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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf die Krebsbehandlung und insbesondere auf einen tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung.
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HINTERGRUND
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Die Prüfung der Zytotoxizität von Nanopartikeln ist unerlässlich, um die Biokompatibilität von Nanopartikeln für biomedizinische Anwendungen sicherzustellen. Ein positives Ergebnis des Zytotoxizitätstests kann als Frühwarnzeichen dafür gewertet werden, dass das Nanopartikel von klinischer Bedeutung ist. In solchen Fällen sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den Nutzen des Nanopartikels zu bestimmen.
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Die gezielte Verabreichung von magnetischen Nanopartikeln, die mit Medikamenten beladen sind, ist in der Krebstherapie von zunehmendem Interesse. Die Herstellung von stabilen Fe3O4-Nanopartikeln mit hoher Konzentration in biokompatiblen Lösungen ist jedoch schwierig. Trotz der sehr interessanten und potenziellen biomedizinischen Anwendungen ist die Konzentration, bei der Fe3O4-Nanopartikel toxisch werden, bisher unklar geblieben.
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In der Vergangenheit wurden Anstrengungen unternommen, um die Zytotoxizität zu bestimmen. Hug bezieht sich auf biophysikalische Methoden zur Überwachung von Zell-Substrat-Interaktionen in der Arzneimittelforschung (Hug, T. S. (2003). Assay Drug Dev. Technol. 1, 479-488). Kim et al. beschreiben die Zytotoxizität von anorganischem Quecksilber in murinen T- und B-Lymphom-Zelllinien: Involvement of reactive oxygen species, Ca(2+) homeostasis, and cytokine gene expression (Kim, S. H., and Sharma, R. P. (2003). Toxicol. in Vitro 17, 385-395). Diese Offenlegungen weisen jedoch einige Einschränkungen auf, da sie nicht speziell für den Nachweis der Zytotoxizität von Nanopartikeln konzipiert sind.
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Daher besteht ein Bedarf an einem Nachweis der Zytotoxizität von Nanopartikeln. Die vorliegende Offenbarung überwindet das oben erwähnte Problem, das mit dem traditionell verfügbaren System verbunden ist. Die vorliegende Offenbarung bietet ein tragbares Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung.
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Alle hierin enthaltenen Veröffentlichungen werden durch Bezugnahme in demselben Umfang einbezogen, als ob jede Veröffentlichung ausdrücklich und einzeln als durch Bezugnahme einbezogen angegeben wäre. Wenn eine Definition oder die Verwendung eines Begriffs in einer einbezogenen Referenz nicht mit der hier angegebenen Definition dieses Begriffs übereinstimmt oder im Widerspruch dazu steht, gilt die hier angegebene Definition dieses Begriffs. Dementsprechend sind die in der schriftlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen angegebenen numerischen Parameter bei einigen Ausführungsformen Näherungswerte, die je nach den gewünschten Eigenschaften, die mit einer bestimmten Ausführungsform erreicht werden sollen, variieren können.
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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Ziel der Erfindung ist es, einen tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, ein System zur elektronischen Messung der Zytotoxizität von Nanopartikeln bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung. Der tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung umfasst eine Mikroelektroden-Array zum Nachweis der Nanopartikel-Zytotoxizität; ein Gerätegehäuse zur Aufnahme der Mikroelektroden-Array; und einen elektronischen Sensoranalysator zur Durchführung von Messungen der Mikroelektroden-Array.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Mikroelektroden-Array eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Vielzahl von Sensorvorrichtungen eine Vielzahl von Kreis-auf-Zeile-Elektrodenanordnungseinheiten mit Vertiefungen.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Vielzahl von Kreis-auf-Zeile-Elektrodenarray-Einheiten auf Glasobjektträgern mit lithographischer Mikrofabrikationstechnik hergestellt.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat die Vielzahl von Kreis-auf-Zeile-Elektroden-Array-Einheiten einzelne Detektionseinheiten mit Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Vertiefungen.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind die Kreis-auf-Zeile-Elektroden-Array-Einheiten aus Goldelektrode mit Silizium-Basis hergestellt.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Gerätestation in der Lage, jede der Vertiefungen für die Impedanzmessung elektronisch auf den elektronischen Sensoranalysator zu schalten.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der elektronische Sensoranalysator in der Lage, die zu messenden Vertiefungen automatisch auszuwählen und kontinuierlich Messungen an den Vertiefungen durchzuführen.
