CN104780969A - 利用电场选择性迁移细胞的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在组织内迁移移植细胞或内源性细胞的系统和方法。该系统可包括用于插入组织内的第一和第二递送电极和操作性地连接至第一和第二递送电极的直流（DC）电源。该系统可进一步包括可编程控制器，其操作性地连接至DC电源，其中可编程控制器被编程以引导DC电源以足以造成细胞在组织内选择性迁移的刺激与非刺激比率在第一和第二递送电极之间递送电场。

Description

利用电场选择性迁移细胞的系统
I. 政府权利声明
本发明是在加州再生医学研究所的政府资助下完成的，合同号RB1-01417。政府在本发明中享有一定的权利。
II. 发明领域
本发明大体上涉及利用电场在神经组织或其他类型组织中的细胞迁移。
III. 发明背景
脑损伤、脑退行性疾病和脑病通常对身体功能造成显著影响。脑损伤的常见病因包括病变、创伤和中风。治疗这种损伤、疾病和病症困难增加，因为脑内的神经组织不可再生。
人体中大多数组织来源于被称为干细胞的未分化细胞。这些基础成分基于激素和其他局部信号而分化成特定的目标实质组织。科学证据表明，注射到特定组织中的干细胞会分化成对该宿主组织特异的细胞系。这种能力对于治疗涉及器官的疾病是特别有兴趣的，例如不能再生的脊髓、心脏和脑。
一个多世纪以来，电场已在实验室中被用来引导多种细胞类型的迁移。但是，应用电刺激以用于人类和动物监控并未非常成功。主要的阻碍在于与直流电电刺激相关的内在有害作用，其显著超过有利作用。电流在组织中产生热，改变组织内的pH，并且产生对细胞有害的电极产物。因为人体组织是高度导电的，使得产生大电流流动，这明显增加了对所刺激的组织的有害效果，这使得电刺激进一步复杂化。因此，目前商业上没有实现直流电脑刺激的装置来调节脑中神经干细胞和其他类型细胞的行为。
鉴于已知系统的缺陷，提供一种实现安全和有效的直流电刺激的系统和方法将是值得期待的。
IV. 发明内容
本发明克服了已知系统的缺陷，提供了用于在组织（如神经组织）中迁移细胞的系统和方法。该系统可包括被配置用于插入在组织中的第一和第二递送电极（delivery electrode）以及操作性地连接至所述第一和第二递送电极的直流(DC)电源。该系统可进一步包括操作性地连接至DC电源的可编程控制器，其中可编程控制器被编程以引导DC电源以足以造成细胞（如植入的细胞、内源性细胞）在组织内迁移的刺激与非刺激比率在第一递送电极和第二递送电极之间递送电场。优选地，所述刺激与非刺激比率为20:1秒至1:1秒的范围及其部分，电场为5 mV/mm至500 mV/mm，从而引导迁移而不伤害细胞（例如植入的和/或内源性干细胞，包括人神经干细胞(hNSC)和它们的子代细胞）和周围组织。
该系统可包括被配置用于插入在组织中且用于监测电场的第一和第二监测电极。所述可编程控制器可被配置以接收代表所监测的电场的信号，并引导DC电源基于所接收到的信号递送出经调节的电场。第一和第二监测电极可被连接至用来测定组织内电压的电压计，和/或连接至用于测定组织内电流的电流计。所述系统还可包括第一和第二脑电图（EEG）电极，其被插入在神经组织内，或者可被设置在头皮表面上。EEG电极被配置用来监测神经组织内的EEG。
根据本发明的一个方面，所述系统包括被配置以在操作性地连接至可编程控制器的计算机上运行的测量软件。该测量软件可被配置以监测来自可编程控制器的测量值，并控制可编程控制器。
可编程控制器可被配置从而以经选择的刺激与非刺激比率来递送电场，使得细胞在组织内迁移，而经选择的天然细胞（例如星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞、内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞或它们的任何组合）不迁移或最小程度地迁移。可编程控制器可被编程以引导DC电源向第一递送电极递送正电荷以产生电场，或引导DC电源向第二递送电极递送正电荷从而产生电场，或两者都是。这样，可编程控制器可被编程以引导DC电源递送电场，以使得干细胞向第一递送电极或第二递送电极或两者迁移。此外，可编程控制器可被编程以引导DC电源以脉冲单相或非对称双相形式递送电场。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种利用电场迁移细胞的方法。该方法可包括在组织中（例如神经组织）插入第一和第二递送电极，该第一和第二递送电极操作性地连接至直流（DC）电源；以及通过DC电源，以足以导致细胞在组织内迁移的刺激与非刺激比率在第一递送电极和第二递送电极之间递送电场。该刺激与非刺激比率可被选择以使得细胞在组织内迁移而经选择的天然细胞不迁移或最小程度地迁移。
