CN113613711A

CN113613711A - 使用微电极进行组织电转移的装置

Info

Publication number: CN113613711A
Application number: CN202080011102.7A
Authority: CN
Inventors: Y·德米尤雷克; 林灏; S·利特克雷克; J·单; D·施莱贝; 于淼; J·扎恩
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-11-05
Also published as: AU2020218502B2; KR102601524B1; BR112021012548A2; KR20210120098A; US20220080193A1; AU2020218502A1; CA3124709A1; WO2020163310A1; JP7260933B2; JP2022519598A; EP3880295B1; EP3880295A1

Abstract

使用微创穿透微电极阵列来产生局部电场“热点”，用于通过瞬时膜穿透作用将诸如核酸或蛋白质分子的生物分子递送到位于皮肤的表皮或真皮层的细胞中。该“热点”可以通过在特定区域选择性地绝缘穿透微电极来控制。未用绝缘涂层覆盖的微电极部分可涂覆核酸或蛋白疫苗载体，或其他待递送的生物分子。插入皮肤中时，锚微电极区机械地锚定穿透微电极以定位目标组织微电极区，从而选择性地将生物分子涂层与位于组织位置中的细胞对准。生物分子涂层在与周围组织接触时溶解。通过施加电脉冲，生物分子可以被递送到周围细胞中。

Description

使用微电极进行组织电转移的装置

相关申请

本申请要求2019年2月4日提交的美国临时申请No.62/800,781的权益。将上述申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术

在过去的40年中，电穿孔已成为一种将外源生物材料(即DNA、RNA或蛋白质因子)递送到细胞和组织中的有吸引力的方法。电穿孔作为细胞递送手段的第一次报告是在20世纪80年代(1)，而许多最初的透皮尝试出现在20世纪90年代初期(2-7)。已经探索了电穿孔介导的递送用于小分子治疗剂通过皮肤的皮肤层的电穿孔，然后治疗剂通过皮肤的被动扩散、离子电渗传输(4)或其他穿透机制(8)、电化学疗法(ECT)(9-17)和基因电转移(GET)(18,19)的透皮递送而系统性吸收到血流中。随着基于DNA的疫苗的出现、基因编辑技术(即CRISPR Cas9靶向基因编辑)以及FDA批准基因治疗产品(即CAR T-细胞疗法)，人们对GET重新产生了兴趣。

长期以来，人们一直在探索电穿孔作为用于多种医学应用的细胞和组织递送手段(34)。在电穿孔过程中，细胞或组织暴露于短暂的、高强度的电场中，该电场诱导细胞膜中的孔隙形成，从而利于分子跨膜屏障的递送。可逆电穿孔允许细胞膜的瞬时穿透以将外源物质递送到细胞中，然后细胞恢复。另一方面，不可逆电穿孔(热和非热的)导致不可恢复的膜损伤，从而直接杀死细胞或促进细胞凋亡。在医学上对可逆和不可逆电穿孔都进行了探索，可逆电穿孔用于治疗和载体递送，而不可逆电穿孔用作组织消融技术，尤其是用于治疗癌性肿瘤。经皮电穿孔通常集中于可逆电穿孔，以降低皮肤的穿透屏障并促进用于基因电转移(GET)的载体的摄取。

经皮电穿孔已被视为通过GET转化皮肤细胞或增加治疗剂通过皮肤的透皮渗透的手段。特别是，已经探索了使用经皮电穿孔作为递送具有足够表达和免疫原性的基于DNA的疫苗产品的手段，以赋予保护性免疫反应。由于存在高浓度的树突状细胞，表皮特别成为疫苗接种的靶标(35，36)。正如2016年电穿孔用于基因治疗和基于DNA的疫苗递送的临床潜力的社评所指出的，有几个商业电穿孔疫苗接种平台正在开发中，包括CELLECTRA、Easy Vax、MedPulser、Trigrid、Dermavax、OncoSec和Cliniporator，其中大多数的装置(62％)正在进行I期临床试验(37)。推进最快的产品是Inovio的CELLECTRA系统，该系统目前正在进行人乳头瘤病毒(HPV)疫苗的IM递送的III期临床试验(38)。

经皮电穿孔传统上作为表面电极或作为插入皮肤或肌肉中的穿透电极应用。使用表面电极时，需要高强度电场来穿透高度角化的角质层(SC)，皮肤最外面的屏障层。然而，一旦SC被电穿孔，下面的表皮和真皮组织则以不受控制的方式暴露于这种高场强，这可能导致皮肤刺激、水肿和损伤。使用穿透电极组时，它们通常间隔几厘米并插入皮肤深处或皮肤下方进入肌肉中。还经常使用更高强度的脉冲以穿透电极周围的最大组织体积，这也导致场强度最高的电极周围的组织损伤。此外，GET过程中使用的DNA载体通常通过皮内(ID)或肌内(IM)注射数百微升至毫升体积来递送。DNA注射本身可能导致转染效率的变化，其中注射的DNA可能不定位在进行电穿孔的靶组织中。例如，使用ID注射的临床研究使用了至少600μg的DNA质粒；并且经常注射甚至高达几毫克的量以确保足够的细胞摄取。然而，相当大部分的溶液可能被递送到皮下区域，而不是真皮或表皮层，从而由于GET需要大的DNA量，导致更高疫苗成本。

尽管经过数十年的发展和多种商业努力，经皮电穿孔仍面临许多临床应用的挑战。要解决的主要瓶颈是1)低递送/转染效率；2)可以治疗水平穿透皮肤的物质有限；3)递送效率的变化性；4)经皮电穿孔后的皮肤刺激、水肿和疤痕。这些困扰经皮电穿孔的障碍和持续问题限制了其临床使用(39)，并且目前市场上没有FDA批准的电穿孔设备。

尽管用于各种不同环境中的电穿孔有许多优点，如作为微创和非病毒细胞转染技术的优点，但细胞/组织损伤和转染效率之间的固有权衡一直困扰着电穿孔作为经皮药物递送平台的使用(26)。在真皮电穿孔过程中遇到的问题中，输送效率低加上皮肤刺激和疤痕(27，28)是最突出的需要解决的障碍。因此，不断需要改进的组织电转移技术。

