CN102277297B - 植入式在体电转染装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种植入式在体电转染装置，用于将光敏感型的目的基因转入植入部位的目标细胞中，该电转染装置包括中央控制系统、电极系统及注射系统，中央控制系统与电极系统及注射系统相连用于控制电极系统及注射系统，注射系统用于向目标细胞注射目的基因，电极系统产生电脉冲使目的基因转入目标细胞中并采集植入部位的电生理信号反馈至中央控制系统。该植入式在体电转染装置结合微量注射技术、电转染技术及微电极测量技术，能实现对目标神经元的转染、光遗传学调控和电生理信号的测量。由于电转染是一种纯物理方法，因此避免了化学和生物毒性的威胁。电转染对细胞的使用范围广，转染率高。

Description

植入式在体电转染装置
【技术领域】
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种植入式在体电转染装置。
【背景技术】
癫痫、帕金森症、精神分裂症、神经性厌食、抑郁症、老年痴呆症、震颤、痉挛、强迫症、焦虑症、脑中风、以及毒瘾等众多的中枢神经系统和精神疾病一直威胁人类健康，困扰人类的正常生活。目前世界范围内的神经系统和精神疾病患者有约6亿人，其中我国约占四分之一。并且随着社会的老龄化发展以及经济、环境等多方面因素的影响，这些疾病的患者数量有逐年增加的趋势，对社会和经济的发展造成了巨大的障碍。因此，亟需一种方法来深入地研究神经回路的重塑与修复机制，进而揭示和阐明神经系统和精神疾病在细胞回路层面上的发病机理和探讨更加有效的临床调控靶点。光遗传学技术的出现让使得上述问题的解决成为可能。
光遗传学技术是近几年迅速发展的一项整合了光学、基因工程、电生理以及电子工程的全新的多学科交叉的生物技术，其主要原理是首先采用基因工程技术将光感基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行表达，使其在细胞膜上形成特殊的离子通道。这些离子通道在不同波长的光照刺激下对不同阴阳离子的通过具有选择性，造成细胞膜两侧的膜电位发生变化，从而可以通过光纤达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。在光调控的同时，通过电极对目标神经元的生理信号的获取和分析，完成对光调控的监控和回馈。
然而，传统的对于光感基因在目标神经元中表达所采用的方法主要为携带了质粒的腺病毒或者慢病毒在体内的感染。病毒转染可能会导致细胞增殖能力下降，还可能影响外源基因的结构与功能，产生插入致突变；在长期实际应用中对DNA存在的影响未知，具有潜在的危险。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种安全性能较高的植入式在体电转染装置，用于对神经系统和精神疾病的发病和治疗进行研究。
一种植入式在体电转染装置，用于将光敏感的目的基因转入植入部位的目标细胞中，该电转染装置包括中央控制系统、电极系统及注射系统，中央控制系统与电极系统及注射系统相连用于控制电极系统及注射系统，注射系统用于向目标细胞注射目的基因，电极系统产生电脉冲使目的基因转入目标细胞中并采集植入部位的电生理信号反馈至中央控制系统。
在优选的实施方式中，所述电极系统包括电极单元、固定板及电脉冲波形发生器；所述电极单元固定在所述固定板上；所述电脉冲波形发生器与所述电极单元相连，向所述电极单元发送电脉冲。
在优选的实施方式中，所述电极单元包括至少一个微电极。
在优选的实施方式中，所述微电极包括电极接头、与所述电极接头相连的电极头、以及包裹在电极接头与电极的连接部分表面的绝缘层，所述电极接头与所述电脉冲波形发生器相连。
在优选的实施方式中，所述注射系统包括注射控制单元及微流导管；所述微流导管固定在所述固定板上；所述注射控制单元与所述中央控制系统相连，控制目的基因由所述微流导管注入植入部位。
在优选的实施方式中，所述电极单元为包括多个微电极的电极阵列，所述微流导管为金属材质，所述微电极之间或者微电极与金属材质的微流导管之间构成电流回路。
在优选的实施方式中，所述电极单元为包括多个微电极的电极阵列，所述微流导管为塑料材质，多个所述微电极之间构成电流回路。
在优选的实施方式中，所述电极单元包括一个微电极，所述微流导管为金属材质，所述微电极与所述微流导管之间构成电流回路。
在优选的实施方式中，还包括用于对目标细胞进行光刺激调控的光调控系统，所述光调控系统与所述中央控制系统相连，接收所述中央调控系统的调控指令对植入部位的目标细胞进行光刺激调控。
在优选的实施方式中，所述光调控系统包括光源、光脉冲波形发生器及光纤单元；所述光脉冲波形发生器与所述光源相连，向所述光纤单元发送激光脉冲；所述光纤单元固定在所述固定板上。
在优选的实施方式中，所述光纤单元包括至少一个光纤。
在优选的实施方式中，所述光纤穿入所述微流导管中，通过所述微流导管伸入至植入部位的组织中；或者所述光纤与所述微流导管紧靠并列设置。
在优选的实施方式中，所述电极头表面修饰有金属颗粒、金属氧化物、水凝胶、导电聚合物、碳材料、多肽及蛋白质中的至少一种修饰材料。
