DE102020202271A1 - Device for trapping target cells in a blood vessel - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zum Einfangen von Zielzellen (2) in einem Blutgefäß (3) aufweisend einen Fängerkörper (4) mit einer Fängeroberfläche (5), die zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung (6) mit Fängermolekülen (7) beschichtet ist, wobei die Fängermoleküle (7) durch Bindung an zellspezifische Moleküle (8) an der Oberfläche (9) der Zielzellen (2) für deren gewünschten Einfang sorgen können, wobei die Vorrichtung (1) mindestens ein Elektrodenarray (10) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Feld (11) in der Umgebung des Fängerkörpers (4) zu erzeugen, welches auf die Zielzellen (2) eine Kraft mit einer Wirkrichtung hin zur Fängeroberfläche (5) ausübt.Device (1) for capturing target cells (2) in a blood vessel (3) having a capture body (4) with a capture surface (5) which is at least partially coated with a coating (6) with capture molecules (7), the capture molecules (7) can ensure the desired capture by binding to cell-specific molecules (8) on the surface (9) of the target cells (2), the device (1) having at least one electrode array (10) which is designed to produce an electrical Generate field (11) in the vicinity of the catcher body (4), which exerts a force on the target cells (2) with an effective direction towards the catcher surface (5).
Description
Stand der TechnikState of the art
Zirkulierende Tumorzellen (Circulating Tumor Cells, CTCs) haben sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende und klinisch relevante Biomarker zur Diagnose sowie angepassten Therapie von bösartigen Tumoren und Metastasen etabliert. Deren frühzeitige und zuverlässige Detektion im menschlichen Körper, so vor allem aus Blut oder anderen geeigneten Körperflüssigkeiten, ist - bekannt als Liquid Biopsy - daher bereits seit Langem einer der Forschungsschwerpunkte der modernen Onkologie.Circulating tumor cells (CTCs) have established themselves in the past few years as promising and clinically relevant biomarkers for the diagnosis and adapted therapy of malignant tumors and metastases. Their early and reliable detection in the human body, especially from blood or other suitable body fluids, has therefore long been one of the main research areas of modern oncology - known as liquid biopsy.
Gängige Separationsverfahren beruhen auf Unterschieden in der biologischen Beschaffenheit von Tumorzellen und gesunden Blutzellen. Dabei werden gewöhnlicherweise Fänger/Marker eingesetzt, die durch Bindung an zellspezifische Moleküle an der Oberfläche der Zielzelle (z. B. EpCAM = Epithelial Cell Adhesion Molecule) für deren gewünschten Einfang sorgen können. Solche Zielzellen sind unter anderem im Blut zirkulierende Tumorzellen epithelialen Ursprungs. Schätzungsweise 80 % aller weltweit vorkommenden Krebserkrankungen (= bösartige Tumore) entfallen auf entartete Epithelzellen (Karzinome). Fänger bzw. Marker sind ebenfalls Moleküle, die mit den entsprechenden zellspezifischen Molekülen an der Oberfläche der Zielzelle interagieren können und eine Bindung eingehen können.Current separation processes are based on differences in the biological properties of tumor cells and healthy blood cells. Catchers / markers are usually used here, which can ensure the desired capture by binding to cell-specific molecules on the surface of the target cell (e.g. EpCAM = Epithelial Cell Adhesion Molecule). Such target cells include tumor cells of epithelial origin that are circulating in the blood. It is estimated that 80% of all cancers (= malignant tumors) occurring worldwide are caused by degenerate epithelial cells (carcinomas). Catchers or markers are also molecules that can interact with the corresponding cell-specific molecules on the surface of the target cell and can bind.
Herausfordernd in diesem Zusammenhang ist jedoch die Tatsache, dass Tumorzellen nur in äußerst geringen Mengen aufzufinden sind: Eine Blutprobe mit einer üblichen Größe umfasst ein Blutvolumen von 10 ml (Milliliter). Die 10 ml-Blutprobe eines Krebspatienten enthält, je nach Krebsart und Gesundheitszustand, neben mehreren Millionen (etwa 50 Millionen) mononukleären Zellen des peripheren Blutes (Peripheral Blood Mononuclear Cells, PBMNs) lediglich 10 bis 10000 CTCs. Eine solche Probe enthält außerdem üblicherweise ca. 50 Milliarden Erythrozyten (rote Blutkörperchen ohne Nukleon). Für eine klinisch aussagekräftige Analyse sind daher idealerweise deutlich größere Probenvolumina (z. B. mehrere zehn Milliliter bis ca. Hundert Milliliter) notwendig, welche einem Patienten allerdings während einer Routineuntersuchung aus gesundheitlichen Gründen nicht auf einmal entnommen werden können. Eine typische Blutmenge, die einem Patienten zum Beispiel während eines Blutbilds abgenommen wird, beträgt wenige Milliliter.The challenge in this context, however, is the fact that tumor cells can only be found in extremely small quantities: A blood sample with a normal size comprises a blood volume of 10 ml (milliliters). The 10 ml blood sample from a cancer patient contains, depending on the type of cancer and state of health, in addition to several million (around 50 million) peripheral blood mononuclear cells (PBMNs), only 10 to 10,000 CTCs. Such a sample also usually contains around 50 billion erythrocytes (red blood cells without nucleons). For a clinically meaningful analysis, therefore, significantly larger sample volumes (e.g. several tens of milliliters to around a hundred milliliters) are ideally necessary, which, however, cannot be taken from a patient at once during a routine examination for health reasons. A typical amount of blood drawn from a patient, for example during a blood count, is a few milliliters.
In
Auch bei dieser Lösung ist allerdings die Möglichkeit, Tumorzellen einzufangen, dadurch begrenzt, dass die Tumorzellen in ganz unmittelbare Nähe der Fängermoleküle gelangen müssen, damit die Bindungen zwischen den Markern und den Fängermolekülen auftreten können. Die Kräfte, die in diesen Bindungen bestehen, sind rein chemischer Natur. Eine solche Binding ist üblicherweise eine Proteinbindung. An einer Proteinbindung können verschiedene Formen chemischer Bindungen beteiligt sein, nämlich insbesondere ionische Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sowie hydrophobe Wechselwirkungen. Alle diese Arten von Bindungen können als chemische Bindungen bezeichnet werden. Sie haben nur eine sehr geringe Reichweite. Ein beinahe unmittelbarer Kontakt ist erforderlich, damit diese Kräfte auftreten, auf Tumorzellen wirken können, und die Bindungen eingegangen werden können.Even with this solution, however, the possibility of capturing tumor cells is limited by the fact that the tumor cells have to come into very close proximity to the capture molecules so that the bonds between the markers and the capture molecules can occur. The forces that exist in these bonds are purely chemical in nature. Such a binding is usually a protein binding. Various forms of chemical bonds can be involved in a protein bond, namely in particular ionic bonds, hydrogen bonds, dipole-dipole interactions and hydrophobic interactions. All of these types of bonds can be referred to as chemical bonds. They only have a very short range. Almost immediate contact is required for these forces to occur, act on tumor cells, and form bonds.
Aus diesem Grund ist trotz der potentiell sehr großen Menge an Blut, die an dem Fängerkörper vorbei strömt, auch bei dieser Lösung aufgrund der sehr geringen chemischen Reichweite der eingesetzten Antikörper sowie der relativ hohen Fließgeschwindigkeit des Blutes (in der Vena cephalica bzw. „Kopfader“ bis zu 20 cm/s) die Ausbeute an Tumorzellen (CTCs) meist zu gering.For this reason, despite the potentially very large amount of blood that flows past the catcher body, even with this solution, due to the very low chemical range of the antibodies used and the relatively high flow rate of the blood (in the cephalic vein or "head vein") up to 20 cm / s) the yield of tumor cells (CTCs) is usually too low.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Hier beschrieben werden soll eine verbesserte Lösung, zirkulierende Tumorzellen (CTCs) in der Blutbahn einzufangen.Described herein is an improved solution for trapping circulating tumor cells (CTCs) in the bloodstream.