该方法可包括利用具有电场参数和刺激与非刺激比率的程序对可编程控制器进行编程，其中递送电场包括根据所述程序递送电场和刺激与非刺激比率。所述方法可进一步包括在组织中插入第一和第二监测电极；利用第一和第二监测电极监测电场；在可编程控制器处接收代表所监测的电场的信号；以及基于所接收的信号递送经调节的电场。
根据一个方面，所述细胞包括移植的干细胞，所述方法进一步包括在移植位点移植干细胞，例如在吻侧迁移流（rostral migration stream）、脑室下区或脑部其他位置。此外，递送电场可能因为疾病或损伤、脑损伤或它们的任何组合而导致细胞迁移至嗅球、脑室下区、受损脑组织。
V. 附图简述
图1表示根据本发明的原理构建的示例性细胞迁移系统的部件。
图2表示示例性递送电极和示例性监测电极的远端区域。
图3为根据本发明的示例性实施方式的设置在外壳内的电路和部件的示意图。
图4为根据本发明的原理利用电场（EF）迁移细胞的示例性方法。
图5A显示移植细胞的仪器，图5B显示根据本发明的原理构建的示例性细胞迁移系统。
图6为显示方向性迁移的时移图像，当电场极性逆转时迁移方向也逆转。
图7和图8图示了细胞在不同的EF施加强度时的迁移。
图9图示了在大鼠体内的用于递送和监测电流参数的示例性装置。
图10显示了测量的电流、电压和电压梯度随时间的变化。
图11显示与刺激前和刺激后EEG相比，间歇式电刺激对脑电图的影响。
图12显示对于具有不同厚度的所刺激的组织，温度和pH值随时间变化的图表。
图13显示与连续刺激相比，间歇式电刺激达到明显的引导效果。
图14显示间歇式电刺激维持细胞存活率，而连续刺激可使细胞过热并杀死细胞。
图15A无EF施加时的脑部图像，图15B施加电刺激引导人神经干细胞的迁移。
图16显示间歇式电刺激选择性地引导人神经干细胞(NSC)的迁移，但与NSC相比，人胚胎肾细胞（HEK）很少迁移。
图17显示间歇式电刺激选择性地引导人NSC迁移，但对于这种刺激，人星形胶质细胞不迁移或最小程度地迁移。
图18显示间歇式刺激选择性地引导细胞迁移，从而诱导血管缓解（remission）和使血管生长（血管生成）。
VI. 发明详述
本发明提供了用于再生医学和创伤愈合的松动和引导细胞迁移的系统和方法。该系统和方法可被用在组织（如神经组织）上，从而治疗例如脑损伤（如损害、创伤、中风）、脑退行性疾病（如艾尔兹海默症、帕金森症）和/或脑部疾病（例如癫痫、抑郁症）。有利的是，本发明可被用来刺激组织从而通过改变电场（EF）的波形和/或刺激与非刺激比率来选择性地迁移不同细胞类型（例如干细胞（包括神经干细胞及其子代）、星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞、内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞）。不同于非选择性的刺激装置（被处理组织中的所有或大多数类型细胞响应刺激导致非必要的细胞刺激，甚至对愈合和修复产生不利影响），本发明选择性地引导期望类型的细胞至组织内期望的位点以实现再生。本文所述的系统和方法预期提供安全、节能和有效的组织刺激装置。
参考图1，其提供了本发明的细胞迁移系统100的总览图。在图1中，该系统的部件没有按绝对或相对比例图示。细胞迁移系统100包括多个电极、电路外壳110和基于软件的测量系统160。在所图示的实施方式中，测量系统160由医护人员或医院安装和运行于常规膝上型电脑上。电路外壳110可通过无线或有线连接至测量系统160，因而测量系统160可接收和传送数据至电路外壳110。
