DE102008038309A1

DE102008038309A1 - Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf

Info

Publication number: DE102008038309A1
Application number: DE102008038309A
Authority: DE
Inventors: Axel E Theuer; Gerhard Franz Walter
Original assignee: Walter Gerhard Franz Prof Dr Dr
Current assignee: Oncowave Medical De GmbH
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US20110218474A1; WO2010020406A1; EP2341957A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf mit wenigstens einem Ultraschallfrequenzgenerator (11) und einer Einrichtung zur Bildung eines extrakorporalen Blutkreislaufs (1), die wenigstens einen Wärmetauscher (3), wenigstens eine Blutförderpumpe (2, 2') und einen Behandlungsbehälter (6) zur Aufnahme von Blut umfasst, wobei der Behandlungsbehälter (6) dem Wärmetauscher (3) nachgeordnet ist, einen Behandlungsraum (13) bildet und mit wenigstens einem Ultraschallschwingkopf (8) verbunden ist, der mit dem Ultraschallfrequenzgenerator (11) gekoppelt ist, derart, dass in den Behandlungsraum (13) eine niederfrequente Ultraschallschwingung einleitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf gemäß dem Patentanspruch 1 mit wenigstens einem Ultraschallfrequenzgenerator und einer Einrichtung zur Bildung eines extrakorporalen Blutkreislaufs.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der US 6,685,657 B2 , sind Ultraschallgeräte zur therapeutischen Behandlung von Tumorerkrankungen bekannt. Derartige Geräte sind derart konzipiert, dass auf das zu zerstörende Gewebe eine hochfrequente Ultraschallschwingung aufgebracht wird, um eine lokale Erwärmung des Gewebes zu erzielen, die zu einer thermischen Zerstörung der Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf führt. Um die thermische Wirkung auf gesundes Gewebe zu reduzieren, ist die bekannte Vorrichtung gemäß US 6,685,657 B2 an der Spitze eines Katheters angeordnet, so dass der Ultraschallschwingkopf in direktem Kontakt mit dem zu zerstörenden Gewebe gebracht werden kann. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass lediglich eine Behandlung von festem Gewebe bzw. zusammenhängenden Gewebearealen möglich ist. Eine Behandlung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf, die über den Blutkreislauf zu einer Ausbreitung des Tumorgewebes führen können, ist mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich, da einerseits kein direkter Kontakt mit den Tumorzellen im Blut herstellbar ist und andererseits eine Schädigung gesunder Blutzellen nicht ausgeschlossen werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf anzugeben, die eine selektive Zerstörung der Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf ermöglicht und eine Beeinträchtigung bzw. Beschädigung gesunder Blutzellen vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, eine Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf mit wenigstens einem Ultraschallfrequenzgenerator und einer Einrichtung zur Bildung eines extrakorporalen Blutkreislaufs, die wenigstens einen Wärmetauscher, wenigstens eine Blutförderpumpe und einen Behandlungsbehälter zur Aufnahme von Blut umfasst, anzugeben, wobei der Behandlungsbehälter dem Wärmetauscher nachgeordnet ist, einen Behandlungsraum bildet und mit wenigstens einem Ultraschallschwingkopf verbunden ist, der mit dem Ultraschallfrequenzgenerator gekoppelt ist derart, dass in dem Behandlungsraum eine niederfrequente Ultraschallschwingung einleitbar ist.
Die Erfindung hat mehrere Vorteile, die sich insbesondere aus der Kombination des extrakorporalen Blutkreislaufs mit der niederfrequenten Ultraschallschwingung und dem Wärmetauscher ergeben. Durch den extrakorporalen Blutkreislauf wird erreicht, dass eine minimalinvasive Behandlung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf durchführbar ist, indem das Blut vom Patienten zum Behandlungsbehälter und von dort wieder zurück zum Patienten geführt wird, d. h. dass die niederfrequenten Ultraschallschwingungen außerhalb des Körpers auf das Blut wirken und somit eine Schädigung umliegenden Körpergewebes vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung der niederfrequenten Ultraschallschwingung, die im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten hochfrequenten Ultraschallschwingung im Wesentlichen keine thermischen Effekte innerhalb des zu behandelnden Blutes bewirkt, wodurch ebenfalls eine Schädigung von gesunden Zellen vermieden wird.