Hier beschrieben wird eine Vorrichtung zum Einfangen von Zielzellen in einem Blutgefäß aufweisend einen Fängerkörper mit einer Fängeroberfläche, die zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung mit Fängermolekülen beschichtet ist, wobei die Fängermoleküle durch Bindung an zellspezifische Moleküle an der Oberfläche der Zielzellen für deren gewünschten Einfang sorgen können, wobei die Vorrichtung mindestens ein Elektrodenarray aufweist, welches dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Feld in der Umgebung des Fängerkörpers zu erzeugen, welches auf die Zielzellen eine Kraft mit einer Wirkrichtung hin zur Fängeroberfläche ausübt.What is described here is a device for capturing target cells in a blood vessel, comprising a capture body with a capture surface which is at least partially coated with a coating with capture molecules, the capture molecules being able to ensure the desired capture by binding to cell-specific molecules on the surface of the target cells, wherein the device has at least one electrode array which is set up to generate an electric field in the vicinity of the catcher body, which field exerts a force on the target cells with an effective direction towards the catcher surface.
Die hier beschriebene Vorrichtung und insbesondere deren Fängerkörper werden unmittelbar in ein Blutgefäß eingebracht, in welchem das zu untersuchende Blut strömt. Es handelt sich also um eine Vorrichtung, die in vivo eingesetzt wird.The device described here and in particular its catcher body are introduced directly into a blood vessel in which the blood to be examined flows. It is a device that is used in vivo.
Fängermoleküle sind beispielsweise EpCAM-Antikörper. Die Beschichtung mit den Fängermolekülen ist bevorzugt auf Bereiche der Elektroden aufgebracht. Bevorzugt ist der gesamte Fängerkörper mit der Beschichtung versehen. Der Fängerkörper ist darüber hinaus bevorzugt auch passiviert.Capture molecules are, for example, EpCAM antibodies. The coating with the capture molecules is preferably applied to areas of the electrodes. The entire catcher body is preferably provided with the coating. The catcher body is also preferably passivated.
Bevorzugt weißt die Beschichtung mehrere (insbesondere zwei) Beschichtungsebenen mit verschieden Funktionen auf, die unterschieden werden können. Eine Passivierungsschicht bildet eine (optionale) untere Lage auf dem Elektrodenmetall. Diese Schicht kann auch als „Schutzschicht“ bezeichnet werden. Darauf befindet sich eine (eigentliche) Fängerschicht, welche Fängermoleküle aufweist und ggf. auch ausschließlich aus Fängermolekülen bestehen kann. Eine (ausschließliche) Beschichtung mit der Fängerschicht (beispielsweise mit EpCAM-Antikörpern) liefert gegebenenfalls keine ausreichende und insbesondere keine vollständige (chemische) Passivierung, z. B. zur Vermeidung von elektrochemischen Reaktionen zwischen den Elektroden und dem umgebenden Medium. Eine zusätzliche Passivierungsschicht kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn es sich bei dem Elektrodenmaterial um ein unedles Metall (beispielsweise Kupfer) handelt. Wenn als Elektrodenmaterial edles Metall wie z. B. Gold, etc. eingesetzt wird, kann gegebenenfalls auf eine zusätzliche Passivierungsschicht verzichtet werden.The coating preferably has several (in particular two) coating planes with different functions, which can be distinguished. A passivation layer forms an (optional) lower layer on the electrode metal. This layer can also be referred to as the “protective layer”. There is a (actual) catcher layer on it, which has catcher molecules and, if necessary, can also consist exclusively of catcher molecules. An (exclusive) coating with the capture layer (for example with EpCAM antibodies) may not provide sufficient and, in particular, complete (chemical) passivation, e.g. B. to avoid electrochemical reactions between the electrodes and the surrounding medium. An additional passivation layer can be provided in particular when the electrode material is a base metal (for example copper). If the electrode material is noble metal such. B. gold, etc. is used, can optionally be dispensed with an additional passivation layer.
Ein Grundmaterial der Beschichtung ist bevorzugt ein inertes und biokompatibles Polymer wie z. B. PDMS. Die Fängermoleküle können in die Beschichtung eingebracht oder auf der Beschichtung aufgebracht sein.A base material of the coating is preferably an inert and biocompatible polymer such as. B. PDMS. The capture molecules can be introduced into the coating or applied to the coating.
Ein weiteres mögliches Material für die Beschichtung ist beispielsweise Teflon, da es gleichzeitig gut geeignet ist, um unspezifische Bindungen zwischen vorbeiströmenden Zellen und der Oberfläche der Einfang-Vorrichtung zu reduzieren. Unspezifische Bindungen sind Bindungen, die auch mit anderen Zellen als den Zielzellen eingegangen werden könnten und die damit das Einfangen von Zielzellen reduzieren und ggf. sogar verhindern könnten.Another possible material for the coating is, for example, Teflon, since it is also well suited to reduce non-specific bonds between cells flowing past and the surface of the capture device. Nonspecific bonds are bonds that could also be entered into with cells other than the target cells and which could thus reduce and possibly even prevent the capture of target cells.
Unabhängig vom eingesetzten Material der Schutzschicht, könnten unspezifische Bindungen weiterhin durch ein abschließendes PEG-Coating (Beschichtung mit Polyethylenglykol) darauf reduziert werden.Regardless of the material used for the protective layer, unspecific bonds could still be reduced by a subsequent PEG coating (coating with polyethylene glycol) on it.
Die Vorrichtung darf darüber hinaus nicht nur für das Einfangen von Zielzellen eingerichtet sein, sondern es ist auch ein idealer Schutz von Patienten notwendig, in deren Blutgefäßen die Vorrichtung eingesetzt wird.In addition, the device must not only be set up for the capture of target cells, but ideal protection of patients in whose blood vessels the device is used is also necessary.
Insbesondere durch eine geeignete Beschichtung sollte sichergestellt sein, dass es unter keinen Umständen zu elektrochemischen Reaktionen oder ähnlichem zwischen dem Fängerkörper (und insbesondere den metallischen Elektroden) und dem Blut des Patienten kommen kann.In particular, a suitable coating should ensure that under no circumstances can electrochemical reactions or the like occur between the catcher body (and in particular the metallic electrodes) and the patient's blood.
Die dabei freigesetzte Spezies würde nämlich durch das Blutgefäßsystem in den Organismus transportiert werden und könnte erhebliche gesundheitliche Schäden hervorrufen!The species released in the process would be transported through the blood vessel system into the organism and could cause considerable damage to health!
