In vivo биореактор для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга Российский патент 2022 года по МПК A61B17/00 

Изобретение относится к области медицины и медицинской технике, а именно к экспериментальным биологии, медицине, нейрохирургии, а также к тканевой инженерии и регенеративной медицине, к Ин виво биореактору для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга и и может быть использовано в нейрохирургии для восстановления проводящих путей спинного мозга после частичный или полного анатомического перерыва спинного мозга в условиях in vivo.

Восстановление перерыва остается главной клинической нейрохирургической проблемой оперативного лечения тяжелых травматических повреждений невральных структур спинного мозга. Кортикоспинальный тракт является наиболее важной двигательной системой у людей, однако надежная регенерация эти проводящих путей после травмы спинного мозга в современной медицине пока не достигнута. Аксоны центральной нервной системы (спинного мозга) взрослого человека не регенерирует спонтанно, а на месте повреждения нервной ткани развивается рубец, дополнительно затрудняющий нейрорегенерацию.

В современной неврологии сложилось два направления восстановления спинальных больных и функций поврежденного спинного мозга.

Первое направление связано с использованием нейропластичности спинного мозга - это врожденные свойство и способность структур центральной нервной системы изменяться под действием опыта, реструктуризироваться, а также постепенно восстанавливать разрушенные биологические нейронные сети или в качестве слабо выраженного морфогенетического ответа на стимулирующие внешние воздействия. Известно, что с помощью специального биомедицинского робота, удерживающего тело травмированного индивида в вертикальном положении, можно добиться активных движений. В отсутствии связи с головным мозгом спинной мозг начинает самостоятельно обучаться давать сигналы к движению и помогать роботу обеспечивать активные перемещения подопытным индивидам. На основе этого направления возможно создание нейронных протезов - устройств, которые могут частично восстанавливать двигательные, сенсорные и когнитивные функции, которые были утрачены в результате травмы или болезни спинного мозга.

Второе направление включает местное воздействие на разрушенный спинной мозг, в том числе и изменение свойств локальной среды регенерации, благодаря которым может частично инициироваться репаративная регенерация нервной ткани - анатомическое восстановление целостности проводящих путей центральной нервной системы (спинного мозга) с прорастанием аксонов через область дефекта, часто заполненного атипичными для интактной нервной ткани спинного мозга внеклеточным матриксом, мигрировавшими клеточными элементами системы крови или регенератом.

Ведется поиск способов внешнего управления репаративной регенерацией нервной ткани в области повреждения спинного мозга. Для этого необходимо в определенной последовательности, с учетом периода раневого процесса, создавать местные благоприятные условия для восстановления, а именно: увеличить концентрации биологически активных веществ, оказывающих благоприятное влияние, поддерживающее регенерацию аксонов, и уменьшить присутствие тормозящих факторов. Важно изменить биологическую структуру зоны травмы, чтобы прорастание нервных волокон могло произойти в принципе. Для доставки полезных нейротрофинов, например, BDNF и NT-3 - белков, которые влияют на рост, выживание и дифференциацию нервных клеток могут быть использованы не только специальные носители и системы доставки, с помощью которых пока так и не удалось решить проблему длительного поддержания необходимых концентраций нейротрофинов и иных цитокинов в области регенерации, но и новые методы генной инженерии, призванные решить эту проблему иным образом, за счет локальной длительной продукции этих белков. Например, создан специальный вирусный вектор (аденоассоции-рованный вирус, лентивирус), который вводится в место повреждения спинного мозга и трансфецирует клетки регенерата или окружающих тканей, заставляя их производить локально большие количества нужных нейротрофинов в течение достаточно длительного времени (Taylor L., Jones L., Tuszynski M.H., Blesch A. Neurotrophin-3 gradients established by lentiviral gene delivery promote short-distance axonal bridging beyond cellular grafts in the injured spinal cord // /J Neurosci., 2006,Sep.20; 26(3 8):9713-21.doi: 10.1523/JNEUROSCI.0734-06.2006).

Для уменьшения количеств препятствующих нервной регенерации веществ и элементов внеклеточного матрикса атипичных регенератов в области травмы используются ферменты, которые расщепляют, например, протеогликаны, углеводная часть, которых представлена хондроитин сульфатом. Введение ферментов осуществляется в область повреждения, в локальную среду регенерации и регенерационного ремоделирования тканей (Tran А.P., Warren Р.М., Silver J. The Biology of Regeneration Failure and Success After Spinal Cord Injury // Physiol Rev. 2018 Apr 1; 98(2):881-917. doi: 10.1152/physrev.00017.2017). Изменяют уровни циклических нуклеотидов, чтобы направить регенерирующие аксоны в правильном направлении используется структурированные волокна агарозы или из иных биосовместимых материалов, которые имплантируются в область дефекта и т.д.

