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WO2025056592A1 - Apparatus for modifying blood - Google Patents

Apparatus for modifying blood Download PDF

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Publication number
WO2025056592A1
WO2025056592A1 PCT/EP2024/075339 EP2024075339W WO2025056592A1 WO 2025056592 A1 WO2025056592 A1 WO 2025056592A1 EP 2024075339 W EP2024075339 W EP 2024075339W WO 2025056592 A1 WO2025056592 A1 WO 2025056592A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blood
housing
carrier substrate
methyl
extracorporeal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/075339
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Beyersdorf
Erik SCHLEICHER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Albert Ludwigs Universitaet Freiburg filed Critical Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Publication of WO2025056592A1 publication Critical patent/WO2025056592A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • A61M1/00Suction or pumping devices for medical purposes; Devices for carrying-off, for treatment of, or for carrying-over, body-liquids; Drainage systems
    • A61M1/36Other treatment of blood in a by-pass of the natural circulatory system, e.g. temperature adaptation, irradiation ; Extra-corporeal blood circuits
    • A61M1/3679Other treatment of blood in a by-pass of the natural circulatory system, e.g. temperature adaptation, irradiation ; Extra-corporeal blood circuits by absorption
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61MDEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
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    • A61M1/36Other treatment of blood in a by-pass of the natural circulatory system, e.g. temperature adaptation, irradiation ; Extra-corporeal blood circuits
    • A61M1/3687Chemical treatment
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    • A61M2205/33Controlling, regulating or measuring
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    • A61M2205/75General characteristics of the apparatus with filters
    • A61M2205/7545General characteristics of the apparatus with filters for solid matter, e.g. microaggregates

Definitions

  • the invention relates to a device for modifying blood, comprising a housing having an inlet and an outlet and defining a housing volume in which a binding agent is arranged, which at least partially comes into contact with the blood as it flows through the housing.
  • ROS Reactive oxygen species
  • RNS reactive nitrogen species
  • ROS and RNS can carry out or trigger a variety of chemical reactions that can lead to irreversible damage to cellular structures and functional units, such as lipid membranes, DNA and proteins, and thus contribute significantly to cell aging.
  • the document EP 1 423 518 B1 describes a diagnostic test method which makes it possible to determine the status of oxidative stress in an aerobic organism in order to select or determine therapeutic methods for reducing oxidative stress or to check their effectiveness.
  • US 2011/0236989 A1 discloses analytical sensors with antioxidant protection to protect them from reactive oxygen. These are primarily so-called equilibrium fluorescent indicator systems, which are protected by an antioxidant polymer matrix that can capture reactive oxygen radicals.
  • the document DE 101 21 893 B4 describes a filter for removing heparin from blood in an extracorporeal blood circuit.
  • the document EP 3 530 302 A1 discloses a device for removing noxious substances from blood in general and focuses primarily on the mechanical structure of the device, which consists of a bundle of hollow fibers, the inner surfaces of which are provided with hemocompatible and anticoagulant coatings.
  • the invention is based on the object of developing a device for modifying blood with a housing that has an inlet and an outlet and defines a housing volume in which a binding agent is arranged, which at least partially comes into contact with the blood as it flows through the housing, in such a way that the proportion of ROS and/or RNA present in the blood is lower after contact with the binding agent than before contact.
  • the device is intended to effect a modification of the blood in such a way that ROS and/or RNA contained in the blood are selectively inactivated. in order to reduce or minimize the oxidative stress affecting the organism and thus the resulting damage.
  • a device for modifying blood, comprising a housing having an inlet and an outlet and defining a housing volume in which a binding agent is arranged, which at least partially comes into contact with the blood as it flows through the housing, is characterized in that the binding agent has a carrier substrate to which a material is applied, which has a surface freely accessible within the housing volume and which has a chemical binding property in the manner of a spin trap.
  • ROS and RNS are chemically reactive molecules that undergo relatively non-selective redox reactions.
  • materials in the form of certain molecules are known that react selectively with ROS and RNS, subsequently chemically inactivating them. Such materials possess selective chemical binding properties similar to a spin trap and are used in known spin trapping methods.
  • Typical materials or molecules possessing such selective binding properties include nitrones or nitroso compounds, which react rapidly and quantitatively with free, short-lived radicals X* to form a long-lived radical.
  • a reactive ROS radical is bound to a double bond of a diamagnetic "spin trap," forming a much more stable radical.
  • the free radical simply transfers an unpaired electron to the spin trap or accepts it, depending on the redox potential.
  • the free radical is a superoxide (O2-)
  • oxygen (O2) is formed upon oxidation, and water upon reduction.
  • the radical is inactivated, but it does not bind to the spin trap.
  • the device according to the invention essentially consists of a carrier substrate to whose surface a material is bonded via a covalent bond with the chemically selective bonding properties described above.
  • the covalent bond ensures that the at least one material possessing chemical bonding properties similar to a spin trap remains bonded to the carrier substrate both before and, in particular, after the chemical reaction with a free radical. This ensures that the free radical that chemically reacts with the material and forms a solid material bond with it is and remains extracted from the blood.
  • Suitable classes of substances for the formation of the carrier substrate are
  • Polymethyl acrylates Polyurethanes, aminocellulose derivatives, polyamides or
  • Polyurethanes polyethylenes, polypropylenes, poly-4-methyl-1-pentenes, polyimides, Polysulfones, polymers of polysulfones.
  • Particularly suitable classes of substances are those that are already certified for medical use and are used in medical products, such as aminocellulose derivatives, polysulfones, or polyurethanes.
  • the choice of shape and size of the carrier substrate depends on the housing shape and dimensions as well as the volume enclosed by the housing, in which the carrier substrate is to be arranged.
  • the housing is designed as a flow-through housing with an inlet and an outlet through which blood flows.
  • the housing is preferably integrated into an extracorporeal blood circuit, preferably immediately before re-entry into the human body.
  • the carrier substrate surface must be maximized, i.e., made as large as possible, e.g., by folding or by providing porous surface structures or by designing the carrier substrate as a knitted fiber fabric, etc., so that flow over and/or through the support structure including the at least one material covalently bound to it is possible.
  • the carrier substrate can be particulate and arranged within the housing in the form of free bulk material, so that the freely accessible surfaces of the material attached to the particles can be flushed by the blood as it flows through the housing.
  • a retaining element for the particles is arranged upstream of the outlet in the flow direction.
  • materials that form a covalent bond with the surface of the carrier substrate and have chemical bonding properties in the manner of a spin trap are suitable.
  • a particularly preferred material that reacts quickly and effectively with ROS and RNS is CMH, 1-hydroxy-3-methoxycarbonyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine.
  • one CMH molecule is capable of inactivating one ROS molecule.
  • the two redox states of the CMH molecules are distinguished by their color appearance.
  • the starting CMH molecule is colorless and, after reacting with the ROS molecule, becomes colored. This color change can be used to determine the "consumption level" of the CMH molecules stored on the carrier substrate. This can be determined either visually by a person or automatically using an optical sensor mounted in or on the housing.
  • PTIO 2-phenyl-4,4,5,5,-tetramethylimidazoline-1-oxyl 3-oxide
  • at least one of the above compounds, each with different chemical binding properties for free radicals is covalently bonded to the surface of the support structure.
  • the at least two compounds react by copolymerization to form a copolymer that is covalently bonded to the surface of the support structure.
  • a mixture of different nitrone or nitroso compounds can be produced in this way.
  • ROS and RNS can react with the different nitrone or nitroso compounds contained in the copolymer at different reaction rates, so that depending on the selected ratio and type of compounds contained in the copolymer, such as hydroxylamines and trityl radicals, a desired final concentration of free radicals in the blood can be adjusted.
  • the device according to the invention can be used as an integral component in extracorporeal circulation along any blood-containing or non-blood-containing lines.
  • the extracorporeal circulation can be implemented in the form of a fluid circuit of the following types: extracorporeal membrane oxygenation for lung support (ECMO), extracorporeal support of the heart and lungs (ECLS, AV-ECMO), heart-lung machine for cardiac surgery, mechanical circulatory support systems, both ventricular assist devices (LVAD) and artificial hearts (TAH), blood purification circuit (dialysis), lipid filtration (lipid apheresis).
  • the blood-containing or non-blood-containing lines are preferably lines of the following type: collection systems for blood donations, blood collection (bloodletting) in cases of polycythemia, administration of blood or blood components (erythrocyte concentrates, plasma, FFP, etc.) or priming solutions for extracorporeal circulation.
  • collection systems for blood donations blood collection (bloodletting) in cases of polycythemia
  • administration of blood or blood components erythrocyte concentrates, plasma, FFP, etc.
  • priming solutions for extracorporeal circulation erythrocyte concentrates, plasma, FFP, etc.
  • Fig. 1 Representation of an extracorporeal circulation with the device according to the solution
  • FIG. 3a, b Diagrams illustrating the effect of reducing ROS from blood.
  • Figure 1 schematically shows an extracorporeal blood circuit, with a line 2 leading away from a person 1, along which a therapy and/or heart-lung support unit 3 is mounted, e.g., in the form of a membrane oxygenator, dialysis machine, lipid filtration unit, or a heart-lung machine, etc.
  • a therapy and/or heart-lung support unit 3 is mounted, e.g., in the form of a membrane oxygenator, dialysis machine, lipid filtration unit, or a heart-lung machine, etc.
  • a line 4 leading back into the patient 1, along which the device 5 according to the invention is mounted immediately before entering the patient 1 and modifies the patient's blood in such a way that the proportion of free radicals contained in the blood is reduced.
  • the reduction of the free radicals contained in the blood in particular ROS and RNS, occurs through selective removal or extraction from the blood by chemically binding the free radicals to at least one material provided within the device 5, which has chemical binding properties similar to a spin trap.
  • Fig. 2a shows an embodiment of a device 5 according to the invention with a housing 8 having an inlet 6 and an outlet 7, which defines a housing volume 9 in which a carrier substrate 10 is arranged, to the surface of which a material 11 is covalently bonded, which in the case shown is a copolymer of two compounds 12, 13.
  • the compounds 12, 13, for example, CMH and TEMPO or hydroxylamine and triphenylmethyl radicals, are capable of binding the free radicals with different selectivity and reaction rates.
  • copolymer materials 11 comprising more than two compounds, as mentioned above, are also conceivable and advantageous.
  • the carrier substrate 10 should be designed to have as large a surface area as possible, so that the largest possible proportion of blood, preferably the entire volume of blood flowing through the housing 8, can chemically interact with the material 11. Thus, it is advisable to fold the flat carrier substrate 10 and/or structure its surface to increase the surface area.
  • fibrous carrier substrates 10, preferably converted into a knitted fabric, are also conceivable, to the surface of which the material (11) can bond covalently.
  • an optical sensor 16 additionally mounted in or on the housing 8 can determine the proportion of CMH molecules that have already reacted with a free radical. In this way, a "consumption state" of the device 5 can be automatically detected.
  • FIG. 2b shows an alternative embodiment of the device 5 with a housing 8 containing a particulate carrier substrate 10 in the form of bulk material.
  • Each individual carrier substrate particle 14 (see detailed illustration) has covalently bonded material 11 on its surface, in the form of a copolymer composed of at least one compound 12, 13.
  • a retaining element 15 in the form of a sieve or the like is arranged within the housing 8 immediately in front of the outlet 7.
  • Blood-permeable membrane structures are also conceivable as a carrier substrate. These structures are arranged within the housing 8 so that blood flows through them.
  • the membrane pores of the membrane structures are dimensioned such that, on the one hand, they can be penetrated harmlessly by the blood components, while, on the other hand, ensuring a biochemical interaction with the material attached to the membrane pore surface, whose material surface possesses the chemical bonding property of a spin trap.
  • polysulfones or polymers from the polysulfone family e.g. polyethersulfones / Polyarylethersulfones. These can be easily functionalized with spin traps.
  • Polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly-4-methyl-1-pentene (PMP), and polyimide (PI) are also suitable membrane materials, especially in conjunction with ECMO.
  • Figure 3 A shows a diagram from which the measured amount of ROS can be determined based on the electron spin resonance intensity (see ordinate) as a function of the magnetic excitation field strength (see abscissa).
  • the starting point is an aqueous solution containing a flavin mononucleotide-containing protein, in which superoxides are formed upon oxygenation and light exposure. This ensures that, depending on the duration of light exposure, e.g., 6 minutes, a defined amount of superoxide is produced in a short time.
  • the ROS concentration is then determined using a spin trap; see the upper spectrum in Fig. 3 A, which shows several intensity peaks indicating an increased ROS concentration.
  • a test polymer poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate) (PTMA), whose surface had been copolymerized with a nitroxide spin trap, was added to the aqueous solution as a carrier substrate. After an incubation time of 15 minutes, the middle spectrum in Figure 3a was measured, which showed only two distinct peaks. Finally, the EPR spectrum was determined after separating the PTMA copolymerized with the spin trap from the aqueous solution; this corresponds to the lower spectrum in Figure 3A. It is clearly visible that no EPR signal is visible in the filtrate, meaning that no ROS are detectable in the aqueous solution.
  • Fig. 3 B shows a diagram-based comparison of two ROS concentration measurements in a blood plasma.
  • a test polymer poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate) (PTMA)
  • PTMA poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate)