电路外壳110被配置用来罩住控制电路以及电源、测量部件、通信部件和界面部件，这在下文将详细描述。电路外壳110还优选包括数据接口，例如USB接口，从而允许控制器被连接至在医院或医生办公室的测量系统160。作为选择，电路外壳110可包括无线芯片，例如符合蓝牙或IEEE 802.11无线标准，从而使得控制器能够与测量系统160无线通信。如本领域技术人员将理解的，虽然电路外壳100在图示上包括一个外壳，但也可使用多个外壳来罩住控制电路以及其他一个或多个部件，而不脱离本发明的范围。
测量系统160主要由医护人员来使用，并且包括被配置用来在常规膝上型电脑或桌上型电脑上运行的软件，以提供电路外壳110内部件的用户界面。该软件使得医护人员能够基于编程和/或用户输入来配置、监测和控制控制电路以及电路外壳110内的部件的操作。在优选的实施方式中，测量系统160被编程以允许医护人员设置用于控制电路外壳110内的控制部件以及用于启动和停止测量的初始参数，并且电路外壳110内的部件被配置以在测量开始后自动运行，无需医护人员的介入。在一个实施方式中，测量系统160被配置以切断电路和/或部件，并覆盖（override）该电路所执行的反馈系统。
如图所示，细胞迁移系统100包括第一和第二递送电极120和122；第一、第二、第三和第四监测电极124、126、128和130；以及第一和第二脑电图（EEG）电极132和134，它们分别经由电线140、142、144、146、148、150、152和154连接至电路外壳110。如本领域技术人员容易明显看到的，虽然图1显示使用8个电极和8根电线，但本发明不限于此。例如可使用一个、三个、四个或更多个递送电极，包括递送电极阵列；可使用一个、两个、三个、五个、六个或更多个监测电极；可使用一个、三个、四个或更多个EEG电极；并且可使用相应数量的电线。
第一和第二递送电极120和122被配置用于插入在组织中，例如神经组织，并且可包括用于刺激电极的合适材料，例如金属或碳。第一和第二递送电极120和122操作性地连接（例如通过电线140和142）至直流（DC）电源，这在下文详细描述。DC电源被配置用来递送能量至第一和第二递送电极120和122以在其间产生EF。DC电源可向第一电极120递送正电荷，使得第一电极120作为阳极，第二电极122作为阴极，或者可向第二电极122递送正电荷，使得第一电极120作为阴极，而第二电极122作为阳极，或者同时向两个电极递送正电荷。
第一、第二、第三和第四监测电极124、126、128和130被配置用于插入组织中，例如神经组织，并且可包括用于监测电极的合适材料，例如金属（如Ag/AgCl）或碳。第一、第二、第三和第四监测电极124、126、128和130被操作性地连接（例如经由电线144、146、148和150）至电压计和/或电流计，这将在下文详述。第一、第二、第三和第四监测电极124、126、128和130被配置以监测组织内的电场，包括监测脑内自然产生的电流。
第一和第二EEG电极132和134可被配置用于插入在神经组织中，并包括用于EEG电极的合适材料，例如金属和碳。第一和第二EEG电极132和134也可被配置而利用本领域已知技术设置在头皮表面上。如本领域技术人员容易理解的，可在头皮表面上设置许多EEG电极（例如超过50个），而不脱离本发明的范围。第一和第二EEG电极132和134操作性地连接（例如经由电线152和154）连接至EEG单元，这在下文详述。第一和第二EEG电极132和134被配置用来在神经组织内监测EEG，从而分析EF的影响。
现参考图2，其显示了一个示例性递送电极和监测电极的远端区域。递送电极220以类似于图1所述的递送电极120的方式被配置。递送电极220被包封在绝缘体222内，仅露出远端尖端224，递送电极220在此处暴露出来从而实现刺激。递送尖端224任选地可包括如图所示的斜面或倒棱的形状。递送电极220的宽度W可被选择为适于插入神经组织内的宽度。在优选的实施方式中，宽度W为280 μm。监测电极226以与图1所述的监测电极124相似的方式配置。监测电极226被包封在绝缘体228中，仅露出远端尖端230，监测电极226在此处暴露出来从而实现电流监测。
