die verbleibenden Komponenten der Fraktion der Zellsuspension aus der zweiten Trennstufe mittels einer dritten Pumpe abgezogen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate des gewonnenen Zellkonzentrates und der verbleibenden Komponenten der Fraktion der Zellsuspension aus den Förderraten der zweiten und dritten Pumpe ermittelt werden.

8. Vorrichtung zum Separieren einer Zellsuspension durch Zentrifugieren, insbesondere zum Trennen von Vollblut in seine Komponenten, mit
einer Separationseinrichtung (1) als erste Trennstufe zur groben Trennung der Zellsuspension in mindestens zwei Fraktionen, insbesondere einer vorwiegend aus Blutzellen bestehenden ersten Fraktion und einer vor­ wiegend aus thrombozytenreichem Blutplasma bestehenden zweiten Frak­ tion,
einer der Separationseinrichtung (1) nachgeschalteten Sammeleinrichtung (5) als zweite Trennstufe, der eine der beiden Fraktionen, insbesondere die thrombozytenreiche Blutplasmafraktion, zuführbar ist, so daß die Fraktion zur Gewinnung eines Zellkonzentrates, insbesondere eines Thrombozytenkonzentrates, weiter trennbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der Sammelein­ richtung (5) zuführbar ist, insbesondere der thrombozytenreichen Blut­ plasmafraktion, auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate möglichst nahe des vorgegebenen Grenzwertes liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Pumpe (3) vorgesehen ist, über die die zu separierende Zellsuspen­ sion der Separationseinrichtung (1) zuführbar ist, eine zweite Pumpe (9) zum Abziehen des gewonnenen Zellkonzentrates aus der Sammeleinrich­ tung (5) und eine dritte Pumpe (11) zum Abziehen der verbleibenden Komponenten der Fraktion der Zellsuspension, insbesondere das thrombo­ zytenarme Blutplasma, aus der Sammeleinrichtung vorgesehen ist und daß eine Steuereinheit (13) zur Einstellung der Förderraten der Pumpen (3, 9, 11) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einheit (13) eine die Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der Sammeleinrichtung (5) zuführbar ist, überwachende Überwachungseinheit (18) umfaßt und daß die Steuereinheit derart ausgebildet ist, daß beim Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes die Förderrate der ersten Pumpe (3) reduzierbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einheit (13) zur Ermittlung der Flußrate der Fraktion der Zellsuspension, die der Sammeleinrichtung (5) zugeführt wird, eine Recheneinheit (19) zur Bildung der Summe der Förderraten der zweiten und dritten Pumpe (9, 11) umfaßt.