发明内容

根据本发明的实施方式涉及用于产生局部电场“热点”的微创穿透微电极阵列，用于通过瞬时膜穿透作用将诸如核酸或蛋白质分子的生物分子递送到位于皮肤的表皮或真皮层的细胞中。“热点”可以通过在特定区域选择性地绝缘穿透微电极来控制。未覆盖绝缘涂层的微电极部分可涂覆核酸或蛋白疫苗载体，或其他待递送的生物分子。插入皮肤中时，锚微电极区机械地锚定穿透微电极以定位目标组织微电极区，从而选择性地将生物分子涂层对准位于组织位置中的细胞。生物分子涂层将在与周围组织接触时溶解。通过施加电脉冲，生物分子可以被递送到周围细胞中。

在根据本发明的一个实施方式中，用于组织电转移的微电极装置包括穿透微电极。穿透微电极包括(i)目标组织微电极区，其包括导电表面，以通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞；和(ii)锚微电极区，以机械地锚定穿透微电极来定位目标组织微电极区而将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞。电连接将穿透微电极连接到电压源。

在进一步的相关实施方式中，锚微电极区可以在穿透微电极的远端末端处或附近。微电极装置可以包括在穿透微电极表面上的电绝缘，不同于目标组织微电极区的导电表面。微电极装置可以包括锚微电极区表面上的电绝缘。微电极装置可包括在目标组织微电极区表面的至少一部分上的包含待选择性递送的生物分子的生物分子涂层。组织位置可以在皮肤的角质层之下，且(i)在皮肤的表皮层的至少一部分内和(ii)在皮肤的真皮层的至少一部分内的至少一种。组织位置可以在仅皮肤的表皮层的至少一部分内。锚微电极区可以包括倒钩；并且可以包括粘附表面涂层。被皮肤组织包围时，生物分子涂层可以是可溶解的；并且可以包含核酸和蛋白质中的至少一种。

在其他相关的实施方式中，电绝缘可以包含沉积在穿透微电极上的绝缘聚合物。微电极装置可以包括多于一个穿透微电极，其中该多于一个穿透微电极的中心-中心间距包括约300微米至约1.5毫米之间的间距。穿透微电极的长度可以包括约225微米至约1250微米之间的长度。穿透微电极可以包括以下至少一种：包括锥形尖端的针；以及包括横向突起的针。穿透微电极可以包括约100微米至约500微米之间的直径。电连接可以将来自电压源的脉冲电压施加到穿透微电极以在皮肤的表皮层和皮肤的真皮层的至少一个中产生组织的细胞膜的瞬时穿透。电连接可以将来自电压源的电压施加到穿透微电极以在穿透微电极周围的皮肤组织中产生每厘米约0.1千伏(kV)至每厘米约10千伏(kV)之间的最大电场强度。电连接可以包括由光刻术限定的连接，穿透微电极可以包括由光刻术限定的电极基部，并且穿透微电极可以包括电镀金属。微电极装置可以包括多于一个穿透微电极，并且电连接可以包括与所述多于一个穿透微电极中的两个或更多个的电独立的连接。该装置可以包括多于一个目标组织微电极区，每个目标组织微电极区用于选择性地递送不同的生物分子。

在进一步的相关实施方式中，微电极装置可以进一步包括建模处理器，其可以包括组织水平的电场预测模块和细胞水平的模拟模块。建模处理器可以配置成确定经由组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞的组织位置。建模处理器可以配置成确定由电压源传输到穿透微电极的控制电压。

在根据本发明的另一个实施方案中，用穿透微电极进行组织电转移的方法包括使用穿透微电极的锚微电极区锚定穿透微电极，使得包括导电表面的穿透微电极的目标组织微电极区被定位以将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞；并对穿透微电极施加电压以将生物分子递送到位于组织位置中的细胞。穿透微电极可以包括本文教导的任何微电极装置。

在进一步的相关实施方案中，该方法还可以包括使用建模处理器来预测组织水平电场并执行组织位置的细胞水平模拟。建模处理器可以确定经由组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞的组织位置。该方法可以包括使用建模处理器来控制由电压源传输到穿透微电极的电压。

附图说明

专利或申请文件包含至少一幅彩色绘制的图。本专利或专利申请公开的带有彩色附图的副本将在请求和支付必要费用后由专利局提供。

从以下如附图所示的示例性实施方式的更具体描述，上述内容将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记在不同的视图中指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是重点放在举例说明实施方式上。

图1是根据本发明实施方式的用于组织电转移的微电极装置的示意图。

图2是根据本发明实施方式的用于组织电转移的微电极装置的示意图，包括锚微电极区的替代方式。

图3是根据本发明实施方式的用于组织电转移的微电极装置的示意图，包括穿透微电极的示例尺寸。

图4是说明了根据本发明实施方式，从电压源施加到穿透微电极以在皮肤的表皮层和皮肤的真皮层的至少一个中产生组织细胞膜瞬时穿透的脉冲电压的图。

图5是说明了根据本发明实施方式，在微电极的基部和尖端上穿透微电极的选择性电绝缘，并且显示了用于靶向组织电转移的由微电极产生的局部电场强度的模拟结果的图。

图6是显示了在根据本发明实施方式的实验中，皮内注射和施加直流脉冲后猪皮中绿色荧光蛋白(GFP)表达的图像的图。

图7是显示了根据本发明实施方式穿透微电极阵列的照片和示意图的图解。

图8是根据本发明实施方式，显示了皮肤的角质层、表皮和真皮层以及插入这些层中的穿透微电极的视图的图。

图9是显示了在根据本发明实施方式的模拟中，插入皮肤模型中的十六个穿透微电极的阵列周围的局部电场强度的模拟结果的图解。

图10是显示了在根据本发明实施方式的模拟中，在2.0kV/cm的施加电场下表皮角质形成细胞的包装细胞模型1056；显示部分电穿孔状态的0.83kV/cm的电场下(顶部)和显示完全电穿孔状态的1.0kV/cm电场下(底部)的包装细胞模型的2D投影1058；以及模拟的真皮成纤维细胞内的跨膜电位(顶部)和电场(底部)的图像1060(显示了方向依赖性电穿孔)的图。