现参考图3，其显示了电流外壳110的实施方式的内部电路和部件的示意图。可编程控制器300可电连接至和被配置以控制DC电源302、电压计304、电流计306、EEG单元308、用户界面310、供电单元312和/或通信单元314。
可编程控制器300可包括一个或多个微处理器、控制器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、场可编程门阵列（FPGA）或等同的离散的或集成的数字或模拟逻辑电路，并且可编程控制器300的功能可被具体化为软件、固件、硬件或它们的组合。可编程控制300可包括易失性存储器和非易失性存储器，例如EEPROM，以存储与系统100的使用相关的数据，例如用户输入、治疗设置、所测定的性质、检测到的错误等。存储器可存储程序指令，当被可编程控制器300执行时，这些程序指令导致可编程控制300和系统100提供它们的功能性。可编程控制300的存储器还可存储下载到其上的软件，或存储以程序产品形式被执行并存储于有形存储装置上的软件，所述有形存储装置例如是机器可读介质，如磁带、光盘(CD)、数字通用光盘（DVD）、蓝光光盘（BD）、外部非易失性存储装置、USB、云存储或其他有形存储介质。该软件可包括用于控制系统100的计算机可执行指令。
可编程控制器300也可在其存储器中存储与特定疾病的治疗相关的程序，例如脑损伤、脑退行性疾病和/或脑疾病。例如，该程序可存储可被用户选择的电场参数和刺激与非刺激比率，和/或基于算法或查阅表对脑内所测得的电性质（如电流、电压、电场、EEG）的经选择的响应，和/或基于算法或查阅表对脑内所测得的电性质的经调节的响应。存储在系统100内的预选择程序可被加载于制造商处，或使用常规个人电脑上的合适软件程序（例如测量系统160）生成并且随后经由电路外壳110或通信单元314上的数据接口（如USB接口）上传至可编程控制器300的存储器，下文详述。该数据接口进一步可被用来检索和/或存储在有形存储装置上的与系统100的使用相关的数据，例如用户输入、治疗设置、测量的性质、检测到的错误等等。
可编程控制器300还优选包括预编程的安全特征，例如当电路或部件失效或断开连接时，该安全特征关闭该装置。可编程控制器300还可包括侦错电路，其经由用户界面310或测量系统160显示错误代码。
DC电源302操作性地连接（如经由电线140和142）至一个或多个递送电极，如在图1中所示的递送电极120和122。DC电源302可为本领域已知的合适DC电源，并被配置用来向递送电极递送能量，使得在递送电极之间产生EF。DC电源302操作性地连接至可编程控制器300。可编程控制器300可被编程从而引导DC电源302以足以造成组织（如神经组织）中的细胞（例如干细胞，其可为移植的干细胞，包括人神经干细胞（hNSC)及其子代）在组织内迁移的刺激与非刺激比率而在第一递送电极和第二递送电极之间递送电场。为使对组织的损伤最小化，EF可为5 mV/mm至500 mV/mm、30 mV/mm至400 mV/mm、50 mV/mm至300 mV/mm、50 mV/mm至200 mV/mm、或30 mV/mm至100 mV/mm以及它们的部分。为实现选择性地迁移细胞以及节能，刺激与非刺激比率可为20:1秒至1:1秒，包括以下比率及其部分：20:1、19:1、18:1、17:1、16:1、15:1、14:1、13:1、12:1、11:1、10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1、2:1、1.5:1和1:1。
在一些实施方式中，可编程控制器300被配置从而以经选择的刺激与非刺激比率来递送EF，以导致细胞在组织内迁移，而经选择的天然细胞（例如星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞、内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞）不迁移或最小程度地迁移。这种选择性刺激预期导致期望类型的细胞（例如干细胞，包括hNSC及其子代）迁移至组织内期望的位点（例如损伤或疾病位点）以实现再生，而经选择的天然细胞不迁移或最小程度地迁移，从而防止对愈合和修复造成不利影响。可编程控制器300可进一步被编程从而引导DC电源302以例如脉冲单相或非对称双相形式的波形递送EF。这种选择性刺激也预期会导致期望类型的细胞迁移至组织内期望的位点，而经选择的天然细胞不迁移或最小程度地迁移。
