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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Krankheiten
bei Menschen und anderen Säugetieren,
und insbesondere auf eine verbesserte Vorrichtung zur Anwendung
gesteuerter elektrischer Felder zur Freisetzung pharmazeutischer
Zusammensetzungen und von Genen in lebende Zellen eines Patienten
durch Elektroporation.
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STAND DER
TECHNIK
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Als
ein Ansatz zur Behandlung bestimmter Krankheiten wie etwa Krebs
ist in letzter Zeit die Elektroporation vorschlagen worden. Bei
der Behandlung bestimmter Krebsarten durch Chemotherapie ist es beispielsweise
erforderlich, ausreichend hohe Dosen eines Medikaments zu verwenden,
um die Krebszellen zu töten,
ohne eine unakzeptabel hohe Anzahl normaler Zellen zu töten. Falls
das Chemotherapeutikum direkt in die Krebszellen eingebracht werden könnte, könnte dieses
Ziel erreicht werden. Einige der besten Medikamente gegen Krebs,
wie beispielsweise Bleomycin, können
normalerweise die Membranen bestimmter Krebszellen nicht durchdringen.
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Gleichermaßen könnten bestimmte
Krankheiten dadurch behandelt werden, dass gewünschte Gene in die spezifischen
Zellen des Patienten eingebracht werden. Derzeit haben die meisten
gentherapeutischen Experimente Retroviren als den Träger des
Gens in die Zellen ausgenutzt. Wenn ein Retrovirus in eine Zielzelle
eintritt, integriert es sich im Wesentlichen in zufälliger Weise
in dem Genom und weist so durch die einfache Tatsache seines Einbringens
das Potential auf, Mutationsschäden
einzuschleppen. Falls sich das Virus neben einem Onkogen integriert,
kann dies maligne Transformationen der Zielzelle hervorrufen.
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In
den 1970er Jahren wurde entdeckt, dass elektrische Felder verwendet
werden könnten,
um Poren in Zellen zu erzeugen, ohne an diesen dauerhafte Schäden zu verursachen.
Diese Entdeckung hat es ermöglicht,
große
Moleküle
in das Zytoplasma von Zellen einzubringen. Es ist bekannt, dass
Gene und andere Moleküle
wie etwa pharmazeutische Zusammensetzungen durch einen Prozess,
der als Elektroporation bekannt ist, in lebende Zellen eingebracht
werden können.
Diese Gene oder andere Moleküle
werden mit den lebenden Zellen in einem Puffermedium gemischt, und
kurze Impulse starker elektrischer Felder werden angewendet. Die
Membranen der Zellen werden vorübergehend
durchlässig
gemacht, und die Gene oder Moleküle
treten in die Zellen ein. Dort können
sie das Genom der Zelle verändern.
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Eine
therapeutische Anwendung der Elektroporation liegt in der Krebsbehandlung.
Experimente an Laborsäugetieren
sind wie folgt ausgeführt
und berichtet worden: Okino, M., E. Kensuke, 1990: The Effects of
a Single High Voltage Electrical Stimulation with an Anticancer
Drug on in vivo Growing Malignant Tumors, Jap. Journal of Surgery,
20: 197–204;
Mir, L. M., S. Orlowski, J. Belehradek Jr., and C. Paoletti, 1991:
Electrochemotherapy Potentiation of Antitumor Effect of Bleomycin
by Local Electric Pulses. Eur. J. Cancer. 27: 68–72. Klinische Versuche sind
durchgeführt
und berichtet worden durch Mir, L. M., M. Belehradek, C. Domenge,
S. Orlowski, B. Poddevin, et al. 1991: Electrochemotherapy, a novel
antitumor treatment: first clinical trial, C. R. Acad. Sci. Paris, 313:
613–618.
