CN108290030A - 施予物质用系统、设备和组装方法 - Google Patents

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Abstract

施予物质用装置2600包括具有近端和远端的细长主体2606，所述细长主体界定在所述近端与所述远端之间延伸的内部腔室2614以将所述物质引导至所述远端，所述远端与尖端2610连接，所述尖端至少部分插入受试者体腔的孔口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述孔口泄漏的形状。所述尖端包括将来自所述内部腔室的所述物质传递至所述体腔中的开口；和从所述尖端向所述体腔中发射超声波，从而将所述物质施予所述体腔中的组织的换能器。

Description

施予物质用系统、设备和组装方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年4月8日提交且标题为“施予物质用系统、设备和方法”的美国临时专利申请第62/144,842号的优先权，该申请是以引用其全文的方式并入本文。
技术领域
公开内容基本上关于用于将物质递送给受试者的系统、设备和方法。更具体来说，公开内容关于用于超声介导肠胃药物递送的系统、设备和方法。
背景技术
跨肠胃(GI)道的大分子递送是药物递送研究中最深入研究的领域。然而经GI道递送仍然限制于小分子。即使是小分子递送也会遇到挑战，因为大部分药物通常要求专门化的制剂来稳定活性药物成分并提供在GI道中的优化吸收。仍未有促进快速GI道药物递送的技术。
发明内容
允许递送广泛治疗剂而不需要耗时和高成本重新制剂的平台可以提供递送科学的范式转变且具有广泛临床影响。药物递送的物理方法如超声波能够递送大分子，同时规避了进行大量制剂开发的需要。公开内容描述了施予物质用系统、设备和方法。在一些实施方案中，这些系统和方法可以用于将物质超声波介导施予至体腔如直肠中。
在一个实施方案中，施予物质的装置包括具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在近端与远端之间延伸以将物质引导至远端的内部腔室，远端与尖端连接，所述尖端被至少部分插入受试者体腔的孔口中，所述尖端具有被构造为当至少部分插入时减少物质从孔口泄漏的形状，所述尖端包括将来自内部腔室的物质传递至体腔中的开口，和从尖端向体腔中发射超声波，从而将物质施予体腔中的组织的换能器。
在另一个实施方案中，施予物质用装置的尖端，所述尖端至少部分插入受试者的直肠中，包括将来自装置内部腔室的物质传递至所述至少直肠中的开口，所述尖端具有被构造为当至少部分插入时减少物质从直肠泄漏的形状，和从尖端向至少直肠中发射超声波，从而将物质施予至少直肠中的组织的换能器。
在另一个实施方案中，施予物质用装置的护鞘包括保护所述装置的至少一部分包括尖端免于直接接触直肠的覆盖物，所述覆盖物包括减小超声波衰减的材料，所述材料呈现声学可穿透和声学传导中的至少一种，所述覆盖物界定用于与开口对准的穿孔。所述护鞘可包括围绕覆盖物开口，被构造为减少装置对直肠的暴露的弹性绷带，被构造为减少装置对直肠的暴露的弹性缠带，用于在尖端上滑动的刚性工件，从尖端的相反侧安装，使得第一刚性工件连接至第二刚性工件的第一刚性工件和第二刚性工件，和/或通过尖端末端处的铰链连结至第二刚性工件的第一刚性工件。
在另一个实施方案中，施予物质用装置的药筒包括外壳，所述外壳界定包括所述物质的储集器，所述药筒被插入所述内部腔室中以建立与所述装置的流体连通。
在另一个实施方案中，用于施予物质的试剂盒包括施予物质用装置，所述装置包括具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在近端与远端之间延伸以将所述物质引导至远端的内部腔室。所述试剂盒还包括用于连接至远端的尖端，所述尖端被部分插入受试者体腔的孔口中，所述尖端具有被构造为当至少部分插入时减少物质从孔口泄漏的形状，所述尖端包括将来自内部腔室的物质传递至体腔中的开口，和从尖端向体腔中发射超声波的换能器。所述试剂盒还包括插入内部腔室中以建立与装置的流体连通的药筒，所述药筒包括外壳，其界定包括所述物质的储集器。
在另一个实施方案中，组装施予物质用装置的方法包括将尖端连接至远端，所述尖端被部分插入受试者体腔的孔口中，所述尖端具有被构造为当至少部分插入时减少物质从孔口漏出的形状，所述尖端包括将来自内部腔室的物质传递至体腔中的开口和从尖端向体腔中发射超声波的换能器。所述方法还包括在内部腔室中插入药筒，所述药筒包括外壳，其界定包括所述物质的储集器以建立与装置的流体连通。
在另一个实施方案中，施予物质的方法包括将装置尖端的至少一部分插入受试者体腔的孔口中，所述尖端具有被构造为当至少部分插入时减少物质从孔口泄漏的形状；经由尖端中的开口将物质传递至体腔中；和经由尖端上的换能器同时和/或依序将超声波发射至体腔中，从而将物质施予体腔中的组织。
应明白以上概念和在下文更详细讨论的其它概念的所有组合(只要这些概念不相互矛盾)均被视为本文所公开的发明内容的一部分。特定来说，在公开内容结尾出现的请求内容的所有组合均被视为本文所公开的发明内容的一部分。还应明白还出现在通过引用方式并入的任何公开内容中的本文所明确采用的术语应赋予最符合本文所公开的特定概念的含义。
在查阅以下附图和详细描述后，本领域技术人员将明白其它系统、方法和特征。预期所有这些其它系统、方法和特征包含在本说明书内、在本发明范围内且受随附权利要求保护。
附图简述
技术人员将理解附图主要出于说明目的且不希望限制本文所描述发明内容的范围。附图不一定依比例绘制；在一些情况中，可以在附图中夸张或放大本文所公开发明内容的各个方面以促进不同特征的理解。在附图中，类似参考字符基本上指代类似特征(例如功能相似和/或结构相似元件)。
图1是图示根据一些实施方案的超声波频率的图表。
图2A是图示根据一些实施方案的Franz扩散池的图示。图2B是图示根据一些实施方案将葡萄糖体外递送至各个组织类型的图示。
图3A至图3E是图示根据一些实施方案将各种物质体外递送至各个组织类型的图形。
图4A和图4B是图示根据一些实施方案将各种物质体外递送至各个组织类型的图形。
图5A至图5C是图示根据一些实施方案将各种物质体外递送至各个组织类型的图形。
图6是图示根据一些实施方案由于声学流化或搅动而导致递送相对增强的图形。
图7A至图7C是图示根据一些实施方案递送的热效应的热图像。
图8是图示根据一些实施方案由于热效应而导致递送相对增强的图形。
图9A和图9B至图9D分别是图示根据一些实施方案的瞬态空化的图形和图像。
图10A至图10C是图示根据一些实施方案的超声波增强递送机制的图示。
图11A和图11B是图示根据一些实施方案关于小肠的log(P葡萄糖)对log(P菊糖)的线图。
图12A至图12D是图示根据一些实施方案经过或未经20kHz超声波处理下暴露于荧光活化3kDa葡聚糖或70kDa葡聚糖的结肠组织的横截面的图像。
图13A和图13B是超声波处理前和后物质的NMR谱，且图13C是图示根据一些实施方案进行超声波处理前和后物质的活性的图形。
图14A和图14B分别是图示根据一些实施方案的体内递送过程的流程图和图示。
图15A和图15B及图15C和图15D分别是图示根据一些实施方案超声波处理在结肠组织上的效应的宏观图像和组织学图像。
图16是根据一些实施方案通过活组织切片质量标准化的活组织切片中药物含量的线图。
图17A和图17B及图17C分别是图示根据一些实施方案超声波处理对于胰岛素施予的效应的相对血糖线图和相对血糖图形。
图18A是根据一些实施方案的探针装置的图像。图18B是图示根据一些实施方案的处理计划的图示。
图19A是图示根据一些实施方案超声波在血液指标上的效应的图形。图19B是图示根据一些实施方案超声波在组织学得分上的效应的线图。
图20是图示根据一些实施方案超声波在粪便得分上的效应的线图。
图21A至图21D是图示根据一些实施方案超声波在细胞因子表达上的效应的图形。
图22A至图22F是图示根据一些实施方案超声波在组织学上的效应的图像。
图23A至图23B是图示根据一些实施方案超声波在总粪便得分上的效应的图形。
图24是图示根据一些实施方案超声波在组织学得分上的效应的图形。
图25A至图25E是图示根据一些实施方案超声波在组织学上的效应的图像。
图26是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置的示意图。
图27是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置和药物药筒的示意图。
图28是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置和外部药物储集器的示意图。
图29是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置的用途的示意图。
图30是图示根据一些实施方案具有平衡压电晶体的手持式超声波发射药物递送装置的示意图。
图31是图示根据一些实施方案具有带凸起的摆动轴的手持式超声波发射药物递送装置的示意图。
图32是图示根据一些实施方案具有高纵横比晶体的手持式超声波发射药物递送装置的示意图。
图33是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置的内部组件的示意图。
图34是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置的绷带护鞘的示意图。
图35是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置的可伸展护鞘的示意图。
图36A至图36C是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置的刚性护鞘的示意图。
图37是图示根据一些实施方案的手持式超声波发射药物递送装置护鞘的防护机构的示意图。
图38A是图示根据一些实施方案的处理方案的图示。图38B是图示根据一些实施方案核酸递送用超声波在总粪便得分上的效应的条形图。
图39A和图39B是图示组织学评分的图像，且图39C是图示根据一些实施方案核酸递送用超声波在组织学得分上的效应的条形图。
图40是图示根据一些实施方案超声波介导疫苗接种在身体得分上的效应的线图。
图41A和图41B是图示根据一些实施方案的大型动物结肠炎模型的图像。
图42A至图45B是图示根据一些实施方案在大型动物结肠炎模型中结肠活检组织学变化的不同细节的图像。
图46A和图46B是图示根据一些实施方案在大型动物结肠炎模型中红细胞压容积和血红蛋白变化的线图。
具体实施方式
如图1中所示，超声波是通过振幅和频率(高于可听范围，例如大于20kHz)表征的纵向压力波。临床上，超声波被用于各种不同环境，包括超声波检查、肿瘤消融和碎石术。这些产科和治疗应用主要使用高频率超声波(例如大于1MHz)。然而在较低频率(例如在图1中的约20kHz至约100kHz范围100)下，超声波具有独特的性质，包括通过称为瞬态空化的现象瞬时穿透并将治疗物质推入组织的能力。瞬态空化可以利用各种不同超声波探针配置包括轴向和径向发射诱发。此外，可以视乎待治疗的病情调整最优超声波配置，从而尽可能增大这个形态的潜在普遍性。
利用物理递送形态如超声波尽可能增大向GI道的药物递送可具有广泛的临床实用性。炎性肠病代表了可顺应超声波辅助药物施予的一组病况。这组使人衰弱的病况伴有高发病率和对生活质量的负面作用。最常见的亚型是溃疡性结肠炎。溃疡性结肠炎的第一线疗法包括经口和/或直肠途经施予氨基水杨酸盐，后者被认为更有效，特别是对于轻度至中度疾病活动度。然而，直肠治疗(即含药灌肠剂)功效直接取决于停留时间和组织药物吸收，这两者对于经受腹泻和频繁肠道活动的患者来说均提出了挑战。因此，利用超声波尽可能增大氨基水杨酸盐在直肠中的局部黏膜浓度，同时缩短灌肠剂的必要停留时间可以是这种技术的一个潜在应用，对目前必须自行施予含药灌肠剂的患者来说具有显著临床作用和益处。