Landscapes

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Abstract

The invention relates to an apparatus for modifying blood, the apparatus comprising a housing, which has an inlet and an outlet and delimits a housing volume in which a binding agent is located which at least partially comes into contact with the blood when the blood is flowing through the housing. The invention is characterised in that the binding agent comprises a carrier substrate, to which a material is applied which has a surface that is freely accessible inside the housing volume and has a chemical binding property of the spin trap type.

Description

Vorrichtung zur Modifikation von Blut Device for modifying blood

Technisches Gebiet Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Modifikation von Blut mit einem Gehäuse, das über einen Ein- und einen Auslass verfügt und ein Gehäusevolumen begrenzt, in dem ein Bindungsmittel angeordnet ist, das mit dem Blut bei Durchströmen des Gehäuses zumindest teilweise in Kontakt tritt. The invention relates to a device for modifying blood, comprising a housing having an inlet and an outlet and defining a housing volume in which a binding agent is arranged, which at least partially comes into contact with the blood as it flows through the housing.

Reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, kurz ROS) und reaktive Stickstoffspezies (reactive nitrogen species, kurz RNS) kommen dauerhaft in aeroben Organismen vor und haben wichtige physiologische Funktionen, sind aber bei Überproduktion auch als „oxidativer Stress“ an unterschiedlichen Krankheitsgeschehen beteiligt. Unter normalen physiologischen Bedingungen herrscht ein Gleichgewicht zwischen „oxidativen“ und „antioxidativen“ Prozessen. Eine Auslenkung dieses Gleichgewichtes zugunsten eines Überwiegens der ROS- bzw. RNS-Bildung wird als „oxidativer Stress“ bezeichnet. Reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) are constantly present in aerobic organisms and have important physiological functions. However, overproduction also contributes to various diseases as "oxidative stress." Under normal physiological conditions, a balance exists between "oxidative" and "antioxidative" processes. A shift in this balance toward a predominance of ROS or RNS formation is referred to as "oxidative stress."

ROS und RNS können eine Vielzahl von chemischen Reaktionen durchführen bzw. auslösen, welche zu irreversiblen Schäden an zellulären Strukturen und funktionellen Einheiten, wie Lipidmembranen, DNA und Proteinen, führen können und somit in entscheidendem Maße zur Zellalterung beitragen. ROS and RNS can carry out or trigger a variety of chemical reactions that can lead to irreversible damage to cellular structures and functional units, such as lipid membranes, DNA and proteins, and thus contribute significantly to cell aging.

Nachdem ein Ungleichgewicht mit Überwiegen der ROS- und/oder RNS-Produktion in einem komplexen Organismus, wie vor allem dem Menschen, zu vermeiden ist, ist es wünschenswert, das Redox-Gleichgewicht zwischen den oxidierenden und den reduzierenden Stoffen innerhalb eines aeroben Organismus zu jedem Zeitpunkt aufrecht zu erhalten. Since an imbalance with predominance of ROS and/or RNS production in a complex organism, such as humans in particular, is to be avoided, it is desirable to maintain the redox balance between the oxidizing and reducing substances within an aerobic organism at all times.