可编程控制器300可被编程以引导DC电源302向第一递送电极120递送正电荷从而产生EF，和/或引导DC电源302向第二递送电极122递送正电荷从而产生EF。关于这点，可编程控制器300可被编程以引导DC电源302递送EF，以使得细胞朝着第一递送电极120和/或第二递送电极120迁移。例如，申请人已发现，给第一递送电极120施加正电荷，导致移植的hNSC朝着作为阴极的第二递送电极122迁移。给第二递送电极122施加正电荷，导致移植的hNSC朝着作为阴极的第一递送电极120迁移。申请人进一步发现，不同类型的干细胞对所施加的EF反应不同。例如，当施加EF时，人胚胎干细胞（hESC)朝着作为阳极的递送电极迁移。
在一个实施方式中，监测电极（如图1所示的监测电极124、126、128和/或130）被配置用来监测由递送电极产生的EF。在这样的实施方式中，可编程控制器300可被配置用来接收来自监测电极的代表所监测的EF的信号，并引导DC电源302基于接收的信号递送经调节的EF（例如，经调节的EF强度、经调节的EF波形、经调节的刺激与非刺激比率）。可编程控制器300可基于接收到的信号，利用例如存储在存储器中的用户输入、算法和/或查阅表，选择经调节的EF。
电压计304操作性地连接（例如经由电线144、146、148和/或150）至一个或多个监测电极（例如图1所示的监测电极124、126、128和/或130）。电压计304可包括本领域已知的电压计部件，并被配置用来基于从监测电极接收到的信号测量电压。电压计304操作性地连接至可编程控制器300。可编程控制器300可被编程以引导DC电源302基于电压计304测得的电压递送经调节的EF。
电流计306操作性地连接（例如经由电线144、146、148和/或150）至一个或多个监测电极（例如图1所示的监测电极124、126、128和/或130）。电流计306可包括本领域已知的电流计部件，并被配置用来基于从监测电极接收到的信号测量电流。电流计306操作性地连接至可编程控制器300。可编程控制器300可被编程以引导DC电源302基于电流计306测得的电流递送经调节的EF。
EEG单元308操作性地连接（例如经由电线152和/或154）至一个或多个EEG电极（例如图1所示的EEG电极132和/或134）。EEG电压308可包括本领域已知的脑电图部件，并且被配置用来基于从EEG电极接收到的信号测量由于脑部神经元内离子电流流动形成的电压波动，以监测EEG。EEG单元308操作性地连接至可编程控制器300。可编程控制器300可被编程以引导DC电源302基于EEG单元308监测的EEG递送经调节的EF。
电路外壳110内的电子器件可被连接至用户界面310，因而可编程控制器300根据输入指令或经由用户界面310的预编程治疗方案的选择来启动系统100。用户界面310可为显示器，优选为OLED或LCD触摸屏显示器，并且可包括实体按键、软按键和/或多个LED，其被配置用来为用户提供电路外壳内的部件被供电的视觉确认。该显示器可显示由例如监测电极和EEG电极测量的性质，例如测量的EF、测量的电压、测量的电流、测量的EEG，并且可显示适当的信息，例如错误信息。
供电单元312可为一个端口，其允许电路外壳110被插入常规的壁式插座，例如通过具有AC至DC电源转换器的电线来插入，从而为外壳内的部件供电，以给DC电源302充电。作为选择，供电单元312可为合适的电池，例如可更换电池或可充电电池，而仪器可包括用于给可充电电池充电的电路以及可拆卸的电源线。
通信单元314被配置用来将信息传输至远程位置（例如测量系统160），所述信息例如是用户输入、治疗设置、测量的性质（如测量的EF、测量的电压、测量的电流和测量的EEG）、检测到的错误等。利用本领域已知的技术将通信单元314配置成可以经由网络（例如Internet或电话网络）实现有线和/或无线通信。有利的是，通信单元314允许医生在例如电路外壳110不包括显示器的实施方式中监测系统100的使用。