Известно, что при травме центральной нервной системы, в том числе спинного мозга, происходит изменение состава ликвора, этот патологически измененный ликвор обладает разрушающем действии (лизис, растворение клеток и тканей центральной нервной системы под влиянием ферментов) и препятствует органотипичной репаративной регенерации нервной ткани ЦНС, за счет стимуляции роста грубого глиосоединительнотканного мозгового рубца, поэтому необходима изоляция места пересечения спинного мозга от действия ликвора (А.А. Корж, В.А. Филипенко, Г.К. Грунтовский, Н.В. Дедух // Ортопедия, травматология и протезирование. - 1990. - №8. - с. 16-20), одним из способов изоляции - использование методика герметизации соединяющего шва спинного мозга по В.И. Зяблову (В.И. Зяблов. К вопросу о восстановлении проводимости спинного мозга после его перерезки. // Морфогенез и регенерация: Труды Крымского медицинского института. - Харьков, 1975. - т. 60 - с. 11-14), для изоляции прямого анастомоза между отрезками спинного мозга накладывали П-образные швы на мягкую оболочку спинного мозга, а область шва спинного мозга окутывают аутологичным жировым лоскутом.

Известен «Способ восстановления функций спинного мозга при моделировании его полного анатомического перерыва в остром периоде в эксперименте», включающий интратекальное (субдуральное) введение перфторана. В ходе операции по сшиванию спинного мозга вдоль его боковой поверхности в субдуральное пространство устанавливают дренажную трубку, которую выводят на кожу. Проводят пластику дефекта твердой мозговой оболочки. Выполняют оментомиелопексию. Рану послойно ушивают. В течение 15 суток через трубку проводят интратекальное (субдуральное) введение перфторана с орошением (лаважем) спинного мозга в субдуральном пространстве. Перфторан обладает сорбционными свойства, позволяет удерживать и при создании потока вымывать большое количество активных тканевых продуктов останавливает деструктивную последовательность вторичных метаболических изменений и обеспечивает сохранение не вовлеченных участков мозга и ингибирование апоптоза олигодендроцитов. Окружающие спинной мозг мягкие ткани формируют подобие временной полости, в которую, через полую трубку, один конец которой оставлен над кожей с помощью шприца нагнетают специальную жидкость - концентрированные эмульсии на основе бинарной смеси перфтордекалина и перфторметилциклогексилпиперидина (Перфторан), являющиеся сложной многофазной коллоидной структурой, применяемой в медицине, в первую очередь, как полифункциональное лекарственное средство (газотранспортные заменители донорской крови). Нагнетание жидкости под давлением раз в день повреждает мягкие ткани, вызывая микроразрывы и преждевременное прорезывание хирургических швов, способствуя длительному (15 суток) поддержанию слабовыраженной воспалительной реакции и фиброзного ответа. Мягкие ткани образуют спайки во временном промежутке отсутствия жидкости между введениями, каждодневно уменьшая объем возможного введения перфторана через трубку, (см. патент РФ №2341830 МПК G09B 23/28, 20.12.2008).