除了向直肠局部进行治疗剂递送外，物理递送形态还允许全身递送大范围化合物，从而改变了瞄准和治疗疾病的方式。这种认识表明超声波作为物理递送平台的使用支持在GI道的所有区段递送显著更大量药物。例如，超声波支持在GI道的所有部分体外递送在广泛分子量范围内的模型治疗剂。在一些情况中，这个技术可以经由直肠用于例如递送目前用于炎性肠病管理的局部治疗剂。
炎性肠病的现行护理标准是自行施予含药灌肠剂。因此，同时应用还施予含药灌肠剂的超声波探针不会对这些患者的采纳造成阻碍。此外，先前已发现这些作用剂的较高黏膜浓度与降低的疾病活动度有关。
本发明演示了超声波作为活性药物递送形态在整个GI道的临床前使用。如本文所示，超声波能够有效增强具有广泛分子量范围的模型化合物在GI道所有部分中的体外递送。更出人意料的是这需要相对短的治疗时间(一分钟总超声波暴露)。对这种增强方法的研究消除了声学流化或热效应导致所观察到的药物递送增强的可能性并表明瞬态空化对递送增强提供重大贡献。实际上，热效应和使用1MHz超声波进行的超声波处理均被发现不会引起递送增强。此外，因治疗而导致的体内温度升高被发现仅为1.04±0.66℃。另外，因使用20、40或60kHz超声波进行超声波处理而导致在铝箔样品上产生的凹坑支持在本文测试强度下发生瞬态空化。20kHz在组织中所产生的理论孔径上的效应还经过量化并发现会因超声波处理而显著增大。通过对治疗方案和装置实现的进一步研究，可以实现更进一步的递送增强。
基于对体外超声波介导肠胃递送(UMGID)的现有了解和优化，在体内测试了两种配置：在直肠中进行(1)轴向和(2)径向超声波发射。经得起在家自行施予，在小型、便携形状系数下，产生多种配置的超声波的能力为UMGID的普遍性和其可调谐性提供了支持。这对于广泛的临床和研究适用性至关重要。在针对诸如炎性肠病(灌肠剂已经被定为标准护理治疗)的疾病进行直肠递送的即用情况中，患者可利用快速发射超声波的小型手持式装置获得高度环状组织穿透性，从而增大药物递送。超声波小型化的继续改善允许实施各种不同操作模式以支持对GI道的所有部分方便地进行超声波暴露，包括可咽下型超声波发射胶囊，从而促进按便利方式实施全身递送。
基于组织的组织学检查和动物的临床监测证实，在猪中进行轴向发射是安全的。还发现超声波使氨水杨酸递送呈数量级显著增强。通过仅一分钟的超声波施加便可达到这个递送水平这一事实表明了UMGID的潜在功效。此外，胰岛素作为模型生物剂递送突显了轴向发射通过直肠和潜在地通过GI道的不同区段实现较大分子全身递送的能力。应注意虽然出于实验方便选择了胰岛素，但其成功递送说明了将生物剂局部递送至直肠同时保留其功能的能力。生物剂局部递送具有用于各种不同疾病的潜力。对于例如溃疡性结肠炎，局部递送以TNF为标靶的单克隆抗体有利于下调促炎过程。呈现其当前形式的这个技术还有利于在直肠局部递送用于治疗结肠直肠癌的化学治疗剂和生物剂。实际上，实现这些作用剂的局部递送的现有策略极大地依赖于配制技术，其面临低负载效率和缺少递送多种药物的广泛适用性。
除了轴向发射，还在临床相关鼠科结肠炎模型中测试了径向发射。轻度至中度结肠炎的最有效治疗是直肠施予。然而，活动疾病会使药剂停留变得困难。例如，直肠施予(氨水杨酸，4g，获自Meda Pharmaceuticals,Somerset,New Jersey)以治疗炎性肠病的现有程序要求患者首先排空其肠道。随后引导其左侧身躺下。随后患者必须将施药器尖端插入直肠并缓慢注入药物。患者被要求保持这种姿态至少30分钟并保留灌肠剂过夜。这造成整夜必须忍受危险且不舒服的体验。这对于因频繁肠道运动而经受紧迫感的活动肠炎患者特别具挑战性。即使严格遵守这个方案，疾病复发率仍为高。为了测试UMGID是否具有促进氨水杨酸快速递送并从而增强治疗功效的能力，使用具有径向发射的超声波探针来测试其穿透较大组织面积的能力。具有≤3mm轴杆直径的定制超声波探针的使用能够说明显著小型化这种技术的能力。发现超声波结合含药灌肠剂显著改善了疾病指数。在QOD组趋于改善临床结局的趋势表明超声波处理QOD可用于病情不大严重的结肠炎和不够坚持用药的患者。超声波处理QD相比于现有护理标准在临床和组织学上的优异疾病结局令人振奋并表明UMGID支持通过较短时间的治疗方案实现缓解。此外，提供了在其中快速疾病相关GI通过时间限制治疗剂吸收的临床环境中加速药物递送的解决方案。因此，这个技术可消除对延长灌肠剂停留的需要。
UMGID具有许多潜在应用，范围涵盖使用抗炎药进行局部特定部位治疗到更广泛的大分子递送。通过进一步努力，可将这个技术小型化至可供吞咽的尺寸，从而获得用于全身递送的可吞咽型超声波发射胶囊。基于上文描述的研究，超声波技术具有递送物质如纳米颗粒、单克隆抗体或疫苗以调控黏膜免疫反应的潜力。此外，超声波有可能支持递送新型治疗剂如DNA和RNA型治疗剂，在这种情况下递送需要克服几个生物屏障。通过进一步研究，可证明这个技术在临床和研究环境中的价值不可估量，从而提供改良的疗法并扩展应用于GI道的研究技术以及新医疗器械，以支持局部直肠递送和最终利用可吞咽装置进行经口施予。
实施例1：超声波用于体外药物递送的概念证明
为了理解超声波是否可以安全穿透GI组织以允许增强药物递送并确定UMGID的最优条件，开发了使用安放在Franz扩散池中的新鲜猪GI组织的体外平台(见图1a)。焦点在于考虑到先前数据表明在常见强度下相比于在相同强度下的高频(大于1MHz)超声波具有增大的空化活性而使用了低频(小于100kHz)超声波。
A.实验设置
从Sigma-Aldrich(Saint Louis,Missouri)获得磷酸盐缓冲盐水(PBS)、氢化可的松、氨水杨酸、大丽花块菊糖(5,000Da)和氘代二甲亚砜(DMSO)。从MallinckrodtChemicals(Phillipsburg,New Jersey)获得粒状D-葡萄糖。从Invitrogen(Carlsbad,California)购买用德克萨斯红标记的赖氨酸可固定3和70kDa葡聚糖。其它放射标记渗透剂从American Radiolabeled Chemicals,Inc.(St.Louis,Missouri)获得且包括3H-标记葡萄糖和氢化可的松及14C-标记氨水杨酸和5,000Da菊糖。视乎储备液的放射标记内含物按1mg/mL的浓度制备含有在约0.001％至约2.5％范围内的放射标记内含物的四种化合物的溶液。
MIT动物保育委员会批准本研究的所有动物相关研究。所有组织从Research 87,Inc.(Boylston,Massachusetts)获得。来自Yorkshire猪的GI组织(例如舌、食道、胃、肠和结肠组织)均在动物安乐死后的20分钟内取得并储存在约4℃下。药物递送测试在安乐死后的6小时内进行。在递送后，用PBS清洗新鲜猪组织并小心切去过量的脂肪。除舌组织外，将全厚度组织用于测试。将组织分切成约2cm-乘-2cm块体并用PBS保水。舌组织厚度的差异妨碍将整个厚度安放在扩散室中。取而代之，用电动切皮机(Zimmer Orthopedic SurgicalProducts,Dover,Ohio)分离顶表面至约700μm的厚度并随后切成约1英寸见方的切片。
使用低频(例如小于100kHz)超声波并直接施予组织和与由未经处理组织组成的对照比较。利用Franz扩散池通过量化进入并穿过组织的放射标记渗透剂递送评估递送效率。图2A是图示根据一些实施方案的Franz扩散池200的图示。每个Franz扩散池200包括超声波发射探针装置202、供体腔室204、组织样品206、受体腔室208和取样端口210。用PBS填充多个Franz扩散式200的每个受体腔室208(15-mm直径，来自PermeGear,Hellertown,Pennsylvania)并将一块新鲜GI组织206放置在每个受体腔室208上，腔侧朝上。每个扩散池200得到约1.77cm2的暴露组织面积。除非另外说明，否则递送量表示在这个面积上递送的总渗透剂量。对于每个扩散池200来说，供体腔室204被放置在组织206的顶部上，且整个总成被紧紧夹在一起以防止渗漏。随后用PBS填充每个供体腔室204以在处理前保持组织206含水。在切出所有所需组织并安放在Franz扩散池中后，将扩散池随机分配到各个实验组。
在即将进行超声波处理前，弃去每个供体腔室204中的PBS溶液并更换为供体溶液，即含有受关注放射标记化合物的1mg/mL溶液。
分别利用三个不同的超声波发生器包括VCX 500、VCX 130和定制探针(来自Sonics and Materials,Inc.,Newtown,Connecticut)产生20、40和60kHz超声波频率。每个探针或喇叭202具有用于提供轴向超声波发射的13-mm直径尖端。测试在每个频率下的三个不同功率并利用无衬里杜瓦瓶通过量热法对每个进行校准。之所以采用量热法是因为在文献中常常使用这种特定方法来估算超声波功率。20kHz下的三个功率为2.5、5和7.5W/cm2。在40kHz下，三个功率为7.3、10.5和13.4W/cm2。在60kHz下，三个功率为9.6、11.5和12.4W/cm2。在每个频率下测得的功率差异源自每个超声波发生器的灵敏度和效能。
为了施加超声波，将超声波探针或喇叭202的尖端浸没在每个供体腔室204的渗透剂溶液中以使尖端安置在离组织206表面约3mm处。不论是什么频率或功率，处理的持续时间为两分钟，使用50％工作周期(5s开，5s关)，得到一分钟超声波暴露。
在刚刚完成超声波处理后，弃去供体溶液并用PBS清洗每个供体腔室204以移除未递送到组织206中的任何残留放射标记材料。通过扩散池的取样端口210，利用15-mL移液管(来自例如VWR,Radnor,Pennsylvania)从每个受体腔室208收集受体溶液并转移至不同的闪烁管。切去每个组织暴露于受关注化合物的部分并同样放置在不同的闪烁管中，弃去任何剩余组织。每一个处理条件的重复次数在3至10范围内。一般来说，未经处理组织需要更多次重复(n＝6)。食道由于组织的宏观不均匀性也需要更多次重复。
B.递送增强的量化
视乎组织类型，将5mL(舌和肠)或10mL(所有其它组织类型)组织增溶剂-350(来自Perkin Elmer,Waltham,Massachusetts)添加至含暴露组织的闪烁管以溶解组织。加热每份组织混合物并静置直至组织完全溶解。不论是什么组织，将5mL各组织混合物分样至第二组闪烁管中进行放射性测量分析。
将每份所收集的受体溶液充分混合并随后将0.5-mL样品分样至第二组闪烁管中。
随后将约15mL Hionic-FluorTM闪烁混合液(来自Perkin Elmer,Waltham,Massachusetts)添加至每份受体溶液分样样品和组织分样样品并静置约一小时以待信号平衡。在Tri-液体闪烁计数器(来自Perkin Elmer,Waltham,Massachusetts)上评价样品。
第一，将氚化葡萄糖的运输作为模型渗透剂进行评价，比较其向GI道所有主要区段的递送。使用20kHz超声波并校准至7.5W/cm2强度。这个强度是基于量热法测定选择，测定证实互补溶液的温度升高可忽略，从而尽可能减小热效应。图2B是图示体外信息反馈的图形，根据一些实施方案比较了使用超声波(20kHz)或不使用超声波(对照)下放射标记葡萄糖在皮肤、肠和结肠组织中的递送。当递送结合一分钟超声波处理时，递送至GI组织的葡萄糖质量增强了多达一个数量级(双尾学生t-检验，P<0.03)。
为了进一步理解频率和强度相关性并确定UMGID的最优参数，利用三个不同频率20、40和60kHz，每个频率在三个不同强度下测试了在GI道的所有组织类型中的葡萄糖递送。因为假设瞬态空化是主要机制，所以选择这些频率以确保可以超过空化阈值。