在替代性的实施方式中，电路外壳110内的一个或多个部件可被省略。
现参考图1至图3描述利用所述系统进行细胞迁移的方法。
图4显示了利用EF迁移细胞的示例性方法400。在402，细胞（例如干细胞，包括hNSC及其子代）被任选地引入。细胞可利用如图5A所示的常规注射器被移植到神经组织中，或利用如授权给Bates的美国专利7,862,551号所描述的无创递送装置移植到神经组织中。细胞可被移植到例如吻侧迁移流、脑室下区和/或脑部其他位置。作为选择，当细胞未被引入时，本发明的方法可被用来迁移天然存在于体内的细胞，包括内源性干细胞和其他修复细胞。
再参考图4，在404，电极被插入组织内（例如神经组织）。一个或多个递送电极（例如递送电极120和122）可被如图5B所示插入到神经组织中。一个或多个监测电极（如监测电极124、126、128和/或130）也可被插入在神经组织中。一个或多个EEG电极（如EEG电极132和134）可进一步被插入在神经组织中或可被设置在头皮表面上。电极可被插入在例如嗅球、吻侧迁移流、脑室下区、因疾病或损伤造成的受损脑组织、和/或脑病变区。
在406，监测电极和/或EEG电极测量神经组织内的电性质，例如电压、电流和EEG。在408，可编程控制器300利用程序基于所测定的电性质和/或在用户界面310和/或测量系统160处的用户输入来选择EF、刺激与非刺激比率和/或波形。如上所述，所选择的刺激与非刺激比率和/或波形使得细胞在组织内迁移，而经选择的天然细胞不迁移或最小程度地迁移。
在410，可编程控制器300引导DC电源302 按所述程序的EF强度、刺激与非刺激比率和/或波形向递送电极递送能量从而在其间产生EF。在412，利用监测电极和/或EEG电极以及电压计、电流计和/或EEG单元重新测量电性质，例如EF、电压、电流和EEG。代表重新测量的电性质的信号被发送至可编程控制300。在414，可编程控制器300基于所述信号和/或用户输入确定经调节的EF，并引导DC电源302经由递送电极递送经调节的EF。
有利的是，本文所述的系统和方法预期可提供更安全的刺激，因为例如使用刺激与非刺激比率使得对神经组织内的pH水平的不利影响最小化。比连续刺激相比，刺激与非刺激比率的使用使得神经组织的发热更少，从而使得神经组织的过热和损伤的几率最小化。进一步地，所述系统和方法有利于节能，因为刺激与非刺激比率的使用减少了电子器件（包括DC电源）的功率消耗。
对于本领域技术人员来说明显的是，虽然本发明的系统和方法被大概地描述为在神经组织内引导细胞，但本发明的范围包括将细胞（例如干细胞及其子代；来自小血管和大血管的内皮细胞；来自脉管系统的成纤维细胞和平滑肌细胞；免疫细胞，包括中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞；来自角膜、皮肤、肾脏、肺、气管的上皮细胞；神经细胞，包括神经元、成神经细胞、人神经干细胞、小鼠神经干细胞、星形胶质细胞；和/或神经胶质细胞）迁移至体内的任何地方，从而治疗创伤、疾病、伤口愈合等。本发明的范围还包括引导方向性的组织生长，例如神经生长和血管形成（血管生成）。
本发明实践的实施例将在下文描述。这些实施例不应认为是限制本发明，本发明的范围由所附权利要求界定。
实施例1
图6为显示方向性迁移和时移图像，当电场极性逆转时迁移方向也逆转。这些图像显示移植的eGFP-hNSC响应电场而迁移。如在100分钟标记处所显示的，当正电荷被施加在最左边的递送电极以产生电场时，eGFP-hNSC朝着阴极迁移。在200分钟标记处，当正电荷被施加在最右边递送电极以产生电场时，eGFP-hNSC朝着阴极迁移。图6显示慢病毒转染的hNSC具有非转染的细胞具有相同的趋电性响应。
图7和8显示细胞在所施加的EF强度（0 mV/mm、30 mV/mm、100 mV/mm和300 mV/mm）时的迁移。小至30mV/mm的EF引导明显的方向性迁移。100mV/mm或更强的EF增加迁移速率。
实施例2