Локальная среда регенерации спинного мозга представлена, в том числе ликвором и тканевой жидкостью, посредством изменения свойств которых можно добиться изменения структурной динамики посттравматической регенерации тканей в этой части центральной нервной системы. Ряд водорастворимых агентов-регуляторов нейро регенерации приведены ниже. Например, белки кристаллины, которые блокируют рецепторы, реагирующие на действие других белков, подавляющих рост аксонов и препятствующих образованию Рубцовых тканей на месте повреждения, удалось продемонстрировать, что кристаллин β b2 (сryβb2) может способствовать росту нервных волокон. При повреждениях ЦНС выделяется много глютамата. Было показано, что препарат Мемантин (NMDA-антагонист) обеспечивает эффективную защиту от гибели нервных клеток после экспериментального повреждения. Являясь неконкурентным антагонистом N-метил-D-аспартат (NMDА)-рецепторов, оказывает модулирующее действие на глутаматергическую систему. Регулирует ионный транспорт, блокирует кальциевые каналы, нормализует мембранный потенциал, улучшает процесс передачи нервного импульса. Циклический аденозин монофосфат (ЦАМФ) стимулирует регенерацию аксонов в области травматического перерыва. TGF-beta 3 действует на окружающие стромальные клетки, иммунные клетки, эндотелиальные и гладкомышечные клетки. Это приводит к супрессии иммунного ответа и стимуляции ангиогенеза. TGF-beta также преобразует эффекторные Т-клетки, которые в обычной ситуации атакуют клетки центральной нервной системы в ходе воспалительной (иммунной) реакции, в регуляторные (супрессорные) Т-клетки, которые выключают воспалительную реакцию. В отличие от TGF-бета1 и бета2 изоформ TGF-beta3 показал способность подавлять рубцевание и фиброз в естественных условиях при определенных условиях эксперимента. Фактор роста нервов - небольшой секретируемый белок (цитокин), поддерживающий жизнеспособность нейронов, стимулирующий их развитие и активность. Относится к семейству нейротрофинов. Был идентифицирован первым из факторов роста. Другие представители этого семейства, которые хорошо известны, включают в себя нейротрофический фактор головного мозга, нейротрофин-3 и нейротрофин 4/5. Кальций-связывающий белок онкомодулин идентифицирован как синтезируемый макрофагами ростовой фактор для аксонов нейронов, который запускает и усиливает экспрессию ряда генов, ассоциированных с аксональным ростом в поврежденном нейроне. Показано, что онкомодулин, взаимодействуя с нейронами, оказывает значительно более выраженный эффект на рост аксонов этих клеток, чем прочие известные трофические факторы (van Niekerk Е.A., Tuszynski М.Н., Lu P., Dulin J.N. Molecular and Cellular Mechanisms of Axonal Regeneration After Spinal Cord Injury. // Mol Cell Proteomics. 2016 Feb; 15(2):394-408. doi: 10.1074/mcp.R115.053751. Epub 2015 Dec 22; Brock J.H., Rosenzweig E.S., Blesch A., Moseanko R., Havton L.A., Edgerton V.R., Tuszynski M.H. Local and remote growth factor effects after primate spinal cord injury. J Neurosci. 2010 Jul 21; 30(29):9728-37. doi: 10.1523/JNEUROSCI. 1924-10.2010).

Известен Способ стимуляции посттравматической частичной регенерации конечностей, хвоста и кожи у млекопитающих, где за счет специальных устройств области травматических повреждений тканей этих наружных органов окружаются стерильной изотонической водной средой, в которой и протекает восстановление, и такая среда сама по себя является фактором, повышающим полноту частичной регенерации у млекопитающих в этих животных моделях при наблюдении ослабленного рубцевания в ранах, (см. патент РФ 2053775, МПК А61K 33/14).

Таким образом, при наличии большого выбора молекул, стимулирующих регенерацию нервных тканей, и, самое важное для восстановления проводящих путей - стимуляцию клеточной формы регенерации - роста нервных волокон (аксонов), а также молекул, препятствующих образованию глиально-соединительнотканных рубцов, блокирующих регенерацию, существует острая необходимость в подборе местных условий вокруг регенерирующих структур и выбора оптимальных параметров жидких сред, а также способов и устройств для постоянного удержания жидкой среды и поддержания оптимальных концентраций питательных веществ, метаболитов, цитокинов, выведения продуктов тканевой деструкции, поддержания выбранных физико-химических параметров жидкостной части локальной среды регенерации, что в совокупности должно инициализировать скрытую в ходе эволюции регенеративную способность млекопитающих и человека в том числе к восстановлению проводящих путей спинного мозга.

Известен аналог устройство для обеспечения репаративной регенерации спинного мозга, которое предназначено для исследований и обеспечения репаративной регенерации спинного мозга после травм. Представляет собой накожную камеру, заполненную жидкой средой, с элементами крепления к поверхности кожи и корпусу животного. Камера расположена над хирургической раной, края которой разводятся и не ушиваются для продолжительного доступа к обнаженному спинному мозгу. Раневой канал сообщает полость капсулы, заполненной жидкостью, с обнаженным травмированным спинным мозгом, жидкость внутри капсулы постоянно заполняет всю рану и постоянно омывает спинной мозг. В данном устройстве полость, ограниченная стенками устройства, содержащая самый большой объем рабочей жидкой среды, расположена на поверхности кожи, и сообщается с травмированным спинным мозгом через достаточно глубокий раневой канал. Такое расположение конструктивных элементов устройства затрудняет равномерное омывание области травмированной нервной ткани жидкой средой, а раневая поверхность имеет достаточно большую площадь. Через раневую поверхность постоянно мигрируют ядросодержащие клетки крови, поступает фибронектин, другие белки крови, тканевая жидкость и провоспалительные факторы, присутствие которых нежелательно в центральной нервной системе (обнаженный спинной мозг формирует дно такого искусственного раневого канала), (см. патент РФ №2709112, МПК А61В 17/00, 16.12.2019).