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Diese
Behandlung wird ausgeführt,
indem ein Medikament gegen Krebs direkt in den Tumor infundiert
wird und der Tumor zwischen einem Paar von Elektroden einem elektrischen
Feld ausgesetzt wird. Die Feldstärke
muss in vernünftigem
Rahmen genau so eingestellt werden, dass eine Elektroporation der
Zellen des Tumors auftritt, ohne irgendwelche normalen oder gesunden
Zellen zu beschädigen. Dies
kann normalerweise mit äußeren Tumoren leicht
ausgeführt
werden, indem die Elektroden auf entgegengesetzten Seiten des Tumors
angesetzt werden, so dass sich das elektrische Feld zwischen den
Elektroden befindet. Der Abstand d zwischen den Elektroden kann
dann gemessen werden, und dann kann eine geeignete Spannung gemäß der Formel
E = V/d an die Elektroden angelegt werden.
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Wenn
innere Tumoren behandelt werden, ist es nicht leicht, die Elektroden
in geeigneter Weise anzuordnen und den Abstand dazwischen zu messen.
Es wäre
wünschenswert,
eine Vorrichtung zur Verfügung
zu haben, die Informationen bezüglich
des Abstands zwischen den Elektroden in einer therapeutischen Vorrichtung
bereitstellt.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es
eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung
bereitzustellen, welche Informationen über den Abstand zwischen Elektroden
in einer therapeutischen Vorrichtung bereitstellt.
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Es
ist eine andere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Vorrichtung bereitzustellen, welche eine Informationsrückführung des
Abstands zwischen Elektroden in einer therapeutischen Elektroporationsvorrichtung
für eine
medizinische intrazelluläre
Arzneimittel- und Gentherapie am lebenden Organismus bereitstellt.
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In Übereinstimmung
mit einem Hauptgesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine Elektrodenvorrichtung
zur Anwendung der Elektroporation auf einen Abschnitt des Körpers eines,
Patienten ein Stützelement,
ein Paar von auf dem Stützelement
zur Bewegung aufeinander zu und voneinander weg einstellbar angebrachten
Elektroden, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Abstands zwischen
den Elektroden und Erzeugen eines Abstandssignals, welches dem Abstand
zwischen den Elektroden entspricht, und eine Einrichtung auf, welche
einen Signalgenerator enthält,
der auf das Abstandssignal anspricht, um ein elektrisches Signal,
das dem Abstand zwischen den Elektroden entspricht, an die Elektroden
anzulegen, um ein elektrisches Feld einer vorbestimmten Stärke zu erzeugen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Aufgaben, Vorteile und Merkmale dieser Erfindung werden aus der
nachstehenden genauen Beschreibung leichter ersichtlich werden,
wenn sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung gelesen wird,
in welcher:
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1 einen
Operationssaal mit einem Patienten darstellt, der sich laparoskopischen
Prozeduren unter Einsatz der Erfindung unterzieht;
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zur laparoskopischen Verwendung im Körper darstellt;
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3 eine
Ansicht ähnlich
der in 2 ist, welche die Vorrichtung in einer unterschiedlichen Einstellposition
zeigt;
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4 eine
Ansicht ähnlich
wie 1 ist, welche eine andere Ausführungsform der Elektroden zeigt;
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5 eine
perspektivische Detailansicht der Elektroden von 4 ist;
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6 eine
diagrammartige Darstellung des Elektrodenpositionssensors ist;
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7 eine
Darstellung des Bedienfelds zur Energieversorgung ist;
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8 eine
Seitenaufrissansicht im Teilschnitt ist, welche eine andere Ausführungsform
der Erfindung darstellt; und
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9 eine
Draufsicht im Teilschnitt der Ausführungsform von 8 ist.
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BESTE ARTEN
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Der
hierin verwendete Begriff "Moleküle" beinhaltet pharmazeutische
Mittel, Gene, Antikörper oder
andere Proteine. Eine humantherapeutische Anwendung der Elektroporation
besteht aus einer Infusion eines Medikaments gegen Krebs in einen
Tumor und Elektroporation des Medikaments in die Tumorzellen durch
Anlegen von Spannungsimpulsen zwischen Elektroden, die auf entgegengesetzten
Seiten des Tumors angeordnet sind, und wird Elektrochemotherapie
(ECT) genannt. Die vorliegende Erfindung wurde im Wesentlichen gemacht,
um zu ermöglichen,
die ECT, wie sie etwa durch Okino und Mir et al. berichtet wird,
an Tumoren innerhalb des Körpers
auszuführen.