Untersuchungen haben überdies gezeigt, dass es in menschlichem Blut, das in Kontakt mit technischen Oberflächen kommt, sei es im Rahmen eines chirurgischen Eingriffes oder durch Oberflächenkontakt mit in einem extrakorporalen Kreislauf enthaltenen Komponenten, zu einer erhöhten Bildung von ROS sowie RNS kommt, wodurch sich deren Konzentration im Blut signifikant erhöht. Nachdem das Blut nach Rückführung aus dem extrakorporalen Kreislauf in den Organismus zurückfließt, ist dort das Gleichgewicht zugunsten von Oxidantien gestört, d. h. der Organismus erfährt einen oxidativen Stress. Insbesondere bei Blutwäsche-Patienten, welche dauerhaft auf den Einsatz der Dialyse angewiesen sind, ergeben sich schwerwiegende Folgeschäden, z.B. fortschreitende Gefäßsklerose und koronare Herzerkrankungen, welche die Lebensqualität und Lebenserwartung signifikant verkürzen. Studies have also shown that human blood that comes into contact with technical surfaces, whether during a surgical procedure During a procedure or through surface contact with components contained in an extracorporeal circuit, there is an increased formation of ROS and RNS, which significantly increases their concentration in the blood. After the blood flows back into the body from the extracorporeal circuit, the balance in favor of oxidants is disturbed, meaning the body experiences oxidative stress. Particularly in hemodialysis patients who are permanently dependent on dialysis, serious consequences arise, such as progressive vascular sclerosis and coronary heart disease, which significantly reduce quality of life and life expectancy.

Stand der Technik State of the art

Die Druckschrift EP 1 423 518 B1 beschreibt ein diagnostisches Testverfahren, welches es ermöglicht den Status von oxidativen Stress in einem aeroben Organismus zu ermitteln, um Therapieverfahren zur Reduzierung von oxidativen Stress zu wählen oder festzulegen bzw. deren Wirksamkeit zu überprüfen. The document EP 1 423 518 B1 describes a diagnostic test method which makes it possible to determine the status of oxidative stress in an aerobic organism in order to select or determine therapeutic methods for reducing oxidative stress or to check their effectiveness.

In dem Artikel von Sergey I. Dikalov et al, Electron Paramagnetic Resonance Measurements of Reactive Oxygen Species by Cyclic Hydroxylamine Spin Probes, ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING, Volume 28, Number 15, 2018, DOI: 10.1089/ars.2017.7396, wird die Verwendung von zyklischen Hydroxylamin-Sonden als wirksame Fänger von Superoxid-Radikalen vorgeschlagen, mit denen quantitative Messungen von Superoxidradikalen mit hoher Sensitivität sowohl in vitro als auch ex vivo in Zellen und Gewebeproben durchgeführt werden können. In the article by Sergey I. Dikalov et al, Electron Paramagnetic Resonance Measurements of Reactive Oxygen Species by Cyclic Hydroxylamine Spin Probes, ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING, Volume 28, Number 15, 2018, DOI: 10.1089/ars.2017.7396, the use of cyclic hydroxylamine probes as effective scavengers of superoxide radicals is proposed, allowing quantitative measurements of superoxide radicals with high sensitivity both in vitro and ex vivo in cells and tissue samples.

Die Dissertation von ZARIF NAJAFI NOOSHIN, Mohammad Hassan: A study of Mechanochemical Reactions of Spin Traps in Hydrocarbon Polymers, 1990, Dissertation, University of Aston Birmingham beschäftigt sich mit der Verbesserung der antioxidativen Eigenschaften von Kunststoff-Zusammensetzungen vermittels chemischer Reaktionen von Spinnfallen in Hydroxylpolymeren. Die gegenüber dieser vorliegenden Beschreibung nachveröffentlichte Druckschrift WO 2023(178170 A2 beschreibt eine Vorkehrung zur Verhinderung von Degradationsschäden an medizinischen Implantaten, so insbesondere von implantierten Sensoren, an deren Oberfläche ein Polymer aufgebracht ist, an dem Bindungsmoleküle zur Reaktion mit reaktiven Sauerstoffspezies gebunden sind. The dissertation by Zarif Najafi Nooshin, Mohammad Hassan: A study of Mechanochemical Reactions of Spin Traps in Hydrocarbon Polymers, 1990, Dissertation, University of Aston Birmingham deals with the improvement of the antioxidant properties of plastic compositions by means of chemical reactions of spin traps in hydroxyl polymers. The document WO 2023(178170 A2), published subsequently to this present description, describes a precaution for preventing degradation damage to medical implants, in particular implanted sensors, to the surface of which a polymer is applied to which binding molecules are bound for reaction with reactive oxygen species.

Die Druckschrift US 2011/0236989 A1 offenbart Analysensensoren mit einem antioxidativen Schutz, um die Sensoren vor reaktivem Sauerstoff zu schützen. Vornehmlich handelt es sich um sog. Gleichgewichts-Fluoreszenz-Indikatorsysteme, zu deren Schutz eine Antioxidanz-Polymermatrix vorgesehen ist, mit der reaktive Sauerstoffradikale eingefangen werden können. US 2011/0236989 A1 discloses analytical sensors with antioxidant protection to protect them from reactive oxygen. These are primarily so-called equilibrium fluorescent indicator systems, which are protected by an antioxidant polymer matrix that can capture reactive oxygen radicals.

Die Druckschrift DE 101 21 893 B4 beschreibt einen Filter zum Entfernen von Heparin aus Blut in einem extrakorporalen Blutkreislauf. The document DE 101 21 893 B4 describes a filter for removing heparin from blood in an extracorporeal blood circuit.

Die Druckschrift EP 3 530 302 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Entfernung von Noxen aus Blut im Allgemeinen und stellt in erster Linie auf den mechanischen Aufbau der Vorrichtung ab, der aus einem Bündel von Hohlfasern besteht, deren Faserinnenflächen mit hämokompatiblen und gerinnungshämmenden Beschichtungen versehen sind. The document EP 3 530 302 A1 discloses a device for removing noxious substances from blood in general and focuses primarily on the mechanical structure of the device, which consists of a bundle of hollow fibers, the inner surfaces of which are provided with hemocompatible and anticoagulant coatings.

Darstellung der Erfindung Description of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Modifikation von Blut mit einem Gehäuse, das über einen Ein- und einen Auslass verfügt und ein Gehäusevolumen begrenzt, in dem ein Bindungsmittel angeordnet ist, das mit dem Blut bei Durchströmen des Gehäuses zumindest teilweise in Kontakt tritt, derart weiterzubilden, so dass der Anteil von im Blut vorhandenen ROS und/oder RNS nach in Kontakt treten mit dem Bindungsmittel geringer ist als vor Inkontakttreten. Insbesondere gilt es mit der Vorrichtung eine Modifikation des Blutes derart zu bewirken, so dass im Blut enthaltene ROS und/oder RNS selektiv inaktiviert werden, um auf diese Weise den auf den Organismus wirkenden oxidativen Stress und damit die Folgeschäden zu verringern bzw. zu minimieren. The invention is based on the object of developing a device for modifying blood with a housing that has an inlet and an outlet and defines a housing volume in which a binding agent is arranged, which at least partially comes into contact with the blood as it flows through the housing, in such a way that the proportion of ROS and/or RNA present in the blood is lower after contact with the binding agent than before contact. In particular, the device is intended to effect a modification of the blood in such a way that ROS and/or RNA contained in the blood are selectively inactivated. in order to reduce or minimize the oxidative stress affecting the organism and thus the resulting damage.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen. The solution to the problem underlying the invention is specified in claim 1. Features that advantageously further develop the inventive concept can be found in the subclaims and the further description.

Eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Modifikation von Blut mit einem Gehäuse, das über einen Ein- und einen Auslass verfügt und ein Gehäusevolumen begrenzt, in dem ein Bindungsmittel angeordnet ist, das mit dem Blut bei Durchströmen des Gehäuses zumindest teilweise in Kontakt tritt, zeichnet sich dadurch aus, dass das Bindungsmittel ein Trägersubstrat aufweist, an dem ein Material aufgebracht ist, das über eine innerhalb des Gehäusevolumens frei zugängliche Oberfläche verfügt, die eine chemische Bindungseigenschaft in Art einer Spinfalle besitzt. A device according to the invention for modifying blood, comprising a housing having an inlet and an outlet and defining a housing volume in which a binding agent is arranged, which at least partially comes into contact with the blood as it flows through the housing, is characterized in that the binding agent has a carrier substrate to which a material is applied, which has a surface freely accessible within the housing volume and which has a chemical binding property in the manner of a spin trap.