Все вышеперечисленное может поддерживать и усиливать нежелательное воспаление в области травмы. Отек стенок раневого канала и оболочек мозга может затруднять диффузию стимулирующих регенерацию веществ в центральную нервную систему - спинной мозг. Недостатком является так же необходимость длительного открытия раны для доступа жидкости к спинному мозгу и для проведения дополнительных иных возможных манипуляций с обнаженной частью спинного мозга и его оболочками, возрастают риски инфицирования, поскольку стремлению кожи к заживлению раны препятствует искусственное разведение краев раны и жидкая среды, вымывающая раневой внеклеточный матрикс. Сложностью пользования этим устройством заключается в необходимости обеспечения абактериальных условий при смене жидкости и в ходе эксперимента. Присутствует риск развития осложнений - инфекционного воспаления в ране и его дальнейшего распространения в центральной нервной системе.

Применимость новых способов и разработка составов специальных жидких сред для стимуляции регенерации аксонов нейронов через создание искусственных условий - локального благоприятного для регенерации жидкого микроокружения или особой жидкой среды в области травмы (с посттравматическим разрушением непрерывности нервных волокон проводящих путей) центральной нервной системы для полноценного восстановления нервной ткани спинного мозга, что может быть проверено только при условии создания специальных устройств - новых ин виво биореакторов.

Задачей изобретения является создание ин виво биореактор для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга.

Техническим результатом является надежное повышение эффективности лечения спинальной травмы, за счет стимуляции органотипичной репаративной регенерации нервной ткани при местном воздействии растворов с биологически активными веществами, эффективного предотвращения развития и лизиса мозговых рубцов, снижении травматичности и трудоемкости медицинского ухода и рисков развития инфекционных осложнений при искусственном удержании жидкой среды благоприятной для нейрорегенерации над травмированным спинным мозгом, а также обеспечении быстрой смены жидкости и ее доступности для контроля в любое время в течение длительного периода восстановления проводящих путей спинного мозга. Изобретение позволяет проводить хронические эксперименты с получением новых фундаментальных знаний о регенерации нервной системы, эффективное проведение клеточных трансплантаций in vivo в регенерирующую нервную ткань (в том числе при использовании животных моделей).

Технический результат достигается тем, что предложен ин виво биореактор для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга, содержащий стенки камеры, образующие емкость, штуцеры и трубки для подачи и извлечения вещества из его полости, отличающееся тем, что края боковых стенок камеры биореактора опираются на спиленные боковые отростки позвонков, стенки биореактора имеет металлические соединения с телами позвонков, сама камера расположена внутри тела непосредственно над обнаженным травмированным спинным мозгом, под целостным кожным покровом над устройством, штуцера для подачи и извлечения специальных стерильных растворов, приближенных по своим физико-химическим параметрам к изотоническим растворам и культурным питательным средам, используемых в клеточных технологиях и методах клеточных культур, с биологически активными веществами, стимулирующей и поддерживающей нейрорегенерацию, из емкости камеры, расположены в верхне-боковой части камеры, каждый штуцер с помощью гибкой трубки соединен с порт-системой, смена растворов осуществляется путем прокола одновременно кожи и мембраны порт-систем иглами для порт-систем, причем через одну порт-систему осуществляется подача, при одновременном извлечении равного количества из емкости биореактора через вторую порт-систему.

