CN113712529A - 用于使用体内可磁化装置测量和灭活病原体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使用体内可磁化装置测量和灭活病原体的方法和设备。本发明提供了用于在磁性颗粒内收集和灭活病原体(例如冠状病毒)以减少体内活性病原体的数量的设备和方法。

Description

用于使用体内可磁化装置测量和灭活病原体的方法和设备
交叉引用和优先权要求
本专利申请要求2020年5月24日提交的名称为“用于使用体内可磁化装置测量和灭活病原体的方法和设备”的美国临时专利申请号为63/029,518的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
公开的实施方式涉及使用可磁化材料在体内灭活病原体的方法和设备。
背景技术
已知及时施用结合有毒化学品的材料可以通过降低体内这些有毒化学品的浓度来降低疾病的程度。例如，通常在摄入有毒物质后建议使用活性炭，在铅中毒后建议使用乙二胺四乙酸盐(EDTA)。
一些病原体可以与某些化合物(被称为“受体”)结合。例如，M.A.Tortorici等人在2019年的期刊Nature Structural&Molecular Biology中的题为“Structural basis forhuman coronavirus attachment to sialic acid receptors”的出版物教导了冠状病毒与9-0-乙酰化唾液酸结合。
某些病原体(例如变形虫)可以被化合物吸引，如S.Blazquez等人在2006年的期刊Infection and Immunity中的题为“Human Tumor Necrosis Factor is aChemoattractant for the Parasite Entamoeba histolytica.”的文章中教导的。
此外，已知某些癌细胞可以被化合物吸引，如C.E.Green等人在2009年的期刊PLOSBiology中的题为“Chemoattractant Signaling between Tumor Cells and MacrophagesRegulates Cancer Cell Migration,Metastasis and Neovascularization”的文章中教导的。
此外，已知可以将磁性颗粒施用于人，并且磁性颗粒可以包含并释放药物或其他化合物。已知可以通过向躯体施加磁场来有利地利用这些颗粒的磁性，从而使颗粒优先积聚在某些位置。
当纳米颗粒与化学品结合时，磁性仪器可以用于检测磁性纳米颗粒中状态的变化，如A.Tomitaka等人在2019年的Nanoscale中的题为“Dynamic magneticcharacterization and magnetic particle imaging enhancement of magnetic-goldcore-shell nanoparticles”的文章中教导的。
此外，磁性仪器可以用于检测磁性颗粒的部分之间的距离，如G.Zabow、S.J.Dodd和A.P.Koretsky在2008年的Nature中的题为“Shape-changing magnetic assemblies ashigh-sensitivity NMR-readable nanoprobes”的快报中教导的。
发明内容
公开的实施方式提供了用于在磁性颗粒内收集和灭活病原体(例如冠状病毒)以减少体内活性病原体数量的设备和方法。
附图说明
图1示出了公开的多个实施方式中的一个实施方式的示例。
图2提供图1的装置如何在躯体210中使用的图示。
图3示出公开的实施方式的一个示例在方法中的操作。
图4显示根据公开的实施方式提供的装置的实施方式的另一示例。
图5显示根据公开的实施方式提供的装置的另一实施方式。
具体实施方式
公开的实施方式提供了用于收集和灭活磁性颗粒内的病原体(例如冠状病毒)以减少体内活性病原体数量的设备和方法。