图3A至图3E是图示根据一些实施方案在供体腔室中1mg/mL浓度下的放射标记渗透剂在经处理或未经处理(对照)的不同组织类型中的体外递送信息反馈的图形。在图3A中，比较了使用超声波(20kHz)和未使用超声波(对照)下递送至GI道的各个组织类型的葡萄糖量。处理使用了经量热法校准至7.5W/cm2的20kHz超声波喇叭。在图3B中，利用20kHz和40kHz超声波，在每个频率所认为的最低强度下将递送至肠和结肠组织的葡萄糖量与对照比较。
为了评估分析物分子量的效应且因为葡萄糖会通过葡萄糖转运蛋白跨GI道主动吸收，所以利用菊糖(5,000Da)实施同一个考察。选择菊糖是因为其缺少经由GI上皮的已识别主动吸收。这次测试的结果是，发现在20和40kHz频率下递送比60kHz下所增强的程度要更大。在所有频率下，递送对强度相对不敏感。在图3C中，使用20kHz和40kHz，在每个频率所认为的最低强度下将递送至肠和结肠组织的5,000Da菊糖量与对照比较。
由于已发现超声波可以增强在GI道中所遇到的所有组织类型的体外递送并已确定这个递送形态的最优处理条件，利用20和40kHz轴向发射研究目前用于炎性肠病管理的局部治疗剂递送。事先已发现这些作用剂的较高黏膜浓度与疾病活动度下降有关。利用UMGID评价均被识别为炎性肠病的局部治疗的放射标记氨水杨酸(5-氨基水杨酸)和氢化可的松。氨水杨酸被置于供临床使用时的小肠和大肠中评价。氢化可的松被置于整个GI道中评价，以与其较广泛的临床应用保持一致。所有治疗维持1分钟总超声波暴露，确保实际治疗方案与临床内窥镜检查的高通量属性以及患者自行施予灌肠剂相兼容。未使用超声波(对照)和使用20及40kHz下到达肠的氨水杨酸递送分别为14.97±5.10、41.52±4.45和44.43±3.67μg。对照、20和40kHz的结肠递送分别为18.40±2.73、73.70±8.39和47.37±3.05μg。同样使用20和40kHz超声波下，在整个GI道的氢化可的松递送增强了2至5倍。
在图3D中，使用20kHz和40kHz超声波，在每个频率所认为的最低强度下，将递送至肠和结肠组织的临床相关化合物氢化可的松量与对照比较。在图3E中，使用20kHz和40kHz超声波，在每个频率所认为的最低强度下，将递送至肠和结肠组织的临床相关化合物氨水杨酸量与对照比较。图4A至图4B中的图形也图示这些体外信息反馈，根据一些实施方案比较了使用超声波(20kHz或40kHz)或不使用超声波(对照)下放射标记氢化可的松和氨水杨酸分别在肠和结肠组织中的递送。如这些图形所示，超声波显著增强氢化可的松和氨水杨酸向组织的递送。
图5A至图5B是图示根据一些实施方案放射标记渗透剂在经处理或未经处理(对照)的不同组织类型中的进一步体外信息反馈的图形。图5A描绘葡萄糖递送(n＝3至7)，图5B描绘菊糖递送(n＝3至9)，且图5C描绘氢化可的松递送(n＝6)。处理为一分钟暴露于分别在2.5W/cm2、7.3W/cm2和9.6W/cm2强度下的20kHz、40kHz或60kHz(仅葡萄糖和菊糖)超声波。误差条表示一个标准偏差。
实施例2：递送增强潜在机制的表征
基于评价与超声波穿透液体相关的现象的先前研究，可以将所观察到的增强归因于一个或多个机制，包括但不限制于：(1)声学流化，(2)热效应和(3)瞬态空化。为了阐明哪些机制占主导，在搅拌供体腔室(以模仿可减小扩散边界层的一般搅拌)以及使用在低于瞬态空化阈值的强度下的1MHz超声波进行超声波处理的分离效应下评价氚化葡萄糖向小肠的递送，以隔离声学流化和加热组织的效应。将这些方案与使用20和40kHz超声波的递送比较。
A.声学流化
为了调查声学流化和搅拌的影响，如上文详述般将组织样品安放在Franz扩散池中。将掺有2μCi/mL氚化葡萄糖的1mg/mL葡萄糖溶液用作模型渗透剂。在即将处理前，用1.5mL葡萄糖溶液填充供体腔室并添加5mm磁力搅拌棒。随后盖上供体腔室并将倒置的搅拌盘放置在池的顶部上，确保搅拌供体溶液时搅拌棒不直接搅拌组织。使用Bell-enniumTM9位磁力搅拌器(来自Bellco Glass,Inc.,Vineland,New Jersey)在500RPM下搅拌受体腔室。将供体腔室搅拌共两分钟并随后立即移走。然后拆解扩散池并根据上述程序对受体溶液和组织取样进行放射性测定分析。
将经搅拌的样品与根据上文详述的相同处理条件，用相同葡萄糖溶液和2.5W/cm2的20kHz超声波和7.3W/cm2的40kHz超声波之一处理的样品比较。每个研究组使用6个重复。相比于对照，搅拌确实按2.10的系数增强了递送。然而，那个增强和绝对葡萄糖量显著小于40kHz超声波所达到的。
为了调查瞬态空化和声学流化对增强机制的贡献，用1MHz超声波对组织进行超声波处理以获得使用在这个研究中所认为的最高强度(40kHz，在13.4W/cm2的强度下)向组织递送的相同能量。特定来说，之所以选择1MHz是因为其诱发稳定空化和声学流化而非瞬态空化，因为瞬态流化的阈值被认为远高于临床所能达到的强度。因此，任何递送增强要么源自声学流化要么源自稳定空化。
市售高频超声波探针的较大直径使得必须使用较大扩散池。具体来说，使用具有29mL受体腔室体积的29-mm直径扩散池。这些扩散池获得6.6cm2的暴露组织面积。按上文所述安放组织。用含有氚化葡萄糖的1mg/mL溶液填充供体腔室。利用经数字编程为2W/cm2(经量热法测定为5.22W)强度且连续操作的Dynatron D125超声波探针(来自Dynatronics,Salt Lake City,Utah)产生1MHz超声波。因为功率下降，处理实施超过两分钟。具体来说，暴露组织以保持在测试的最高强度下(40kHz，在13.4W/cm2下)递送至组织的总超声波功率恒定。因此，所得到的处理时间为3.4分钟。处理后，弃去供体溶液并按上文所述清洗并分切组织。每个处理条件(1MHz超声波或无超声波)重复三次。由于葡萄糖暴露时间和暴露组织面积的差异，结果表达为递送至经处理组织与未经处理组织的葡萄糖比。
图6是图示根据一些实施方案，经设定为2W/cm2(实际5.22W)的1MHz超声波处理3.4分钟(n＝3)、搅拌供体腔室(对照n＝5，搅拌n＝6)和经设定为13.4W/cm2强度的40kHz超声波处理(对照n＝5，超声波n＝3)后葡萄糖递送至小肠的相对增强，即供体腔室搅拌或20kHz或40kHz超声波相对于1MHz超声波的量化递送增强的图形。这个处理未导致葡萄糖递送增强。如图7中所示，使用20kHz或40kHz超声波的递送增强优于搅拌或使用1MHz超声波。星号(**)表示经双尾学生t-检验测定处理与其各个对照之间的统计学差异。
B.热效应
为了更好地理解热效应在递送增强中的作用，体外处理肠组织，并在处理过程中远距离监测组织的温度。具体来说，按上文所述将组织安放在15-mm直径Franz扩散池中。随后用设定为7.5W/cm2强度的20kHz超声波，在50％的工作周期下处理组织两分钟(一分钟超声波)。在处理期间，利用热成像照相机(例如 E50，来自FLIR System,Wilsonville,Oregon)远距离监测供体腔室的温度。在刚刚完成处理后，弃去互补溶液，并用热照相机成像组织表面以量化组织温度。实施三次生物学平行。发现测得温度低于40℃。
图7A至图7C是根据一些实施方案利用热成像照相机拍摄的代表性红外热图。图7A是处理前(t＝0)拍摄的供体腔室的热图像。处理由设定为7.5W/cm2强度，50％工作周期，共持续2分钟的20kHz超声波组成。图7B是两分钟处理(t＝2分钟)后拍摄的供体腔室的热图像。图7C是弃去处理后的互补溶液之后立即拍摄的肠组织的热图像。视野中温度上限和下限示于每个图像的右侧。显示在每个图像左侧的温度是十字准线处的温度。
随后将上文超声波处理期间记录的温度用于测试加热组织是否可以增强递送。具体来说，将各个组织样品安放在15-mm直径Franz扩散池中。利用循环水浴(来自例如VWRInternational,Radnor,Pennsylvania)施加热处理。具体来说，将具有7mm外径的管道接合至水浴入口和出口并绝热。随后将这个管道放置在扩散池的供体腔室中，取向确保供体腔室可以填充并维持固定水平流体。用去离子水填充水浴并利用数字温度控制器设定至40℃的温度并经由温度计加以确认。处理由在组织上的两分钟或五分钟持续热水流动组成。为了对由于流动水所导致的任何组织破坏进行控制，还利用室温水类似地处理各个扩散池。在刚刚完成处理后，用含有氚化葡萄糖的1mg/mL溶液填充供体腔室。让这个溶液扩散两分钟，维持实验之间的渗透剂接触时间恒定。暴露后，收集组织和受体腔室并如上所述取样进行放射性含量测定。每个水浴处理实施三次生物学平行。
发现利用7.5W/cm2下的20kHz超声波体外处理安放在Franz扩散池中的组织在处理结束时使供体腔室温度升高至40℃。在处理结束时，供体腔室温度与探针温度之间不存在差异。因此，测试了将组织加热至40℃所导致的递送增强。图8是图示根据一些实施方案利用循环水浴使组织暴露于40℃下的水维持两分钟或五分钟(每次处理n＝3)所导致的小肠葡萄糖递送相对增强的图形。对照由两分钟或五分钟室温再循环水组成。将这个对照与使用设定为7.5W/cm2强度，在50％工作周期下，共持续2分钟的20kHz超声波所得的递送增强比较(对照n＝5，超声波n＝3)。星号(**)表示经双尾学生t检验确定处理与其各个对照之间的统计学差异。将小肠组织体外加热至40℃并维持两分钟或五分钟相比于对照未提供递送增强。
C.瞬态空化
加热组织不提供递送增强这个事实表明在所述时间间隔内使用低频超声波时，热效应不会显著有助于所观察到的递送。基于使用1MHz超声波未提供任何递送增强，声学流化类似地看起来不会显著有助于增强机制。综合起来，这些结果消除了声学流化或热效应解释所观察到的药物递送增大的可能性并表明UMGID是瞬态空化的结果。
为了确认在体外实验环境中施加本研究所测试的各种低频超声波探针产生瞬态空化，实施了铝箔点蚀实验。铝箔点蚀已在先前被验证为瞬态空化的试验。
为了评估在本研究所使用的强度下体外使用20kHz、40kHz或60kHz是否发生瞬态空化，正如先前在文献(17、18)中所做的那样在铝箔中量化源自超声波处理的凹点。将铝箔片切割成平方英寸工件，避免起皱。利用真空润滑油，将铝箔方块安置在15mm直径Franz扩散池的受体腔室上。真空润滑油使得铝箔能够粘附于扩散池的受体腔室。随后用PBS填充受体腔室并将池浸没在PBS中。利用20kHz、40kHz或60kHz超声波之一，在每个频率所认为的最高强度下处理样品2秒。将喇叭尖端安置在铝箔表面上方1cm处。这确保离散凹点的数量不会过多而无法量化。处理后，小心地将样品从受体腔室剥离并安放在重的卡片纸上。随后利用CanoScan 8800F平板扫描仪(来自Canon,Tokyo,Japan)，在1200dpi下以灰度模式扫描这些样品并以BMP文件格式保存。随后从这些图像人工点算凹点。
图9A是图示根据一些实施方当使用20kHz、40kHz或60kHz超声波，在每个频率所认为的最高强度下处理2秒(每个频率n＝5)时在以上铝箔点蚀实验中观察到的凹点数量的图形。图9B、图9C和图9D是分别经20kHz、40kHz或60kHz超声波处理的点蚀铝箔样品的代表图像。在这些图像中的比例尺表示3mm。发现使用20和40kHz所产生的凹点数量在统计学上大于使用60kHz超声波所产生的凹点数量(含多次比较的单向ANOVA，P<0.023)。相反地，当施加1MHz超声波时，无可见点蚀。
因为这些结果表明正在发生瞬态空化，所以在将放射标记葡萄糖和菊糖作为模型渗透剂下利用阻碍运输理论计算由于使用20kHz超声波处理而导致在小肠中产生的理论孔径。
使用具有9mm内径的Side-Bi-SideTM扩散池(来自PermeGear,Hellertown,Pennsylvania)测定渗透性。将组织放置在两个腔室之间并夹在一起，使腔体侧面向供体腔室。将搅拌棒添加至供体和受体腔室并利用Bell-enniumTM9位磁力搅拌器搅拌。