Технический результат данного изобретения заключается в разработке нового имплантируемого в тело устройства - ин виво биореактора для спинного мозга, обеспечивающего стимуляцию нейрорегенерации проводящих путей спинного мозга, повышение эффективности лечения спинальной травмы в условиях, длительного обеспечения местного воздействия биологически активными веществами на проводящие пути спинного мозга и окружающие ткани, обеспечении хронического эксперимента для тестирования состава сред и новых лекарственных и биофармацевтических веществ при их местном применении на регенерирующие нервные волокна in vivo, за счет длительного удержания водных растворов определенных составов биологически активных веществ, стимулирующих рост нервных волокон и препятствующих формированию глиальносоединительнотканных мозговых рубцов в травмированном спинном мозге, возможности проведения лизиса рубцовой ткани, снижении рисков инфекционных осложнений и облегчении использования устройства. Устройство позволяет осуществлять клеточные трансплантации (введение клеточных суспензий, мелких тканевых сфероидов и клеточных агрегатов). Травмированный спинной мозг в ходе предварительной операции частично обнажается и закрывается стенками камеры, над ин виво биореактором ушивается хирургическая кожная рана, образуемая при осуществлении оперативного доступа к спинному мозгу. Устройство не имеет прямого контакта с внешней воздушной средой, спинной мозг (после ламинэктомии) надежно защищен со стороны задней поверхности стенками устройства и дополнительно стабилизирован за счет прочностных характеристик стенок устройства и металлических креплений устройства к телам позвонков с помощью шурупов. Устройство позволяет эффективно разрабатывать новые регенеративные биомедицинские технологии и вести исследования нейрорегенерации используя три стратегии регенеративной медицины, а именно: 1) исторически, самую распространенную стратегию изменения окружающей среды поврежденной или регенерирующей структуры; 2) применение принципов клеточной инженерии с пересадкой культивируемых клеток со специальными субстратами или без них; 3) а также повысить эффективность генной инженерии и терапии, включая имплантацию генно-инженерных клеток или введение генов непосредственно в клетки in vivo. За счет дополнительной фиксации тел позвонков и препятствия разрастанию рубцовой ткани жидкой средой предупреждается развитие постламинэктомического синдрома.

Технический результат достигается тем, что травмированный спинной мозг в ходе предварительной операции, включающий рассечение кожного покрова, оперативный доступ к спинному мозгу, ламинэктомию для возможных хирургических экспериментальных манипуляций с этой частью центральной нервной системы или для декомпрессии спинного мозга в спинномозговом канале с восстановлением гемо- и ликвородинамики. Сам спинной мозг частично обнажается и закрывается твердыми и биоинертными стенками ин виво биореактора сверху и частично с боков, образуется искусственная неспадаемая полость между стенками биореактора и стенкой спинномозгового канала, центральную часть которой занимает спинной мозг с оболочками или без них, которая с помощью системы штуцеров, трубок и порт-систем доступна для подачи и извлечения растворов с биологически активными веществами, стимулирующими и поддерживающими нейрорегенерацию, в устройство подаются специальные стерильные растворы, приближенные по своим физико-химическим параметрам к изотоническим растворам и культуральным питательным средам, используемым в клеточных технологиях и методах клеточных культур. Ин виво биореактор имплантируется внутрь тела и предназначен для лечения спинного мозга, одновременно выполняет функцию фиксирующей конструкции, изготавливается из материалов, обладающих биологической, химической и физической инертностью. Металлическое крепление стенок ин виво биореактора к телам позвонков в совокупности с ламинэктомией по сути является декомпрессивно-стабилизирующим хирургическим вмешательством, в ходе которого устраняется снижается риск сдавления спинного мозга окружающими тканями или внешним механическим повреждающим фактором, а также выполняется стабилизация позвоночника самим ин виво биореактором частично выполняющим функцию фиксирующего устройства.

Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами.

Фигура 1. Поперечный срез ин виво биореактора и подлежащего позвонка, спинного мозга:

1 - камера ин виво биореактора с твердыми биоинертными стенками;

2- боковая стенка камеры цилиндрической формы;

3- утолщенный боковой край камеры;

4 - штуцер ин виво биореактора для подачи-извлечения растворов;

5- эластичная трубка для подачи-извлечения растворов;

6 - порт-система;

7 - жидкость в полости ин виво биореактора;

8 - винт-шуруп, фиксирующий тело позвонка к ин виво биореактору;

9 - тело позвонка;

10 - спинной мозг.

Фигура 2. Анатомические структуры позвонка и соседние органы, поперечный срез:

9 - тело позвонка;

10 - спинной мозг;

11 - спинномозговой канал;

12 - поперечный отросток;

13 - суставной отросток;

14 - остистый отросток позвонка;

15 - дужка позвонка;

16 - ножка позвонка.

Фигура 3. Продольное сечение ин виво биореактора, прилежащих позвонков, спинного мозга:

1 - камера ин виво биореактора с твердыми биоинертными стенками;

2 - боковая стенка камеры цилиндрической формы;

7 - жидкость в полости ин виво биореактора;

10 - спинной мозг;

14 - остистый отросток позвонка;

17 - межпозвоночный диск.

Фигура 4. Продольное сечение устройства и животного-модели - кролика, демонстрирующая взаимное расположение элементов устройства и тела животного, схема системы по изобретению:

1 - камера ин виво биореактора с твердыми биоинертными стенками;

5- эластичная трубка подачи-извлечения растворов;

6 - порт-система;

7 - жидкость в полости ин виво биореактора;

9 - тело позвонка;

17 - межпозвоночный диск;

18 - животная модель - кролик.