Die Schutzschicht der Beschichtung hat bevorzugt eine Schichtdicke von wenigen Mikrometern beispielsweise zwischen 100 nm [Nanometern] und wenigen 1000 nm. Bevorzugt dient die Beschichtung auch dazu, sonst eventuell zu scharfe Spitzen der Sonde für ein schmerz- und wundfreies Einführen geeignet abzurunden. Die angegebene Dicke bezieht sich hier auf eine minimale Dicke der Beschichtung, die technisch hergestellt werden kann. Um eine ideale Ausbereitung des elektrischen Feldes innerhalb des Blutgefäßes zu ermöglichen, ist eine möglichst geringe Schichtdicke wünschenswert. Insbesondere wenn auch eine solche Abrundung erreicht werden soll, kann die Beschichtung deutlich dicker sein, beispielsweise mehrere 10 µm [Mikrometer]The protective layer of the coating preferably has a layer thickness of a few micrometers, for example between 100 nm [nanometers] and a few 1000 nm. The coating preferably also serves to round off tips of the probe that may otherwise be too sharp for a painless and wound-free insertion. The specified thickness refers here to a minimum thickness of the coating that can be technically produced. In order to enable an ideal preparation of the electrical field within the blood vessel, the smallest possible layer thickness is desirable. In particular if such a rounding is to be achieved, the coating can be significantly thicker, for example several 10 µm [micrometers]
Das Elektrodenarrray ist bevorzugt unter der Fängeroberfläche des Fängerkörpers angeordnet, wobei entgegengesetzt geladene Elektroden unter der Fängeroberfläche abwechselnd zueinander angeordnet sind. Das elektrische Feld ist jeweils lokal zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten entgegengesetzt zueinander geladenen Elektroden aufgebaut.The electrode array is preferably arranged under the catcher surface of the catcher body, oppositely charged electrodes being arranged alternately with one another under the catcher surface. The electric field is built up locally between two oppositely charged electrodes arranged adjacent to one another.
Die von dem elektrischen Feld ausgeübte Kraft auf die Tumorzellen wird durch den Mechanismus der Dielektrophorese (DEP) hervorgerufen. Der dieser Kraft zu Grunde liegende Mechanismus ist die Bewegung (auch ungeladener) polarisierbarer Partikel in einem nicht-homogenen elektrischen Feld. Zur Ausübung der Kraft auf die Tumorzellen kann im Allgemeinen entweder eine anziehende (positive Dielektrophorese, pDEP) oder abstoßende (negative Dielektrophorese, nDEP) Kraftwirkung hervorgerufen werden. Eine negative Dielektrophorese ist insbesondere hilfreich, um andere Zellen als Zielzellen/Tumorzellen gezielt zu verdrängen und so eine entgegen gerichtete Bewegung von Zielzellen/Tumorzellen hin zu der Fängeroberfläche zu begünstigen. Ob hier eine anziehende Wirkung auf Zielzellen oder eine abstoßende Wirkung auf andere Zellen im Blut im Vordergrund steht, hängt davon ab, ob die entsprechenden Zellen (Zielzellen/Tumorzellen) stärker oder schwächer polarisierbar sind, als das umgebende Medium.The force exerted by the electric field on the tumor cells is caused by the mechanism of dielectrophoresis (DEP). The mechanism underlying this force is the movement of (also uncharged) polarizable particles in a non-homogeneous electric field. In order to exert the force on the tumor cells, either an attractive (positive dielectrophoresis, pDEP) or a repulsive (negative dielectrophoresis, nDEP) force effect can generally be produced. A negative dielectrophoresis is particularly helpful in order to purposefully displace cells other than target cells / tumor cells and thus to promote an opposing movement of target cells / tumor cells towards the catcher surface. Whether an attractive effect on target cells or a repulsive effect on other cells in the blood is in the foreground depends on whether the corresponding cells (target cells / tumor cells) are more or less polarizable than the surrounding medium.
Die hier beschriebene Vorrichtung wird in Vollblut/Blutplasma mit hoher Medienleitfähigkeit eingesetzt. Das Blutplasma ist üblicherweise leitfähiger als die Zielzellen/Tumorzellen und auch die anderen Teilchen bzw. Zellen im Blut (Leukozyten, Erythrozyten etc.). Aufgrund dieser chemischen Struktur von Vollblut werden in der Regel keine positiven dielektrophoretischen Kräfte auf isolierte - d.h. einzelne - Teilchen im Blut ausgelöst, sondern stattdessen bevorzugt nur negative dielektrophoretische Kräfte. Dies liegt daran, dass die im Vollblut/Blutplasma enthaltenen Teilchen im gesamten Frequenzbereich schwächer polarisierbar sind, als das umgebende Medium.The device described here is used in whole blood / blood plasma with high media conductivity. The blood plasma is usually more conductive than the target cells / tumor cells and also the other particles or cells in the blood (leukocytes, erythrocytes, etc.). Because of this chemical structure of whole blood, as a rule no positive dielectrophoretic forces are triggered on isolated - ie individual - particles in the blood, but rather only negative dielectrophoretic forces are preferred. This is due to the fact that the particles contained in the whole blood / blood plasma are less polarizable than the surrounding medium in the entire frequency range.
Falls die Konzentration der Teilchen (Zielzellen/Tumorzellen und sonstige Teilchen) im Medium extrem groß ist, sowie (bei Erythrozyten) in Vollblut, dann erscheint aufgrund starker Dipol-Dipol-Wechselwirkungen für hinreichend große Feldstärken und für Frequenzen zwischen etwa 100 kHz und 10 MHz das umgebende Medium schwächer polarisierbar und es entsteht „parasitär“ positive dielektrophoretische Kräfte (pDEP). Diese Kräfte sind jedoch nicht länger/weniger stark selektiv auf einzelne Zellarten möglich, wie bei isolierten Partikeln, sondern stattdessen als kollektiver/aggregierter Zustand zu betrachten (Phasentrennung).If the concentration of the particles (target cells / tumor cells and other particles) in the medium is extremely high, as well as (in the case of erythrocytes) in whole blood, then, due to strong dipole-dipole interactions, sufficiently high field strengths and frequencies between about 100 kHz and 10 MHz appear the surrounding medium is less polarizable and “parasitic” positive dielectrophoretic forces (pDEP) arise. However, these forces are no longer / less strongly selectively possible for individual cell types, as is the case with isolated particles, but instead have to be viewed as a collective / aggregated state (phase separation).
Diese von dem elektrischen Feld ausgeübte Kraft besitzt eine deutlich größere Reichweite auf Zielzellen/Tumorzellen als die Kraft, die chemische Bindungen ausüben und die letztlich zur Anbindung der Zielzellen/Tumorzellen genutzt wird. Die räumliche Reichweite der von dem elektrischen Feld ausgeübten Kraft liegt etwa in der Größenordnung der Abmessung der krafterzeugenden bzw. der felderzeugenden Struktur selber. Die Größenordnung der krafterzeugenden bzw. felderzeugenden Struktur wird maßgeblich durch den Abstand der verschieden geladenen Elektroden definiert.This force exerted by the electric field has a significantly greater range on target cells / tumor cells than the force exerted by chemical bonds and which is ultimately used to bind the target cells / tumor cells. The spatial range of the force exerted by the electric field is approximately in the order of magnitude of the dimension of the force-generating or the field-generating structure itself. The order of magnitude of the force-generating or field-generating structure is largely defined by the distance between the differently charged electrodes.