供体溶液由2μCi/mL 3H-葡萄糖和2μCi/mL 14C-标记菊糖组成。每个供体腔室用3mL这种溶液填充并用3mL新制PBS填充受体溶液。在一个小时内以10分钟为间隔，从受体腔室取出100μL样品并用等体积新制PBS代替。随后，将15mL Hionic Fluor添加至这些样品并分析氚化分解和14C分解。对照样品实施七次重复，且经处理样品实施17次重复。超声波处理组需要更多重复是因为透化作用的不均匀属性。
图10A至图10C是图示超声波增强GI递送的一个假设机制的图示。如图10A中所示，来自探针或喇叭尖端1000的超声波发射导致在组织1004上方的偶合流体1002中形成空化气泡。随着处理继续，成核气泡的数量增大且气泡在周围混乱地移动并通过图10B中所示的称为整流扩散的过程在尺寸上增长。最终，一些气泡到达临界尺寸，高于这个临界尺寸时气泡不再稳定。这些气泡内爆，形成流体射流(称为微射流)，其撞击组织并如图10C所示驱动药物进入组织。
为了进一步阐明UMGID的增强机制，利用先前已被用于跨膜扩散建模的阻碍运输理论进行理论孔径估算。分子穿过有孔膜的渗透性P可以如下用方程式1表达：
P＝CDF(λ) (1)
其中C是仅仅取决于膜性质的常数，D是分子溶液的自由扩散系数，且F(λ)被称为阻碍因子，其取决于分子的流体动力学半径与膜孔半径的比λ。F(λ)的最先进表达如下文方程式2：
因为方程式1中的C和膜孔径(内含于λ)均未知，所以可以利用两种渗透剂分子如下文方程式3那样估算C：
方程式3中唯一未知的是孔径λ。因此，可以通过实验确定每种渗透剂的P以估算膜孔径。可以利用以下方程式4中的表达得到渗透性：
其中A是暴露于渗透剂的膜面积，Ci是供体腔室中的渗透剂浓度，且dQi/dt是受体腔室中的渗透剂量对迟滞期后时间曲线的斜率。
每种分子在未经超声波处理的组织中的渗透性分别计得为1.28×10-4±5.05×10-5和1.36×10-5±6.77×10-6cm/min。在超声波处理样品中，葡萄糖和菊糖的平均渗透性分别为1.95×10-4±4.84×10-5和2.94×10-5±1.36×10-5cm/min。发现对于葡萄糖和菊糖来说，超声波均导致统计学上更高的渗透性(双尾学生t检验，P≤0.008)。这些值连同葡萄糖和菊糖的扩散系数和流体动力学半径被用于方程式1至方程式4以计算当使用20kHz，在50％工作周期下处理猪小肠2分钟时所产生的理论孔径。表1给出了回归斜率的95％置信区间以及样本量n和膜半径平方r2。
表1
从上文方程式3可以见到，log(Px)对log(Py)曲线得到斜率为一且y-截距为log(K)的线性曲线。因此，对log(P葡萄糖)对log(P菊糖)的对照和处理线图进行线性回归拟合，并要求斜率的95％置信区间含有为一的理论值。理论斜率一含于两个实验组的95％置信区间中这一事实支持了这个分析的有效性，并因此，使用方程式2和方程式3来推导孔径是合理的。
图11A和图11B是图示根据一些实施方案小肠的log(P葡萄糖)对log(P菊糖)的线图。特定来说，图11A描绘在未经处理组织中的这种关系，而图11B描绘在经20kHz超声波，在50％工作周期下处理两分钟(即共一分钟超声波暴露)的组织中的关系。
利用上文方程式3计算每一个样品的K值。平均和最小及最大孔径估算值是基于平均K值和K的95％置信区间。
表2提供利用这个模型，由于超声波暴露而在小肠组织中形成的孔径半径的最小、平均和最大估算值。在未经处理肠中计得的理论孔半径的上限为相比于在经处理样品中，上限为
表2
为了使分子穿透可视化并表征超声波介导分析物递送的组织分布，将结肠组织置于供体腔室中用经过德克萨斯红标记的葡聚糖进行体外处理。具体来说，按上文所描述将猪组织安放在15mm-直径Franz扩散池中。用20kHz超声波，在所认为的最高功率下如上所述处理皮肤。互补溶液含有1mg/mL浓度的3kDa葡聚糖或70kDa葡聚糖。在刚刚完成处理后，弃去互补溶液并用PBS充分清洗组织以移除任何残留葡聚糖。随后拆解扩散池并小心切开暴露于葡聚糖的组织并置于10％福尔马林中固定。随后将组织切片安放在石蜡块中。随后将通过200-μm阶梯分离的两个8-μm厚切片安放于显微镜载玻片供随后进行组织成像。未经超声波处理的组织样品也暴露于葡聚糖，保持渗透剂接触时间恒定(2分钟)。随后类似地处理这些样品。
利用具有25×，1.05N.A.物镜的FluoViewTMFV1000MP多光子显微镜(来自Olympus,Tokyo,Japan)对所得到的组织学载玻片成像。利用Ti-Sapphire脉冲激光器(来自Spectra-Physics,Santa Clara,CA)在860nm下激发样品。利用607/70nm带通滤波器收集发射，并通过在430nm下的二次谐波产生对胶原成像。在ImageJ中组合各个图像通道。
图12A至图12D是根据一些实施方案经20kHz超声波处理或未经处理，暴露于用德克萨斯红标记的3kDa葡聚糖或70kDa葡聚糖的结肠组织横截面的多光子显微图像。示出红色通道和二次谐波。比例尺表示500μm。
不使用超声波下，3或70kDa葡聚糖不存在可见的结肠组织渗透。这与使用20kHz超声波的情况相反，后者导致3和70kDa葡聚糖的显著组织渗透。当使用超声波时，在结肠组织的整个厚度均观察到葡聚糖。这表明超声波导致药物快速渗透组织。通过分析组织与受体腔室之间的放射标记化合物的分布进一步证实了这个说法。由于超声波处理，组织中的渗透剂含量显著大于受体腔室中存在的含量。例如菊糖递送至结肠组织时，组织中的菊糖相比于在受体腔室中平均多90倍。
实施例3：超声波处理在治疗性化合物结构和功能上的效应
通过用核磁共振(NMR)分析超声波处理后的分子调查超声波处理在氨水杨酸和氢化可的松的分子结构上的效应。按4mg/mL的浓度制备氨水杨酸和氢化可的松的氘代DMSO溶液。用20kHz超声波，在所认为的最高强度下如上所述对1.5mL样品进行超声波处理。实施三次生物学平行。将未经超声波处理的样品用作对照。将Varian500(1H，500MHz)分光仪用于记录1H NMR光谱，随后利用Mnova NMR软件(来自Mestralab Research,A Spain)处理。结合残留非氘代溶剂偏移引述1H NMR光谱(DMSO-d5＝2.5ppm)。所有偏移均用ppm报告。发现在未加盖瓶子实施超声波处理后，挥发性四甲基硅烷(TMS)内部标准品消失。
图13A至图13B描绘根据一些实施方案在超声波处理前和后氨水杨酸和氢化可的松的代表性NRM光谱。图13A示出在超声波处理1300后和在超声波处理1302前氨水杨酸的代表性NMR光谱。超声波处理1300后：1H NMR(500MHz,DMSO)δ多数：7.16(1H,d,J＝2.8Hz)；6.90-6.87(1H,dd,J＝2.8,8.8Hz)；6.70(1H,d,J＝8.8Hz)。少数：7.10(1H,d,J＝3.1Hz)；6.98-6.96(1H,dd,J＝3.1,8.9Hz)；6.67(1H,d,J＝8.9Hz)。超声波处理1302前：1H NMR(500MHz,DMSO)δ7.12(1H,d,J＝2.8Hz)；6.87-6.84(1H,dd,J＝2.8,8.8Hz)；6.68(1H,d,J＝8.8Hz)。
图13B示出在超声波处理1304后和在超声波处理1306前氢化可的松的代表性NMR光谱。超声波处理1304后：1H NMR(500MHz,DMSO)δ5.56(1H,s)；5.19(1H,s)；4.52-4.47(1H,d,J＝19.1Hz)；4.30(1H,bm)；4.25(1H,bm)；4.09-4.05(1H,d,J＝19.1Hz)；2.56(1H,m)；2.40(2H,m)；2.20(2H,m)；2.07(1H,m)；1.90(3H,m)；1.78(1H,m)；1.65(2H,m)；1.54(1H,m)；1.40(1H,m)；1.36(3H,s)；1.26(1H,m)；0.99(1H,m)；0.85(1H,m)；0.74(3H,s)。超声波处理1306前：1H NMR(500MHz,DMSO)δ5.56(1H,s)；5.19(1H,s)；4.67(1H,m)；4.52-4.47(1H,dd,J＝5.9,19.1Hz)；4.29(1H,d,J＝3.32)；4.25(1H,p,J＝3.32)；4.10-4.05(1H,dd,J＝5.9,19.1Hz)；2.56(1H,m)；2.40(2H,m)；2.20(2H,m)；2.07(1H,m)；1.92(3H,m)；1.78(1H,m)；1.65(2H,m)；1.54(1H,m)；1.40(1H,m)；1.36(3H,s)；1.26(1H,m)；0.99(1H,m)；0.85(1H,m)；0.74(3H,s)。经超声波处理和未经超声波处理的样品均实施三次生物学平行。
当分析物上的不稳定质子与用于溶解的氘代溶剂交换时发生氘交换。这个交换在超声波反应期间被催化并如图13A至图13B所示出现在超声波处理后的样品中。氘替换质子导致信号丧失，表现为积分比例减少或峰整个消失。氘交换的其它迹象包括峰形轻微变宽、峰位置偏移和J偶合值微小变化。这些变化反映溶液中不稳定质子的天然平衡且不反映整体分子结构变化。
最后，还评估了超声波处理在胰岛素结构上的效应。配制了两百个单元快速作用胰岛素的10mL PBS溶液。随后用20kHz超声波，在所认为的最高强度下如上所述对这个样品进行超声波处理。每个超声波处理组和未经超声波处理组实施三次生物学平行。通过反相分析HPLC，使用ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱(4.6×100mm，3.5μm)(来自Agilent,Lexington,Massachusetts)，按照在15分钟内乙腈中乙酸(1.5％)水溶液为95％至5％的流动相梯度，分析胰岛素结构。图13D是根据一些实施方案的图示超声波对胰岛素功能的影响的图形。示出平均值和标准偏差。未发现活性胰岛素浓度因经过设定为7.5W/cm2强度的20kHz超声波处理而存在统计学差异(双尾学生t检验，P＝0.48)。
实施例4：体内递送研究
考虑到体外UMGID的效率，以及传统方法进行药物递送基本上表现为体内大于体外的先前观察结果，所以这个技术在体内可以转化为甚至更大程度的药物递送增强。此外，针对递送效率对两种不同的UMGID配置进行了体内测试：在猪中轴向发射和在小鼠中径向发射(下文描述)。
A.在猪中使用轴向UMGID的体内递送
图14A是概括根据一些实施方案的体内递送程序的流程图。在步骤1400中，准备接受所述程序的受试者。由于与人类受试者的解剖学特征包括组织架构、大小和代谢之间的相似性，这个研究选择了猪模型。基于供应商所提供的性别可用性，将介于45至80kg重的雌性和雄性约克郡猪(Yorkshire pig)用于一次研究。所有程序均根据经MassachusettsInstitute of Technology Committee on Animal Care批准的方案进行。在每一个实验前，动物过夜禁食。通过肌肉内注射替来他明(tiletamine)，5mg/kg(来自Zoetis,Inc.,Florham,New Jersey)、甲苯噻嗪(xylazine)2mg/kg和阿托品(atropine)0.04mg/kg诱发镇静。随后对动物插管并利用异氟烷(1-3％吸入)维持镇静。
在步骤1402中，利用例如自来水灌肠清空受试者的直肠。在研究中，通过处理前的结肠镜检查确认直肠干净。
在步骤1404中，缓慢灌输含药灌肠剂。在研究中，制备临床所使用的相同体积(60mL)和浓度(66.6mg/mL)的氨水杨酸PBS溶液并缓慢灌输。
在步骤1406中，施加超声波。在研究中，在不同日子实施对照和处理试验。对于处理试验，利用20kHz喇叭，在7.5W/cm2下按50％工作周期施加超声波处理2分钟。对于对照试验，将超声波插入结肠中，但不开启(n＝16)。