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.

В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е., в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».

Нейрорегенерация - возобновление роста или восстановление нервных тканей, клеток или клеточных продуктов. Такие механизмы могут включать образование новых нейронов, глии, аксонов, миелина или синапсов.

Клеточные продукты - это стволовые клетки, включают эмбриональные стволовые клетки, соматические стволовые клетки взрослых различных видов и их генетически модифицированные производные, клетки с флуоресцентной меткой, а также первичные клетки.

Проводящие пути спинного мозга, или тракты спинного мозга - это совокупность нервных волокон (систем пучков волокон), проходящих в канатиках спинного мозга.

Ламинэктомия - это хирургическая процедура, при которой удаляется часть позвоночной кости, называемая пластинкой, которая является крышей позвоночного канала, осуществляется резекция дужек позвонков или какой-то их части, возможно удаление дужки одного или нескольких позвонков с целью уменьшения давления костной ткани на спинной мозг, проводится под общим наркозом и миорелаксацией.

Постламинэктомический синдром - синдромом оперированного позвоночника - персистирующие или рецидивирующие радикулярные синдромы (боль, онемение, слабость в ноге) и различные варианты люмбалгии (болей в спине), с различной степенью функциональной недостаточности, что снижает качество жизни и трудовую активность пациента, перенесшего одно или несколько оперативных вмешательств на позвоночнике. Чаще всего связан со сформированной рубцовой тканью в области нервных структур, сдавлением и контракции мягких тканей, оказывающих механическое давление на структуры нервной системы.

Травматическая болезнь спинного мозга - комплекс обратимых или необратимых изменений, наступающих после острого повреждения вещества спинного мозга или сосудов, оболочек и корешков, что сопровождается реологическими и ликвородинамическими расстройствами и приводит к частичному или полному нарушению проводимости по спинному мозгу и его корешкам.

Хронический эксперимент - физиологический эксперимент, при котором исследования проводят длительно на одном объекте без существенных нарушений его жизненных функций, напр. с наложением фистулы на исследуемый орган.

Тканевая инженерия - дисциплина биомедицинской инженерии, которая сочетает в себе биологию, химию и инженерию для создания неоткани (вновь сформированной ткани) на каркасе, а также наука о восстановлении, замене и улучшении функциональных свойств биологических тканей больные или поврежденных органов, посредством комбинации клеток, биологически активных молекул, синтетических и естественных биологических компонентов.

Биореактор - любое устройство, которое способно динамически поддерживать биологические и/или биохимические процессы в точно контролируемых и контролируемых экспериментальных и рабочих условиях (например, рН, температура, механические воздействия, время, подача питательных веществ и удаление отходов), это динамическая платформа для культивирования в 3D системах клеток для различных биомедицинских применений, таких как: расширение различных типов клеток, включая PSC, генерация трехмерных органоидов из PSC и тканеспецифическая дифференциация органоидов, полученных из стволовых клеток.

In Vivo биореакторы - это устройства, которые имплантируются в организм и используют естественную регенеративную способность организма генерировать новую ткань, стратегия биореактора in vivo может использовать аутологичные и искусственные каркасы-графты, культивированные клетки; экзогенные факторы роста. Часто под in vivo биореактором понимают искусственное пространство внутри тела, сформированное таким образом, чтобы оно служило «тканеинженерным биореактором», в котором конструирование неоткани достигается путем вызова лечебного регенеративного ответа в пространстве, ограниченном этим устройством. Как вариант биореактора in vivo - специальная камера, образующая защищенное закрытое пространство внутри себя, встроенная в тело хирургическим путем вокруг основных кровеносных сосудов, создает внутри своей емкости высоко проангиогенную среду, которая облегчает приживление и выживание трансплантированных клеток и тканеинженерных конструкций.

Нейротрофины - общее название секретируемых белков, поддерживающих жизнеспособность нейронов, стимулирующих их развитие и активность. Эти белки, в свою очередь, входят в обширное семейство факторов роста.

Трансформирующий ростовой фактор бета (англ..transforming growth factor beta, TGF-beta) - это белок-цитокин, выделяемый клеткой во внеклеточную среду, существует по крайней мере в трех изоформах: TGF-beta1, TGF-beta2 и TGF-betaS.

Искусственная цереброспинальная жидкость- это буферный раствор, который используется в экспериментах для погружения изолированного мозга, срезов мозга или обнаженных участков мозга для подачи кислорода, поддержания осмолярности и буферного рН на биологическом уровне.