出于本发明的目的，术语“病原体”意思是包括引起疾病的微生物(例如病毒、细菌或真菌)以及引起疾病的物质(例如有毒物质、细胞因子、肾钙化、动脉斑块)或导致疾病的细胞(例如癌细胞或镰状细胞)。为了清楚起见，术语“颗粒”和“装置”可以互换使用以表示被施用到躯体的部件，因为“磁性颗粒”是公众使用的术语，意指含有可磁化材料的装置或颗粒。术语“颗粒”不意味着装置必须是小的。而是，装置的宽度可以是10纳米并且长度可以是200纳米(可能适合于处理病毒)，或者宽度和长度可以多达几毫米(可能适合于处理寄生虫)。装置的“可填充部分”这一术语旨在表示至少部分地由装置的部件界定的空间，其中，该空间可以填充流体和/或病原体。
图1显示公开的多个实施方式中的一个实施方式的示例。设备由包括至少一个装置100的系统组成，装置100包含可填充部分。如图1所示，装置100可以是整个中空的，或者可以仅是部分中空的。装置100具有壁部分110，该壁部分110可以是金或铁或其他材料。在图1中，该装置看起来是圆柱形的，然而，它可以是具有中空截面的另一形状。装置100包含与病原体结合的材料120，使得病原体暂时地或永久地保留在该装置内。可以将洗脱化学引诱物或用于吸引病原体的其他化学物质的结构(例如聚合物)(如130)包括在装置内或装置外。装置100可以包括至少一个可磁化部分150，在该可磁化部分150上可以通过磁场施加扭矩或力。装置100可以包括一个或多个附加的可磁化部分140，在该可磁化部分140上可以通过磁场施加扭矩或力。
图2显示图1的装置(现在的附图标记为200)如何在躯体210中使用。通过体外的线圈或磁体或其他电磁致动器或天线230产生磁场220。电磁致动器或天线230也可以是系统的用于对躯体和/或装置100成像的部分。在计算机(未示出)的操作下，磁场220可以通过在装置200的可磁化部分140或可磁化部分150上施加力来将躯体210中的装置200操纵到躯体210中的期望位置。磁场220可以通过在可磁化部分140上施加扭矩来旋转装置200，以便更好地穿透或以其他方式穿过躯体内的组织。病原体240可以被吸引到部分130，从而被吸入装置200的可填充部分。病原体240可以通过与部分120结合而固定在装置200中。装置200可以被加热以破坏或灭活病原体240，例如通过使用加热可磁化部分150的线圈或磁体230施加外部振荡磁场或通过施加来自天线(未示出)的可以加热颗粒的壁110(可以是导电的)的电磁射频辐射。
在图3的流程图中示出公开的多个实施方式的一个示例的以上方法操作。尽管在本说明书的下一部分中使用术语“随后的操作”来说明公开的实施方式的方法，但是可以理解，一些操作可以以不同的顺序进行，并且可以重复或省略。
在操作300中，将一种或多种颗粒(例如装置200)施用于躯体(例如口服或通过吸入或通过静脉内注射)。在随后的操作310中，例如通过施加磁场220，将颗粒任选地引导到体内感兴趣的位置。替选地，如果用抗体或与一种或多种特定类型组织结合的其他手段涂抹颗粒，颗粒可以特别地积聚在例如感兴趣的位置。或者，替选地，颗粒可以在躯体的任何地方或在子系统(例如躯体的循环子系统)中发挥作用。
随后的操作320是将病原体吸引到装置的可填充部分中。
操作330是可选地检测病原体，例如通过响应于变化的磁场来改变由颗粒发出的电磁信号(如已经显示用磁性颗粒成像可检测的)。
在随后的操作340中，例如通过磁加热颗粒或通过旋转颗粒以在病原体上施加破坏性剪切力或通过在病原体上加压使其破裂，可以使病原体灭活。替选地，颗粒可以包含可以对病原体施加电脉冲的磁电材料。
在随后的操作350中，例如通过使颗粒的成分氧化或被体内的组织消化并随后排泄，可以任选地从体内清除颗粒。这些成分被称为“可生物降解的”。
图4显示装置的另一实施方式，在该图中装置的附图标记为400。在该示例中，中空装置400的壁410是锥形的，使得当该装置旋转(例如通过施加在部分440上的磁扭矩)时，通过将病原体460拉入装置400的可填充部分的流体(表示为黑箭头)产生吸力。已经被拉入该装置的可填充部分中的病原体470可以通过剪切力或强流体或二者的组合或通过利用磁感应加热磁性部分440或磁性部分450而被灭活或破坏。健康躯体480的成分(例如小蛋白质)可以不受伤地通过装置400。使用图4所示装置的实施方式所采取的操作的顺序与图3所示的顺序相同或相似。