Das der Vorrichtung zugrundeliegende lösungsgemäße Konzept beruht darauf, dass ROS und RNS chemisch reaktive Moleküle sind, die relativ unselektiv Redoxreaktionen durchführen. Andererseits sind Materialien in Form bestimmter Moleküle bekannt, die selektiv mit ROS sowie RNS reagieren, und diese nachfolgend chemisch inaktivieren. Solche Materialien verfügen über selektive chemische Bindungseigenschaften in Art einer Spinfalle und werden bei an sich bekannten Spintrapping-Methoden eingesetzt. Typische, über derartige selektive ehern. Bindungseigenschaften verfügende Materialien bzw. Moleküle weisen Nitrone oder Nitrosoverbindungen auf, die mit freien, kurzlebigen Radikalen X* schnell und quantitativ reagieren und ein langlebiges Radikal bilden. Bei der chemischen Reaktion wird bspw. ein reaktives ROS-Radikal an eine Doppelbindung einer diamagnetischen "Spin-Falle" gebunden, wodurch ein viel stabileres Radikal gebildet wird. Ein mögliches Reaktionsbeispiel einer Nitron-Verbindung (H-RI )=(O-N-R2) mit einem freien Radikal X* ist nachfolgend dargestellt :

Figure imgf000006_0001
The underlying concept of the device is based on the fact that ROS and RNS are chemically reactive molecules that undergo relatively non-selective redox reactions. On the other hand, materials in the form of certain molecules are known that react selectively with ROS and RNS, subsequently chemically inactivating them. Such materials possess selective chemical binding properties similar to a spin trap and are used in known spin trapping methods. Typical materials or molecules possessing such selective binding properties include nitrones or nitroso compounds, which react rapidly and quantitatively with free, short-lived radicals X* to form a long-lived radical. During the chemical reaction, for example, a reactive ROS radical is bound to a double bond of a diamagnetic "spin trap," forming a much more stable radical. A possible reaction example of a nitrone compound (H-RI )=(ON-R2) with a free radical X* is shown below:
Figure imgf000006_0001

Ein weiteres Reaktionsbeispiel ist nachfolgend illustriert:

Figure imgf000006_0002
Another reaction example is illustrated below:
Figure imgf000006_0002

In diesem Fall überträgt das freie Radikal, siehe mittlere Verbindung, lediglich ein ungepaartes Elektron an die Spin-Falle bzw. nimmt es auf, je nach Redoxpotential. Ist bspw. das freie Radikal ein Superoxid (O2-), dann bildet sich bei Oxidation Sauerstoff (O2), bei Reduktion Wasser. In beiden Fällen wird das Radikal inaktiviert, aber es bindet nicht an der Spin-Falle. In this case, the free radical (see middle compound) simply transfers an unpaired electron to the spin trap or accepts it, depending on the redox potential. For example, if the free radical is a superoxide (O2-), then oxygen (O2) is formed upon oxidation, and water upon reduction. In both cases, the radical is inactivated, but it does not bind to the spin trap.

Die lösungsgemäße Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Trägersubstrat, an dessen Oberfläche ein Material über eine kovalente Bindung mit den vorstehend erläuterten, chemisch selektiven Bindungseigenschaften gebunden ist. Die kovalente Bindung sorgt dafür, dass das wenigstens eine über die chemischen Bindungseigenschaften in Art einer Spin-Falle verfügende Material sowohl vor, aber insbesondere auch nach der chemischen Reaktion mit einem freien Radikal mit dem Trägersubstrat verbunden bleibt. Damit ist sichergestellt, dass das mit dem Material chemisch reagierende und mit diesem einen festen Materialverbund bildende freie Radikal aus dem Blut extrahiert ist und bleibt. The device according to the invention essentially consists of a carrier substrate to whose surface a material is bonded via a covalent bond with the chemically selective bonding properties described above. The covalent bond ensures that the at least one material possessing chemical bonding properties similar to a spin trap remains bonded to the carrier substrate both before and, in particular, after the chemical reaction with a free radical. This ensures that the free radical that chemically reacts with the material and forms a solid material bond with it is and remains extracted from the blood.

Geeignete Stoffklassen zur Ausbildung des Trägersubstrates sindSuitable classes of substances for the formation of the carrier substrate are

Polymethylacrylate, Polyurethane, Aminocellulosederivate, Polyamide oderPolymethyl acrylates, polyurethanes, aminocellulose derivatives, polyamides or

Polyurethane, Polyethylene, Polypropylene, Poly-4-methyl-1 -pentene, Polyimide, Polysulfone, Polymere von Polysulfonen. Besonders geeignete Stoffklassen sind jene, die bereits für den medizinischen Einsatz zertifiziert sind und in medizinischen Produkten Verwendung finden, wie beispielsweise Aminocellulosederivate, Polysulfonen oder Polyurethane. Polyurethanes, polyethylenes, polypropylenes, poly-4-methyl-1-pentenes, polyimides, Polysulfones, polymers of polysulfones. Particularly suitable classes of substances are those that are already certified for medical use and are used in medical products, such as aminocellulose derivatives, polysulfones, or polyurethanes.

Die Wahl von Form und Größe des Trägersubstrates richtet sich nach der Gehäuseform und -dimension sowie dem vom Gehäuse umschlossenen Gehäusevolumen, in dem das Trägersubstrat anzuordnen ist. Das Gehäuse ist als Durchströmungsgehäuse mit einem Ein- und einem Auslass ausgebildet, durch das Blut hindurchströmt. Vorzugsweise ist das Gehäuse in einen extrakorporalen Blutkreislauf integriert, vorzugsweise unmittelbar vor Wiedereintritt in den menschlichen Körper. Um zu vermeiden, dass einerseits keine nennenswerten Strömungsdruckverluste innerhalb des Gehäuses auftreten und andererseits ein möglichst großes Blutvolumen mit dem wenigstens einen an der Trägersubstratoberfläche gebundenen Material in chemische Wechselwirkung zu treten vermag, ist die Trägersubstratoberfläche zu maximieren, d.h. größtmöglich auszubilden, bspw. durch Faltung oder durch Vorsehen poröser Oberflächenstrukturen oder durch die Ausbildung des Trägersubstrats als Fasergewirk etc., so dass ein Über- und/oder Durchströmen der Tragstruktur samt des wenigstens einen an dieser kovalent gebundenen Materials möglich ist. Alternativ kann das Trägersubstrat partikulär ausgebildet und innerhalb des Gehäuses in Form freien Schüttgutes angeordnet sein, so dass die frei zugänglichen Oberflächen des an den Partikeln angebrachten Materials vom Blut bei Durchströmen des Gehäuses umspülbar sind. In diesem Fall ist in Durchströmungsrichtung vor dem Auslass ein Rückhalteelement für die Partikel angeordnet. The choice of shape and size of the carrier substrate depends on the housing shape and dimensions as well as the volume enclosed by the housing, in which the carrier substrate is to be arranged. The housing is designed as a flow-through housing with an inlet and an outlet through which blood flows. The housing is preferably integrated into an extracorporeal blood circuit, preferably immediately before re-entry into the human body. In order to avoid, on the one hand, any significant flow pressure losses within the housing and, on the other hand, to ensure that the largest possible volume of blood can enter into chemical interaction with the at least one material bound to the carrier substrate surface, the carrier substrate surface must be maximized, i.e., made as large as possible, e.g., by folding or by providing porous surface structures or by designing the carrier substrate as a knitted fiber fabric, etc., so that flow over and/or through the support structure including the at least one material covalently bound to it is possible. Alternatively, the carrier substrate can be particulate and arranged within the housing in the form of free bulk material, so that the freely accessible surfaces of the material attached to the particles can be flushed by the blood as it flows through the housing. In this case, a retaining element for the particles is arranged upstream of the outlet in the flow direction.