另外，还量化因超声波处理所导致的温度升高。为此，在处理期间将热电偶(来自例如Kruuse,Langeskov,Denmark)直接放置在直肠中。在整个2分钟处理期间持续记录温度测定。就温度来说，发现这个处理导致1.04±0.66℃的平均温度升高(n＝3)。考虑到处理时间短和灌肠剂的体积(60mL)，预期对温度的效应极小。可忽略的温度上升还支持了热效应不负责药物递送增大的假说。
在步骤1408中，对组织进行活组织切片以供进一步评估。利用内窥镜活组织检查钳(来自例如US Endoscopy,Mentor,Ohio)对经超声波处理的结肠区域进行活组织切片用于药物递送评价以及组织学分析(n＝13)。
图14B是图示根据一些实施方案的这个实验设备的图示。用于递送含药灌肠剂1412的原型手持式探针1410被设计为包括超声波发射器1414和灌肠剂施用装置1416。在图14B中，示出将探针1410插入受试者的直肠以递送含药灌肠剂和20kHz超声波。在一些实施方案中，所述手持式探针装置轻质，具有经得起插入受试者的直肠的尺寸。例如，所插入的探针尖端的大小可与标准结肠镜的大小相当。
动物的临床监测证实整体初步安全性。通过将20kHz探针插入直肠，接着对结肠黏膜的处理部位和邻近未处理区域进行活组织切片实施安全性评价。组织学检查证实，正如临床病理学家所测定，只在<5％的受检查处理区域发生轻微上皮崩裂。具体来说，在对照样品中，存在轻微细胞杂乱，经确定其是固定程序所导致的人为现象。在经超声波处理的样品中，注意到脂肪组织的斑块皂化。此外，注意到位于浅表黏膜下层中的黏膜内毛细血管发生轻微堵塞。没有证据表明上皮受损且黏膜完整性得以维持。图15A至图15B分别是未处理和经处理组织的宏观视图。图15C至图15D分别是未处理和经处理组织的组织学视图。划出的区域1500表明在<5％的受检查处理区域，肌层存在轻微局部皂化。比例尺表示100μm。
随后利用体外测试中所使用的相同1分钟处理方案评估氨水杨酸递送的效率。在猪直肠中按临床使用的浓度和体积缓慢灌输氨水杨酸灌肠剂(氨水杨酸，4g(来自Meda Pharmaceuticals,Somerset,New Jersey)，60mL混悬液)，接着立即进行UMGID。对在UMGID后立即采集的活组织切片中的氨水杨酸进行的气相色谱/质谱分析(GC/MS)量化证实使用超声波相比于未经超声波处理的结肠组织存在22.4倍的递送增加(P＝4.06×10-4)。图16是图示根据一些实施方案将氨水杨酸灌肠剂放置在结肠后由于不使用(对照)和使用(处理)20kHz超声波所得到的经活组织切片质量标准化的活组织切片氨水杨酸药物含量的图形。每个点表示一个生物学平行(对照n＝16，处理n＝13)。P-值表示双尾学生t-检验。还应注意发现未经样品的一半具有低于检测限(50ng/g组织)的药物含量。利用1H NMR光谱分析确认经超声波处理后氨水杨酸的化学稳定性(见上文实施例3)。
除了氨水杨酸递送外，还评价了模型生物制剂胰岛素以确定UMGID递送较大生物活性分子的潜力。结合胰岛素灌肠剂的相同1分钟超声波处理得到强健的降血糖反应。图17A至图17B分别是图示根据一些实施方案放置含100U胰岛素的灌肠剂，同时不使用或使用20kHz超声波处理所得到的相对于其起始值进行血糖标准化的图形。图17A至图17B中的每个单独曲线是生物学重复。图17C是表示40分钟监测后的平均值和标准偏差的条形图。P-值表示双尾学生t-检验。类似地发现胰岛素超声波处理对其活性蛋白结构不具有影响(见上文实施例3)。分子量在一个数量级内变化的药物的成功递送支持了UMGID的潜在广阔适用性。
B.在小鼠中使用径向UMGID的体内递送
在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱发急性结肠炎的小鼠模型中分析氨水杨酸递送增强的临床相关性。选择这个小鼠模型是因为了解到其不会受益于局部氨水杨酸施予。因此，在这个模型中因超声波处理导致的病情指数改善可以突显UMGID的影响。考虑到结肠解剖学和结肠炎情况的通常圆周属性，假设径向UMGID对于在发炎组织的最大区域上投入处理最为有利。
根据一些实施方案利用具有经得起直接插入小鼠结肠的尺寸(探针直径≤3mm)的定制微型超声波探针实现径向发射。图18A是具有2mm轴杆直径的超声波探针尖端的图像。示出的两个隆起物具有3mm直径并增强径向超声波发射。发现由于处理时间短，这个装置不导致可测的温度升高并在铝箔样品中确认了凹点形成。
首先在无结肠炎的健康动物中测试这个装置的耐受性。具体来说，在14天疗程中测试了每日插入探针和插入探针后接着超声波处理的效应以供后续与疾病组比较。图18B是图示根据一些实施方案进行结肠炎诱发和氨水杨酸体内径向UMGID的处理计划的图示。将重复探针插入和探针插入接着超声波处理的结果与未接受操纵的对照组比较。处理依照图18B中给出的每日(QD)方案。发现处理得到良好耐受且在14天时期内所有动物均未出现危急临床迹象。
针对直接在健康动物结肠中诱发局部创伤的潜在性，评价了在探针插入前和后及使用和不使用超声波的小鼠以确定处理是否导致引起直肠出血或发炎的局部创伤。在肉眼检查时，器官表现正常，且在器官上未发现任何瘀斑。
图19A是图示根据一些实施方案直肠超声波在血液指标上的效应的条形图。就红细胞压容积和血红蛋白水平来说，单向方差分析显示任何组别的最终标准化红细胞压容积或血红蛋白之间不存在统计学差异，表明探针插入和超声波处理不会诱发显著失血且良好耐受。在图19A中，将健康动物(对照)、接受每日探针插入的健康动物(探针插入)和接受每日超声波处理的健康动物(US)的红细胞压容积和血红蛋白相对于第1天进行标准化。虽然在每个组使用五只动物，但来自第1天和第14天的一些血液样品凝结，导致一些组少于五个值。
选择第14天的组织学检查来评估重复给药的效应和用于与来自经诱发疾病并接受临床所采用的14天疗程的动物的结果比较。组织学得分还显示探针插入和US组比具有诱发疾病的任何其它组具有统计学上更优的组织学得分(含多次比较的单行方差分析试验，P<0.015)。图19B是图示根据一些实施方案直肠超声波在第14天组织切片的组织学得分上的效应的图形。示出中间、第25和第75百分位数，且须条指示最极限数据点。
接受处理的健康动物的总粪便得分也正常。具体来说，探针插入和超声波组之间的配对双尾t-检验在其任一天的得分上不展现显著差异。在14天试验中，在对照、探针插入和US组的总粪便得分中观察到的最大标准偏差分别为0.54、2.68和3.28。在14天试验内每个组的平均标准偏差分别为0.17、0.99和1.56。图20是图示根据一些实施方案直肠超声波在粪便得分上的效应的图形。
利用结肠组织中细胞因子的量化进一步确证处理的耐受性。从结肠组织描述已知会因急性发炎而增强的细胞因子水平。为了进一步评价单纯由于UMGID所导致的潜在毒性，从来自所有三个组的结肠组织实施细胞因子表达，包括TNF-α、IFN-γ、IL-6和IL-17。图21A至图21D是图示根据一些实施方案直肠超声波在细胞因子表达上的效应的图形(所有组进行n＝4的生物学重复)。特定来说，图21A图示TNF-α的细胞因子水平，图21B图示IFN-γ的细胞因子水平，图21C图示IL-6的细胞因子水平，且图21D图示IL-17的细胞因子水平。利用小鼠炎症小组(来自nanoString Technologies,Seattle,Washington)评估计数，其在物理上点算存在于样品中的mRNA链的数目并利用内部阳性加标对照将各个样品之间的这些计数标准化。所有图形表示平均数和标准偏差。所指示的样本量是生物学平行。处理组之间的促炎细胞因子TNF-α、IFN-γ、IL-6或IL-17表达水平未发现统计学差异(含多次比较的单向方差分析试验)。通过不存在贫血、低粪便得分、低组织学得分和正常细胞因子水平评价的毒性支持这种药物递送形态在GI道中的可能安全性。
为了评估在身体其它部分发生空化的潜力，在接受探针插入或探针插入接着超声波处理的健康动物的肝、脾、胰脏、肾、小肠和结肠进行组织学检查。由临床病理学家进行的盲化组织学评价确定，在所有组中，结肠以外的组织具有正常架构，无细胞学异常。只有接受探针插入并进行超声波处理的组仅结肠存在轻微破坏。这些动物的结肠组织的组织学得分在统计学上优于具有诱发结肠炎的任何组所观察到的得分。图22A至图22F分别是接受未处理(n＝5)、插入探针但不开启(n＝5)或插入探针并进行超声波处理(n＝5)的14天处理方案后小鼠肝脏、脾脏、胰脏、肾脏、小肠和结肠的代表性组织学图像。比例尺表示200μm。
通过不存在贫血、低粪便得分、低组织学得分和正常细胞因子水平评价的极低毒性支持这种药物递送形态在GI道中的可能安全性。
如图18B中所示，通过在七天内任意给予3％重量比DSS诱发结肠炎并在第2天开始并行治疗施予。正如通过总粪便得分评估那样，施予氨水杨酸结合QD超声波处理，以及每隔一天(QOD)处理使得结肠炎症状相比于单纯进行每天氨水杨酸施予(现行护理标准)恢复得显著更快。具体来说，从第12天开始，接受超声波处理的两个组当与疾病组和灌肠剂组比较时展示改善的总粪便得分(含多次比较的单向ANOVA，P<0.047)且在第14天展示低于4的总粪便得分。这与不接受处理的疾病组和单纯QD接受氨水杨酸灌肠剂的那些组形成对比，这些组在第14天仍展示显著更高的总粪便得分。
图23A至图23B是图示根据一些实施方案关于健康动物(对照)和具有DSS诱发结肠炎的动物的总粪便得分：不接受处理(疾病)、每天接受氨水杨酸灌肠剂(QD药物灌肠)、接受氨水杨酸灌肠剂结合每天超声波处理(QD US处理)和接受氨水杨酸灌肠剂结合每隔一天超声波处理(QOD US处理)。所有组均由5只动物组成。星号(*)指示超声波处理组与不接受处理或单纯接受氨水杨酸灌肠剂的那些组之间的统计学差异(含多次比较的单向方差分析试验，P<0.047)。
除了总粪便得分，还在试验结束时按盲化方式在组织学上评价结肠组织。图24是图示根据一些实施方案在第14天组织切片的组织学得分的图形。示出中间、第25和第75百分数位。须条指示最极限数据点。星号(*)指示超声波QD组与所有其它结肠炎组之间的统计学差异(含多次比较的单向方差分析试验，P<2.9×10-4)。
图25A至图25E是根据一些实施方案在第14天结肠组织的组织学图像。图25A是得分0(健康组织)，图25B是得分1，图25C是得分2，图25D是得分3且图25E是得分4(患病组织)。图25A和图25E的比例尺表示500μm。图25B至图25D的比例尺表示200μm。超声波处理QD组具有比任何其它治疗方案和疾病组在统计学上更低的组织学得分。超声波处理QD组中的组织表现为具有相比于其它结肠炎组显著更低的上皮侵蚀和仅仅轻微的隐窝缩短。
C.结肠活组织切片的药物质量评价
磨碎组织并与磷酸盐缓冲盐水混合并利用10％三氯乙酸使沉淀。用乙酸乙酯萃取所得的上清液。利用无水硫酸钠干燥这个萃取物，转移至玻璃试管并在氮气下蒸发至干。随后，用甲苯复原样品并通过N,O-双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺和三甲基氯硅烷(BSTFA+TMCS)，99:1(来自Sigma Aldrich,Saint Louis,Missouri)衍生和置于60℃下加热30分钟。最后，让样品冷却至室温和通过GC/MS分析。将具有Rtx-5，30m×0.25mm×0.1μm色谱柱的Agilent 5973MSD/6890气相色谱(来自Restek Corporation,Bellefonte,Pennsylvania)用于分析。这个评价由MPI Research Inc.(宾州州立大学)按盲化方式实施。
D.胰岛素递送
除了上述准备外，利用Seldinger技术将中枢静脉插管放置在股静脉中以允许进行频繁血液取样。在施予胰岛素前，从股静脉抽取4mL血液样品以量化动物的初始血糖水平。利用血糖仪(来自Nipro Diagnostics Inc.,Fort Lauderdale,Florida)实现实时读出。将剩余的血液样品保存在装有氟化钠和乙二胺四乙酸(EDTA)的血液收集管中以尽可能降低进一步葡萄糖代谢。示出的所有数据表示从血液收集管量化的血糖值，其按盲化方式予以评价。