图11是显示了在根据本发明实施方式的实验中，在将脉冲电穿孔电压施加到穿透微电极之前和之后的测量中的组织阻抗变化的图。

图12是在根据本发明实施方式的实验中与穿透微电极阵列一起使用的电气系统的示意图。

图13是显示了在根据本发明实施方式的实验中，使用罗丹明的电穿透测试结果的图像的图。

图14是根据本发明实施方式的实验中用于使用碘化丙啶的穿透测试的方案的总结。

图15是显示了图14的实验中切片皮肤图像示例图像的图。

图16是显示了图14的实验中的图像分析结果的图。

图17是在根据本发明的实施方式中，穿透微电极阵列的电极配置的示意图，其中多个电极作为一组编址。

图18是显示了根据本发明实施方式，使用印刷电路板来提供电连接的穿透微电极阵列装置的图。

图19是显示了在根据本发明实施方式的实验中，使用印刷电路板测试穿透微电极阵列装置的结果的图像的图。

图20是根据本发明的实施方式，使用光刻术制造的穿透微电极阵列的示意图。

图21是根据本发明的实施方式，用于使用光刻术制造穿透微电极阵列的晶片上的模(dies)的图像。

图22是根据本发明的实施方式，使用多于一个目标组织微电极区的多路复用的用于组织电转移的微电极装置的示意图。

图23是根据本发明的实施方式，通过静电喷涂沉积在穿透微电极阵列上的DNA复合物的图像。

图24是根据本发明的实施方式，用绝缘介电涂层的保形层绝缘的穿透微电极的图像。

图25是根据本发明的实施方式，用于组织电转移的微电极装置的示意图，其结合了建模处理器。

具体实施方式

下面是示例实施方式的描述。

根据本发明的实施方式提供了一种微创穿透微电极阵列，其将诸如核酸或蛋白质的生物分子靶向递送至皮肤的不同层。表皮含有比真皮更高的细胞密度以及高浓度的树突细胞，且因此是有吸引力的递送生物分子(如核酸或蛋白质)载体的靶标。穿透微电极阵列可以实现高效的、对表皮或真皮特异性的靶向组织基因电转移(GET)。由于较高的表皮细胞密度，表皮转染可以显示最高的转染程度。生物分子的靶向递送，如载体递送和组织转染，可以通过选择性绝缘阵列的穿透微电极并用质粒DNA(pDNA)载体(或其他生物分子，如核酸或蛋白质)涂覆，然后有效地在聚焦电场“热点”处对组织进行电穿孔来实现，所述热点围绕皮肤的表皮和/或真皮层内放置的电极。这将生物分子递送和电脉冲共同定位到相同的组织体积，以提高皮肤GET效率或其他生物分子递送。在一些实施方式中，通过在脉冲施加之前和之后监测组织阻抗，可以通过与所使用的电脉冲的幅度成比例的组织阻抗的下降来监测细胞穿透程度和随后的组织GET。

根据本发明的实施方式，这种方法允许使用较低的电压和场强，从而限制组织损伤而同时将生物分子递送(例如组织转染)定位在活的真皮和表皮的最外层内。因此，一个实施方式可以显著提高靶向组织转染效率，同时避免低转染效率和皮肤刺激。

图1是根据本发明的实施方式，用于组织电转移的微电极装置100的示意图。微电极装置100包括穿透微电极102，如具有足够尖锐以穿透皮肤组织的锥形尖端的针。穿透微电极102包括通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置(如穿透微电极102周围的皮肤组织)中的细胞的目标组织微电极区104，其包括导电表面106如导电金属表面。穿透微电极102还包括锚微电极区108以机械地锚定穿透微电极102从而定位目标组织微电极区104以将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞。例如，锚微电极区108可具有涂层(例如本文进一步讨论的那些)，其有助于将穿透微电极102保持在其中插入穿透微电极102的皮肤组织内，例如通过提供足够的抵抗穿透微电极102在皮肤组织内的运动的摩擦力。电连接110将穿透微电极102连接于电压源112。例如，穿透微电极102可以由导电金属制成(或具有由导电金属制成的芯或其他部分)，并且电连接110可以是电路板或其他安装框架114上的导电迹线或其他电连接。例如，电压源112可以是配置成传输电压(包括脉冲电压)的电源，这在本文中进一步教导。

继续参考图1，锚微电极区108可位于穿透微电极102的远端末端116处或其附近。如本文使用，穿透微电极102的“远端末端”116是穿透微电极102插入皮肤组织最深的末端，而“近端末端”118是相对末端(其最靠近安装框架114)。微电极装置100可以包括穿透微电极102表面上的电绝缘120a，其不同于目标组织微电极区104的导电表面106。电绝缘120a可以包含沉积在穿透微电极上的绝缘聚合物，如，例如通过化学气相沉积(CVD)沉积的聚对二甲苯(聚(对二甲苯))膜，如下面结合图5的示例所讨论的。例如，电绝缘120的多于一个的不同区域120a、120b可以在它们之间限定具有导电表面106的目标组织微电极区104。电绝缘可以在锚微电极区108的表面120b上，并且可以用作电绝缘和用作锚微电极区108的涂层(其有助于将穿透微电极102保持在其中插入了穿透微电极102的皮肤组织内)。例如，通过化学气相沉积(CVD)沉积的聚对二甲苯(聚(对-二甲苯))膜的涂层可以用作电绝缘，也可以通过提供抵抗穿透微电极102在皮肤组织内运动的足够摩擦力来锚定微电极。微电极装置可以在目标组织微电极区104的表面的至少一部分上包括生物分子涂层122，其包含待选择性递送的生物分子，该表面的部分可以是目标组织微电极区104的整个表面。生物分子涂层122例如可以包括核酸(如下文更详细定义的，例如DNA或RNA)或蛋白质。被皮肤组织包围时，生物分子涂层122可以是可溶解的。如果目标组织微电极区104的整个表面涂覆有生物分子涂层122，则目标组织微电极区104具有足够导电的表面106(当生物分子涂层122被皮肤组织包围时溶解后)，使得电穿孔可通过目标组织微电极区104进行。在一个示例中，生物分子涂层122可包括质粒DNA(pDNA)载体，其通过电穿孔递送至位于周围组织中的细胞。包含生物分子将被递送到的细胞的组织位置可以在皮肤的角质层124之下，并且选择性地在皮肤的表皮层126、皮肤的真皮层128或表皮层126和真皮层128两者内。在一个示例中，组织位置选择性地仅在皮肤的表皮层126内。

图2是根据本发明的实施方式，用于组织电转移的微电极装置200的示意图，包括锚微电极区208的替代方式。尽管设想锚微电极区208应当对周围组织的危害最小，但在一些实施方式中可能的是锚微电极区208可以包括倒钩230或其他有助于锚定的结构；并且可以包括附加的粘附表面涂层232以帮助锚定。倒钩230例如可以是生物可吸收的倒钩，其可具有约500微米或更小的短长度。穿透微电极可以是包括锥形尖端的针(如图1中所示)；包括侧向突起的针，如(图2的)倒钩230；或两者。