图5显示了在施用于躯体之后并且在由位于体外的磁性致动器施加的磁场(该图中未示出)的存在下示出的装置500的另一实施方式。装置500包括砧座部分530和510(两者都包含可磁化材料)以及弹性可压缩部分520(可以是聚合物)。术语“砧座”用于暗示对结构施加力，如试图对金刚石砧座施加高压的科学家所采用的(参见例如B.Li等人在2018年的PNAS上发表的题为“Diamond anvil cell behavior up to 4Mbar”的文章)。由于已经向躯体中的装置500施加了磁场，因此砧座部分530和砧座部分510都被磁化，并且可以受到彼此的吸引力，从而使弹性可压缩部分520压缩和/或扭曲或变形。病原体540显示在附近(例如在10微米内)。在情况550中，外部施加的磁场已经由外部磁性致动器减小或消除，结果砧座部分510和砧座部分530不再相互吸引，并且弹性可压缩部分520呈现不同的构造560。砧座部分510和砧座部分530之间的流体的体积的变化导致附近的流体流入那些砧座部分510和砧座部分530之间的空间(可填充部分)，从而将病原体(现在附图标记为570)吸入该可填充部分中。在情况580中，由外部致动器再次施加磁场，从而再次压缩或扭曲或弯曲柔性部分(现在附图标记为590)，并且病原体595被砧座部分510和砧座部分530施加的力或扭矩压碎或扭曲或以其他方式损坏。使用图5中所示装置的实施方式所采取的操作的顺序与图3中所示的顺序相同。
如上所述，公开的实施方式的设备可以包括电磁致动器230和施用于躯体210的至少一个装置100、200、400或500。躯体210可以是人、动物、或甚至是如河流的无生命对象。躯体含有病原体240、460、540。公开的实施方式的目的是损坏、破坏或灭活病原体。电磁致动器230可以用于操纵装置100、200、400、500，并且还可以用于提供躯体210和颗粒100、200、400、500的图像，如I.N.Weinberg在题为“Method for Acquiring an Image andManipulating Objects with Magnetic Gradients Produced by One or MoreElectropermanent Magnet Arrays”的美国专利申请16/448,915中教导的。替选地，成像可以由不同的仪器(例如X射线CT扫描仪)提供，而装置100、200、400或500的操纵、加热和/或旋转由不同的磁性系统实现。
装置的壁110和壁410以及弹性可压缩部分520可以是有机的(例如塑料)、金属的(例如金)、二氧化硅、铁或其他材料。可以理解，利用外部电磁致动器230对躯体中的装置的操纵可以用于将该装置选择性地定位(或集中多个这种装置)在躯体的期望位置、组织、部分或其他部位(例如肺)或选择性地避免该装置定位在躯体的特定部分(例如心脏)。可以理解，如关于图2所描述的，利用外部致动器加热和/或旋转或以其他方式致动躯体中的该装置可以用于选择性地加热或旋转或以其他方式致动在躯体的期望部位(例如肺)中的该装置或选择性地避免该装置在躯体(例如心脏)中过度或不期望的加热或旋转。
装置100、200、400、500可以使用模板根据连续操作来制造，如Irving Weinberg在题为“Method and Apparatus of Magnetic Micro-Syringes”的临时专利申请(申请号63011720)中描述的。
如图1所示，粘合剂120和/或化学引诱物130可以通过连接物结合至颗粒，如J.D.Driskell等人在2005年的期刊Anal.Chem中发表的题为“Low-level Detection ofViral Pathogens by a Surface-Enhanced Raman Scattering Based Immunoassay”的文章描述的，该连接物例如是由二硫代双(琥珀酰亚胺丙酸酯)形成的金结合的硫醇盐吸附层。可以理解，粘合剂和/或化学引诱物也可以放置在装置400和装置500中显示的颗粒内。如图1所示，可磁化部分140可以是短的，使得其可以通过螺旋磁场来旋转，而可磁化部分150可以是比较长的以帮助颗粒的平移，如L.O.Mair等人在题为“Method and Apparatusfor Non-Contact Axial Particle Rotation and Decoupled Propulsion”的美国专利申请62/182,901教导的。可以理解，类似的长和短的磁性部分也可以放置在装置400和装置500中显示的颗粒内，以帮助输送。可以理解，并非所有颗粒100都需要旋转而使装置100施加吸力并将病原体吸入装置100的可填充部分。例如，颗粒100内部或外部的一个部分可以旋转并且仍然施加吸力。替选地，颗粒100可以具有卷须状物或其他附着的部件，其中卷须状物结合到病原体上，并且在颗粒100旋转或平移时将病原体吸入颗粒的可填充部分中。