在优选的实施方式中，所述电极头为针状、柱状或盘状。
在优选的实施方式中，所述固定板为盘状，所述固定板上开设有固定孔，所述固定板通过所述固定孔固定在植入部位。
该植入式在体电转染装置结合微量注射技术、电转染技术及微电极测量技术，能实现对目标神经元的转染、光遗传学调控和电生理信号的测量。在细胞电转染的过程中，游离的目的基因结合到细胞膜上，在电脉冲的作用下，细胞膜上会形成小孔，从而使得目的基因可逆地插入电穿孔的细胞膜进入细胞内，从而使得目的基因得以表达。由于电转染是一种纯物理方法，因此避免了化学和生物毒性的威胁。电转染对细胞的使用范围广，转染率高。
【附图说明】
图1为一实施方式的植入式在体电转染装置示意图；
图2为图1实施方式中植入式在体电转染装置的细化模块图；
图3为图1实施方式中电极单元、微流导管及固定板结合示意图；
图4为包含光纤的电极单元、微流导管及固定板结合示意图；
图5为另一实施方式中包含光纤的电极单元、微流导管及固定板结合示意图。
【具体实施方式】
下面主要结合附图及具体实施例对植入式在体电转染装置作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施方式的植入式在体电转染装置100主要用于将光敏感型的目的基因转入植入部位的目标细胞500中。该电转染装置100包括中央控制系统110、电极系统120及注射系统130。中央控制系统110与电极系统120及注射系统130相连用于控制电极系统120及注射系统130。
电极系统120产生电脉冲使目的基因转入目标细胞500中并采集目标细胞500附近的电生理信号反馈至中央控制系统110。请结合图2和图3，本实施方式的电极系统120包括电极单元122、固定板124及电脉冲波形发生器126。电极单元122固定在固定板124上。电脉冲波形发生器126一端与电源600相连，另一端与电极单元122相连，向电极单元122发送一定频率的电脉冲。为了提高电转染的效率，和保证电转染的安全性能高，需要对电源600和电脉冲波形发生器126的参数进行适当调整，找到最佳电压、电流、波形、频率和占空比。
电极单元122包括至少一个微电极240，当有多个微电极240时，可以构成微电极阵列。如图3所示，微电极240包括电极接头242、电极头244以及绝缘层246。电极接头242与电脉冲波形发生器126相连，接收电脉冲波形发生器126产生的电脉冲。电极头244植入至组织内，用于对目标细胞500(如神经细胞)进行电脉冲刺激。电极接头242与电接头244的连接部分包裹绝缘层246。
优选的，电极头244的表面可以修饰有金属颗粒、金属氧化物(如氧化钇)、水凝胶、导电聚合物、碳材料(如碳纳米管)、多肽及蛋白质中的至少一种修饰材料，以获得更加稳定的电生理信号。此外，电极头244的形状也可以根据需要进行电转染区域的大小进行选择，如可以选择针状电极头、柱状电极头或盘状电极头等。优选微型柱状的电极头244，可以在最小的组织创伤条件下和最大区域的组织中实现电转染，并且具有较高的安全性和生物相容性。
固定板124优选为盘状。固定板124上开设有固定孔248。固定板124通过固定孔248固定在植入部位。
注射系统130用于向目标细胞500注射目的基因。请结合图2和图3，注射系统130包括注射控制单元132及微流导管134。注射控制单元132与中央控制系统110相连，控制目的基因的注入量。微流导管134固定在固定板124上并伸入至植入部位的组织中。
微流导管134为硬质的管状结构，其组成可以为聚四氟乙烯、聚酰亚胺、特氟龙等塑料材质或者不锈钢、铂、铂铱合金、金等金属材质。
光敏感型的目的基因通过特异的启动子转入到相关回路的神经元内并表达。光敏感型的目的基因包括兴奋型通道蛋白基因和抑制型通道蛋白基因，其中，兴奋型通道蛋白基因如ChR2、ChETA、VChR1或SFOs中等，抑制型通道蛋白基因如NpHR、Arch或MAC等。在细胞电转染的过程中，游离的目的基因结合到细胞膜上，在电脉冲的作用下，细胞膜上会形成小孔，从而使得目的基因可逆地插入电穿孔的细胞膜进入细胞内，从而使得目的基因得以表达。由于电转染是一种纯物理方法，因此避免了化学和生物毒性的威胁，并且电转染对细胞的使用范围广，转染率高。
当电极单元122为包括多个微电极240的电极阵列时，微流导管134可以为塑料材质或金属材质。相应的，多个微电极240之间或者微电极240与金属材质的微流导管134之间可以构成电流回路对目标细胞500进行电转染。
当电极单元122仅包括一个微电极240时，微流导管134设为金属材质，从而，该微电极240可以与微流导管134之间构成电流回路对目标细胞500进行电转染。
此外，请结合图1、图2和图4，为进一步对目标细胞500进行光调控，本实施方式的电转染装置100还包括用于对目标细胞500进行光刺激调控的光调控系统140。光调控系统140主要包括光源142、光脉冲波形发生器144及光纤单元146。光脉冲波形发生器144与光源142相连，向光纤单元146发送激光脉冲。光纤单元146固定在固定板124上。