图9显示了用于在大鼠体内递送和监测电流参数的试验装置。在该装置中，一个碳递送电极被沿着吻侧迁移流RMS插入在嗅球处，另一个碳递送电极被沿着RMS插入在脑室下区SVT。四个Ag/AgCl监测电极被插入在四个测量位置（A、B、C和D）。图10显示了所测量的电流、电压和电压梯度随时间的变化。如图10所示，当EF以预定的电压施加时，所测量的电流是稳定的。此外，四个测量位置之间所测定的电压和电场强度也显示为稳定的。
实施例3
图11显示，与刺激前和刺激后EEG相比，根据本发明的系统和方法的间歇式电刺激在200 mV/mm的EF强度时不影响EEG（脑电图）。
实施例4
图12显示对于厚度为100 μm (最左侧柱)、1 mm (中间柱)和2 mm (最右侧柱)的组织，以200 mV/mm的电场刺激时，温度和pH值随时间变化的图表。中间行的pH值在探测位置2处测定，而较下行的pH值在探测位置3处测定。如图12所示，根据本发明的系统和方法的间歇式刺激比连续刺激产生较少的对温度和pH的不利影响。
实施例5
图13显示与连续刺激相比，根据本发明的系统和方法的间歇式电刺激实现了明显的引导效果。图14显示根据本发明的系统和方法的间歇式电刺激维持了细胞存活率，而连续刺激可使细胞过热并杀死细胞。
实施例6
图15A是无EF施加时脑部图像，显示移植的细胞没有迁移，图15B显示施加电刺激引导人神经干细胞在大鼠脑内的迁移。
实施例7
图16显示根据本发明的系统和方法的间歇式电刺激选择性地引导人神经干细胞(NSC)的迁移，与NSC相比，人胚胎肾细胞(HEK)迁移得非常小。
图17显示根据本发明的系统和方法的间歇式电刺激选择性地引导人神经干细胞(NSC)的迁移，但对于这种刺激，人星形胶质细胞不迁移或最小程度地迁移。
实施例8
图18显示根据本发明的系统和方法的间歇式电刺激选择性地引导细胞迁移，从而引导血管的生长（血管生成）。图18显示向最左边的递送电极施加负电荷以产生25 mV/mm的强度电场，引导如图所示的从0时到两个小时和到四个小时的新血管缓解。当通过向最右侧递送电极施加负电荷，从而产生25 mV/mm的强度的相反方向的电场时，如6小时至12小时所显示的，新的分支、生长和灌注明显增加。有利的是，使用电场可方向性地控制血管的萌发、分支、生长和灌注。
虽然以上描述了本发明的示例性实施方式，但对本领域技术人员来说明显的是，可对其作出各种改变和修饰，而不脱离本发明的范围。所附权利要求意在涵盖所有在本发明的仪器和方法的真实范围内的这种改变和修饰。

Claims (23)

1.一种在组织内迁移细胞的系统，所述系统包括：
第一和第二递送电极，用于插入在组织中；
直流（DC）电源，操作性地连接至所述第一和第二递送电极；和
可编程控制器，操作性地连接至所述DC电源，所述可编程控制器被编程以引导DC电源在第一递送电极和第二递送电极之间以足以导致细胞在组织内迁移的刺激与非刺激比率递送电场。
2.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括第一和第二监测电极，该监测电极用于插入在组织中并用来监测电场，其中所述可编程控制器被配置用来接收代表所监测的电场的信号，并引导所述DC电源基于所接收的信号递送经调节的电场。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一和第二监测电极被连接至电压计和电流计，所述电压计被配置用来测量组织内的电压，所述电流计被配置用来测量组织内的电流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述组织包括神经组织。
5.根据权利要求4所述的系统，所述系统进一步包括第一和第二脑电图（EEG）电极，其被配置用于插入在神经系统中，或被设置在头皮的表面上，所述EEG电极进一步被配置以监测神经组织中的EEG。