可以理解，可以使用模板导向法制造颗粒，如L.O.Mair等人在题为“Roll-to-rollmanufacture of inorganic particles using templates and electroplating”的美国专利申请62/292966中教导的。可以理解，可以将许多颗粒100、200、400或500施用于躯体，例如每剂十亿个颗粒。可以理解，颗粒可以是带条形码的(通过使用例如不同长度和厚度的磁性部件440、450)，从而可以跟踪颗粒在躯体内的位置。可以理解，装置100、200、400或500可以涂有一种或多种材料(例如聚乙二醇)，以使装置更生物相容或对健康组织的危害更小。
可以理解，如上文在图3显示的流程图中描述的，公开的实施方式的使用可以使得能够选择性地使用公开的实施方式以消除或减少一种病原体与另一种病原体相比的毒性或对健康组织的毒性。例如，化学引诱物130可以吸引特定的细胞或寄生虫。或在另一示例中，装置400的内部尺寸可以是合适的尺寸，以破坏250nm的病毒而不破坏血液中较小的凝血因子。或在如图5显示的另一示例中，可以将弹性部分520选择为使其足够小以用压缩破坏250nm的病毒而不捕获或破坏较小或较大的结构，并且使其足够大以容纳250nm的病毒但又不大到容纳血细胞。
可以理解，装置400的壁410的轮廓不必须是如图4所示的尖锐的锥形，而可以是在装置旋转时产生吸力的不同轮廓。可以理解，装置100、200、400或500可以具有多于一个内部部分以捕获和损坏病原体。
使用图4显示的颗粒的操作类似于图3显示的操作。在第一操作300(再次参考图3)中，将一个或多个颗粒(例如装置400)施用于躯体(例如口服或通过吸入)。在随后的操作310中，任选地将颗粒引导到躯体内的感兴趣的位置。替选地，如果用抗体或与一种或多种特定类型的组织结合的其他手段涂抹颗粒，颗粒可以优先积聚在例如感兴趣的位置。或者替选地，颗粒可以在躯体的任何地方或在子系统(例如躯体的循环子系统)中发挥作用。
在随后的操作320中，通过施加磁场使颗粒400旋转，以产生将病原体拉到装置400内部的吸力，来吸引病原体460。
随后的操作330是任选地检测装置400内部的病原体的存在，例如由于响应于变化的磁场，病原体的存在改变了由颗粒发出的电磁信号(如已经显示为用磁性颗粒成像可检测)。
在随后的操作340中，例如通过磁加热颗粒或通过旋转颗粒以在病原体上施加破坏性剪切力或通过电流和由装置的壁对病原体施加的力的组合作用，可以使病原体灭活。破坏力可以打破病原体的衣壳或壳体和/或可以分裂病原体的内部内容物(例如遗传物质，例如DNA或RNA)。注意，这些力或灭活操作可能对小的材料(例如蛋白质)没那么有效，从而增加了装置在灭活病原体(相对于健康所需或期望的成分)时的选择性。替选地，颗粒可以包含对病原体施加电脉冲的磁电材料。
在随后的操作350中，例如通过成分的氧化或被躯体内的组织消化，颗粒可以任选地在躯体内降解。
使用图5显示的颗粒的操作类似于图3显示的操作：
在第一操作300(再次参考图3)中，将一个或多个颗粒(例如装置500)施用于躯体内(例如口服或通过吸入)。
在随后的操作310中，任选地将颗粒引导到躯体内的感兴趣的位置。可以理解，颗粒500的一些或全部磁性成分可以用各种磁性子部分制成，这些磁性子部分可以用于将颗粒500推进和旋转到躯体内深处的所期望位置，例如A.Nacev等人在2015年的Nano Letters的题为“Dynamic inversion enables external magnets to concentrateferromagnetic rods to a central target”的文章中教导的。替选地，例如，如果用抗体或与一种或多种特定类型组织结合的其他手段涂抹颗粒，颗粒可以优先积聚在感兴趣的位置。或者，替选地，颗粒可以在躯体内的任何地方或在子系统(例如体内的循环子系统)中发挥作用。