Bei der Dielektrophorese wird ein inhomogenes elektrisches Feld - im Gleichspannungsbetrieb (DC) und/oder im Wechselspannungsbetrieb (AC) - zur Manipulation von Partikeln/Teilchen betrieben. Die Dielektrophorese funktioniert prinzipiell mit Gleichspannung und mit Wechselspannung. Für die Verwendung der Dielektrophorese zum Einfangen von biologischen Zellen (Zielzellen/Tumorzellen) wird aufgrund von elektrochemischen Effekten (Elektrolyse, Elektrodenpolarisation, etc.) jedoch bevorzugt mit Wechselspannung gearbeitet, wobei Frequenzen von typischerweise mehr als 10 kHz gewählt werden. Entscheidend für die Wirkungsweise des elektrischen Feldes auf die Zielzellen/Tumorzellen ist, dass das Feld räumlich inhomogen ist. Vereinfacht formuliert wird durch die Inhomogenität des elektrischen Feldes erreicht, dass auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Zielzelle/Tumorzelle unterschiedliche Dichten des elektrischen Feldes herrschen. Hierdurch wird in den Zielzellen ein Dipolmoment induziert, das sodann in eine geeignete Wechselwirkung mit dem angelegten Feld tritt.In dielectrophoresis, an inhomogeneous electric field - in direct voltage mode (DC) and / or in alternating voltage mode (AC) - is operated to manipulate particles. Dielectrophoresis works in principle with direct voltage and with alternating voltage. For the use of dielectrophoresis to capture biological cells (target cells / tumor cells), however, due to electrochemical effects (electrolysis, electrode polarization, etc.), AC voltage is preferably used, with frequencies of typically more than 10 kHz being selected. The decisive factor for the effect of the electric field on the target cells / tumor cells is that the field is spatially inhomogeneous. In simple terms, the inhomogeneity of the electric field means that different densities of the electric field prevail on two opposite sides of the target cell / tumor cell. This induces a dipole moment in the target cells, which then interacts appropriately with the applied field.
Ein Dipolmoment wird in jedem Fall induziert, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird - also sowohl für ein inhomogenes, als auch für ein homogenes elektrisches Feld. Dies gilt, solange das Feld ungleich NULL ist und die absoluten Netto-Permittivitäten zwischen Teilchen/Zelle und umgebendem Medium und damit ihre Polarisierbarkeiten unterschiedlich sind. In diesem Zusammenhang relevant ist die Maxwell-Wagner-Grenzflächenpolarisation. Die Polarisierbarkeit ist also lediglich eine Folge der Materialeigenschaften von Zielzellen/Tumorzellen und umgebendem Medium.A dipole moment is always induced when a voltage is applied to the electrodes - i.e. for both an inhomogeneous and a homogeneous electric field. This applies as long as the field is not equal to ZERO and the absolute net permittivities between the particle / cell and the surrounding medium and thus their polarizabilities are different. The Maxwell-Wagner interface polarization is relevant in this context. The polarizability is therefore only a consequence of the material properties of the target cells / tumor cells and the surrounding medium.
Der Unterschied liegt in der Art der Wechselwirkung des induzierten Dipols mit dem außen angelegten E-Feld.The difference lies in the type of interaction of the induced dipole with the externally applied E-field.
Ein inhomogenes Feld erzeugt unterschiedliche Feldstärken auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Zelle, welche mit dem Dipolmoment wechselwirken. Hierbei wirkt dann auf eine Seite des Dipolmoments (z. B. auf die positive Netto-Ladung) eine größere/kleinere elektrische Kraft, und auf die andere Seite (z. B. auf die negative Netto-Ladung) eine kleinere/größere elektrische Kraft. In der Summe kommt es dann zu einer Netto-Kraft und damit auch zu einer Bewegung des Teilchens/der Zelle.An inhomogeneous field generates different field strengths on two opposite sides of the cell, which interact with the dipole moment. A larger / smaller electrical force then acts on one side of the dipole moment (e.g. on the positive net charge) and a smaller / larger electrical force on the other side (e.g. on the negative net charge) . In total, there is then a net force and thus also a movement of the particle / cell.
Für ein homogenes E-Feld ist die Netto-Kraft Null, da die Kräfte auf beiden Seiten genau gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind. Der Dipol richtet sich nur parallel zum E-Feld aus und bleibt ruhen.For a homogeneous E-field, the net force is zero, since the forces on both sides are exactly the same, but directed in opposite directions. The dipole aligns itself only parallel to the E-field and remains at rest.
Die Zielzellen/Tumorzellen werden hierdurch in dem Feld einer Kraft ausgesetzt und bewegt. Durch die Ausrichtung und Stärke des Feldes und des Dipolmoments kann im Allgemeinen erreicht werden, dass die Zielzellen sich zu Bereichen hoher Feldstärke bewegen (positive Dielektrophorese) oder sich zu Bereichen niedriger Feldstärke bewegen (negative Dielektrophorese). Im Anwendungsfall für Vollblut spüren sich induzierte Dipole für Frequenzen zwischen 100 kHz und 10 MHz und ausreichend hohen Amplituden der Feldstärke derart, dass positive Dielektrophorese generiert wird und damit eine Phasentrennung von Zielzellen/Tumorzellen und umgebendem Medium auftritt.The target cells / tumor cells are thereby exposed to a force in the field and moved. The alignment and strength of the field and the dipole moment can generally cause the target cells to move to areas of high field strength (positive dielectrophoresis) or to move to areas of low field strength (negative dielectrophoresis). When used for whole blood, induced dipoles for frequencies between 100 kHz and 10 MHz and sufficiently high amplitudes of the field strength are felt in such a way that positive dielectrophoresis is generated and thus a phase separation of target cells / tumor cells and the surrounding medium occurs.
D. h. es liegt keine Polarisation/pDEP im „klassischen“ Sinne für ein einzelnes isoliertes Teilchen vor, sondern vielmehr werden die Effekte der Dielektrophorese für die beschriebene Phasentrennung genutzt. Je nachdem welcher Effekt hier genutzt werden soll, können die Parameter des elektrischen Feldes entsprechend eingestellt werden.I. E. there is no polarization / pDEP in the “classical” sense for a single isolated particle, but rather the effects of dielectrophoresis are used for the phase separation described. Depending on which effect is to be used here, the parameters of the electric field can be set accordingly.
Die vorgestellte Vorrichtung unterstützt die bisher allein Antikörper-basierte In-vivo-Isolation von zirkulierenden Tumorzellen direkt aus dem Blut des Patienten mit Hilfe eines feinen und über eine Kanüle bzw. einen Katheter intravenös injizierten Fängerkörpers mit dem Ziel einer insgesamt größeren Ausbeute an Tumorzellen (CTSs)The presented device supports the in vivo isolation of circulating tumor cells directly from the blood of the, previously only antibody-based Patients with the help of a fine catcher body injected intravenously via a cannula or catheter with the aim of an overall greater yield of tumor cells (CTSs)
Mithilfe eines passend angeordneten Elektrodenarrays auf der Oberfläche des Metalldrahtes kann ein notwendiges, inhomogenes elektrisches Feld derart generiert werden, dass auf ausgewählte Zielpartikel mit bestimmten elektrophysiologischen Eigenschaften (hier: CTCs) eine spürbare dielektrophoretische Kraftwirkung realisiert werden kann. Diese Krafteinwirkung kann, abhängig vom umgebenden Medium und von den Zelleigenschaften, positiv eingestellt werden. Es können mittels positiver Dielektrophorese anziehende Kräfte auf bestimmte Zellen ausgeübt werden. Es können mittels negativer Dielektrophorese auch abstoßende Kräfte auf andere Zellen, beispielsweise Nicht-Tumorzellen, ausgeübt werden, , und ist diese weiterhin ausreichend groß, so können Zielzellen im Verlauf ihrer Strömungsbewegung durch das Blutgefäß über die beschichtete Drahtoberfläche durch Anziehung der Elektroden in Reichweite der chemischen Bindungen der aufgebrachten Antikörper gebracht werden. Diese wäre sonst zu gering, was einen Einfang der Zellen damit konventionell sehr schwierig machen würde. Mit anziehenden Kräften auf bestimmte Zellen und mit abstoßenden Kräften auf bestimmte Zellen ist hier jeweils gemeint, dass die wirkenden anziehenden Kräfte oder abstoßenden Kräfte auf bestimmte Zellen (bspw. die Tumorzellen/Zielzellen) jeweils größer oder kleiner sind als auf die weiteren Bestandteile des jeweiligen Mediums (insbesondere die weiteren Bestandteile des Bluts in dem Blutgefäß). Grundsätzlich gilt, dass die Wirkungen jeweils auf das gesamte Medium eintreten. Durch die unterschiedliche Größe der jeweiligen Effekte kann hier jedoch eine Selektivität erreicht werden.With the help of a suitably arranged electrode array on the surface of the metal wire, a necessary, inhomogeneous electrical field can be generated in such a way that a noticeable dielectrophoretic force effect can be implemented on selected target particles with certain electrophysiological properties (here: CTCs). Depending on the surrounding medium and the cell properties, this force can be set to be positive. Attractive forces can be exerted on certain cells by means of positive dielectrophoresis. By means of negative dielectrophoresis, repulsive forces can also be exerted on other cells, for example non-tumor cells, and if this is still sufficiently large, then target cells can in the course of their flow movement through the blood vessel over the coated wire surface by attracting the electrodes within reach of the chemical Bonds of the applied antibodies are brought. Otherwise this would be too low, which would make capturing the cells with it conventionally very difficult. With attractive forces on certain cells and with repulsive forces on certain cells it is meant here that the attractive forces or repulsive forces acting on certain cells (e.g. the tumor cells / target cells) are larger or smaller than on the other components of the respective medium (in particular the other components of the blood in the blood vessel). Basically, the effects apply to the entire medium. However, due to the different size of the respective effects, selectivity can be achieved here.