Wie bereits erwähnt eignen sich Materialien, die eine kovalente Bindung mit der Oberfläche des Trägersubstrats eingehen und über chemische Bindungseigenschaften in Art einer Spin-Falle verfügen, die vorzugsweise wenigstens Nitrone und/oder Nitroseverbindungen aufweisen. Ein besonders bevorzugtes Material, das vor allem schnell und effektiv mit ROS und RNS reagiert, ist CMH, 1 -hydroxy-3-methoxycarbonyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine. So vermag ein Molekül CMH ein ROS-Molekül zu inaktivieren. Zudem unterscheiden sich die beiden Redox-Zustände der CMH-Moleküle durch ihre Farberscheinung. So ist das CMH-Ausgangsmolekül farblos und nach Reaktion mit dem ROS-Molekül farbig. Dieser Farbumschlag lässt sich nutzen um den „Verbrauchszustand“ der auf dem Trägersubstrat bevorrateten CMH-Moleküle festzustellen. Dieser kann entweder visuell durch eine Person oder automatisiert mit Hilfe eines im oder am Gehäuse angebrachten optischen Sensors festgestellt werden. As already mentioned, materials that form a covalent bond with the surface of the carrier substrate and have chemical bonding properties in the manner of a spin trap, preferably comprising at least nitrones and/or nitrous compounds, are suitable. A particularly preferred material that reacts quickly and effectively with ROS and RNS is CMH, 1-hydroxy-3-methoxycarbonyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine. Thus, one CMH molecule is capable of inactivating one ROS molecule. Furthermore, the two redox states of the CMH molecules are distinguished by their color appearance. The starting CMH molecule is colorless and, after reacting with the ROS molecule, becomes colored. This color change can be used to determine the "consumption level" of the CMH molecules stored on the carrier substrate. This can be determined either visually by a person or automatically using an optical sensor mounted in or on the housing.

Weitere geeignete Materialien mit chemischen Bindungseigenschaften in Art einer Spinfalle sind nachfolgend erwähnt: Other suitable materials with chemical binding properties in the form of a spin trap are mentioned below:

BMPO, C10H17NO3, (oder BocMPO), 5-tert-Butoxycarbonyl-5-methyl-1 - pyrroline-N-oxide, BMPO, C10H17NO3, (or BocMPO), 5-tert-butoxycarbonyl-5-methyl-1 - pyrroline-N-oxide,

CYPMPO, 5-(2,2-dimethyl-1 ,3-propoxy cyclophosphoryl)-5-methyl-1 -pyrroline N-oxide, CYPMPO, 5-(2,2-dimethyl-1,3-propoxycyclophosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline N-oxide,

DEPMPO-biotin, C24H42N5O8PS, [(3S)-2-diethoxyphosphoryl-2-methyl-1 -oxido- 3,4-dihydropyrrol-1 -ium-3-yl]methyl N-[3-[5-[(3aR,4R,6aS)-2-oxo- 1 ,3,3a,4,6,6a-hexahydrothieno[3,4-d]imidazol-4- yl]pentanoylamino]propyl]carbamate, DEPMPO-biotin, C24H42N5O8PS, [(3S)-2-diethoxyphosphoryl-2-methyl-1 -oxido- 3,4-dihydropyrrol-1 -ium-3-yl]methyl N-[3-[5-[(3aR,4R,6aS)-2-oxo- 1 ,3,3a,4,6,6a-hexahydrothieno[3,4-d]imidazol-4-yl]pentanoylamino]propyl]carbamate,

EMPO , C8H13NO3, 2-Ethoxycarbonyl-2-methyl-3,4-dihydro-2/-/-pyrrole-1 -oxide Nitrosobenzene, CeHsNO, EMPO, C8H13NO3, 2-Ethoxycarbonyl-2-methyl-3,4-dihydro-2/-/-pyrrole-1 -oxide Nitrosobenzene, CeHsNO,

POBN , C10H14N2O2, a-(4-Pyridyl 1 -oxide)-N-fe/Y-butylnitrone POBN , C10H14N2O2, a-(4-Pyridyl 1 -oxide)-N-fe/Y-butylnitrone

PTIO , 2-phenyl-4,4,5,5,-tetramethylimidazoline-1-oxyl 3-oxide, ist ein spezifischer Fänger von NO TEMPO, 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1 -oxyl Hydroxylamine, Trityl-Radikale, Ebselen-Säure, organische Dithio-Säure. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung sind an der Oberfläche der Trägerstruktur wenigstens eine der vorstehenden Stoffverbindungen mit jeweils unterschiedlichen chemischen Bindungseigenschaften für freie Radikale kovalent gebunden. Die wenigstens zwei Stoffverbindungen reagieren im Wege einer Copolymerisation unter Ausbildung eines Copolymers, das kovalent an der Oberfläche der Trägerstruktur gebunden ist. Beispielsweise lässt sich auf diese Weise eine Mischung aus unterschiedlicher Nitron- oder Nitrosoverbindungen herstellen. PTIO , 2-phenyl-4,4,5,5,-tetramethylimidazoline-1-oxyl 3-oxide, is a specific scavenger of NO TEMPO, 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1 -oxyl Hydroxylamine, trityl radicals, ebselenic acid, organic dithio acid. In a preferred embodiment of the device, at least one of the above compounds, each with different chemical binding properties for free radicals, is covalently bonded to the surface of the support structure. The at least two compounds react by copolymerization to form a copolymer that is covalently bonded to the surface of the support structure. For example, a mixture of different nitrone or nitroso compounds can be produced in this way.

Mit den im Copolymer enthaltenen unterschiedlichen Nitron- oder Nitrosoverbindungen können ROS und RNS mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten reagieren, so dass je nach gewähltem Verhältnis und Art der im Copolymer enthaltenen Stoffverbindungen, so bspw. Hydroxylamine und Trityl-Radikale, eine gewünschte Endkonzentration von freien Radikalen im Blut eingestellt werden kann. ROS and RNS can react with the different nitrone or nitroso compounds contained in the copolymer at different reaction rates, so that depending on the selected ratio and type of compounds contained in the copolymer, such as hydroxylamines and trityl radicals, a desired final concentration of free radicals in the blood can be adjusted.

Die lösungsgemäße Vorrichtung ist als integraler Bestandteil in einer extrakorporalen Zirkulation längs jeglicher bluthaltiger oder nicht-bluthaltiger Leitungen grundsätzlich einsetzbar. Die extrakorporale Zirkulation kann in Form eines Fluidkreislaufes der nachfolgenden Art ausgebildet sein: Extrakorporale Membranoxygenierung zur Lungenunterstützung (ECMO), Extrakorporale Unterstützung von Herz und Lungen (ECLS, AV-ECMO), Herz-Lungen-Maschine für Herz-Operationen, Mechanische Kreislauf-Unterstützungssysteme, sowohl Herzunterstützungssysteme (LVAD) als auch Kunstherzen (Total artificial hearts, TAH), Blutwäschekreislauf (Dialyse), Lipidfiltration (Lipidapharese). The device according to the invention can be used as an integral component in extracorporeal circulation along any blood-containing or non-blood-containing lines. The extracorporeal circulation can be implemented in the form of a fluid circuit of the following types: extracorporeal membrane oxygenation for lung support (ECMO), extracorporeal support of the heart and lungs (ECLS, AV-ECMO), heart-lung machine for cardiac surgery, mechanical circulatory support systems, both ventricular assist devices (LVAD) and artificial hearts (TAH), blood purification circuit (dialysis), lipid filtration (lipid apheresis).

Die bluthaltigen bzw. nicht-bluthaltigen Leitungen sind vorzugweise Leitungen der nachfolgenden Art: Entnahmesysteme zu Blutspenden, Blutentnahme (Aderlass) bei Polyglobulie, Gabe von Blut oder Blutanteilen (Erythrozyten-Konzentrate, Plasma, FFP, etc.) oder Priminglösungen von extrakorporalen Zirkulationen. Kurze Beschreibung der Erfindung The blood-containing or non-blood-containing lines are preferably lines of the following type: collection systems for blood donations, blood collection (bloodletting) in cases of polycythemia, administration of blood or blood components (erythrocyte concentrates, plasma, FFP, etc.) or priming solutions for extracorporeal circulation. Brief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen: The invention is described below, without limiting the general inventive concept, using exemplary embodiments with reference to the drawings. They show:

Fig. 1 Darstellung einer extrakorporalen Zirkulation mit der lösungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 Representation of an extracorporeal circulation with the device according to the solution,

Fig. 2a, b alternative Ausgestaltungsformen der lösungsgemäßen Vorrichtung sowie Fig. 2a, b alternative embodiments of the device according to the solution and

Fig. 3a, b Diagrammdarstellungen zur Veranschaulichung der Wirkung der Reduzierung von ROS aus Blut. Fig. 3a, b Diagrams illustrating the effect of reducing ROS from blood.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Ways of implementing the invention, industrial applicability