Maligne Zellen bzw. Tumorzellen weisen im Allgemeinen ein anderes Schwingungsverhalten auf als gesunde Zellen. Dies ist vor allem auf ein verändertes Zytoskelett der Tumorzellen gegenüber gesunden Zellen zurück zu führen. Daher unterscheiden sich auch die Resonanzfrequenzen der Tumorzellen von gesunden Zellen, wobei die Resonanzfrequenzen üblicherweise im niederfrequenten Ultraschallbereich liegen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher der Ultraschallfrequenzgenerator derart angepasst, dass eine niederfrequente Ultraschallschwingung erzeugbar ist, die die Tumorzellen mit der jeweiligen Resonanzfrequenz zum Schwingen anregt, so dass eine mechanische Zerstörung der Tumorzellen erfolgt. Da die Resonanzfrequenzen tumor- und patientenspezifisch unterschiedlich sind, ist es üblich, die Resonanzfrequenzen der zu behandelnden Tumorzellen vor der therapeutischen Behandlung mittels einer Biopsie und einer anschließenden Schwingungsanalyse zu ermitteln.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die Empfindlichkeit der Tumorzellen gegenüber den gesunden Zellen durch eine Wärmebehandlung gesteigert werden kann. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Behandlungsbehälter einen Wärmetauscher vorzuordnen, so dass die Temperatur des zu behandelnden Blutes vor der Ultraschallbehandlung veränderbar ist.
Vorzugsweise ist zwischen dem Wärmetauscher und dem Behandlungsbehälter eine Dosiereinheit angeordnet. Die Dosiereinheit ermöglicht die Zugabe von Microbubbles und/oder Sonosensitizern, sofern letztere nicht ausschließlich systemisch, d. h. auf den gesamten Organismus wirkend, verabreicht werden, so dass die selektive Unterscheidbarkeit zwischen Tumozellen und gesunden Zellen weiter erhöht wird. Microbubbles, d. h. kleine Gasbläschen, die von einer stabilisierenden Hülle, beispielsweise aus Albumin, Fettsäuren, Zucker oder Polymeren, umschlossen sind, können durch den Einfluss von Ultraschall zum Schwingen angeregt werden und die selektive Zerstörung der Tumorzellen im Blut begünstigen. Alternativ oder zusätzlich kann durch intrazelluläre Aufnahme von Sonosensitizern das Schwingungsverhalten der Tumorzellen verändert werden, so dass die Unterschiede im Schwingungsverhalten zwischen Tumorzellen und gesunden Zellen weiter erhöht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem Ultraschallfrequenzgenerator ein Verstärker nachgeordnet. Auf diese Weise wird die in den Behandlungsraum eingebrachte Ultraschallenergie angepasst, um eine effiziente Zerstörung der Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf zu erreichen.
Ferner kann dem Behandlungsbehälter wenigstens eine Filtereinheit und/oder ein weiterer Wärmetauscher nachgeordnet sein. Die Filtereinheit ermöglicht dabei die Filterung bzw. Entfernung der mittels der Dosiereinheit eingebrachten Substanzen, insbesondere Microbubbles. Der weitere Wärmetauscher dient zur Anpassung der Bluttemperatur an die Körpertemperatur des Patienten vor der Rückführung des behandelten Blutes in den Körperkreislauf.
Mit dem Ultraschallfrequenzgenerator ist vorzugsweise eine Ultraschallfrequenz erzeugbar, die in einem Bereich von 1 kHz bis 200 kHz, insbesondere 1 kHz bis 150 kHz, insbesondere 5 kHz bis 150 kHz, insbesondere 10 kHz bis 150 kHz, insbesondere 16 kHz bis 150 kHz, insbesondere 20 kHz bis 120 kHz, insbesondere 20 kHz bis 80 kHz, insbesondere 20 kHz bis 40 kHz, variierbar ist. Dieser Frequenzbereich entspricht im Wesentlichen dem Resonanzfrequenzbereich von Tumorzellen, so dass durch die Einleitung von Ultraschallschwingungen in den Behandlungsraum in diesem Frequenzbereich eine effiziente Zerstörung der Tumorzellen erreicht wird.
Vorzugsweise ist die durch den Ultraschallfrequenzgenerator erzeugbare, niederfrequente Ultraschallschwingung pulsbar. Auf diese Weise können Schwingungsmuster erzeugt werden, die zu einer Effizienzsteigerung bei der Zerstörung von Tumorzel len oder Erregern im Blutkreislauf führen können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur ein Prozessschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Querschnitt durch den Behandlungsbehälter der Vorrichtung.
Die Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf gemäß dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel umfasst eine Einrichtung zur Bildung eines extrakorporalen Blutkreislaufs 1 mit einem Behandlungsbehälter 6 zur Aufnahme von Blut. Der Behandlungsbehälter 6 ist als zentraler Bestandteil des extrakorporalen Blutkreislaufs 1 einer Dosiereinheit 4 nachgeordnet. Der Dosiereinheit 4 ist ein Wärmetauscher 3 vorgeordnet, der einer Blutförderpumpe 2 nachgeordnet ist. Auslassseitig folgt dem Behandlungsbehälter 6 eine Filtereinheit 9, die einem weiteren Wärmetauscher 10 vorgeordnet ist, wobei auf den weiteren Wärmetauscher 10 eine weitere Blutförderpumpe 2' folgt.
Das aus dem Körperkreislauf entnommene Blut durchfließt den extrakorporalen Blutkreislauf 1 demnach in folgender Reihenfolge:

1. Blutförderpumpe 2
2. Wärmetauscher 3
3. Dosiereinheit 4
4. Behandlungsbehälter 6
5. Filtereinheit 9
6. Weiterer Wärmetauscher 10
7. Weitere Blutförderpumpe 2'

Der Behandlungsbehälter 6 bzw. das Behandlungsbecken umfasst einen Behandlungsraum 13, in den das zu behandelnde Blut eingeleitet wird. Unterhalb des Behandlungsraums 13 sind drei Ultraschallschwingköpfe 8 angeordnet, die in den Behandlungsraum 13 gerichtet sind derart, dass die erzeugte Ultraschallschwingung in das zu behandelnde Blut einleitbar ist. Eine andere Anzahl von Schwingköpfen, beispielsweise eins, zwei oder mehr als drei Schwingköpfe, ist möglich. Die Ultraschallschwingköpfe 8 sind in den Behandlungsbehälter 6, insbesondere in den Boden des Behandlungsbehälters 6, integriert, wobei der Behandlungsbehälter 6 biegesteife bzw. starre Wände aufweist, um eine effiziente Schallausbreitung des Therapieultraschalls im Behandlungsraum 13 zu ermöglichen.
Die Ultraschallschwingköpfe 8 sind ferner elektrisch mit einem Verstärker 12 gekoppelt, der einem Ultraschallfrequenzgenerator 11 nachgeordnet und mit diesem verbunden ist. Die im Ultraschallfrequenzgenerator 11 erzeugte Schwingung wird elektrisch an den Verstärker 12 weitergeleitet, dort verstärkt und an die Ultraschallschwingköpfe 8 übertragen, die die elektrischen Schwingungen in ein Ultraschallsignal umwandeln.
Zum Verschließen des Behandlungsbehälters 6 ist ein Deckel 7 vorgesehen, der ein Abkühlen des vorbehandelten Blutes 5 verhindert. Es ist möglich, dass innerhalb des Behandlungsbehälters 6 die Temperatur des vorbehandelten Blutes 5 durch einen in den Behandlungsbehälter 6 integrierten Wärmtauscher (nicht dargestellt) konstant gehalten wird.
Die Behandlung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf erfolgt demnach durch das Pumpen des Blutes aus dem Patienten, insbesondere des vom Tumorgewebe abführenden Blutes, durch die Blutpumpe 2 über einen Wärmetauscher 3, in dem das Blut auf die gewünschte Behandlungstemperatur gebracht wird, in eine Dosiereinheit 4, wo dem zu behandelnden Blut Microbubbles und/oder Sonosensitizer zugeführt werden. Das so vorbehandelte Blut 5 wird von der Dosiereinheit 4 weiter in den Behandlungsbehälter 6 geleitet, in dem die eigentliche Ultraschalltherapie durch niederfrequente Ultraschallschwingungen erfolgt. Der Behandlungsbehälter 6 kann ein Becken oder eine Wanne sein, wobei gewährleistet sein muss, dass der Behandlungsbehälter 6 luftdicht abgeschlossen ist. Es ist möglich, dass mehrere Behandlungsbehälter 6 hintereinander angeordnet sind, so dass die Behandlung des Blutes in mehreren Etappen erfolgt. Vorzugsweise ist das Fassungsvermögen des Behandlungsbehälters 6 derart angepasst, dass dem Patienten für die Behandlung maximal 500 ml, insbesondere zwischen 350 ml und 500 ml, Blut entnommen wird. Beispielsweise fasst ein Behandlungsbehälter 6 bei Einsatz von insgesamt zwei Behandlungsbehältern 6 jeweils 200 ml, so dass dem Patienten insgesamt im Wesentlichen 400 ml Blut entnommen werden. Hinzu kommt das Blutvolumen, dass sich in den Schläuchen der Vorrichtung befindet, wobei das Schlauchvolumen im Wesentlichen einen Bruchteil des gesamten entnommenen Blutvolumens bildet. Um das Schlauchvolumen zu reduzieren, werden im extrakorporalen Blutkreislauf 1 möglichst kurze Schläuche eingesetzt. Durch das relativ geringe Fassungsvermögen des Behandlungsbehälters 6 wird erreicht, dass die dem Patienten entnommene Blutmenge nicht zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen für den Patienten führt. Dem Körperkreislauf des Patienten steht somit weiterhin genügend Blutvolumen zur Verfügung, um eine ausreichende Perfusion, d. h. Durchblutung, der Körperorgane sicherzustellen.
Die Ultraschallschwingköpfe 8 sind direkt in den Boden des Behandlungsbehälters 6 integriert, so dass die Ultraschallschwingungen mechanisch direkt auf das vorbehandelte Blut 5, insbesondere auf die zu behandelnden Tumorzellen, einwirken. Die Ultraschallschwingköpfe 8 können auch in die Seitenwände oder den Deckel 7 des Behandlungsbehälters 6 integriert sein. Grundsätzlich werden die Ultraschallschwingungen direkt in das vorbehandelte Blut 5 eingekoppelt. Der Behandlungsbehälter 6 wird nicht in Schwingung versetzt. Durch die direkte Ultraschallbehandlung sterben die Tumorzellen ab. Dieser Effekt wird vor allem dadurch erreicht, dass der Ultraschallfrequenzgenerator 11 ein Frequenzsignal erzeugt, das der Resonanzfrequenz der zu behandelnden Tumorzellen entspricht. Das Signal wird in den Ultraschallschwingköpfen 8 in ein Schallsignal umgewandelt und in das vorgehandelte Blut 5 eingebracht. Nach der Behandlung wird das vorbehandelte Blut 5 in die Filtereinheit 9 geleitet, wo die zuvor hinzugefügten Microbubbles oder Sonosensitizer herausgefiltert werden. Es ist möglich, dass mit der Filtereinheit 9 auch zerstörte Tumorzellen aus dem vorbehandelten Blut 5 gefiltert werden. Das gefilterte Blut wird weiter durch den weiteren Wärmetauscher 10 geleitet, wobei die Bluttemperatur im Wärmetauscher 10 an die Körpertemperatur des Patienten angeglichen wird.
Die Zufuhr des behandelten Blutes zum Patienten erfolgt über die weitere Blutförderpumpe 2', die zwischen dem weiteren Wärmetauscher 10 und dem Körperkreislauf des Patienten angeordnet ist.