图3是根据本发明的实施方式，用于组织电转移的微电极装置300的示意图，包括穿透微电极的示例尺寸。微电极装置300可以包括多于一个的穿透微电极，其中该多于一个穿透微电极的中心-中心的间距334包括约300微米至约1.5毫米之间的间距。穿透微电极的长度336可以包括约225微米至约1250微米之间的长度。穿透微电极可以包括约100微米至约500微米之间的直径338。

图22是根据本发明的实施方式，用于组织电转移的微电极装置2200的示意图，其采用多于一个目标组织微电极区的多路复用。在这个实施方式中，该装置包括多于一个目标组织微电极区，其各自用于选择性地递送不同的生物分子。参考图22的示例，使用多于一个目标组织微电极区2204a-d，其中不同的目标微电极区包括多于一个不同的生物分子涂层2222a-d。例如，同一穿透微电极2202c上的多于一个不同的目标微电极区2204c和2204d可以涂覆多于一种不同的生物分子涂层2222c和2222d。在另一示例中，同一装置中的多于一个不同的穿透微电极2202a和2202b可具有多于一个不同的目标组织微电极区2204a和2204b，其可涂覆多于一种不同的生物分子涂层2222a和2222b。例如，可以使用图22中所示类型的一种或多种布置将不同的生物分子递送至不同的皮肤层，如皮肤表皮层的至少一部分内的一种生物分子和皮肤真皮层的至少一部分内的不同生物分子。

图4是说明了根据本发明的实施方式，从电压源(参见图1中的112)施加到穿透微电极以在皮肤的表皮层和皮肤的真皮层的至少一个中产生组织细胞膜的瞬时穿透的脉冲电压440的图。电连接(参见图1中的110)可以将来自电压源(参见图1中的112)的脉冲电压施加到穿透微电极以在皮肤的表皮层和皮肤的真皮层的至少一个中产生组织细胞膜的瞬时穿透。参考图4，电连接可以从电压源向穿透微电极施加电压以在穿透微电极周围的皮肤组织中产生每厘米约0.1千伏(kV)至每厘米约10千伏(kV)之间的最大电场强度442。

图25是根据本发明的实施方式，用于组织电转移的微电极装置2500的示意图，其整合了建模处理器2562。在此，建模处理器2562包括用于通过使用多尺度皮肤电穿孔模型确定电穿孔热点的建模模块，所述模型结合了组织水平电场预测和考虑靶向组织中的细胞密度的细胞水平模拟。为了实现该模块，建模处理器2562包括组织水平电场预测模块2564和细胞水平模拟模块2566。组织水平电场预测模块2564可以例如使用模型来确定组织中的电场。细胞水平模拟模块2566可以例如模拟组织内的细胞密度。使用这些模块，建模处理器2562可以确定通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞的组织位置。此外，使用这些模块，建模处理器2562可以确定由电压源2512传输到穿透微电极2502的控制电压2568。此外，建模处理器2562的输出可以用于确定靶向的组织内锚微电极区2508和目标组织微电极区2504的位置；并且确定在这样的穿透微电极2502的阵列中使用的穿透微电极2502的形式、间距和尺寸。此外，建模处理器2562可以用于确定由电压源传输到穿透微电极的控制电压，不管建模处理器2562是否包括组织水平电场预测模块2564和细胞水平模拟模块2566。

本文列出的各种技术可以包括计算机执行的组件，如建模处理器2562、组织水平电场预测模块2564和细胞水平模拟模块2566(参见图25)。这些组件可以使用硬件来执行，并且可以包括一个或多个处理器，其可以例如包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、在一个或多个处理器上运行的应用软件；以及向本文所述的系统(如图25的电压源2512和穿透微电极2502)和从该系统传输电信号的传感器和/或控制连接，其中信号可以向本文所示的组件内的致动部件和从该部件传输电子信号。组件可以包括用户输入模块，其可以包括用于接收用户输入的部件(如键盘、触摸板以及与处理器和存储器连接的相关电子器件)。如建模处理器2562和电压源2512的组件还可以包括用于存储信息并在计算机硬件和软件的控制下执行程序的存储器。应当理解，可以使用其他控制硬件和软件。技术可以使用硬件、软件或其组合来执行。以软件执行时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在单个计算机中提供还是在多台计算机中分布。

图12是在根据本发明的实施方式的实验中，与穿透微电极阵列一起使用的电气系统图示的示意图。在这个实验中，在导电流体和皮肤组织中进行了电表征。示意图包括函数发生器、放大器和电穿孔芯片。在此，穿透微电极是安装在印刷电路板上的针，且长度为2毫米，中心-中心的间距为1.3毫米。

图13是显示了在根据本发明的实施方式的实验中，使用罗丹明的电穿透测试结果的图像的图。在这个实验中，施加了1.5kV/cm、10毫秒的直流脉冲。使用了3毫米的针长度。角质层用脉冲克服。图像显示了合并的亮场和红色通道图像。左侧是非脉冲针的结果，右侧是脉冲针的结果。

图14是在根据本发明实施方式的实验中，用于使用碘化丙啶的穿透测试的实验方案的总结。

图15是显示了在图14的实验中切片皮肤图像示例的图像的图。

图16是显示了图14的实验中的图像分析结果的图。右下方的图来自Ge等，2010年，“The viability change of pigskin in vitro”，Burns，36(2010)。

图17是根据本发明的实施方式，其中多个电极作为一组编址的穿透微电极阵列的电极配置的示意图。在这个示例中，标记“1”的电极作为一组编址，标记“2”、“3”和“4”的电极也是如此。应当理解，可以使用其他布置，并且可以使用可单独编址的电极。如这个图中所示的，微电极装置可以包括多于一个的穿透微电极，并且电连接可以包括与该多于一个穿透微电极中的两个或更多个的电独立的连接。