在随后的操作320中，通过施加磁场以压缩部分520，然后停止施加磁场以释放压缩，以产生将病原体拉入装置550内部的吸力，从而吸引病原体540。
随后的操作330是任选地检测在装置500内部的病原体的存在，例如由于响应于变化的磁场，病原体的存在改变了颗粒发出的电磁信号，例如由G.Zabow,S.J.Dodd和A.P.Koretsky在2008年的Nature发表的题为“Shape-changing magnetic assemblies ashigh-sensitivity NMR-readable nanoprobes”的快报教导的。该特性可以在评估躯体内的病毒载量时是有用的，甚至可能在病毒有机会感染细胞并引起可测量的反应之前(例如，使用抗体血清测试)是有用的。
在随后的操作340中，例如通过由于位于外部的磁性致动器对颗粒的致动而压碎病原体，可以灭活或以其他方式破坏病原体。例如，砧座530和砧座510相互吸引可以产生一种力，该力使病毒的衣壳破裂或以其他方式伤害病毒的衣壳，从而使衣壳内的遗传物质暴露于天然酶，或暴露于砧座530或砧座510或部分520上的涂层，或暴露于被这些或其他颗粒结构洗脱的药物或化合物。据信，如A.Cordova在2003年的Biophysical Journal中的题为“Osmotic Shock and the Strength of Viral Capsids”的文章中教导的，大约50个大气压的压力可以破坏衣壳。简单计算两个相距250nm的磁偶极子之间的力的大小，表明它比小的颗粒在50个大气压下承受的力高很多倍。替选地，可以通过磁加热颗粒来灭活病原体。可以理解，装置100、200、400、500的一些或全部部件可以涂覆有绝缘材料，以保护躯体内的其他结构不受这种加热效应或电效应。注意，这些力或灭活操作可能对躯体内的小的结构或成分(例如蛋白质)没那么有效，从而增加了装置在灭活病原体(相对于健康所需或期望的成分)时的选择性。替选地，颗粒可以包含对病原体施加电脉冲的磁电材料。
在随后的操作350中，例如通过成分的氧化或被躯体内的组织消化，颗粒可以任选地在躯体内降解。
可以理解的是，在由磁性致动器建立的磁场的影响下，砧座可能施加的强力使体内的病原物质失活。例如，装置可以用于蚕食以其他方式难以去除的软或硬的病原体结构，例如动脉或肾结石中的钙化斑块。在这样的实施方式中，砧座可以被放置在磁性装置的边缘处，并且通过磁性致动器230被运输到包含病原体材料的特定区域(例如颈动脉、肾脏、冠状动脉)。如上所述，由于砧座彼此靠近(例如，相隔小于1微米)，所以由砧座的吸引产生的力非常强。
可以理解，图5所示的哑铃结构是增加和减小砧座的内部体积的更一般化的结构的示例。这样的一种结构可以是蛤壳状，该蛤壳状结构通过向其蛤状部件施加外部磁场、拉伸和压缩支撑柱(如部分520)来打开和关闭。
可以理解，术语磁性材料是指可磁化材料，即在暴露于磁场期间或之后具有磁矩的材料。可以理解，支撑柱(如部分520)的图示是更一般化的支撑结构的示例，例如可压缩的多孔材料或一组可压缩柱，其可以在扩展期间容纳病毒或其他病原体并在压缩期间传递破坏力或对病毒或其他病原体施加压力。图5所示的哑铃结构的支撑结构或其他元件(例如悬垂边缘)可以在压缩阶段例如通过捕获病毒或其他病原体来帮助保留病毒或其他病原体。
可以理解，砧座510和530的材料组成可以彼此不同。该特性在向装置施加各种力时可以是有用的，例如在装置对病原体施压之后用于打开该装置的排斥力。如A.Nacev等人在2015年的Nano Letters中的题为“Dynamic inversion enables external magnets toconcentrate ferromagnetic rods to a central target”的文章中教导的，可以实现排斥力。动态反转法可以概括为：在施加第二磁脉冲以产生力之前的短时间内，施加沿所期望方向极化磁性材料的磁脉冲。由于初始极化需要一些时间才能衰减，因此相同的第二磁脉冲可以不同地影响不同的材料。如果砧座510和砧座530由不同的材料制成，因此可以通过适当地使用动态反转原理使它们彼此吸引或排斥。