Figur 1 zeigt schematisiert einen extrakorporalen Blutkreislauf, mit einer von einer Person 1 abführenden Leitung 2, längs der eine Therapie- und/oder Herz-ZLungen- Unterstützungseinheit 3 angebracht ist, bspw. in Form eines Membranoxygenators, Dialysegerätes, Lipidfiltration-Einheit oder einer Herz-Lungen-Maschine, etc.. In Strömungsrichtung nach der Therapie- und/oder Herz-ZLungen-Unterstützungseinheit 3 schließt eine in den Patienten 1 rückführende Leitung 4 an, längs der unmittelbar vor Eintritt in den Patienten 1 die lösungsgemäße Vorrichtung 5 angebracht ist und das Patientenblut in der Weise modifiziert, so dass der Anteil von im Blut enthaltenen freien Radikalen reduziert wird. Die Reduzierung der im Blut enthalten freien Radikale, insbesondere ROS und RNS erfolgt durch selektive Entfernung bzw. Extraktion aus dem Blut im Wege einer chemischen Bindung der freien Radikale an wenigstens einem innerhalb der Vorrichtung 5 vorgesehenen Material, das über chemische Bindungseigenschaften in Art einer Spin-Falle verfügt. Figure 1 schematically shows an extracorporeal blood circuit, with a line 2 leading away from a person 1, along which a therapy and/or heart-lung support unit 3 is mounted, e.g., in the form of a membrane oxygenator, dialysis machine, lipid filtration unit, or a heart-lung machine, etc. Following the therapy and/or heart-lung support unit 3 in the flow direction, there is a line 4 leading back into the patient 1, along which the device 5 according to the invention is mounted immediately before entering the patient 1 and modifies the patient's blood in such a way that the proportion of free radicals contained in the blood is reduced. The reduction of the free radicals contained in the blood, in particular ROS and RNS, occurs through selective removal or extraction from the blood by chemically binding the free radicals to at least one material provided within the device 5, which has chemical binding properties similar to a spin trap.

In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass jedweder chirurgischer Eingriff sowie jedweder Einsatz von mit Blut in Kontakt tretenden technischen Medizinkomponenten für das Blut sowohl eine physische Belastung als auch einen biochemischen bzw. oxidativen Stress bedeutet, der zum Anstieg von ROS/RNS im Blut führt. Dies trifft grundsätzlich auch für die lösungsgemäße Vorrichtung 5 zu, deren biochemische Wirkung bezüglich einer Reduzierung von freien Radikalen im Blut jedoch einer durch ihr hervorgerufenen Bildung bzw. Freisetzung von freien Radikalen bei Weitem überwiegt. Dies ist auch der Grund dafür, dass die lösungsgemäße Vorrichtung 5 in einem in Figur 1 skizzierten extrakorporalen Blutkreislauf unmittelbar vor Wiedereintritt in den Patienten 1 zu platzieren ist, um so den „künstlichen“ extrakorporalen Blutleitungsweg zum Patienten, längs dem sich ebenfalls freie Radikale bilden können, zu minimieren. In this context, it should be noted that any surgical intervention, as well as any use of technical medical components that come into contact with blood, places both physical strain on the blood and biochemical or oxidative stress, leading to an increase in ROS/RNS in the blood. This also applies in principle to the device 5 according to the solution. However, its biochemical effect on reducing free radicals in the blood far outweighs the resulting formation or release of free radicals. This is also the reason why the device 5 according to the solution is to be placed in an extracorporeal blood circuit, as outlined in Figure 1, immediately before re-entry into the patient 1, in order to minimize the "artificial" extracorporeal blood flow path to the patient, along which free radicals can also form.

Fig. 2 a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer lösungsgemäßen Vorrichtung 5 mit einem über einen Einlass 6 und Auslass 7 verfügenden Gehäuse 8, das ein Gehäusevolumen 9 begrenzt, in dem eine Trägersubstrat 10 angeordnet ist, an dessen Oberfläche ein Material 11 kovalent gebunden ist, das im gezeigten Fall ein Copolymer aus zwei Stoffverbindungen 12, 13 ist. Die Stoffverbindungen 12, 13, bspw. CMH und TEMPO oder Hydroxylamine und Triphenylmethylradikale, vermögen die freien Radikale mit unterschiedlicher Selektivität und Reaktionsgeschwindigkeiten zu binden. Selbstverständlich sind auch Copolymere Materialien 11 aus mehr als zwei Stoffverbindungen, wie vorstehend genannt, denkbar und vorteilhaft. Fig. 2a shows an embodiment of a device 5 according to the invention with a housing 8 having an inlet 6 and an outlet 7, which defines a housing volume 9 in which a carrier substrate 10 is arranged, to the surface of which a material 11 is covalently bonded, which in the case shown is a copolymer of two compounds 12, 13. The compounds 12, 13, for example, CMH and TEMPO or hydroxylamine and triphenylmethyl radicals, are capable of binding the free radicals with different selectivity and reaction rates. Of course, copolymer materials 11 comprising more than two compounds, as mentioned above, are also conceivable and advantageous.

Strömt Blut über den Einlass 6 in das Gehäuse 8 ein, so tritt es in Kontakt mit dem auf dem Trägersubstrat 10 kovalent gebundenen Material 11 , an dem im Blut enthaltene freie Radikale ROS/RNS binden. Entsprechend fließt über den Auslass 7 Blut mit einem kontrolliert reduzierten Anteil an freien Radikalen aus dem Gehäuse 8 aus. When blood flows into the housing 8 via the inlet 6, it comes into contact with the material 11 covalently bound to the carrier substrate 10, to which the free radicals ROS/RNS contained in the blood bind. Accordingly, blood flows out of the housing 8 via the outlet 7 with a controlled reduction in the proportion of free radicals.

Das Trägersubstrat 10 ist möglichst großflächig auszubilden, so dass ein möglichst großer Blutanteil, vorzugsweise das gesamte durch das Gehäuse 8 hindurchströmende Blutvolumen, mit dem Material 11 in chemische Wechselwirkung zu treten vermag. So bietet es sich an das flächige Trägersubstrate 10 zu falten und/oder dessen Oberfläche zu strukturieren, um die Oberfläche zu vergrößern. Anstelle von flächigen Trägersubstraten 10 sind auch fasrige, vorzugsweise zu einem Gewirk überführte Trägersubstrate 10 denkbar, an deren Oberfläche das Material (11) kovalent binden kann. The carrier substrate 10 should be designed to have as large a surface area as possible, so that the largest possible proportion of blood, preferably the entire volume of blood flowing through the housing 8, can chemically interact with the material 11. Thus, it is advisable to fold the flat carrier substrate 10 and/or structure its surface to increase the surface area. Instead of flat carrier substrates 10, fibrous carrier substrates 10, preferably converted into a knitted fabric, are also conceivable, to the surface of which the material (11) can bond covalently.

Bei Verwendung eines Materials 11 , dessen Redox-Zustände sich farblich unterscheiden, wie dies bspw. bei CMH-Molekülen der Fall ist, kann durch einen zusätzlich im oder am Gehäuse 8 angebrachten optischen Sensor 16 festgestellt werden, wie groß der Anteil an CMH-Molekülen ist, der bereits mit einem freien Radikal reagiert hat. Auf diese Weise lässt sich ein „Verbrauchszustand“ der Vorrichtung 5 automatisch erfassen. When using a material 11 whose redox states differ in color, as is the case with CMH molecules, for example, an optical sensor 16 additionally mounted in or on the housing 8 can determine the proportion of CMH molecules that have already reacted with a free radical. In this way, a "consumption state" of the device 5 can be automatically detected.

Figur 2 b zeigt eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung 5 mit einem Gehäuse 8, in dem ein partikuläres Trägersubstrat 10 in Form von Schüttgut enthalten ist. Jedes einzelne Trägersubstratpartikel 14, siehe Detaildarstellung, weist an dessen Oberfläche kovalent gebundenes Material 11 auf, in Form eines aus wenigstens einer Stoffverbindungen 12, 13 zusammengesetzten Copolymers. Figure 2b shows an alternative embodiment of the device 5 with a housing 8 containing a particulate carrier substrate 10 in the form of bulk material. Each individual carrier substrate particle 14 (see detailed illustration) has covalently bonded material 11 on its surface, in the form of a copolymer composed of at least one compound 12, 13.