图18是显示了根据本发明的实施方式，使用印刷电路板来提供电连接的穿透微电极阵列装置的图。

图19是显示了在根据本发明实施方式的实验中，使用印刷电路板测试穿透微电极阵列装置的结果的图像的图。在针插入部位周围可以看到碘化丙啶的“热点”。

图20是根据本发明的实施方式，使用光刻术制造的穿透微电极阵列的示意图。如这个图中所示，电连接可以包括通过光刻术限定的连接，穿透微电极可以包括通过光刻术限定的电极基部，且穿透微电极可以包括电镀金属。在一个示例中，穿透微电极阵列可以使用UV LiGA技术制造，其中“LiGA”来自德语首字母缩略词，表示光刻、电镀和模制。光刻可用于限定迹线、穿透微电极基部、用于电镀的模具。金属电镀可用于形成实体柱。电化学或湿式蚀刻可用于限定穿透微电极的形状。这之后可以去除模制材料，并切割晶片以形成单独的芯片。图21是根据本发明的实施方式，用于使用光刻术制造穿透微电极阵列的晶片上的模的图像。

根据本发明的实施方式使用穿透微电极的选择性绝缘并用DNA载体(或其他生物分子)涂覆穿透微电极，以便将载体和低强度电脉冲传输至与电极相邻的重合“热点”区域。由于实施方式集中于仅在电场“热点”内转染与电极邻近的组织，而不是尝试转染大的组织体积，因此较低的脉冲场强度可用于有效的表皮和真皮基因电转移(GET)，或其他生物分子递送。据认为该方法可以通过更有效地将载体和电能输送到“热点”来解决GET中的安全性、耐受性和有效性问题，从而克服经皮电穿孔临床转化的许多主要瓶颈，使得获得更低的皮肤EP的阈值，载体递送直接靶向待穿透的皮肤部分，并获得靶向的真皮层转染。这些益处与脉冲应用前后皮肤阻抗监测相结合将允许穿透微电极阵列获得最大的DNA递送(或其他生物分子递送)和GET表达，同时最小化电极插入和脉冲方案的组织刺激。

根据本发明的实施方式与其中载体或其他生物分子以较少控制的方式注射到皮下，并且使用长的、深度穿透的电极以使得电极的一部分在皮肤下的其他穿透电穿孔平台形成对比。这些方法还使用更高强度的脉冲来穿透电极周围最大体积的组织。载体注射意味着大量的载体分布在组织中没有有效穿透的区域，且深电极穿透与高强度脉冲结合导致电极附近的消融不可逆的电穿孔组织损伤。这导致GET转染功效的变化性以及不利的组织损伤。必须仔细评估施用部位选择、电极设计和脉冲参数的临床方案的安全性、耐受性和有效性(20、40、41)。特别地，因为高浓度的角质形成细胞和树突细胞(其可以通过GET激活)，根据本发明的实施方案靶向活的表皮。

在其他实施方案中，载体递送和转染的选择性表皮和真皮靶向也可用于其他临床方案中，如电化学疗法(ECT)、非热不可逆电穿孔(N-TIRE)或皮肤以外的组织的聚焦转染。应当理解，可以进行其他生物分子递送。

图5是说明了根据本发明的实施方式，在微电极的基部和尖端上穿透微电极的选择性电绝缘的图，并且显示了用于靶向组织电转移的由微电极产生的局部电场强度的模拟结果。在图5的实施方式中，穿透微电极被选择性地绝缘，以便将组织“热点”聚焦于不同的真皮层。然后在穿透微电极的区域上使用选择性绝缘将受控的低电压电穿孔靶向于特定的真皮层。为了实现该目标，在根据本发明实施例的一个实验中，通过聚对二甲苯(聚(对-二甲苯))膜的化学气相沉积(CVD)涂覆穿透微电极阵列。在聚对二甲苯CVD中，已知质量的固体聚对二甲苯二聚体升华成气相，它们之后在其中被热解以将二聚体裂解成单体分子。然后将聚对二甲苯单体引入沉积室，它们在其中聚合并保形涂覆暴露的穿透微电极阵列表面。聚对二甲苯是USP VI级聚合物，以其生物惰性而闻名，并且几十年来一直用作医疗设备和医疗电子器件的包封材料。100-1000nm厚的绝缘聚对二甲苯层沉积在穿透微电极阵列上。通过机械磨损从穿透微电极的基部或尖端选择性地去除聚对二甲苯，或通过聚焦CO₂准分子激光烧蚀以实现更准确的去除。然后将这些穿透微电极涂覆在1％(w/v)羧甲基纤维素和0.5％(w/v)Lutrol F-68NF(BASF，Mt.Olive，NJ，USA)溶液中稳定的pDNA溶液，如前对于每针涂覆了预期0.15-15μg DNA所报告的。应当理解，也可以使用其他涂覆技术，包括已用于涂覆微针的替代涂覆技术，如喷墨印刷或电喷涂；并且可以使用其他生物分子。

图5还显示了根据本发明的实施方式的模拟结果，其预测选择性地绝缘穿透微电极和定位真皮或表皮中的“热点”的效果。可以准确预测在不同施加电压下皮肤电穿孔发生的位置，因此可以将DNA载体基因电转移(GET)(或其他生物分子递送)靶向皮肤的不同层，同时最小化组织损伤。通过将热点集中到真皮或表皮皮肤层，由于表皮细胞密度较高，预计表皮转染将表现出更高的转染程度，这将有助于确保基于DNA的疫苗具有足够的表达以激活树突细胞而赋予保护性免疫反应。使用其他生物分子递送可能能够实现类似的优势。

根据本发明的实施方式提供了微创穿透微电极阵列以定位DNA(或其他生物分子，如核酸或蛋白质)的递送和电极周围的电场热点。在根据本发明的实施方式的实验中，穿透电极尺寸和间距通过皮肤电穿孔模型(其可以预测皮肤内电穿孔阈值以上的电场分布)以及包装细胞模型(其可预测组织内细胞的电穿孔然后如何改变组织其余部分内的电场分布)的开发而获知。通过将高浓度的pDNA载体(或其他生物分子)直接涂覆到穿透微电极阵列上，DNA在插入后在电极表面邻近的组织中局部重组，以便将载体和电能量传输到皮肤内的其所需“热点”位置以获得靶向的组织转染。

根据本发明的实施方式提供了用于靶向皮肤电穿孔的穿透微电极的选择性绝缘。通过将绝缘聚合物沉积到穿透微电极表面上并选择性地去除穿透微电极的部分(例如尖端与基部)上的绝缘，穿透微电极的部分可以被绝缘以使得载体和电能量传输到皮肤内它们的所需“热点”位置，从而获得靶向的皮肤层转染。