Eine hierfür notwendige Anordnung mitsamt Kontaktierung kann preisgünstig und aus fabrikationstechnischer Sicht relativ einfach zu einer leicht modifizierten Sonde erweitert werden.An arrangement including contacting required for this can be expanded inexpensively and relatively easily from a manufacturing point of view to form a slightly modified probe.
Die Handhabung eines solchen Systems ist simpel, präzise und erfordert lediglich eine beschränkte Anzahl an zusätzlich notwendigen Komponenten und ist für den Patienten unbedenklich und schmerzfrei.The handling of such a system is simple, precise and only requires a limited number of additional components and is harmless and painless for the patient.
Die Erfindung liefert damit eine gleichermaßen attraktive wie einfache Möglichkeit, die bisher beobachtete Ausbeute für die In-vivo-Separation von zirkulierenden Tumorzellen per Antikörper-beschichteter Metallsonden (deutlich) zu erhöhen und die weitere Analyse solcher ohnehin extrem seltenen Zellpopulationen zu erleichtern.The invention thus provides an equally attractive and simple possibility to (significantly) increase the previously observed yield for the in vivo separation of circulating tumor cells using antibody-coated metal probes and to facilitate the further analysis of such extremely rare cell populations.
Die Kraftwirkung ist proportional zum Volumen der Zielzellen/Tumorzellen. Durch eine geeignete Wahl des elektrischen Feldes bzw. eine gezielte Aktivierung und Deaktivierung können Zielzellen/Tumorzellen selektiv nach Ihrer Größe gezielt bewegt werden. Eine Selektivität besteht insofern, als dass größere Zellen (kernhaltige Zellen, auch CTCs) in Blut (im Vergleich zu Ex-vivo-/In-vitro-Experimenten relativ stark mit Zellen konzentriert) in der Tat (deutlich) stärkere Kräfte in Richtung der Fängeroberfläche erfahren als kleine Zellen (z. B. E ryth rozyten).The force effect is proportional to the volume of the target cells / tumor cells. Target cells / tumor cells can be moved selectively according to their size through a suitable choice of the electrical field or targeted activation and deactivation. A selectivity exists insofar as larger cells (nucleated cells, also CTCs) in blood (in comparison to ex-vivo / in-vitro experiments relatively strongly concentrated with cells) actually (significantly) stronger forces in the direction of the catcher surface experienced as small cells (e.g. erythrocytes).
Nichtsdestotrotz erfahren sämtliche Zellen eine Kraftwirkung mit dem gleichen Vorzeichen.Nonetheless, all cells experience a force with the same sign.
Der hier beschriebene Ansatz, Zielzellen/Tumorzellen nach ihren dielektrischen Eigenschaften in vivo zu bewegen, um diese in die Nähe einer Fängeroberfläche mit Fängermolekülen zu transportieren, zeichnet sich als vielversprechend ab. Dieser Ansatz ist unabhängig von Markern und in großem Maßstab skalierbar sowie einfach, berührungsfrei und vielseitig einsetzbar.The approach described here of moving target cells / tumor cells in vivo according to their dielectric properties in order to transport them into the vicinity of a catcher surface with catcher molecules appears to be very promising. This approach is independent of markers and scalable on a large scale as well as being simple, contact-free and versatile.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Fängerkörper der Vorrichtung einen flexiblen Draht umfasst, der dazu geeignet ist, durch einen Katheter in ein Blutgefäß eingeführt zu werden.It is particularly advantageous if the catcher body of the device comprises a flexible wire which is suitable for being introduced into a blood vessel through a catheter.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn das Elektrodenarray mindestens eine erste Elektrode mit einer ersten elektrischen Kontaktierung und mindestens eine zweite Elektrode mit einer von der ersten Elektrode elektrisch getrennten zweiten elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode das elektrische Feld in der Umgebung des Fängerkörpers erzeugt werden kann, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode an der Fängeroberfläche benachbart zueinander in einem Abstand von zwischen 30 µm und 100 µmangeordnet sind.It is also advantageous if the electrode array has at least one first electrode with a first electrical contact and at least one second electrode with a second electrical contact that is electrically separated from the first electrode, the electrical field in the vicinity of the first electrode and the second electrode Catcher body can be generated, wherein the first electrode and the second electrode are arranged on the catcher surface adjacent to one another at a distance of between 30 microns and 100 microns.
Bevorzugt umfasst das Elektrodenarray eine Vielzahl von ersten Elektroden und zweiten Elektroden, wobei alle ersten Elektroden mit einer ersten elektrischen Kontaktierung verbunden sind und alle zweiten Elektroden mit einer zweiten elektrischen Kontaktierung verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann das gesamte Elektrodenarray über insgesamt zwei elektrische Kontakte elektrisch angesteuert werden.The electrode array preferably comprises a multiplicity of first electrodes and second electrodes, all first electrodes being connected to a first electrical contact and all second electrodes being connected to a second electrical contact. In this way, the entire electrode array can be electrically controlled via a total of two electrical contacts.
Die Elektroden sind bevorzugt unterhalb einer Fängeroberfläche des Fängerkörpers angeordnet. Durch Ihren Abstand von zwischen 30 µm und 100 µm, bevorzugt. ca. 50 bis 70 µm, werden oberhalb der Fängeroberfläche in dem Blut, welches in dem Blutgefäß an der Fängeroberfläche vorbei strömt, eine Vielzahl von lokal begrenzten elektrischen Feldern erzeugt. Durch eine geeignete Ansteuerung der Elektroden bzw. der elektrischen Kontaktierungen der Elektroden mit einer Steuerung können Wirkkräfte in Richtung auf die Fängeroberfläche gezielt auf Zellen einer bestimmten Größe erzeugt werden. Da Tumorzellen regelmäßig eine bestimmte Größe haben bzw. mit einer bestimmten Größe gehäuft auftreten, welche von der Größe der anderen vorhandenen Zellen abgrenzbar ist, können somit vermehrt Tumorzellen hin zu der Fängeroberfläche transportiert werden.The electrodes are preferably arranged below a catcher surface of the catcher body. Because of their distance of between 30 µm and 100 µm, preferred. approx. 50 to 70 μm, a large number of locally limited electrical fields are generated above the catcher surface in the blood which flows past the catcher surface in the blood vessel. Through a suitable Activation of the electrodes or the electrical contacting of the electrodes with a controller, effective forces in the direction of the catcher surface can be generated specifically on cells of a certain size. Since tumor cells regularly have a certain size or accumulate with a certain size, which can be distinguished from the size of the other cells present, more tumor cells can thus be transported to the catcher surface.