Um zu vermeiden, dass das partikuläre Trägersubstrat 10 unkontrolliert durch den Auslass 7 des Gehäuses 8 entweichen kann, ist innerhalb des Gehäuses 8 unmittelbar vor dem Auslass 7 ein Rückhalteelement 15 in Form eines Siebs o.ä. angeordnet. In order to prevent the particulate carrier substrate 10 from escaping uncontrollably through the outlet 7 of the housing 8, a retaining element 15 in the form of a sieve or the like is arranged within the housing 8 immediately in front of the outlet 7.

Auch sind für das Blut durchlässige Membranstrukturen als Trägersubstrat denkbar, die innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet sind, so dass sie von Blut durchströmt werden. Die Membranporen der Membranstrukturen sind dabei so dimensioniert, dass sie von den Blutbestandteilen einerseits schadlos durchdrungen werden können, andererseits jedoch eine biochemische Wechselwirkung mit dem an der Membranporenoberfläche angebrachten Material gewährleisten, dessen Matenaloberfläche die chemische Bindungseigenschaft in Art einer Spinfalle besitzt. Blood-permeable membrane structures are also conceivable as a carrier substrate. These structures are arranged within the housing 8 so that blood flows through them. The membrane pores of the membrane structures are dimensioned such that, on the one hand, they can be penetrated harmlessly by the blood components, while, on the other hand, ensuring a biochemical interaction with the material attached to the membrane pore surface, whose material surface possesses the chemical bonding property of a spin trap.

Für Trägersubstrate, die als Membrane ausgebildet sind, eignen sich bevorzugt Polysulfone oder Polymere von der Polysulfone Familie, z.B. Polyethersulfone / Polyarylethersulfone. Diese lassen sich gut mit Spinfallen funktionalisieren. Auch eigenen sich Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Poly-4-methyl-1 -pentene (PMP) und Polyimide (PI) als Membranmaterialien, insbesondere in Verbindung mit einer ECMO. For carrier substrates designed as membranes, polysulfones or polymers from the polysulfone family, e.g. polyethersulfones / Polyarylethersulfones. These can be easily functionalized with spin traps. Polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly-4-methyl-1-pentene (PMP), and polyimide (PI) are also suitable membrane materials, especially in conjunction with ECMO.

Im Rahmen zweier Versuche konnte die positive Wirkung einer effizienten ROS- Reduzierung sowohl in einer wässrigen Lösung als auch in Blutplasma gezeigt werden. In two experiments, the positive effect of efficient ROS reduction was demonstrated both in an aqueous solution and in blood plasma.

Figur 3 A zeigt eine Diagrammdarstellung, aus der anhand der Elektronenspinresonanz-Intensität, siehe Ordinate, in Abhängigkeit der magnetischen Anregungsfeldstärke, siehe Abszisse, die gemessene Menge an ROS entnommen werden kann. Figure 3 A shows a diagram from which the measured amount of ROS can be determined based on the electron spin resonance intensity (see ordinate) as a function of the magnetic excitation field strength (see abscissa).

Ausgangspunkt ist eine wässrige Lösung, in der ein Flavinmononukleotid - enthaltendes Proteins enthalten ist und in der unter Sauerstoffzugabe und Lichtexposition Superoxide gebildet werden. Somit ist gewährleistet, dass je nach Lichtexpositionsdauer, von bspw. 6 min, eine definierte Anzahl an Superoxid in kurzer Zeit produziert wird. Nachfolgend wird die ROS Konzentration mit einer Spinfalle bestimmt, siehe oberes Spektrum in Fig. 3 A, das mehrere Intensitäts- Peaks zeigt, die eine erhöhte ROS-Konzentration anzeigen. The starting point is an aqueous solution containing a flavin mononucleotide-containing protein, in which superoxides are formed upon oxygenation and light exposure. This ensures that, depending on the duration of light exposure, e.g., 6 minutes, a defined amount of superoxide is produced in a short time. The ROS concentration is then determined using a spin trap; see the upper spectrum in Fig. 3 A, which shows several intensity peaks indicating an increased ROS concentration.

Im Anschluss daran wird der wässrigen Lösung ein Testpolymer, Poly (2, 2,6,6- tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate) (PTMA), als Trägersubstrat zugegeben, dessen Oberfläche mit einer Nitroxid-Spinfalle copolymerisiert wurde. Nach einer Inkubationszeit von 15 Minuten zeigt sich nach Messung das mittleres Spektrum in Figur 3a, das lediglich zwei prägnante Peaks zeigt. Schließlich wird das EPR Spektrum nach Abtrennung des mit der Spinfalle copolymerisierten PTMAs aus der wässrigen Lösung bestimmt, das dem unteren Spektrum in Figur 3 A entspricht. Klar zu sehen ist, dass im Filtrat kein EPR Signal zu sehen ist, d.h. keine ROS in der wässrigen Lösung nachweisbar sind. Fig. 3 B zeigt einen Diagramm-basierten Vergleich zweier Konzentrationsmessungen an ROS in einem Blutplasma. Subsequently, a test polymer, poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate) (PTMA), whose surface had been copolymerized with a nitroxide spin trap, was added to the aqueous solution as a carrier substrate. After an incubation time of 15 minutes, the middle spectrum in Figure 3a was measured, which showed only two distinct peaks. Finally, the EPR spectrum was determined after separating the PTMA copolymerized with the spin trap from the aqueous solution; this corresponds to the lower spectrum in Figure 3A. It is clearly visible that no EPR signal is visible in the filtrate, meaning that no ROS are detectable in the aqueous solution. Fig. 3 B shows a diagram-based comparison of two ROS concentration measurements in a blood plasma.

Ausgangspunkt ist eine menschliche Blutprobe, aus der Blutplasma extrahiert wurde, dessen ROS-Konzentration mithilfe einer Spinfalle bestimmt worden ist, die mit 1 ,31 pM angegeben ist. The starting point is a human blood sample from which blood plasma was extracted, the ROS concentration of which was determined using a spin trap and is given as 1.31 pM.

Im Anschluss daran wird dem Blutplasma ein Testpolymer, Poly (2,2,6,6-tetramethyl- 1 -piperidinyloxy methacrylate) (PTMA), als Trägersubstrat zugegeben, dessen Oberfläche mit einer Nitroxid-Spinfalle copolymerisiert wurde. Nach einer Inkubationszeit von 15 Minuten zeigt sich nach Messung mit Hilfe der Spinfalle eine ROS-Konzentration von 0,87 pM. Dieser Wert ließe sich weiter reduzieren, indem das Testpolymer vollständig aus dem Blutplasma extrahiert würde. Subsequently, a test polymer, poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylate) (PTMA), is added to the blood plasma as a carrier substrate. The surface of the polymer has been copolymerized with a nitroxide spin trap. After an incubation period of 15 minutes, the spin trap measurement shows an ROS concentration of 0.87 pM. This value could be further reduced by completely extracting the test polymer from the blood plasma.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

Person Person

Abführende Leitung efferent line

Therapie- und/oder Herz-ZLungen-UnterstützungseinheitTherapy and/or cardiopulmonary support unit

Rückführende Leitung Return line

Lösungsgemäße Vorrichtung Solution-related device

Einlass Entrance

Auslass Outlet

Gehäuse Housing

Gehäusevolumen Housing volume

Trägersubstrat Carrier substrate

Material Material

Stoffgruppe I mit ehern. Bindungseigenschaften einer Spin-FalleSubstance group I with iron binding properties of a spin trap

Stoffgruppe II mit ehern. Bindungseigenschaften einer Spin-FalleSubstance group II with iron binding properties of a spin trap