可以理解，在病原体的壳体或衣壳或其他保护性涂层破裂或以其他方式被装置损坏后释放遗传物质，该遗传物质可以被躯体内自然存在的化合物(例如蛋白酶)破坏。替选地或另外地，包含在装置100、200、400、500的部件中(或由该部件洗脱)的涂层或材料可以帮助毁坏这种材料。例如，已知氧化铁具有抗病毒活性，如R.Kumar等人在2019年的Journalof Infection and Chemotherapy中的题为“Iron oxide nanoparticles basedantiviral activity of H1N1influenza A viru”中教导的。
可以通过施加来自外部磁性致动器的磁力或扭矩来清洁装置100、200、400、500。例如，装置的旋转和/或平移可以用于去除或置换可能阻塞或以其他方式损害病原体运输进入装置的材料。
可以理解，术语“吸入装置的内部部分的病原体”包括病原体对化学引诱物的吸引，或病原体与装置的壁上的结合位点120的结合(在这种情况下，病原体可能已经通过扩散遇到结合位点)，或者将病原体吸入旋转装置中或吸入帽结构510和帽结构530之间的空间中。可以理解，病原体的吸入可以通过上述方法中的一者或结合使用的上述方法中的多者来进行。可以理解，术语“吸力”可以是任何流体动力或扭矩，例如由于装置的物理构造的改变而在流体中产生涡流。可以理解，病原体不必完全封闭在要损坏的装置的内部部分中。例如，如果仅部分病原体在装置的内部部分中，则由于公开的实施方式的操作，病原体也可以被损坏。
可以理解，装置100、200、400、500的部件可以具有病原体专用的并且可能影响操作的动作。例如，弹性材料520可以具有当与躯体内的正常结构接触时不收缩的特性，从而防止损坏该结构。
可以理解，上述装置100、200、400、500可以在装置位于躯体内期间破坏许多病原体。可以理解，在外部定位的磁性致动器产生的力和扭矩的作用下，这些装置中的一些或所有装置可能从躯体内收回。
可以理解，可以将颗粒预防性地施用给已经暴露于病原体或怀疑已经暴露于病原体的人，以减少躯体内存活的病原体的数量，从而降低感染引起的后续疾病的风险。

Claims (10)

1.一种用于灭活或破坏体内的至少一种病原体的设备，所述设备包括：
体外的至少一个磁性致动器，所述至少一个磁性致动器包括至少一个包含至少一个内部部分和至少一种可磁化材料的装置，
其中，所述病原体被吸入所述装置的内部部分并在所述装置的所述内部部分中被损坏或破坏。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，在由所述磁性致动器产生的磁场的影响下，所述病原体通过至少部分由所述颗粒的致动产生的吸力而被吸入所述装置的内部部分中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置的内部部分中吸入的所述病原体被所述装置的可磁化部件所产生的热而灭活、破坏或损坏，其中，所述热由体外的电磁致动器或天线发出的电磁辐射产生。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置的内部部分中的所述病原体被剪切力或其它机械力灭活、破坏或损坏，这些力由体外的电磁致动器或天线发出的磁辐射或电磁辐射致动。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述病原体在所述装置中的存在或不存在使用体外的电磁致动器或天线来感测。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置在体内是可生物降解的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述病原体是微生物或者细胞。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置是带磁性条形码的。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置的至少部分对所述病原体的部分是至少部分有毒的，或者，所述装置的至少部分对所述病原体的至少部分是至少部分敏感的。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，在来自体外的致动器的磁场下，所述装置的多个部分在亚微米距离上彼此吸引，从而引起病原物质的灭活。
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