Der bevorzugte Transport von Zielzellen/Tumorzellen zur Fängeroberfläche kann auch anhand von Wahrscheinlichkeiten/Wahrscheinlichkeitsverteilungen argumentiert werden.The preferred transport of target cells / tumor cells to the capture surface can also be argued on the basis of probabilities / probability distributions.
Sämtliche intakte Zellen, die in einer effektiven Wirkreichweite am Elektrodenarray vorbeifließen (einhüllendes Volumen um Fängerkörper/Draht), werden in Richtung der Oberfläche des Drahtes hinbewegt.All intact cells that flow past the electrode array within an effective effective range (enveloping volume around the catcher body / wire) are moved towards the surface of the wire.
Der Draht bildet insbesondere einen Grundkörper bzw. eine Grundstruktur der Vorrichtung, die insbesondere dazu geeignet ist in einen Blutgefäß eingeführt zu werden. Es ist eine Frage der Wahrscheinlichkeit, wie viele CTCs in diesem den Draht einhüllenden Volumen enthalten sind und bis an die Oberfläche des Drahtes gelangen.In particular, the wire forms a base body or a base structure of the device, which is particularly suitable for being introduced into a blood vessel. It is a question of the probability how many CTCs are contained in this volume that envelops the wire and how many CTCs reach the surface of the wire.
Tatsächlich sind Tumorzellen/Zielzellen im Mittel aber (deutlich) größer, als Blutzellen und insbesondere als Erythrozyten, weswegen diese auch (deutlich) stärkere Kräfte in Richtung der Drahtoberfläche besitzen.In fact, tumor cells / target cells are on average (significantly) larger than blood cells and especially erythrocytes, which is why they also have (significantly) stronger forces in the direction of the wire surface.
Insgesamt ist somit, im Vergleich zu einem Fängerkörper ohne Elektrodenarray, die Situation in jedem Fall verbessert und die Wahrscheinlichkeit (deutlich) erhöht, dass eine CTC in Kontakt mit Antikörpern kommt.Overall, compared to a catcher body without an electrode array, the situation is improved in each case and the probability is (significantly) increased that a CTC will come into contact with antibodies.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn der Fängerkörper eine Länge und einen Durchmesser hat, wobei in einer Umfangsrichtung des Fängerkörpers abwechselnd erste Elektroden und zweite Elektroden angeordnet sind.It is also advantageous if the catcher body has a length and a diameter, first electrodes and second electrodes being arranged alternately in a circumferential direction of the catcher body.
Die Länge des Fängerkörpers beschreibt insbesondere die mit der Beschichtung mit Fängermolekülen versehene Länge. Diese Länge ist üblicherweise auf die Strömungsverhältnisse und den Durchmesser des jeweiligen Blutgefäßes, in dem die Vorrichtung eingesetzt wird, abgestimmt. Damit auch weiter von dem Fängerkörper weg parallel zu dem Fängerkörper strömende Tumorzellen durch das elektrische Feld bzw. die von diesem Feld erzeugte Kraft eingefangen werden können, benötigt der Fängerkörper eine ausreichende Länge. Dies ist insbesondere auch dadurch zu begründen, dass die senkrecht auf die Fängeroberfläche ausgerichtete Kraft des elektrischen Feldes normalerweise im Verhältnis zur Strömungs-/Stokeskraft, welche im Blutgefäß auf eine Zelle durch das bewegte Blutplasma in Richtung parallel zum Blutgefäß wirkt, sehr klein ist und nur eine im Verhältnis zur Strömungs-/Stokeskraft, welche im Blutgefäß auf eine Zelle durch das bewegte Blutplasma in Richtung parallel zum Blutgefäß wirkt, äußerst geringe Geschwindigkeit der Tumorzellen senkrecht zu der Fängeroberfläche ermöglichen. Durch eine im Vergleich zur Abmessung der Zelle große aber eine mit den Abmessungen des Blutgefäßes vergleichbare Länge des Fängerkörpers von beispielsweise 3 bis 5 cm [Zentimetern], bevorzugt mehr als 4 cm bei einem Durchmesser von beispielsweise 500 µm [Mikrometern] kann erreicht werden, dass auch durch eine sehr kleine Kraft ein Einfangen von Tumorzellen möglich ist. Wenn der Fängerkörper zu kurz wäre, hätte die Blutströmung diese Tumorzelle gegebenenfalls schon an dem Fängerkörper vorbei befördert, bevor die Tumorzelle einen Nahbereich an der Fängeroberfläche erreicht, in welchem die chemischen Bindungen der Fängermoleküle auf die Fängerkörper wirken können.The length of the catcher body describes in particular the length provided with the coating with catcher molecules. This length is usually matched to the flow conditions and the diameter of the respective blood vessel in which the device is used. So that tumor cells flowing further away from the catcher body parallel to the catcher body can be caught by the electric field or the force generated by this field, the catcher body needs a sufficient length. This is due in particular to the fact that the force of the electric field, which is perpendicular to the surface of the catcher, is usually very small in relation to the flow / Stokes force that acts on a cell in the blood vessel through the moving blood plasma in the direction parallel to the blood vessel In relation to the flow / Stokes force, which acts in the blood vessel on a cell through the moving blood plasma in the direction parallel to the blood vessel, allow the tumor cells to travel at an extremely low speed perpendicular to the surface of the catcher. By a length of the catcher body of, for example, 3 to 5 cm [centimeters], preferably more than 4 cm with a diameter of, for example, 500 μm [micrometers], which is large compared to the dimensions of the cell but comparable to the dimensions of the blood vessel, it can be achieved a capture of tumor cells is possible even with a very small force. If the catcher body were too short, the blood flow might have already carried this tumor cell past the catcher body before the tumor cell reaches a near area on the catcher surface in which the chemical bonds of the catcher molecules can act on the catcher body.