T rägersubstratpartikel Carrier substrate particles

Rückhalteelement Retaining element

Optischer Sensor Optical sensor

Claims

Patentansprüche Patent claims 1. Vorrichtung zur Modifikation von Blut mit einem Gehäuse (8), das über einen Ein- (6) und einen Auslass (7) verfügt und ein Gehäusevolumen (9) begrenzt, in dem ein Bindungsmittel angeordnet ist, das mit dem Blut bei Durchströmen des Gehäuses (8) zumindest teilweise in Kontakt tritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindungsmittel ein Trägersubstrat (10) aufweist, an dem ein Material (11 ) aufgebracht ist, das über eine innerhalb des Gehäusevolumens (9) frei zugängliche Oberfläche verfügt, die eine chemische Bindungseigenschaft in Art einer Spinfalle besitzt. 1. Device for modifying blood with a housing (8) which has an inlet (6) and an outlet (7) and delimits a housing volume (9) in which a binding agent is arranged which comes into at least partial contact with the blood as it flows through the housing (8), characterized in that the binding agent has a carrier substrate (10) to which a material (11) is applied which has a surface which is freely accessible within the housing volume (9) and which has a chemical binding property in the manner of a spin trap. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das eine Material (11) mit dem Trägersubstrat (10) kovalent gebunden ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the one material (11) is covalently bonded to the carrier substrate (10). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (10) aus einer der folgenden Stoffklassen besteht: Polymethylacrylat, Polyurethane, Aminocellulosederivate, Polyamide, Polyurethane, Polyethylen, Polypropylen, Poly-4-methyl-1 -pentene, Polyimide, Polysulfone, Polymere von der Polysulfonen. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier substrate (10) consists of one of the following classes of material: polymethyl acrylate, polyurethanes, aminocellulose derivatives, polyamides, polyurethanes, polyethylene, polypropylene, poly-4-methyl-1-pentenes, polyimides, polysulfones, polymers of polysulfones. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (11 ) wenigstens eine Nitron- und/oder Nitroseverbindung aufweist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the material (11) comprises at least one nitrone and/or nitrous compound. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Blut gelöstes freies Radikal X* in der nachfolgenden chemischen Reaktionsweise mit dem Material (11 ) reagiert:
Figure imgf000016_0001
5. Device according to claim 4, characterized in that a free radical X* dissolved in the blood reacts with the material (11) in the following chemical reaction:
Figure imgf000016_0001
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Blut gelöstes freies Radikal im Form von
Figure imgf000017_0001
in der nachfolgenden chemischen Reaktionsweise mit dem Material (11 ) reagiert:
Figure imgf000017_0002
6. Device according to claim 4, characterized in that a free radical dissolved in the blood in the form of
Figure imgf000017_0001
reacts with the material (11 ) in the following chemical reaction:
Figure imgf000017_0002
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (11 ) wenigstens eine der nachfolgenden Stoffverbindungen aufweist: 7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the material (11) comprises at least one of the following material compounds: TEMPO, 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1 -oxyl TEMPO, 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl 4-carboxy TEMPO, 4-Carboxy-2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-oxyl 4-carboxy TEMPO, 4-carboxy-2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl BMPO (BocMPO), C10H17NO3 BMPO (BocMPO), C10H17NO3 CYPMPO, 5-(2,2-dimethyl-1 ,3-propoxy cyclophosphoryl)-5-methyl-1 -pyrrolineCYPMPO, 5-(2,2-dimethyl-1,3-propoxycyclophosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline N-oxide, N-oxides, DEPMPO-biotin, C24H42N5O8PS, [(3S)-2-diethoxyphosphoryl-2-methyl-1 -oxido-DEPMPO-biotin, C24H42N5O8PS, [(3S)-2-diethoxyphosphoryl-2-methyl-1 -oxido- 3,4-dihydropyrrol-1 -ium-3-yl]methyl N-[3-[5-[(3aR,4R,6aS)-2-oxo-3,4-dihydropyrrol-1 -ium-3-yl]methyl N-[3-[5-[(3aR,4R,6aS)-2-oxo- 1 ,3,3a,4,6,6a-hexahydrothieno[3,4-d]imidazol-4- yl]pentanoylamino]propyl]carbamate EMPO , C8H13NO3 1,3,3a,4,6,6a-hexahydrothieno[3,4-d]imidazol-4-yl]pentanoylamino]propyl]carbamates EMPO, C8H13NO3 Nitrosobenzene, CeHsNO, Nitrosobenzenes, CeHsNO, POBN , C10H14N2O2POBN POBN, C10H14N2O2POBN PTIO , 2-phenyl-4,4,5,5,-tetramethylimidazoline-1-oxyl 3-oxide PTIO , 2-phenyl-4,4,5,5,-tetramethylimidazoline-1-oxyl 3-oxide PROXYL, 2,5,5- Tetramethyl-pyrrolidin-1-oxyl Ebselen-Säure organische Dithio-Säuren. PROXYL, 2,5,5- Tetramethyl-pyrrolidine-1-oxyl Ebselenic acid organic dithio acids. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (11 ) wenigstens zwei der Stoffverbindungen (12, 13) aufweist, die im Wege einer Kopolymerisation verbunden sind. 8. Device according to claim 7, characterized in that the material (11) has at least two of the substance compounds (12, 13) which are bonded by means of a copolymerization. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (11 ) Hydroxylamine und/oder Triphenylmethylradikale aufweist. 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the material (11) comprises hydroxylamines and/or triphenylmethyl radicals. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (10) Poren aufweist und über eine poröse Oberflächenstruktur verfügt. 10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the carrier substrate (10) has pores and has a porous surface structure. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (10) innerhalb des Gehäuses (8) ortsfest angeordnet ist, so dass die frei zugängliche Oberfläche des Materials (11 ) parallel zu einer sich innerhalb des Gehäuses (8) ausbildenden Blutströmung orientiert ist. 11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the carrier substrate (10) is arranged in a stationary manner within the housing (8) so that the freely accessible surface of the material (11) is oriented parallel to a blood flow forming within the housing (8). 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (10) partikulär ausgebildet ist und innerhalb des Gehäuses (8) in Form freien Schüttgutes angeordnet ist, so dass die frei zugänglichen Oberflächen des an den Partikeln (14) angebrachten Materials (11 ) vom Blut bei Durchströmen des Gehäuses (8) umspülbar sind. 12. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the carrier substrate (10) is formed particulately and is arranged within the housing (8) in the form of free bulk material, so that the freely accessible surfaces of the material (11) attached to the particles (14) can be washed around by the blood as it flows through the housing (8). 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchströmungsrichtung vor dem Auslass (7) ein Rückhalteelement (15) für die Partikel (14) angeordnet ist. 13. Device according to claim 12, characterized in that a retaining element (15) for the particles (14) is arranged in front of the outlet (7) in the flow direction. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Sensor (16) am oder im Gehäuse (8) vorgesehen ist, der zur Detektion einer Farbänderung an der frei zugänglichen Oberfläche des Materials (11 ) ausgebildet ist. 14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that an optical sensor (16) is provided on or in the housing (8), which is designed to detect a color change on the freely accessible surface of the material (11). 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als integraler Bestandteil einer jeglichen extrakorporalen Zirkulation und jeglicher bluthaltiger und nichtbluthaltiger Leitungen. 15. Device according to one of claims 1 to 14 as an integral part of any extracorporeal circulation and any blood-containing and non-blood-containing lines. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die extrakorporale Zirkulation in Form eines Fluidkreislaufes der nachfolgenden Art ist: 16. Device according to claim 15, characterized in that the extracorporeal circulation is in the form of a fluid circuit of the following type: Extrakorporale Membranoxygenierung zur Lungenunterstützung (ECMO), Extrakorporale Unterstützung von Herz und Lungen (ECLS, AV-ECMO), Herz-Lungen-Maschine für Herz-Operationen, Extracorporeal membrane oxygenation for lung support (ECMO), extracorporeal support of heart and lungs (ECLS, AV-ECMO), heart-lung machine for cardiac surgery, Mechanische Kreislauf-Unterstützungssysteme, sowohl Herzunterstützungssysteme (LVAD) als auch Kunstherzen (Total artificial hearts, TAH), Blutwäschekreislauf (Dialyse), Lipidfiltration (Lipidapharese). Mechanical circulatory support systems, both ventricular assist devices (LVAD) and total artificial hearts (TAH), blood purification circuit (dialysis), lipid filtration (lipid apheresis). 17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jegliche bluthaltige und nicht-bluthaltige Leitungen der nachfolgenden Art sind: 17. Device according to claim 15, characterized in that any blood-containing and non-blood-containing lines are of the following type: Entnahmesysteme zu Blutspenden, Blutentnahme (Aderlass) bei Polyglobulie, Collection systems for blood donations, Blood sampling (bloodletting) in polycythemia, Gabe von Blut oder Blutanteilen (Erythrozyten-Konzentrate, Plasma, FFP), Priminglösungen von extrakorporalen Zirkulationen. Administration of blood or blood components (erythrocyte concentrates, plasma, FFP), priming solutions from extracorporeal circulation.
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