根据本发明的实施方式构建的并在本文中描述的实验采用多方面的方法，通过对来自不同穿透电极几何形状的皮肤模型内的电场分布的计算建模、对包装细胞组织模型内的穿透分布的计算建模、穿透微电极阵列的开发、穿透微电极的选择性绝缘以及穿透微电极阵列的DNA载体涂层以共同靶向载体递送和电脉冲能量到不同的真皮层来提高真皮电穿孔效率。

实验#1：

图7是显示了根据本发明实施方式的穿透微电极阵列的照片和示意图的图。在根据本发明实施方式的实验中，参考图7，开发了一种穿透微电极阵列，它由组装成印刷电路板(PCB)阵列的奥氏体316不锈钢手术针灸针组成。每个穿透微电极是直径160μm的针，其在745μm的尖端长度上以6.129°的锥角逐渐变细为细点。每个针通过电镀通孔置于PCB中，使用电极穿透的已知厚度的塑料硅橡胶垫片控制穿透微电极的穿透长度。穿透微电极阵列的总穿透深度由暴露的穿透微电极长度控制，其可以短至1/4mm。在穿透微电极组装后，针的背面被夹住，然后在焊池内通过浸焊焊接到PCB上。PCB连接到带状电缆以进行电激发。原型穿透微电极阵列支持16个电极，中心-中心间距为0.75毫米，且通常突出1毫米，如图7中所示。穿透微电极阵列设计通过多尺度皮肤电穿孔模型的开发确认，该模型将组织水平电场预测和考虑真皮和表皮中的细胞密度的细胞水平模拟与电穿孔电路模型关联以识别模拟电穿孔的电极周围的“热点”。这种多尺度模型帮助提供穿透微电极阵列设计和实施的信息，以确定最佳的穿透微电极阵列几何形状和脉冲参数。例如，这种多尺度模型可以由相对于本文中的图25描述的建模处理器来实施。

实验#2：

图8是显示了根据本发明的实施方式的皮肤的角质层、表皮和真皮层以及插入这些层中的穿透微电极的视图的图。在根据本发明的实施方式进行的实验研究中，参考图8，开发了一种计算机皮肤组织水平模型，其中从组织学图像提取皮肤形态以描绘具有真实表面形貌和表皮厚度的真皮-表皮连接(DEJ)。在图8中，图像848显示了描绘DEJ的H&E染色的皮肤；图像850显示了提取到2D皮肤模型中的表皮厚度；图像852显示了压出到具有周期性脊的3D皮肤模型的2D模型；并且图像854显示了具有从皮肤组织学提取的波浪形表面的3D皮肤模型。图像854中显示了一对插入的穿透微电极。模拟中使用的物理特性(厚度、电导率等)见文献(28，42)。这个总体皮肤模型用于确定组织内的电场分布，以确定在何处达到0.5kV/cm的穿透场强度阈值。使用这个模型，使用表面电极模拟皮肤内的电场分布，其中所有穿透电场位于施加的20V电压下的角质层内，并且仅在50V及以上的电压下穿透到真皮层中。达到穿透阈值时，更新模拟以反映角质层(SC)电导率的增加。这需要100V的电压和皮肤中更深的电场穿透，但在实验过程中不是一个可控的过程。因此，决定专注于穿透微电极设计。

实验#3

图9是显示了在根据本发明的实施方式的模拟中，围绕插入皮肤模型中的十六个穿透微电极的阵列的局部电场强度的模拟结果的图。使用穿透微电极时，模拟可以预测电极周围的“热点”，如图9中所示。模拟可以预测模拟的针周围的电场分布，从而改变针间距、插入深度和施加的电压。图9通过描绘电场超过0.5kV/cm的值(组织电穿孔预期的最小电场)处的电极周围的体积来显示一种这样的模拟的结果。特别是，由于尖锐的尖端(其随着电极面积的减小而聚焦电场线)，穿透微电极尖端处电场增加。通过这种方式，可以根据需要合理设计穿透微电极阵列的连续迭代。

实验#4

除了组织水平模型之外，在根据本发明的实施方式的实验中，已经开发了局部包装细胞模型，以了解穿透如何在不同的皮肤层中发生。该局部模型将模拟电势与其中细胞膜被视为与电阻器并联的电容器的细胞的局部等效电路模型耦合，其中当达到跨膜电压(TMV)0.5V时，组织中的电导在电穿孔过程中显著下降。然后更新场分布以反映局部细胞阻抗的这种下降，从而表明经历电穿孔的一个细胞的影响如何影响其邻居的TMV(从而影响电穿孔的倾向)。已经开发了两种模型。第一种是反映在表皮中发现的高角质形成细胞密度的填充球体模型1056。图10是显示了在根据本发明的实施方式的模拟中，在2.0kV/cm的施加场下表皮角质形成细胞的包装细胞模型1056的图。图像1058是模型1056在显示部分电穿孔状态的(顶部)0.83kV/cm的场和显示完全电穿孔状态的(底部)1.0kV/cm的场下的2D投影。图像1060(顶部)显示跨膜电位，而(底部)显示模拟真皮成纤维细胞内的电场，其显示方向依赖性的电穿孔。如图10的图像1056所示，当施加高强度电场时，所有细胞被完全电穿孔。图10的图像1058显示了在中等到高施加电场下包装细胞的2D中心线投影，反映部分到完全电穿孔的条件。在部分电穿孔条件下，一个细胞的穿透可以增加其邻居的局部电位。图10的图像1060显示了各种不同定向的椭圆细胞的较低细胞密度模拟，反映了真皮成纤维细胞的细胞密度和分布(43)。除了较低的细胞密度外，该模拟显示电穿孔程度与细胞取向强烈相关，使得与电场对准的细胞具有更大的电穿孔程度。这些模拟导致一个假设，即由于更高细胞密度和更小方向依赖性影响，表皮内的靶向电穿孔将导致更大的细胞电穿孔程度。这些模拟也可用于指导穿透微电极阵列设计和优化脉冲参数。可以准确地预测在不同的施加电压下皮肤电穿孔发生的位置，以便人们可以在不同的皮肤层靶向DNA载体GET(或其他生物分子递送)而同时最小化组织损伤。在穿透微电极的区域上使用选择性绝缘，电穿孔可以靶向于特定的真皮层。可以使用建模处理器(如本文中结合图25所描述的)来进行这样的模拟以及随后的控制、设计和优化。