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der elektronische Sensoranalysator in der Lage, die elektronische Impedanz zu messen, die drahtlos an einen Computer übertragen werden kann.
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Man sollte verstehen, dass, obwohl die vorliegende Offenbarung in Bezug auf einen definierten Satz von Funktionsmodulen erläutert wurde, jedes andere Modul oder jeder Satz von Modulen hinzugefügt/gelöscht/geändert/kombiniert werden kann und alle derartigen Änderungen in der Architektur/Konstruktion des vorgeschlagenen Systems vollständig im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegen. Jedes Modul kann auch in ein oder mehrere funktionale Untermodule unterteilt werden, die alle ebenfalls vollständig in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen.
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Verschiedene Objekte, Merkmale, Aspekte und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen deutlicher werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die beigefügte Zeichnung dient dem weiteren Verständnis der vorliegenden Offenbarung und ist Bestandteil dieser Beschreibung. Die Zeichnung veranschaulicht beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und dient zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung.
- zeigt ein Blockdiagramm eines tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät (100) für die Krebsbehandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die beispielhaft und nicht einschränkend bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulicht.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt 1 ein tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät (100) für die Krebsbehandlung. Der tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät (!00) für die Krebsbehandlung umfasst eine Mikroelektroden-Array (101) zum Nachweis der Nanopartikel-Zytotoxizität; ein Gerätegehäuse (102) zur Aufnahme der Mikroelektroden-Array (101); und einen elektronischen Sensoranalysator (103) zur Durchführung von Messungen der Mikroelektroden-Array (101).
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Das Mikroelektroden-Array (101) wird für ein zellbasiertes Testsystem verwendet, das den dynamischen Nachweis der Zytotoxizität eines Nanopartikels ermöglicht. Bei der Nanopartikel-Zytotoxizität handelt es sich um ein auf elektrischer Impedanz basierendes Sensorarray mit kreisförmig angeordneten Elektrodensensoren. Der Mikroelektroden-Array (101) ermöglicht einen empfindlichen und quantitativen Nachweis der Nanopartikel-Zytotoxizität durch Untersuchung von Krebszelllinien. Das Prinzip des Nachweises basiert auf der elektronischen Impedanz einer Elektrode. Die elektronische Impedanz einer Elektrode wird in erster Linie durch die Ionenumgebung sowohl an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Lösung als auch in der Gesamtlösung bestimmt. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes kommt es zu einer feldgesteuerten Bewegung der Ionen und einer durch den Konzentrationsgradienten gesteuerten Diffusion, was zu einer frequenzabhängigen Impedanzdispersion führt.
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Das Vorhandensein der Zellen beeinflusst das lokale Ionenmilieu an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Lösung, was zu einem Anstieg der Elektrodenimpedanz führt. Je mehr Zellen sich auf den Elektroden befinden, desto größer ist die Elektrodenimpedanz.Der biologische Zustand der Zellen, einschließlich der Lebensfähigkeit der Zellen, die durch die Zytotoxizität der Nanopartikel verursacht wird, wirkt sich somit auf die Messung der Elektrodenimpedanz aus, die sich im Zellindex (CI) des tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät (100) widerspiegelt. Daher kann ein dynamisches Muster einer gegebenen CI-Kurve die Reaktionen der Krebszellen auf die Nanopartikel-Zytotoxizität anzeigen.Auf diese Weise wird die Zytotoxizität der Nanopartikel in Krebszellen getestet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besteht die Mikroelektroden-Array (101) aus mehreren Sensorvorrichtungen. Die Sensorvorrichtungen bestehen aus mehreren kreisförmig angeordneten Elektrodenarray-Einheiten mit Vertiefungen.Die kreisförmig angeordneten Elektroden-Array-Einheiten werden mit lithografischer Mikrofabrikationstechnik auf Glasobjektträgern hergestellt.Die Kreis-auf-Zeile-Elektrodenarray-Einheiten haben einzelne Detektionseinheiten mit einem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den Vertiefungen.Die Circle-on-Line-Elektrodenarray-Einheiten werden aus Goldelektroden mit Siliziumbasis hergestellt. Die Elektroden enthaltenden Einheiten wurden zu Sensorvorrichtungen zusammengebaut, so dass die Elektrodensensoranordnung den Boden der Vertiefungen bildete.