Der Durchmesser des Fängerkörpers beträgt bevorzugt zwischen 250 µm [Mikrometer und 1] mm [Millimeter]. Der Durchmesser des Fängerkörpers ist bevorzugt auf das jeweilige Blutgefäß, in welchem dieser eingesetzt werden soll, abgestimmt. Je größer der Durchmesser des Fängerkörpers ist, um so kleiner wird der Bereich um den Fängerkörper herum, in welchem durch das Blutgefäß Blut strömt. Der Durchmesser einer Vena cephalica beträgt etwa 1,8 mm +- 1,1 mm. Der Durchmesser des Drahts sollte daher (deutlich) kleiner gewählt werden. Für einen Draht mit 500 µm Durchmesser ergibt sich, je nach Patient, in einer Vena cephalica somit eine „Blockade“ von etwa 2,87 %...50 %. Umso größer wird aber auch der Strömungswiderstand, den der Fängerkörper im Blutgefäß hervorruft und umso stärker nimmt die Blutströmung in dem jeweiligen Blutgefäß ab. Darüber hinaus findet eine Beschleunigung der verbliebenen Blutströmung statt, weil das Blutgefäß um so stärker verengt wird, je mehr der Fängerkörper dieses versperrt. Eine Versperrung des Blutgefäßes ist erst einmal nicht so schlimm, solange der Bereich noch (deutlich) größer/dicker ist, als die effektive Reichweite der DEP-Kraft (z. B. > 100 µm).The diameter of the catcher body is preferably between 250 µm [micrometers and 1] mm [millimeters]. The diameter of the catcher body is preferably matched to the respective blood vessel in which it is to be used. The larger the diameter of the catcher body, the smaller the area around the catcher body in which blood flows through the blood vessel. The diameter of a cephalic vein is about 1.8 mm + - 1.1 mm. The diameter of the wire should therefore be chosen to be (significantly) smaller. For a wire with a diameter of 500 µm, depending on the patient, there is a "blockage" of around 2.87% ... 50% in a cephalic vein. However, the greater the flow resistance that the catcher body causes in the blood vessel and the more the blood flow decreases in the respective blood vessel. In addition, there is an acceleration of the remaining blood flow because the blood vessel is narrowed the more the catcher body blocks it. A blockage of the blood vessel is not that bad as long as the area is (significantly) larger / thicker than the effective range of the DEP force (e.g.> 100 µm).
Für die Auslegung des Durchmessers des Fängerkörpers ist außerdem die permanente Bewegung von Fängerkörper und Patient zu beachten.When designing the diameter of the catcher body, the permanent movement of catcher body and patient must also be taken into account.
Vorteilhaft ist, dass mit steigendem Durchmesser des Drahtes (linear) bei sonst planarer Oberfläche auch die mögliche Wechselwirkungsfläche mit Zellen steigt.It is advantageous that as the diameter of the wire increases (linearly) with an otherwise planar surface, the possible interaction surface with cells also increases.
Problematisch ist aber, falls ein zu dicker Draht nur noch „schwer“ aus dem Blutgefäß herausgezogen werden kann, womit ein Abscheren oder Beschädigen bereits eingefangener Zellen an der Innenwand von Kanüle und Blutgefäß befürchtet werden müsste und ferner dem Patienten unnötig zusätzlich Schmerz zugeführt werden würde.However, it is problematic if a wire that is too thick can only be pulled out of the blood vessel "with difficulty", which would result in shearing or damage to cells already trapped on the inner wall of the cannula and blood vessel and, furthermore, unnecessary additional pain would be inflicted on the patient.
Auch vorteilhaft ist, wenn erste Elektroden und zweite Elektroden des Elektrodenarrays als Metallschicht ausgebildet sind, die durch thermisches Aufdampfen oder ein lithographisches Verfahren auf einen Grundkörper aufgebracht sind. Das Aufdampfen und lithographische Verfahren können auch ergänzend zueinander eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Struktur der Elektroden zunächst lithografisch (per lichtempfindlichem Lack) definiert (positiv oder negativ).It is also advantageous if the first electrodes and second electrodes of the electrode array are designed as a metal layer which are applied to a base body by thermal vapor deposition or a lithographic method. The vapor deposition and lithographic processes can also be used in addition to one another. The structure of the electrodes is preferably initially defined (positive or negative) lithographically (using light-sensitive lacquer).
Danach ist nun möglich, entweder ein Aufdampfen eines Metalls genau dort, wo es „später“ bleiben soll (positiv) und/oder ein Wegätzen des Metalls genau dort, wo es „später“ nicht erwünscht ist (negativ) möglich.After that, it is now possible to either vapor-deposit a metal exactly where it should stay “later” (positive) and / or etch away the metal exactly where it is not wanted “later” (negative).
In beiden Fällen wird der lichtempfindliche Lack bevorzugt im letzten Schritt entfernt (nass- oder trockenchemisch).In both cases, the photosensitive lacquer is preferably removed in the last step (wet or dry chemical).
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn erste Elektroden und zweite Elektroden des Elektrodenarrays eine Dicke von 5 nm bis 100 nm [Nanometer] aufweisen.It is also advantageous if the first electrodes and second electrodes of the electrode array have a thickness of 5 nm to 100 nm [nanometers].
Derartige Elektroden mit einer solchen Dicke sind für die Erzeugung der beschriebenen elektrischen Felder besonders geeignet, da die Inhomogenität des elektrischen Feldes an den (scharfen) Elektrodenkanten sehr hoch ist. Sehr viel dickere Elektroden werden in der Regel nicht allzu scharf/kantig, sondern etwas abgerundet abgebildet. Durch thermisches Aufdampfen oder lithographische Verfahren können solche Elektroden besonders effektiv hergestellt werden.
Außerdem vorteilhaft ist es, wenn erste Elektroden und zweite Elektroden des Elektrodenarrays mit einer Schutzschicht aus biokompatiblem Polymer überzogen sind, wobei die Fängeroberfläche mit der Beschichtung umfassend Fängermoleküle auf dieser Schutzschicht aufgebracht ist.Such electrodes with such a thickness are particularly suitable for generating the electric fields described, since the inhomogeneity of the electric field at the (sharp) electrode edges is very high. Much thicker electrodes are usually not shown too sharp / edged, but rather rounded. Such electrodes can be produced particularly effectively by thermal vapor deposition or lithographic processes.
It is also advantageous if the first electrodes and second electrodes of the electrode array are coated with a protective layer made of biocompatible polymer, the catcher surface with the coating comprising catcher molecules being applied to this protective layer.
Eine solche Schutzschicht stellt insbesondere eine elektrische Isolierung bereit, durch welche sichergestellt wird, dass mit den Elektroden nur elektrische Felder erzeugt werden, jedoch keine relevanten elektrischen Ströme fließen können. Eine solche Schutzschicht stellt auch sicher, dass eine biologische Unverträglichkeit des Elektrodenmaterials nicht problematisch ist. Außerdem kann eine solche Schutzschicht als Träger für die Beschichtung mit dem Fängermolekülen zur Bereitstellung der Fängeroberfläche dienen. Darüber hinaus wird durch eine zusätzliche Beschichtung unmittelbar an der Oberfläche unspezifischen Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen vermieden bzw. zumindest reduziert.Such a protective layer in particular provides electrical insulation, which ensures that only electrical fields are generated with the electrodes, but no relevant electrical currents can flow. Such a protective layer also ensures that biological incompatibility of the electrode material is not a problem. In addition, such a protective layer can serve as a carrier for the coating with the capture molecules to provide the capture surface. In addition, an additional coating directly on the surface avoids or at least reduces unspecific cell-surface interactions.
Außerdem vorteilhaft ist es auch, wenn erste Elektroden und zweite Elektroden des Elektrodenarrays von einer Mehrzahl von ersten Metalldrähten und zweiten Metalldrähten gebildet sind, die um einen Grundkörper gewickelt sind, wobei in Umfangsrichtung des Fängerkörpers abwechselnd erste Metalldrähte und zweite Metalldrähte angeordnet sind.It is also advantageous if the first electrodes and second electrodes of the electrode array are formed by a plurality of first metal wires and second metal wires that are wound around a base body, first metal wires and second metal wires being arranged alternately in the circumferential direction of the catcher body.