实验#5

在根据本发明的实施方式的另一个实验中，进行了猪皮中绿色荧光蛋白(GFP)表达的研究，这将参考图6进行讨论。这些研究是按照Rutgers IACUC委员会批准的方案(PROTO201702610-猪皮采集)进行的。从被安乐死的3至5周龄仔猪新鲜采集皮肤，用70％乙醇仔细清洁，并随后剃毛和脱毛。将皮肤组织切成约1×1cm的小方块。用手术刀小心地去除皮下脂肪和组织。在电穿孔处理之前，通过MicronJet600微针(NanoPass TechnologiesLtd.，Nes Ziona，Israel)注射1×PBS溶液中的20μg/ml pEGFP-N1载体(Clontech)。通过使用初步穿透微电极阵列施加电脉冲。GFP pDNA通过浅ID微针注射注入，然后是5V或50V10ms电穿孔脉冲。电穿孔处理后，立即将皮肤样品置于37℃下培养箱摇杆上的改良Eagle’s培养基(MEM)中。在选定的时间点(脉冲后8、16、24和48小时)，将皮肤样品从注射部位的中心沿横向平面切开，然后用PBS清洗。切片厚1-1.5毫米，并使用倒置落射荧光显微镜成像。图6显示了24小时用与新鲜切除的猪皮中显示了穿透微电极的尖端一起定位的绿色荧光蛋白(GFP)表达。GFP表达显示在皮内ID注射后的猪皮中，及在图面644中，5V、10ms DC脉冲和图面646中，50V、10ms DC脉冲。在图面644中，GFP表达定位于距皮肤表面800μm且间隔650μm的针尖端处，与穿透微电极阵列尺寸(1000μm长，750μm间距)一致。图面644中的5V脉冲显示定位在穿透微电极尖端“热点”处，其中由于尖锐的穿透微电极尖端，预计场是最高的，而图面646中的50V脉冲显示更弥散的组织荧光。

实验#6

此外，组织电穿孔的程度可以通过细胞被穿透时组织阻抗的下降来监测，并且在根据本发明的实施方式的实验中，已经看到在低至5V的电压下组织水平电穿孔的证据(图6，图面644)。图11显示在根据本发明的实施方式的实验中，在施加电穿孔脉冲之前和之后的切割猪皮的阻抗。通过监测组织阻抗，可以评估组织电穿孔的程度，并且阻抗变化可以与pDNA表达(或与其他递送的生物分子相关的表达或其他现象)和组织损伤相关联。在图11中，5V或50V 10ms电穿孔脉冲之前(测量1-3)和之后(测量4-5)的连续组织阻抗测量。5V脉冲显示组织阻抗的1％变化，而50V脉冲显示5％下降。

实验#7

图23是在根据本发明的实施方式的实验中，通过静电喷涂沉积到穿透微电极阵列上的DNA复合物的图像。这显示了在微电极装置的目标组织微电极区域表面的至少一部分上生物分子涂层的示例，该生物分子涂层包含待选择性递送的生物分子。静电喷雾用于将DNA复合物沉积到穿透微电极阵列上，其在此处作为针微阵列实施。GFP DNA质粒在溶液中制备，然后从保持高压的针喷出到接地的微阵列上。复合显微镜图像显示以0.1mL/hr的流速喷雾20分钟后的针。

实验#8

图24是在根据本发明的实施方式的实验中，用绝缘介电涂层的保形层绝缘的穿透微电极的图像。这显示了包含沉积在微电极装置的穿透微电极上的绝缘聚合物的电绝缘的示例。微电极用通过化学气相沉积(CVD)沉积的聚(对-二甲苯)(聚对二甲苯)保形层绝缘，厚度范围为100纳米到2毫米，这取决于所用的聚对二甲苯二聚体前体的质量。聚对二甲苯是USP VI级聚合物，被FDA认可为生物相容性材料。沉积的聚对二甲苯充当适于人体植入的疏水性绝缘介电涂层。针尖的特写(右上)显示了聚对二甲苯层的边缘(白色箭头)。

定义

如本文所用的，“穿透微电极”是能够穿透皮肤组织的微电极，如具有足够尖锐以穿透皮肤组织的锥形尖端的针。

如本文所用，“穿透微电极阵列”是多于一个穿透微电极的阵列。

如本文所用，穿透微电极的“目标组织微电极区”是通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞(如穿透微电极周围的皮肤组织)的穿透微电极的区域，其包含导电表面，如导电金属表面。

如本文所用，穿透微电极的“锚微电极区”是穿透微电极的区域，其有助于将穿透微电极机械地锚定在穿透微电极插入的皮肤组织内，如通过具有帮助将穿透微电极保持在微电极插入的皮肤组织内(例如通过提供足够的摩擦力对抗穿透微电极在皮肤组织内的运动)的涂层。

如本文所用，“组织电转移”可以包括任何电穿孔介导的透皮递送，包括电化学疗法(ECT)和基因电转移(GET)。

如本文所用，“生物分子”可以包括待根据本文教导的技术通过组织转染递送的核酸、蛋白质或任何其他生物分子，或此类核酸、蛋白质或其他生物分子的组合。例如，生物分子可以包括以下一种或多种：核酸或蛋白质疫苗载体、核酸和蛋白质疫苗载体、另一种载体、核酸生物分子(例如，RNA、DNA/质粒载体、DNA疫苗、DNA/质粒载体疫苗)和蛋白质(例如，肽/蛋白质、肽/蛋白质疫苗)。此外，“生物分子”可以包括(1)抗体，如单克隆抗体，或另一种配体特异性分子，和(2)可能具有或可影响生物和/或细胞活性的待递送的其他分子。

如本文所用，“核酸”是指由单体核苷酸的链(聚合物或寡聚物)组成的大分子。最常见的核酸是脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。应进一步理解，本发明可用于含有人工核酸的生物分子，尤其如肽核酸(PNA)、吗啉代、锁核酸(LNA)、二醇核酸(GNA)和苏糖核酸(TNA)。在本发明的各种实施方式中，核酸可以源自多种来源，如细菌、病毒、人和动物，以及如植物和真菌来源，等等。来源可以是病原体。或者，来源可以是合成有机体。核酸可以是基因组的、染色体外的或合成的。当本文使用术语“DNA”时，本领域普通技术人员将理解本文描述的方法和装置可应用于其他核酸，例如RNA或上述那些。此外，术语“核酸”、“多核苷酸”和“寡核苷酸”在本文中用于包括任何长度的核苷酸的聚合形式，包括但不限于核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。这些术语之间在长度上没有有意的区别。此外，这些术语仅指分子的一级结构。因此，在某些实施方案中，这些术语可包括三链、双链和单链DNA、PNA，以及三链、双链和单链RNA。它们还包括修饰，如通过甲基化和/或通过加帽，以及未修饰的多核苷酸形式。更具体地，术语“核酸”、“多核苷酸”和“寡核苷酸”包括聚脱氧核糖核苷酸(含有2-脱氧-D-核糖)、聚核糖核苷酸(含有D-核糖)、任何其他类型的多核苷酸(其是嘌呤或嘧啶碱基的N-或C-糖苷)，以及其他含有非核苷酸骨架的聚合物，例如，聚酰胺(例如，肽核酸(PNA))和聚吗啉(可从Anti-Virals,Inc.，Corvallis,Oreg.，U.S.A.作为Neugene商购获得)聚合物，以及其他合成的序列特异性核酸聚合物，条件是该聚合物在允许碱基配对和碱基堆积的构型(如在DNA和RNA中发现的)中包含核碱基。此外，“核酸”可以包括质粒DNA(pDNA)，如质粒DNA载体。