Ин виво биореактор для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга работает следующим образом: после проведения ламинэктомии в нижнегрудном отделе позвоночника и осуществления хирургического доступа к спинному мозгу и его оболочкам проводиться экспериментальное повреждение спинного мозга (пересечение поперечное спинного мозга тонким лезвием с сохранением передней и задней спинальных артерий и вен, либо дозированные ушиб спинного мозга) ин виво биореактор имплантируется в тело животной модели. Для биосовместимости устройство изготавливается из биоинертных твердых материалов с учетом анатомических размеров при 3D моделировании позвоночного столба животных-моделей и аддитивных технологий печати главной части - емкости ин виво биореактора из металла. Камера может изготавливаться из титана, полируется и запаивается в специальный биосовместимый инертный пластик - полисульфон (вариант).

Камера ин виво биореактора с помощью металлического крепления располагается над вскрытым спинномозговым каналом. С помощью специальных винтов или шурупов для остеосинтеза боковые края привинчиваются к телу позвонков. Отверстие в боковых краях делается шилом в ходе операции при сопоставлении устройства с телами позвонков. Попарно, сверху вниз. Для герметизации контакта стенок биореактора с костью можно использовать экссудированный эластомер - стоматологический акрил, циано-акрилат. Для промывания раны и освобождения тканей спинного мозга от кровяных сгустков возможно использование питательной среды F12 или искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), все обнаженные части губчатой кости должны быть закрыты стоматологическим акрилом.

Такое крепление обеспечивает эффективную интеграцию имплантируемого устройства с телом, защиту задней поверхности спинного мозга и стабилизацию тел позвонков с удаленными дужками.

Через основной и единственный хирургический разрез - доступ к спинному мозгу осуществляется установка и двух порт-систем В качестве порт-системы в настоящем изобретении, в частности, может быть использована имплантируемая хирургическим путем подкожно две порт-системы Селсайт, которые должны быть скомплектованы со специальными иглами Сурекан. Соединение штуцера и трубки порт-системы закрепляется специальной фиксирующей муфтой для повышения надежности крепления. Хирургический разрез лучше делать отступя латерально от проекции позвоночника на поверхность кожи, чтобы хирургический шов не находился над ин виво биореактором.

Инфузионные порты, устанавливается под кожей с одной стороны туловища, где тупым путем формируются два не сообщающихся между собой подкожных кармана, возможно подшивание порта к подкожной основе или поверхностной фасции для дополнительной устойчивости и профилактики загиба трубок. Подача и извлечение растворов проводится одновременно, чтобы исключить эффект подсасывания мягких тканей и спинного мозга в емкость биореактора. Оптимально использовать полуавтоматические шприцы "Socorex". Используются специальные иглы, которые, пунктируя силиконовую мембрану порта, позволяют вводить жидкие среды в резервуар, не повреждая силиконовую мембрану, гарантируя длительность использования порт-систем. Далее жидкость попадает в трубку и далее по ней к спинному мозгу - в емкость, образуемую стенками ин виво биореактора. При смене жидкости животное приподнимают в вертикальное положение из ниже расположенного штуцера через порт-систему извлекают жидкость и одновременно в равном объеме подается жидкость через выше расположенный штуцер.

Над имплантируемым устройством проводиться послойное ушивание кожи. Кожный покров должен зажить после хирургического рассечения первичным натяжением.

Через порт -системы и штуцеры подаются готовые изотонические стерильные растворы с контролируемыми свойствами, и извлекаются отработанные растворы с метаболитами, патологически измененным ликвором и экссудатом. В качестве основы растворов может использоваться искусственная спинномозговая жидкость.

Спинной мозг постоянно находится в контролируемом жидком микроокружении (управляемой жидкой среде). С помощью шприца и специальной иглы, через порт-систему в область травмы спинного мозга может быть введение клеточной суспензии.

В ходе эксперимента ин виво биореактор и порт-системы могут длительно находиться в теле и не нуждаются в замене на протяжении всего хронического эксперимента.