6.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括测量软件，所述测量软件被配置用来在操作性地连接至所述可编程控制器的计算机上运行，所述测量软件被配置用来监测来自可编程控制器的测量结果，并控制所述可编程控制。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述刺激与非刺激比率为20:1秒至1:1秒的范围及其部分。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述细胞包括干细胞及其子代；来自小血管和大血管的内皮细胞；来自脉管系统的成纤维细胞和平滑肌细胞；免疫细胞，包括中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞；来自角膜、皮肤、肾脏、肺、气管的上皮细胞；神经细胞，包括神经元、成神经细胞、人神经干细胞、小鼠神经干细胞、星形胶质细胞；神经胶质细胞；或它们的任何组合。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述细胞包括人神经干细胞（hNSC)及其子代。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述电场为5 mV/mm至500 mV/mm。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述可编程控制被配置以经选择的刺激与非刺激比率来递送电场，从而导致细胞在组织内迁移，而经选择的天然细胞不迁移或最小程度地迁移。
12.根据权利要求1所述的系统，其中经选择的天然细胞包括星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞、内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞或它们的任何组合。
13.根据权利要求1所述的系统，其中可编程控制器被编程以引导DC电源向第一递送电极递送正电荷从而产生电场，或引导DC电源向第二递送电极递送正电荷从而产生电场，或两者都是。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述可编程控制器被编程以引导DC电源以脉冲单相或非对称双相形式递送电场。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述可编程控制被编程以引导DC电源递送电场，使得干细胞朝着第一递送电极或第二递送电极或两者迁移。
16.一种利用电场迁移细胞的方法，所述方法包括：
在组织中插入第一和第二递送电极，所述第一和第二递送电极操作性地连接直流（DC）电源；以及
经由所述DC电源，以足以导致细胞在组织内迁移的刺激与非刺激比率，在第一递送电极和第二递送电极之间递送电场。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括使用程序对可编程控制器进行编程，所述程序具有电场参数和刺激与非刺激比率，其中递送电场包括根据所述程序递送电场和刺激与非刺激比率。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括：
在组织内插入第一和第二监测电极；
利用所述第一和第二监测电极监测电场；
在可编程控制器处接收达标所监测的电场的信号；以及
基于所接收的信号递送经调节的电场。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述细胞包括移植的干细胞，并且所述组织包括神经组织，所述方法进一步包括将所述干细胞移植在吻侧迁移流中、脑室下区中或脑部其他位置。
20.根据权利要求16所述的方法，其中递送电场导致细胞迁移至嗅球、脑室下区、由于疾病或损伤导致的受损脑组织、脑病变区、或其任何组合。
21.根据权利要求16所述的方法，其中递送电场包括以20:1秒至1:1秒及其部分的刺激与非刺激比率递送电场。
22.根据权利要求16所述的方法，其中递送电场包括递送5 mV/mm至 500 mV/mm的电场。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述刺激与非刺激比率被选择以导致细胞在组织内迁移而经选择的天然细胞不迁移或最小程度地迁移。
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