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Für den Zellnachweis wurden HT-29 Krebszelllinien verwendet. HT-29 ist eine menschliche kolorektale Adenokarzinom-Zelllinie mit epithelialer Morphologie.Bei den verwendeten Nanopartikeln handelte es sich um Fe3O4-Nanopartikel.Fe3O4-Nanopartikel wurden für den Nachweis der Zytotoxizität verwendet.Die Internalisierung von Fe3O4-Nanopartikeln und eine mögliche Zytotoxizität bei der HT-29-Krebszelllinie wurden analysiert.Die Krebszellen wurden auf der Oberfläche von Sensorvorrichtungen gezüchtet, die aus kreisförmig angeordneten Elektrodenarrays mit Vertiefungen bestehen. Zur Bewertung der Zytotoxizität wurden die Zellen, die auf den mikroelektronischen Sensoren wuchsen, mit Nanopartikeln behandelt. Veränderungen im Zellstatus, wie z. B. die Lebensfähigkeit der Zellen, wurden durch die Messung der elektrischen Impedanz des Sensors überwacht und quantifiziert.Die dynamischen Reaktionen der Zellen auf die Giftstoffe wurden kontinuierlich mit dem tragbaren Nanopartikel- Zytotoxizitätstestgerät (100) überwacht.
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Im Betrieb wurden die Geräte mit kultivierten Zellen an einem Gerätegehäuse (102) befestigt. Das Gerätegehäuse (102) ist drahtlos mit dem elektronischen Sensoranalysator (103) verbunden. Sowohl das Gerätegehäuse (102) als auch der elektronische Sensoranalysator (103) sind mit drahtlosen Technologien wie Bluetooth und Wi-fi ausgestattet.Der elektronische Sensoranalysator (103) ist mit einem Softwaremodul ausgestattet, um die von der Mikroelektroden-Array (101) erhaltenen Daten zu messen.Unter der Kontrolle der Software kann der elektronische Sensoranalysator (103) automatisch die zu messenden Vertiefungen auswählen und kontinuierlich Messungen an den Vertiefungen durchführen.Die elektronische Impedanz kann dann drahtlos an einen Computer übertragen und aufgezeichnet werden.
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Der als CI bezeichnete Parameter wird abgeleitet, um den Zellstatus auf der Grundlage der gemessenen elektrischen Impedanz darzustellen. Es wird die frequenzabhängige Elektrodenimpedanz (Widerstand) ohne und mit Zellen in den Vertiefungen ermittelt.Die gemessene Schwankung des CI reichte von 1,6 bei einer hohen Zellzahl bis 0,58 bei 150 Zellen.Die Zellen wurden mit Nanopartikeln behandelt.Der CI der mit Nanopartikeln behandelten Zellen war etwa 2-mal höher als der der unbehandelten Zellen.
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Der tragbare Nanopartikel- Zytotoxizitätstestgerät (100) ermöglicht einen schnellen Nachweis der Zytotoxizität. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der tragbare Nanopartikel-Zytotoxizitätstester (100) für eine Vielzahl von zellbasierten Assays im pharmazeutischen Screening eingesetzt werden kann.Die Technologie ist für Feldanwendungen mit tragbaren Geräten geeignet.Die Kosten für die Durchführung von Zytotoxizitätstests mit dem tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät (100) sind sehr vergleichbar mit aktuellen konventionellen Tests und liefern gleichzeitig dynamische Informationen zur Zytotoxizität.
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Während das Vorstehende verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschreibt, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung entwickelt werden, ohne vom grundlegenden Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Der Umfang der Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen, Varianten oder Beispiele beschränkt, die enthalten sind, um eine Person mit gewöhnlichem Fachwissen auf dem Gebiet der Technik in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, wenn sie mit Informationen und Wissen kombiniert wird, die der Person mit gewöhnlichem Fachwissen auf dem Gebiet der Technik zur Verfügung stehen.
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BESCHREIBUNG DER REFERENZNUMMERN IN DER BEGLEITENDEN ZEICHNUNG
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- 100
- ein tragbaren Nanopartikel-Zytotoxizitätstestgerät für die Krebsbehandlung
- 101
- Mikroelektroden-Array
- 102
- Gerätegehäuse
- 103
- elektronischer Sensor-Analysator