Работоспособность предлагаемого устройства подтверждается следующими экспериментальными примерами: под общим наркозом у взрослых кроликов осуществляется хирургический доступ к спинному мозгу, проводится ламинэктомия, удаляются из области повреждения части мягких тканей, возможно частичное удаление спинномозговых оболочек. Передние и задние спинальные артерии желательно сохранить в целостности. Обнаженный спинной мозг в таком случае находится на дне раны, одной группе кроликов осуществляют частичную перерезку спинного мозга, другой группе кроликов - наносили дозированное механическое повреждение - контузию. Имплантируется ин виво биореактор вместе с подсоединенными порт-системами. С помощью металлокреплений (шурупы) камера биореактора прочно соединяется с телами позвонков, возможна дополнительная герметизация краев камеры ин виво биореактора с помощью костного цемента. Над имплантируемым ин виво биореактором проводится ушивание подкожно жировой клетчатки и кожи. Линия разреза кожи при доступе должна быть смещена от линии вдоль спинномозгового канала на 2-5 см латерально в противоположную сторону от предполагаемой стороны установки порт-систем.

В полость камеры ин виво биореактора через порт-системы подаются стерильные растворы со специальными свойствами, поддерживается искусственная жидкая локальная среда регенерации, приближенная в том числе к культуральным питательным средам, применяемым в клеточных технологиях. Устройство позволяет исследовать воздействия различных растворенных веществ, в том числе биологически активных, лекарственных, биофармацевтических на регенерацию нервной ткани спинного мозга и соединительной ткани, окружающей спинной мозг и входящей в состав его оболочек, препятствуя образованию глиально соединительнотканных рубцов и спинномозговых кист, а также изменять состав и контролировать жидкую среду микроокружения травмированного спинного мозга на живых моделях можно в течение многих недель, регулируя метаболизм тканей внутри биореактора и интенсивность кровообращения. Нейрорегенерация достаточно медленный биологический процесс, требующая длительного и непрерывного воздействия стимуляторов регенерации, подобное устройство позволяет получать новые научные результаты и разрабатывать новые регенеративные биомедицинские технологии.

Таким образом, предложенный согласно настоящему изобретению ин виво биореактор позволяет использовать различные протоколы клеточных трансплантаций, поддерживать режим in vivo биореактора - подача веществ, поддерживающих нейрорегенерацию. При этом устройство позволяет осуществлять все манипуляции малоинвазивно, практически безболезненно при накожном использовании дикаина над портом, не требует дополнительного наркоза при проведении клеточных трансплантаций и введения биологически активных веществ.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.

Изобретение относится к области медицины и медицинской технике, а именно к экспериментальной биологии, медицине, нейрохирургии, а также к тканевой инженерии и регенеративной медицине. Ин виво биореактор для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга содержит стенки камеры, образующие емкость, штуцеры и трубки для подачи и извлечения вещества из его полости. При этом края боковых стенок камеры биореактора опираются на спиленные боковые отростки позвонков, стенки биореактора имеют металлические соединения с телами позвонков, сама камера расположена внутри тела непосредственно над обнаженным травмированным спинным мозгом, под целостным кожным покровом над устройством, штуцера для подачи и извлечения специальных стерильных растворов, приближенных по своим физико-химическим параметрам к изотоническим растворам и культурным питательным средам, используемых в клеточных технологиях и методах клеточных культур, с биологически активными веществами, стимулирующей и поддерживающей нейрорегенерацию, из емкости камеры, расположены в верхне-боковой части камеры, каждый штуцер с помощью гибкой трубки соединен с порт-системой, смена растворов осуществляется путем прокола одновременно кожи и мембраны порт-систем иглами для порт-систем, причем через одну порт-систему осуществляется подача, при одновременном извлечении равного количества из емкости биореактора через вторую порт-систему. Изобретение обеспечивает повышение эффективности лечения спинальной травмы. 4 ил.

Ин виво биореактор для восстановления целостности проводящих путей спинного мозга после анатомического перерыва и стимуляции нейрорегенерации при травматической болезни спинного мозга, содержащий стенки камеры, образующие емкость, штуцеры и трубки для подачи и извлечения вещества из его полости, отличающийся тем, что края боковых стенок камеры биореактора опираются на спиленные боковые отростки позвонков, стенки биореактора имеют металлические соединения с телами позвонков, сама камера расположена внутри тела непосредственно над обнаженным травмированным спинным мозгом, под целостным кожным покровом над устройством, штуцера для подачи и извлечения стерильных растворов, приближенных по своим физико-химическим параметрам к изотоническим растворам и культурным питательным средам, используемых в клеточных технологиях и методах клеточных культур, с биологически активными веществами, стимулирующей и поддерживающей нейрорегенерацию, из емкости камеры, расположены в верхне-боковой части камеры, каждый штуцер с помощью гибкой трубки соединен с порт-системой, смена растворов осуществляется путем прокола одновременно кожи и мембраны порт-систем иглами для порт-систем, причем через одну порт-систему осуществляется подача, при одновременном извлечении равного количества из емкости биореактора через вторую порт-систему.