一旦清空直肠并量化动物的基线血糖，将含有100单位快速作用门冬胰岛素的10mL灌肠剂(来自NovoNordisk,Denmark)缓慢灌输至结肠并按约2分钟间隔采集血液样品。超声波处理方案相对于氨水杨酸试验所使用的方案无变化。视乎在血糖上的实验效应监测血糖持续至少40分钟。必要时，利用50％葡聚糖静脉内团注纠正低血糖症(仅在进行超声波处理时需要)。通过动物的起始值(定义为施予胰岛素前观察到的最后一个血糖值)对呈现的血糖值标准化。每个处理方案重复三次。
E.葡聚糖硫酸钠诱发鼠结肠炎模型
从Charles River Laboratories(Wilmington,Massachusetts)购买十五周大雌性C57BL/6小鼠用于葡聚糖硫酸钠(DSS)诱发结肠炎的诱发和处理。每组使用五只动物。这是基于使用猪结果的检验力计算，结果证实使用超声波的药物递送存在一个数量级增加。因此，保守预计大便得分具有类似于在家鼠中按3％和30％施予氨水杨酸的先前实验所见到的类似改善。考虑到在猪模型中观察到呈数量级的预期氨水杨酸递送改善，使用0.05的显著性水平，每组5只动物的样本量对于检测为4的大便得分预计差异达到90％检验力。每个笼(组)按接收时那样使用并由实施工作的研究者随机分配到实验组。在第1天，从所有小鼠抽取血液并获取每只动物的初始重量。利用40至50kDa葡聚糖硫酸钠盐(DSS)(来自例如Affymetrix Inc.,Santa Clara,California)诱发结肠炎。从第1天开始，通过饮用水任意施予3％重量比DSS。在第3天和第5天，用新制DSS溶液替换饮用溶液。在第7天，移除DSS溶液并用正常饮用水替换。
在第2天开始施予处理。处理由单独氨水杨酸灌肠剂组成或结合超声波。灌肠剂由0.5％重量比羧甲基纤维素(来自例如Sigma-Aldrich Saint Louis,Missouri)的PBS溶液中氨水杨酸(66.6mg/mL)组成。此处，制作允许插入结肠的定制40kHz探针(Sonics andMaterials,Inc.,Newtown,Connecticut)。轴杆具有2mm直径且按半长间隔含有两个3mm直径凸起以实现径向超声波发射。通过量热法将超声波处理的功率校准为4.0W。将探针插入直肠中并开启持续0.5秒。每日监测动物的重量、粪便稠度和是否存在粪便潜血(利用潜血检测试纸(Beckman Coulter,Pasadena,California))。
基于先前公开的方案对粪便稠度和潜血存在性评分。具体来说，如下对大便稠度评分：(1)正常丸状粪便，(2)易破碎的大便丸粒，(3)存在粒状物的软性水样大便，或(4)腹泻。每天通过潜血检测试纸确认血液存在性。将具有阴性潜血检测试纸结果的动物评分为(1)。如下进一步分级阳性潜血检测试纸结果：(2)在表面具有离散血液斑点的粪便，(3)被血液染色的粪便，或(4)被血液完全覆盖的粪便或在肛门周围存在血染。总粪便得分是稠度与血液得分的总和。因此，总粪便得分在2至8范围内。如果某一天无法收集粪便，对那个动物分配8的总粪便得分。
在第14天，获取最终重量并评估粪便得分。采集血液并对动物实施安乐死。在刚刚安乐死后，切出结肠并进行宏观成像。随后将其置于10％福尔马林中固定。一旦固定，将结肠分切成2至6块并安放在石蜡中。从每个石蜡块取出两个8μm切片，用200μm阶梯分隔。用苏木精和曙红将切片染色并安放在显微镜载玻片上。
由Massachusetts General Hospital的临床病理学家按盲化方式实施组织学检查。根据先前公开方案确定得分并如下表3进行微小修改：
在0至4之间独立地对存在于显微镜载玻片(n＝2至6)上的每个组织横截面评分，提供相应百分位数(近似至最近四分位数)。随后将指定研究组中每一个动物的每个受检横截面的所得得分取平均以确定那个研究组的组织学得分。
将不具有诱发疾病的另一群动物用于测试超声波在直肠中的安全性和耐受性。在健康动物中测试将探针插入直肠(n＝5)和插入探针接着超声波处理(n＝5)的效应以评估单独处理的任何潜在负面效应。利用上文详述并在图18B中形象描绘的相同QD处理方案每天施予探针插入和超声波处理。将这些组与未接受处理的对照组(n＝5)比较。每天评估总粪便得分并在第1天和第14天量化红细胞压容积和血红蛋白。在第14天，对动物实施安乐死并小心切除肝脏、脾脏、胰脏、肾脏、小肠和结肠，置于福尔马林中固定，安放在石蜡中并如上文所述切片和染色。另外，保存另一个结肠组织样品并立即置于-80℃下冷冻用于细胞因子测定。
处理这些组织样品以提取RNA。利用Ambion Purelink RNA迷你试剂盒，依照生产商方案分离RNA。利用NanoDrop 2000分光光度计(Thermo Scientific,Waltham,Massachusetts)测定所得RNA的浓度和质量。利用来自nanoString Technologies(Seattle,Washington)的小鼠炎症小组，依照生产商方案量化细胞因子mRNA。具体来说，将每个样品100ng的总RNA添加至生产商已提供的不同样品。随后，自动成像600个视野并由数字分析仪(NanoString Technologies Inc.,Seattle,Washington)点算以确定每个基因表达的分子数量。由使用内建阳性加标对照的设备对每个样品的计数进行自动标准化。
利用双尾学生t-检验实施猪体外和体内工作的统计学分析以确定统计学显著性。利用含多次比较的单向方差分析(ANOVA)试验实施小鼠体内工作的统计学分析。利用正态型95％置信区间构建回归斜率的置信区间。在本次研究的分析中不剔除样品。统计学显著性始终定义为P<0.05。利用 R2014a软件(来自MathWorks,Natick,MA)实施所有计算。
实施例5：超声波增强递送用装置
图26是根据一些实施方案用于将含药溶液(自行)施予至结肠中的可重复使用手持式超声波发射药物递送装置2600的侧视图。装置2600包括外壳2602，其可呈圆柱形，沿装置长度锥化。外壳2602可包括或界定功率控件(例如按钮或开关)2604以开启或关闭装置。外壳可包括供用户持有、安置和/或把握装置的凹形区域2606。功率控件2604和凹形区域2606可位于装置的近端，而相反远端包括用于插入结肠的尖端2608。尖端2608的近侧基部可包括用于在尖端2608和直肠周围建立密封的凹形区域2610。尖端2608可界定用于从装置内侧递送物质的至少一个开口2612。所述至少一个开口2612可相对于装置2600径向(如图26中所示)或轴向取向。
装置2600还可界定端口2614用于接收含有供从装置递送的物质的药筒。图27图示可更换的这一个药筒2700。药筒2700可具有顶部脊状物2702以允许药筒一旦插入装置便保持在原位。任选或除药筒外，装置2600可接收来自可压缩外部容器2800的物质，从而允许用户通过压缩容器2800手动逐出物质。容器2800可利用例如柔软管线2802连接至装置2600。
装置的外壳(尖端除外)可包括允许用户牢固持有装置的橡胶化涂层或材料。尖端可包括允许尖端平滑插入直肠的无摩擦或低摩擦涂层或材料。在一些实施方案中，外壳和/或尖端耐水或防水以供清洁。装置的尺寸包括约14cm至约40cm的长度，在装置顶部约4cm至约6cm的直径，和在装置尖端处约1cm至约3cm的直径。
图29是图示根据一些实施方案的装置2600的用途的图示。已将装置2600的尖端2608插入肠2900，以使凹形区域2610与直肠形成密封且开口2612与结肠流体连通。一旦装置2600被激活，便从尖端2608发射低频超声波2902，从而尽可能增大径向发射。如放大框2904中所示，低频发射2902允许将从开口2612释放的物质2906递送至肠中，以使其渗透肠上皮2900。
图30示出根据一些实施方案的装置3000的超声波机制。装置3000利用连接至摆动轴3006的平衡压电晶体3002(具有用于晶体平衡的背衬3004)发射超声波。压电晶体3002扩张和收缩，从而使轴杆3006在超声波频率下摆动。压电晶体3002可以是锆钛酸铅(PZT)、石英或陶瓷。理想地，压电晶体3002具有高电气机械转化效能和低热输出。从装置3000的尖端2608发射的超声波频率可为约15kHz至约500kHz或约500kHz至约3000kHz。摆动轴3006的长度可为约1cm至约7cm，且摆动轴的直径可为约0.1cm至约2.0cm。图31示出根据另一个实施方案的装置3100的超声波机制，其中摆动轴3006具有凸起3102。可将一个或多个凸起3102沿轴3006安置并用于尽可能增大径向发射。凸起3102的直径可超出摆动轴3006直径小于约1.0cm。
图32示出根据一些实施方案的装置3200的超声波机制。装置3200利用直接建立至插入尖端2608中的高纵横比环状压电晶体3202堆叠(具有背衬支撑板3204)发射超声波。可用防水且/或声学可穿透材料3206涂布晶体以传导径向超声波发射。
图33示出根据一些实施方案的装置3300的内部组件。装置3300包括用于接收含物质的药筒或物质本身的端口或储集器3302。利用导管(例如针头)3304建立与药筒/储集器中的物质的流体连通。装置3300可具有泵，其将来自药筒/储集器的物质经由一个或多个流体通道3308向装置的远端驱动以供从尖端中的至少一个开口流出。装置3300可包括给在远端处提供实时热监测的内部组件和/或热电偶3312供电的电池3310。
所述装置可被设计为允许物质例如在少于约20秒内快速排空。尖端可界定成角开口，其允许从尖端喷射物质，从而允许物质最大化涂布组织。开口可相对于圆周超声波尖端成角约45°至90°以允许喷射或涡旋物质，这允许物质径向覆盖于组织。在替代实施方案中，物质通过超声波发射轴杆的中心流出，从而允许雾化和喷射物质。
装置尖端可包括超声波发射轴杆或晶体堆叠、至少一个流出开口和/或用于实时热监测的热电偶。尖端的长度可为约1cm至约10cm；半径可为约1cm至约3cm。尖端可固定或可拆除以便使用可更换尖端处理各种病况和解剖学位置，特别是黏膜组织。使用所述装置的解剖学位置可包括但不限制于直肠、阴道、耳、鼻和口腔(例如嘴、面颊或舌)。
可以用护鞘覆盖装置的尖端以保护尖端免于直接接触肛门组织和粪便物。图34、图35和图36A至图36C是根据一些实施方案的不同护鞘的视图。护鞘可为可清洗或一次性用品。护鞘可覆盖插入身体的整个装置部分。护鞘材料可为声学可穿透/传导(即不允许超声波信号衰减)。护鞘材料可呈无摩擦或低摩擦以便装置插入和移出身体。
在一些实施方案中，如图34中所示，护鞘的近端包括围绕探针尖端密封的绷带(例如弹性绷带)3400。护鞘的相反远端可包括凝胶或液体3402，且护鞘的远端可界定与尖端中的至少一个开口对齐的至少一个穿孔3404。凝胶或液体3402允许来自尖端发射器的超声波信号充分传导通过护鞘。在其它实施方案中，护鞘(例如具有弹性性质)伸张以缠绕在探针尖端周围和/或上。如图35A中所示的安装前护鞘允许当如图35B中所示在探针尖端上伸张时在探针尖端的所有部分周围形成严密密封。
护鞘可具有视觉指示器以辅助患者将至少一个穿孔3404与尖端中的至少一个开口对准。替代地，在物质从装置流出时，护鞘可被刺穿且物质在此处从装置流出。
图36A是由刚性材料(例如硬塑料)制成的护鞘3600的侧视图，所述护鞘密切贴合尖端形状并界定与尖端中的至少一个开口对齐的至少一个穿孔3404。护鞘可具有超声波可穿透/传导性质和允许覆盖整个插入尖端的尺寸。可包括供来自尖端发射器的超声波信号充分传导通过护鞘的凝胶或液体3402。图36B示出包括至少两个分离工件的刚性护鞘，所述分离工件一并系于装置尖端周围和/或上。替代地，如图36C中所示，两个分离工件可在初始时在一端连接(例如通过允许护鞘的两个工件搭扣并系于探针尖端周围的铰链机构3600)。图37A是根据一些实施方案的护鞘至少一部分的横截面侧视图以图示壁厚。护鞘内壁包括根据一些实施方案如图37B所示被构造为与探针装置3704主体上的接收凹痕或其它固定机构3702对齐的钩、闩和/或其它固定机构3700。