1: extrakorporaler Blutkreislauf
2, 2': Blutförderpumpe
3, 10: Wärmetauscher
4: Dosiereinheit
5: vorbehandeltes Blut
6: Behandlungsbehälter
7: Deckel
8: Ultraschallschwingkopf
9: Filtereinheit
11: Ultraschallfrequenzgenerator
12: Verstärker
13: Behandlungsraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6685657 B2 [0002, 0002]

Claims

Vorrichtung zur Zerstörung von Tumorzellen oder Erregern im Blutkreislauf mit wenigstens einem Ultraschallfrequenzgenerator (11) und einer Einrichtung zur Bildung eines extrakorporalen Blutkreislaufs (1), die wenigstens einen Wärmetauscher (3), wenigstens eine Blutförderpumpe (2, 2') und einen Behandlungsbehälter (6) zur Aufnahme von Blut umfasst, wobei der Behandlungsbehälter (6) dem Wärmetauscher (3) nachgeordnet ist, einen Behandlungsraum (13) bildet und mit wenigstens einem Ultraschallschwingkopf (8) verbunden ist, der mit dem Ultraschallfrequenzgenerator (11) gekoppelt ist derart, dass in den Behandlungsraum (13) eine niederfrequente Ultraschallschwingung einleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmetauscher (3) und dem Behandlungsbehälter (6) eine Dosiereinheit (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ultraschallfrequenzgenerator (11) ein Verstärker (12) nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Behandlungsbehälter (6) wenigstens eine Filtereinheit (9) und/oder ein weiterer Wärmetauscher (10) nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ultraschallfrequenzgenerator (11) eine Ultraschallfrequenz erzeugbar ist, die in einem Bereich von 1 kHz bis 200 kHz, insbesondere 1 kHz bis 150 kHz, insbesondere 5 kHz bis 150 kHz, insbesondere 10 kHz bis 150 kHz, insbesondere 16 kHz bis 150 kHz, insbesondere 20 kHz bis 120 kHz, insbesondere 20 kHz bis 80 kHz, insbesondere 20 kHz bis 40 kHz, variierbar ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Ultraschallfrequenzgenerator (11) erzeugbare, niederfrequente Ultraschallschwingung pulsbar ist.