如本文所用，“蛋白质”是由一条或多条氨基酸链组成的生物分子。蛋白质彼此的区别主要在于它们的氨基酸序列，这是由编码基因的核苷酸序列决定的。肽是由两个或更多个氨基酸通过相邻氨基酸残基的羧基和氨基之间的肽键键合在一起的单线性聚合物链；一条链中的多个肽可称为多肽。蛋白质可由一个或多个多肽制成。在合成后不久或甚至在合成过程中，蛋白质中的残基通常通过翻译后修饰进行化学修饰，这改变蛋白质的物理和化学性质、折叠、稳定性、活性，并最终改变蛋白质的功能。有时蛋白质具有附接的非肽基团，其可以称为辅基团或辅因子。

此外，应当理解，本文使用的生物分子可以包括非天然碱基和残基，例如插入生物序列中的非天然氨基酸。

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本文引用的所有专利、公开的申请和参考文献的教导通过引用整体并入。

虽然已经具体地显示和描述了示例实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求包括的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims

1.一种用于组织电转移的微电极装置，该微电极装置包括：

穿透微电极，其包括(i)目标组织微电极区，其包括导电表面，以通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞；和(ii)锚微电极区，以机械地锚定所述穿透微电极来定位所述目标组织微电极区而将所述生物分子选择性地递送至所述位于组织位置中的细胞；和

电连接，以将所述穿透微电极连接到电压源。

2.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述锚微电极区在所述穿透微电极的远端末端处或附近。

3.如权利要求1所述的微电极装置，包括在所述穿透微电极表面上的电绝缘，其不同于所述目标组织微电极区的所述导电表面。

4.如权利要求3所述的微电极装置，包括所述锚微电极区表面上的电绝缘。

5.如权利要求1所述的微电极装置，包括在所述目标组织微电极区表面的至少一部分上的生物分子涂层，该涂层包含待选择性递送的所述生物分子。

6.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述组织位置在皮肤的角质层之下，以及(i)在皮肤的表皮层的至少一部分内和(ii)在皮肤的真皮层的至少一部分内中的至少一种。

7.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述组织位置在仅皮肤的表皮层的至少一部分内。

8.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述锚微电极区包括倒钩。

9.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述锚微电极区包括粘附表面涂层。

10.如权利要求5所述的微电极装置，其中所述生物分子涂层被皮肤组织包围时是可溶解的。

11.如权利要求5所述的微电极装置，其中所述生物分子涂层包含核酸和蛋白质中的至少一种。

12.如权利要求3所述的微电极装置，其中所述电绝缘包括沉积在所述穿透微电极上的绝缘聚合物。

13.如权利要求1所述的微电极装置，包括多于一个所述穿透微电极，该多于一个所述穿透微电极的中心-中心间距包括约300微米至约1.5毫米之间的间距。

14.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述穿透微电极的长度包括约225微米至约1250微米之间的长度。

15.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述穿透微电极包括以下至少一种：包括锥形尖端的针；和包括横向突起的针。

16.如权利要求1所述的微电极装置，所述穿透微电极包括约100微米至约500微米之间的直径。

17.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述电连接从所述电压源向所述穿透微电极施加脉冲电压以在皮肤的表皮层和皮肤的真皮层的至少一个中产生组织的细胞膜的瞬时穿透。

18.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述电连接从所述电压源向所述穿透微电极施加电压以在所述穿透微电极周围的皮肤组织中产生每厘米约0.1千伏(kV)至每厘米约10千伏(kV)之间的最大电场强度。

19.如权利要求1所述的微电极装置，其中所述电连接包括由光刻术限定的连接，所述穿透微电极包括由光刻术限定的电极基部，并且所述穿透微电极包括电镀的金属。

20.如权利要求1所述的微电极装置，包括多于一个所述穿透微电极，并且其中所述电连接包括与所述多于一个穿透微电极中的两个或更多的电独立的连接。

21.如权利要求1所述的微电极装置，包括多于一个目标组织微电极区，每个目标组织微电极区选择性地递送不同的生物分子。

22.如权利要求1所述的微电极装置，进一步包括建模处理器，其包括组织水平电场预测模块和细胞水平模拟模块。

23.如权利要求22所述的微电极装置，其中所述建模处理器配置成确定通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞的所述组织位置。

24.如权利要求22所述的微电极装置，其中所述建模处理器配置成确定由所述电压源传输到所述穿透微电极的控制电压。

25.如权利要求1所述的微电极装置，进一步包括配置成确定由所述电压源传输到所述穿透微电极的控制电压的建模处理器。

26.一种用穿透微电极进行组织电转移的方法，该方法包括：

使用所述穿透微电极的锚微电极区锚定穿透微电极，使得包括导电表面的所述穿透微电极的目标组织微电极区被定位以将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞；和

对所述穿透微电极施加电压以将所述生物分子递送到位于所述组织位置中的所述细胞。

27.如权利要求26所述的方法，进一步包括使用建模处理器来预测组织水平电场并进行所述组织位置的细胞水平模拟。

28.如权利要求27所述的方法，进一步包括使用所述建模处理器来确定通过组织电转移将生物分子选择性地递送至位于组织位置中的细胞的所述组织位置。

29.如权利要求26所述的方法，进一步包括使用建模处理器来控制由电压源传输到所述穿透微电极的电压。

30.如权利要求1所述的微电极装置，进一步包括配置成确定由所述电压源传输到所述穿透微电极的控制电压的建模处理器。