实施例6：核酸的递送
一些实施方案可用于递送核酸，如被设计为专门瞄准特定退化mRNA的合成RNA双链(siRNA)。根据一些实施方案在葡聚糖硫酸钠(DSS)结肠炎模型中测试对抗细胞信号转导蛋白肿瘤坏死因子α(TNF-α)的siRNA(未封装)的递送。图38A是图示根据一些实施方案的处理方案的图示。经由直肠施予小于200ng未封装siRNA(相比于数千纳克封装siRNA)。图38B是图示根据一些实施方案超声波和siRNA递送(相对于仅仅siRNA递送)在总粪便得分上的效应的条形图。siRNA通过超声波得以有效递送，表现出优异临床价值。
由临床病理学家根据类似于上文描述的度量标准按盲化方式评审组织学。图39A是健康组织(得分0)的组织学图像，且图39B是疾病组织(得分4)的组织学图像。图39C是图示组织学得分的条形图，对于接受siRNA和超声波的动物来说，所述得分显著更优。
这个研究证实了具有治疗相关性的核酸的成功递送。核酸序列可被设计为与超声波产生更大协同作用。即，特定核酸序列可因为超声波而实现更大增强。现有方法要求配制潜在药物候选物以支持对其递送进行进一步评估，这是极其困难的，而本技术可在不进行任何配制下经由递送复杂分子用于筛选药物候选物。
实施例7：超声波介导接种疫苗
免疫反应可基于抗原施予途经而偏向。例如，在黏膜表面针对感染黏膜表面的疾病接种疫苗是有利的，且根据一些实施方案超声波可优先增大免疫反应。
根据一些实施方案测试针对艰难梭菌(C.diff)感染的疫苗接种。通过粪便传播的病菌艰难梭菌是这个研究的模型候选物。艰难梭菌感染常见于医院且具有高复发率。在抗生素抹除肠道中的天然菌群后，艰难梭菌定植肠道并分泌攻击肠上皮的毒素A和毒素B。甚至需要更强力的抗生素来治疗艰难梭菌，如非达霉素(fidaxomicin)、甲硝唑(metronidazole)和万古霉素(vancomycin)。根据一些实施方案经由GI道对小鼠接种针对艰难梭菌感染的疫苗以将免疫反应偏向于分泌防止定植的抗体。将经灭活的毒素A和毒素B用作模型抗原。
用于免疫接种的总蛋白含量变化很大，但研究建议使用相对大剂量的与佐剂混合的类毒素。然而，超声波介导GI接种疫苗只将10μg总类毒素和无佐剂用于治疗和两个增强。每次接种疫苗后收集血液和结肠灌洗液。用艰难梭菌营养细胞和毒素挑战动物。通过重量减轻和粪便稠度监测其健康。图40是根据一些实施方案在挑战后六天内的相对重量线图。超声波介导GI接种疫苗组(超声波)在挑战后的第4天展示统计学优于对照组和经由皮下施予接种疫苗的第三组(针头)的身体得分。在粪便得分中见到类似结果。针头组未展现益处，从而突显针对艰难梭菌接种疫苗的困难。
这个研究证实通过超声波介导黏膜接种对抗疾病包括缺少现有有效疫苗的一些疾病的疫苗提供优异保护。根据一些实施方案，超声波介导接种疫苗可使免疫反应偏向分泌免疫球蛋白A(IgA)反应，其有利于预防通过黏膜表面侵袭的疾病，如艰难梭菌和人免疫缺陷病毒(HIV)。
实施例8：大型动物结肠炎模型
用于测试人类尺度装置的疾病模型是有利的。通过在直肠中缓慢灌输葡聚糖硫酸钠(DSS)(导致发炎)在猪中开发结肠炎模型。基于组织学和血液指标确认在猪中诱发可重现且持续结肠炎的施予方案。已就统计学检验力监测三只动物。
图41A是通过结肠镜拍摄的健康猪结肠的图像。图41B是根据一些实施方案通过结肠镜拍摄的患结肠炎的猪结肠的图像。图42A至图42C是图示具有保留结构的正常结肠黏膜的健康动物结肠活组织切片组织学的各个细节的图像。图43A和图43B是图示在疾病诱发后的7天内获得的疾病诱发结肠活组织切片组织学的各个细节的图像。这些图像示出完全疾病，在这个情况中，严重急性结肠炎。图44A和图44B是图示在疾病诱发后的14天内获得的疾病诱发结肠活组织切片组织学的各个细节的图像。这些图像示出与第7天展示相当的严重急性结肠炎。图45A和图45B是图示在疾病诱发后的21天内获得的疾病诱发结肠活组织切片组织学的各个细节的图像。这些图像示出与第14天展示相当的严重急性结肠炎。在这些图像中还可见到纤维素性脓性碎片。
评价血液指标红细胞压容积(即血液中血红细胞的百分比)和血红蛋白。图46A和图46B分别是图示在这个时间段内的红细胞压容积和血红蛋白变化的线图。红细胞压容积和血红蛋白的统计学显著下降证实直肠发炎导致失血。
根据一些实施方案，这个结肠炎模型将允许测试人类大小装置的临床前功效。
结论
虽然本文已描述并图示本发明各个实施方案，但本领域一般技术人员将轻易想象出用于实施本文所描述功能和/或获得结果和/或优点中的一个或多个的各种其它方式和/或结构，且每个这样的变化例和/或修改例被视为属于本文所描述的发明实施方案的范围内。更一般来说，本领域技术人员将轻易明白本文所描述的所有参数、尺寸、材料和构造意欲举例且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用发明教义的具体应用。本领域技术人员仅仅使用常规实验将了解或能够确定本文所描述的具体发明实施方案的许多等效内容。因此，应理解以上实施方案只以举例方式呈现且在随附权利要求和其等效内容的范围内，可按照具体描述和要求以外的方式实践。公开内容的发明实施方案涉及本文描述的每个单独特征、系统、物件、材料、试剂盒和/或方法。此外，两个或更多个这些特征、系统、物件、材料、试剂盒和/或方法的任何组合(如果这些特征、系统、物件、材料、试剂盒和/或方法不互相冲突)包括在公开内容的发明范围内。
上述实施方案可按多种方式中的任一种执行。例如，设计和制作本文所公开的保留/递送结构的实施方案可利用硬件、软件或其组合执行。当以软件形式执行时，软件代码可在不论提供在单个计算机或分布在多个计算机中的任何合适处理器或处理器集上执行。
另外，应明白计算机可按许多形式中的任一种呈现，如机架式计算机、桌面型计算机、膝上型计算机或平板计算机。此外，计算机可体现在一般不视为计算机但具有合适处理能力的装置中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其它合适便携式或固定电子装置。
而且，计算机可具有一个或多个输入和输出装置。这些装置可以尤其用于呈现用户界面。可以用于提供用户界面的输出装置的实例包括打印机或用于视觉呈现输出的显示屏和扬声器或用于听觉呈现输出的其它声音发生装置。可以用于用户界面的输入装置的实例包括键盘和定位装置如鼠标、触摸板和数字面板。作为另一个实例，计算机可通过语音识别或以其它听觉格式接收输入信息。
这些计算机可通过任何合适形式的一个或多个网络，包括局域网或广域网，如企业网和智能网络(IN)或互联网互连。这些网络可基于任何合适技术且可根据任何合适协议操作且可包括无线网络、有线网络或光纤网络。
本文提出的各个方法或过程(例如设计和制作上文公开的保留/递送结构)可编码为可在采用各种不同操作系统或平台中任一种的一个或多个处理器上执行的软件。此外，这种软件可利用许多合适编程语言和/或编程或脚本撰写工具中的任一种编写，且还可编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。
而且，各个发明概念可体现为已提供实例的一个或多个方法。作为方法一部分实施的行动可以任何合适方式排序。因此，可构建其中行动按不同于图示的顺序实施的实施方案，所述顺序可包括同时实施一些行动，即使在说明性实施方案中示出为依序行动。
本文提及的所有公开、专利申请、专利和其它参考文献是以引用其全文的方式并入本文，包括但不限制于以下参考文献：
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本文界定和使用的所有定义应理解为支配词典定义、以引用方式并入的文件中的定义和/或特定术语的一般含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”，除非另外说明，否则应理解为意指“至少一”。
如本文在说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”应理解为意指如此联合的元素，即在一些情况中结合出现且在其它情况中分开出现的元素中的“任一个或两个”。利用“和/或”列出的多个元素应按相同方式理解，即如此联合的元素中的“一个或多个”。可任选出现通过“和/或”从句具体识别的元素以外的其它元素，不论是否与那些具体识别元素有关。因此，在一个实施方案中，作为非限制性实例，当结合开放式语句如“包括”使用时，“A和/或B”可指代仅仅A(任选包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，指代仅仅B(任选包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中，指代A和B(任选包括其它元素)等。
如本文在说明书和权利要求中所使用，“或”应理解为具有与上文所定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分列项目时，“或”或“和/或”应理解为包容性，即包括至少一个，但还包括许多或一列元素中的多于一个，且任选其它未列出项目。仅当术语明确说明相反，如“仅仅一个”或“刚好一个”，或当用于权利要求中时，“由...组成”将指代包括许多或一列元素中刚好一个元素。一般来说，当以排他性术语如“任一”、“之一”、“仅一个”或“刚好一个”为前缀时，如本文所使用的术语“或”只应理解为说明排他性替代例(即，“这个或另一个但不是两个”)。当用于权利要求中时，“实质上由...组成”应具有在专利法领域中所使用的一般含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用，在一列一个或多个元素中使用的短语“至少一”应理解为意指选自该列元素中的任何一个或多个元素的至少一个元素，而不必包括在该列元素内具体列出的每个和每一个元素中的至少一个且不排除在该列元素中的任何元素组合。这个定义还允许任选出现短语“至少一”所涉列元素内具体识别的元素以外的元素，不论是否与那些具体识别元素有关。因此，在一个实施方案中，作为非限制性实例，“A和B中至少一个”(或等效地，“A或B中至少一个”，或等效地“A和/或B中至少一个”可指代至少一个，任选包括多于一个A，且不存在B(且任选包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中，指代至少一个，任选包括多于一个B，且不存在A(且任选包括除A以外的元素)；在又一个实施方案，指代至少一个，任选包括多于一个A，且至少一个，任选包括多于一个B(且任选包括其它元素)等。
在权利要求以及上述说明书中，所有过渡短语如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“主要包括”和类似短语应理解为开放性，即意欲包括但不限制于。如美国专利办公室专利审查手册，第2111.03节所述，仅过渡短语“由...组成”和“实质上由...组成”应为闭合性或半闭合性过渡短语。

Claims (48)

1.一种施予物质用装置，所述装置包括：
具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在所述近端与所述远端之间延伸的内部腔室以将所述物质引导至所述远端，所述远端与尖端连接，所述尖端至少部分插入受试者体腔的孔口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述孔口泄漏的形状，所述尖端包括：
将来自所述内部腔室的所述物质传递至所述体腔中的开口；和
从所述尖端向所述体腔中发射超声波，从而将所述物质施予所述体腔中的组织的换能器。