Der Grundkörper kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial oder einem flexiblen Metall gebildet sein. Um einen solchen Grundkörper Metalldrähte zu wickeln ist eine besonders effektive Methode, Elektroden an einem Fängerkörper auszubilden.The base body can be formed from a plastic material or a flexible metal, for example. In order to wind such a base body with metal wires, a particularly effective method is to form electrodes on a catcher body.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Vorrichtung einen Leitungsführungsbereich aufweist, in welchem eine Separationsisolierung zwischen die ersten Metalldrähte und die zweiten Metalldrähte eingesetzt ist, die verhindert, dass ein reduzierter Abstand zwischen den ersten Metalldrähten und den zweiten Metalldrähten auftritt und die ersten Metalldrähte und die zweiten Metalldrähte jeweils an eine Stromquelle angeschlossen werden können.It is also advantageous if the device has a line routing area in which a separation insulation is inserted between the first metal wires and the second metal wires, which prevents a reduced distance between the first metal wires and the second metal wires and the first metal wires and the second Metal wires can each be connected to a power source.
Wenn Stellen existieren, an denen die Metalldrähte besonders eng aneinander anliegen bzw. an denen ein Abstand der Metalldrähte zueinander deutlich geringer ist, als in dem Bereich, in welchem die Metalldrähte ihre Wirkung als Elektroden auf Tumorzellen entfalten sollen, ist dies ein gewisses Problem, weil hierdurch eine starke lokale Konzentrierung des elektrischen Feldes auf den Bereich der Engstelle stattfindet. Die Wirkung der beschriebenen Elektroden ist somit stark beeinträchtigt. Solange der Rest der Metalldrähte mit einer Wunsch-Betriebsspannung versorgt werden, also an keinem Punkt zuvor ein Kurschluss zwischen benachbarten Metalldrähten besteht, der ein extrem ungünstiges Spannungsteiler-Verhältnis erzwingt, kann dieser Effekt allerdings kontrolliert werden.If there are places where the metal wires are particularly close to one another or where the distance between the metal wires is significantly smaller than in the area in which the metal wires are supposed to develop their effect as electrodes on tumor cells, this is a certain problem because this results in a strong local concentration of the electric field in the area of the constriction. The effect of the electrodes described is therefore severely impaired. As long as the rest of the metal wires are supplied with a desired operating voltage, i.e. at no point before there is a short circuit between neighboring metal wires that forces an extremely unfavorable voltage divider ratio, this effect can be controlled.
Dies kann durch einen geeigneten Betrieb der Quelle zur Versorgung der Anordnung mit elektrischer Spannung sichergestellt werden. Die Separationsisolierung wird bevorzugt so eingesetzt, dass erste Metalldrähte von ersten Elektroden direkt auf eine Seite der Separationsisolierung geführt werden, während zweite Metalldrähte von zweiten Elektroden direkt auf eine andere Seite der Separationsisolierung geführt werden. Bevorzugt hat die Separationsisolierung darüber hinaus Eigenschaften, die ein elektrisches Feld im Bereich der Separationsisolierung behindern. Durch die Separationsisolierung und durch eine Trennung/Auseinanderführung der ersten Metalldrähte und der zweiten Metalldrähte ohne Stellen engen Kontakts wird sichergestellt, dass das elektrische Feld sich an den Elektroden wie gewünscht ausbildet.This can be ensured by suitable operation of the source for supplying the arrangement with electrical voltage. The separation insulation is preferably used in such a way that first metal wires from first electrodes are led directly to one side of the separation insulation, while second metal wires are led from second electrodes directly to another side of the separation insulation. In addition, the separation insulation preferably has properties which impede an electric field in the area of the separation insulation. Through the separation insulation and through a separation / separation of the first Metal wires and the second metal wire without points of close contact, it is ensured that the electrical field is formed at the electrodes as desired.
Besonders vorteilhaft ist außerdem, wenn die Vorrichtung eine Spannungsquelle zur Versorgung von ersten Elektroden und zweiten Elektroden des Elektrodenarrays aufweist, welche mit einer Zweiphasen-Wechselspannung aufweisend eine Maximalspannung von zwischen 1 Volt und 50 Volt, bevorzugt zwischen 5 Volt und 25 Volt, besonders bevorzugt ca. 10 Volt und einer Frequenz von zwischen 10 kHz und 10 MHz, bevorzugt zwischen 50 kHz und 5 MHz, besonders bevorzugt ca. 1 MHz betreibbar ist. Die Zweiphasen-Wechselspannung ist bevorzugt harmonisch. Die Spannung ist hier als maximale Spannungsdifferenz zwischen der oberen Amplitude und der unteren Amplitude der Wechselspannung beschrieben. Eine Spannung von 10 Volt entspricht somit beispielsweise einer Wechselspannung zwischen -5 Volt und +5 Volt. Um eine Zerstörung der Zellen zu vermeiden („Zerreisen“ der Zellmembran bei zu hoher Transmembranspannung), ist die maximale Spannung bei einem Elektrodenabstand von < 100 µm bevorzugt sogar kleiner als 5 Volt.-Die Spannung ist darüber hinaus bevorzugt auch klein gewählt, um eine potentielle Gefährdung des Patienten durch zu hohe elektrische Ströme zu vermeiden.It is also particularly advantageous if the device has a voltage source for supplying first electrodes and second electrodes of the electrode array, which with a two-phase alternating voltage having a maximum voltage of between 1 volt and 50 volts, preferably between 5 volts and 25 volts, particularly preferably approx 10 volts and a frequency of between 10 kHz and 10 MHz, preferably between 50 kHz and 5 MHz, particularly preferably about 1 MHz. The two-phase alternating voltage is preferably harmonic. The voltage is described here as the maximum voltage difference between the upper amplitude and the lower amplitude of the alternating voltage. A voltage of 10 volts thus corresponds, for example, to an alternating voltage between -5 volts and +5 volts. In order to avoid destroying the cells (“rupturing” the cell membrane if the transmembrane voltage is too high), the maximum voltage with an electrode spacing of <100 µm is preferably even less than 5 volts to avoid potential danger to the patient from excessive electrical currents.
Es hat sich herausgestellt, dass derartige elektrische Spannungen mit den genannten Frequenzen an den Elektroden Wechselfelder erzeugen, die den gewünschten dielektrischen Effekt und die resultierenden Kräfte (posititive Dielektrophorese) in besonders vorteilhafter Weise hervorrufen.It has been found that such electrical voltages with the frequencies mentioned generate alternating fields on the electrodes, which produce the desired dielectric effect and the resulting forces (positive dielectrophoresis) in a particularly advantageous manner.
Die Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, wobei hierbei bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt werden. Es zeigen:
-
1 : eine Prinzipskizze der Wirkung der beschriebenen Vorrichtung, -
2 : eine beschriebene Vorrichtung, -
3 : eine erste Variante eines Fängerkörpers im Querschnitt, -
4 : eine zweite Variante eines Fängerkörpers im Querschnitt, und -
5 : eine dreidimensionale Ansicht desFängerkörpers aus 4 .
-
1 : a schematic diagram of the effect of the device described, -
2 : a device described, -
3 : a first variant of a catcher body in cross section, -
4th : a second variant of a catcher body in cross section, and -
5 : a three-dimensional view of the catcher body4th .
Dennoch wird eine Tumorzelle, auch inmitten eines Haufens von Zellen, eine Kraftwirkung in Richtung Oberfläche des Fängerkörpers besitzen, womit die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen Antigen und Antikörper (stark) erhöht wird.Nevertheless, a tumor cell, even in the midst of a pile of cells, will have a force effect in the direction of the surface of the catcher body, with which the probability of an interaction between antigen and antibody is (greatly) increased.
Zu sehen ist eine Zielzelle
Die ersten Elektroden
Eine erste elektrische Kontaktierung
Die ersten Elektroden
Die
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2010/145824 A1 [0004]WO 2010/145824 A1 [0004]
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