光源142优选激光光源。光脉冲波形发生器144控制激光脉冲的波形、频率、占空比等信息。激光脉冲的频率优选为1～200Hz，波长范围为450～600nm。进一步优选的，激光脉冲的波长选用473nm、530nm、550nm或590nm中的至少一种。当对植入部位的目标细胞500进行光照刺激时，可以引起导入光敏感基因的神经元的兴奋或抑制，通过相关神经元的兴奋或者抑制来调控神经回路，从而对植入部位进行光调控。由于光照刺激只对导入光敏感型目的基因的目标细胞500起作用，因此，光调控具有较高的时空分辨率。
光纤单元146包括至少一个用于传导激光脉冲的光纤460。可以根据组织环境的变化，增加光纤460的数量，当有多个光纤460时，可以构成光纤阵列。
如图4所示，本实施方式的光纤460穿入微流导管134中，通过微流导管134导入到植入部位的组织中。此种光纤460与微流导管134的设置方式，可以预先完成目的基因的转染，之后再导入光调控系统140，将光纤460通过微流导管134导入到组织中，方便，效率高。
在其他实施方式中，如图5所示，光纤560与微流导管134紧靠平行设置，可以在进行转染的同时进行光调控刺激，并通过电极系统120采集电生理信号进行实时监控。
该植入式在体电转染装置100能实现对目标细胞500的转染、光遗传学调控和电生理测量，能最大限度地减少手术的损伤，降低手术风险，从而满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求，并且推动光遗传学神经调控技术的临床发展，并且还有望用于基因治疗等其它领域。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种植入式在体电转染装置，用于将光敏感的目的基因转入植入部位的目标细胞中，其特征在于，包括中央控制系统、电极系统及注射系统，所述中央控制系统与所述电极系统及所述注射系统相连用于控制所述电极系统及注射系统，所述注射系统用于向目标细胞注射目的基因，所述电极系统产生电脉冲使目的基因转入目标细胞中并采集植入部位的电生理信号反馈至中央控制系统；所述电极系统包括电极单元、固定板及电脉冲波形发生器；所述电极单元固定在所述固定板上；所述电脉冲波形发生器与所述电极单元相连，向所述电极单元发送电脉冲；所述电极单元包括至少一个微电极；所述微电极包括电极接头、与所述电极接头相连的电极头、以及包裹在电极接头与电极的连接部分表面的绝缘层，所述电极接头与所述电脉冲波形发生器相连；所述注射系统包括注射控制单元及微流导管；所述微流导管固定在所述固定板上；所述注射控制单元与所述中央控制系统相连，控制目的基因由所述微流导管注入植入部位。
2.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述电极单元为包括多个微电极的电极阵列，所述微流导管为金属材质，所述微电极之间或者微电极与金属材质的微流导管之间构成电流回路。
3.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述电极单元为包括多个微电极的电极阵列，所述微流导管为塑料材质，多个所述微电极之间构成电流回路。
4.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述电极单元包括一个微电极，所述微流导管为金属材质，所述微电极与所述微流导管之间构成电流回路。
5.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，还包括用于对目标细胞进行光刺激调控的光调控系统，所述光调控系统与所述中央控制系统相连，接收所述中央调控系统的调控指令对植入部位的目标细胞进行光刺激调控。
6.如权利要求5所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述光调控系统包括光源、光脉冲波形发生器及光纤单元；所述光脉冲波形发生器与所述光源相连，向所述光纤单元发送激光脉冲；所述光纤单元固定在所述固定板上。
7.如权利要求6所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述光纤单元包括至少一个光纤。
8.如权利要求7所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述光纤穿入所述微流导管中，通过所述微流导管伸入至植入部位的组织中；
或者所述光纤与所述微流导管紧靠并列设置。
9.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述电极头表面修饰有金属颗粒、金属氧化物、水凝胶、导电聚合物、碳材料、多肽及蛋白质中的至少一种修饰材料。
10.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述电极头为针状、柱状或盘状。
11.如权利要求1所述的植入式在体电转染装置，其特征在于，所述固定板为盘状，所述固定板上开设有固定孔，所述固定板通过所述固定孔固定在植入部位。
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