2.一种施予物质用装置的尖端，所述尖端至少部分插入受试者的直肠，所述尖端包括：
将来自所述装置的内部腔室的所述物质传递至至少所述直肠中的开口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述直肠泄漏的形状；和
从所述尖端向至少所述直肠中发射超声波，从而将所述物质施予至少所述直肠中的组织的换能器。
3.一种施予物质用装置的护鞘，所述装置包括具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在所述近端与所述远端之间延伸的内部腔室，以将所述物质引导至所述远端，所述远端与尖端连接，所述尖端至少部分插入受试者的直肠，所述尖端包括将来自所述内部腔室的所述物质传递至至少所述直肠中的开口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述直肠泄漏的形状和从所述尖端向至少所述直肠中发射超声波的换能器，所述护鞘包括：
保护所述装置至少一部分包括所述尖端免于直接接触所述直肠的覆盖物，所述覆盖物包括减小所述超声波衰减的材料，所述材料呈现声学可穿透和声学传导中的至少一个，所述覆盖物界定用于与所述开口对准的穿孔，其中以下至少一个：
所述护鞘包括在所述覆盖物开口周围，被构造为减少所述装置对所述直肠的暴露的弹性绷带；
所述覆盖物包括被构造减少所述装置对所述直肠的暴露的弹性缠带；
所述覆盖物包括用于在所述尖端上滑动的刚性工件；
所述覆盖物包括第一刚性工件和第二刚性工件以从所述尖端的相反侧安装，使得所述第一刚性工件连接至所述第二刚性工件；
所述覆盖物包括通过在所述尖端的末端处的铰链结合至第二刚性工件的第一刚性工件。
4.一种施予物质用装置的药筒，所述装置包括具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在所述近端与所述远端之间延伸的内部腔室以将所述物质引导至所述远端，所述远端与尖端连接，所述尖端至少部分插入受试者体腔的孔口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述孔口泄漏的形状，所述尖端包括将来自所述内部腔室的所述物质传递至所述体腔中的开口，和从所述尖端向所述体腔中发射超声波的换能器，所述药筒包括：
界定包括所述物质的储集器的外壳，所述药筒被插入所述内部腔室中以建立与所述装置的流体连通。
5.一种用于施予物质的试剂盒，所述试剂盒包括：
施予物质用装置，所述装置包括：
具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在所述近端与所述远端之间延伸的内部腔室以将所述物质引导至所述远端；
连接至所述远端的尖端，所述尖端至少部分插入受试者体腔的孔口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述孔口泄漏的形状，所述尖端包括：
将来自所述内部腔室的所述物质传递至所述体腔中的开口；和
从所述尖端向所述体腔中发射超声波的换能器；和
插入所述内部腔室以建立与所述装置的流体连通的药筒，所述药筒包括：
界定包括所述物质的储集器的外壳。
6.一种组装施予物质用装置的方法，所述装置包括具有近端和远端的细长主体，所述细长主体界定在所述近端与所述远端之间延伸的内部腔室以将所述物质引导至所述远端，所述方法包括：
将尖端连接至所述远端，所述尖端至少部分插入受试者体腔的孔口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述孔口泄漏的形状，所述尖端包括：
将来自所述内部腔室的所述物质传递至所述体腔中的开口；和
从所述尖端向所述体腔中发射超声波的换能器；和
将药筒插入所述内部腔室，所述药筒包括外壳，所述外壳界定包括所述物质的储集器以建立与所述装置的流体连通。
7.一种施予物质的方法，所述方法包括：
将装置的尖端的至少一部分插入受试者体腔的孔口，所述尖端具有被构造为当所述至少部分插入时减少所述物质从所述孔口泄漏的形状；
经由在所述尖端中的开口将所述物质传递至所述体腔中；和
经由在所述尖端上的换能器向所述体腔中按同时和依序中的至少一个方式发射超声波，从而将所述物质施予所述体腔中的组织。
8.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述受试者是哺乳动物。
9.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述受试者是人类。
10.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述身体孔口是所述受试者的直肠。
11.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述尖端包括传递来自所述内部腔室的所述物质的多个开口。
12.根据权利要求11所述的设备、试剂盒或方法，其中所述多个开口中每个的轴相对于从所述细长主体的所述近端向所述远端的轴成角约45°至约90°。
13.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述尖端具有以下至少一个：
监测温度用热电偶；
在所述至少部分插入所述孔口时减小摩擦的涂层；
约1cm至约10cm的长度；
约1cm至约3cm的半径；和
具有凹形形状用于改善所述尖端与所述孔口之间的密封的基部。
14.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其还包括当激活所述装置时驱动所述物质通过所述开口的泵。
15.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述装置被构造为手动驱动所述物质通过所述开口。
16.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述装置被构造为传递所述物质持续至多约30秒的持续时间。
17.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述装置还包括监测温度用热电偶。
18.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述内部腔室包括用于接收药筒的端口总成，所述药筒包括：
界定包括所述物质的储集器的外壳。
19.根据权利要求18所述的设备、试剂盒或方法，其中所述药筒具有前导末端，当发生以下至少一个情况时，所述端口总成刺穿所述前导末端以建立所述内部腔室与所述储集器之间的流体连通：
将所述药筒插入所述内部腔室；和
激活所述装置。
20.根据权利要求18所述的设备、试剂盒或方法，其中所述端口总成包括刺穿所述前导末端的弹簧加载针头。
21.根据权利要求18所述的设备、试剂盒或方法，其中所述药筒的所述储集器具有约60mL的体积。
22.根据权利要求18所述的设备、试剂盒或方法，其中所述药筒具有立方体形状和圆柱体形状中的至少一个。
23.根据权利要求18所述的设备、试剂盒或方法，其中所述药筒是一次性的。
24.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述内部腔室包括在所述细长主体内部的储集器以接收所述物质。
25.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述内部腔室与包括所述物质的储集器流体连通，所述储集器在所述细长主体外部。
26.根据权利要求25所述的设备、试剂盒或方法，其中所述储集器由可拆除地连接至所述细长主体的药筒界定。
27.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述装置的至少一部分呈现可重复使用和防水中的至少一个。
28.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述装置被用于自行施予。
29.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述细长主体被构造为手持式和便携式中的至少一个。
30.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述细长主体被构造为支持用户握持。
31.根据权利要求30所述的设备、试剂盒或方法，其中所述细长主体的至少一部分包括防滑材料，所述防滑材料包括橡胶、硅酮、弹性体和塑料中的至少一个。
32.根据权利要求30所述的设备、试剂盒或方法，其中所述细长主体的至少一部分包括用于增大牵引力的表面纹理，所述表面纹理包括纹路、粗糙度和波纹度中的至少一个。
33.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述细长主体具有以下至少一个：
围绕从所述近端向所述远端的轴的圆柱体形状；
从所述近端向所述远端的锥形；
从所述近端到所述远端约14cm至约40cm的长度；
在所述近端处约4cm至约6cm的第一直径；和
在所述远端处约1cm至约3cm的第二直径。
34.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述换能器被构造为增大所述超声波的径向发射。
35.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述换能器包括压电元件。
36.根据权利要求35所述的设备、试剂盒或方法，其中所述压电元件包括晶体、陶瓷和聚合物中的至少一个。
37.根据权利要求35所述的设备、试剂盒或方法，其中所述换能器还包括将来自所述压电元件的超声波引导至所述体腔中的轴杆。
38.根据权利要求37所述的设备、试剂盒或方法，其中所述轴杆具有以下至少一个：
约1cm至约7cm的长度；
约0.1cm至约2cm的直径；和
沿所述轴杆的至少一个凸起，所述至少一个凸起超出所述轴杆的直径不超过1cm。
39.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述换能器被构造为从所述尖端并向所述体腔中发射多个超声波。
40.根据权利要求39所述的设备、试剂盒或方法，其中所述多个超声波具有多个相关频率。
41.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述超声波的频率为约15kHz至约500kHz。
42.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述超声波的频率为约20kHz至约100kHz。
43.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述超声波的频率为约500kHz至约3000kHz。
44.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述处理持续时间持续至多约30分钟。
45.根据权利要求44所述的设备、试剂盒或方法，其中所述处理持续时间持续约1分钟至约5分钟。
46.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述处理持续时间包括持续至多约2分钟的总超声波暴露持续时间。
47.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中所述物质包括氢化可的松和氨水杨酸中的至少一个。
48.根据上述权利要求所述的设备、试剂盒或方法中的任一个，其中施予所述物质以治疗和减轻直肠炎、炎性肠病和肠道易激综合征中的至少一个的症状，取所述治疗和减轻的至少一个。
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