Sie kann jedoch auch für
andere therapeutische Anwendungen genutzt werden.
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Mit
Bezug auf 1 ist eine Szene im Operationssaal
dargestellt, in welcher sich ein Patient einem minimal invasiven
chirurgischen Eingriff durch laparoskopische Techniken unterzieht.
Dies beinhaltet die Einführung
kleiner Röhren
durch die Bauchdecke, durch welche Instrumente eingeführt werden, um
Zugriff auf die Bauchhöhle
zu erhalten, um hierin chirurgische oder andere Behandlungsprozeduren durchzuführen.
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In
der Darstellung sind laparoskopische Instrumente 12, 14, 16 und 18 an
Ort und Stelle dargestellt. Die vorliegende Erfindung stellt Instrumente und
Verfahren bereit, um solche Krankheiten wie Pankreaskrebs durch
Elektroporation zu behandeln. Die Erfindung stellt eine Elektroporationszange
zur Verwendung durch laparoskopische Techniken zur Anwendung auf
Gewebe innerhalb der Bauchhöhle bereit.
Somit kann jeder Tumor, der durch laparoskopische oder ähnliche
Techniken erreicht werden kann, in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung behandelt werden.
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Mit
Bezug auf 2 und 3 beinhaltet eine
bevorzugte Ausführungsform
meiner Vorrichtung eine Zangeneinrichtung 20, welche ein
Stützelement 22 aufweist,
das auf einer isolierten Anlenkung des distalen Endes hiervon ein
Paar von Elektroden 24 und 26 montiert aufweist.
Ein pis tolengriffartiger Handgriff 28 ist an einem proximalen
Ende des länglichen
röhrenförmigen Stützelements
zur Manipulation desselben montiert. Die Elektroden 24 und 26 sind auf
einer beweglichen Anlenkung so montiert, dass sich die Elektroden
wie die Backen einer Zwinge aufeinander zu und voneinander weg bewegen.
Ein beweglicher Bügel 30 ist
an einem oberen Ende an dem Griff 28 drehbar montiert und
durch ein bewegliches oder Betätigungsgelenk 32 mit
den Elektrodengelenken, die den Abstand zwischen diesen steuern,
verbunden. Die Elektroden 24 und 26 können durch
Federelemente (nicht dargestellt), welche zwischen dem Griff 28 und
dem Bügel 30 wirken,
zu der geöffneten
oder äußersten
Stellung vorgespannt sein. Die Elektroden 24 und 26 sind
durch Leiter in einem Kabel 34 mit einem geeigneten Strom-
oder Impulsgenerator 36 verbunden.
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Eine
geeignete Sensoreinheit 38 erfasst den Abstand zwischen
den Elektroden und erzeugt ein Signal, welches über ein Leiterkabel 40 an
den Impulsgenerator übertragen
wird. Die Sensoreinheit 38 kann eine Vorrichtung wie etwa
ein Linearpotentiometer sein, welches einen Widerstand in direkter
Proportionalität
zu dem Abstand zwischen den Elektroden 24 und 26 bereitstellt.
Eine Teleskophülse
oder -scheide 42 bedeckt den Gelenkmechanismus während Einführens der
Leiter in den Körper.
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Der
Abstand zwischen den Elektroden 24 und 26 ist
ein Parameter, der in die Einstellung der Spannung eingeht, um die
optimale Amplitude des anzuwendenden elektrischen Feldes zu erhalten. Dieser
Parameter und seine Messung und Implementierung kann auf vielfältige Weise
ausgeführt werden.
Eine mechanische Anzeige, die mit der Applikatoranlenkung gekoppelt
ist, kann eine Ablesung bereitstellen, die den Abstand in Zentimetern
oder anderen Einhei ten, die der Bediener manuell in das Gerät zur Erzeugung
des elektrischen Feldes eingibt, bereitstellen. Ein Linear- oder
Drehpotentiometer, das mit der Anlenkung verbunden ist, kann ein
elektrisches Signal bereitstellt, welches die Ablesung bereitstellt
oder direkt in den Impulsgenerator 36 eingespeist wird.
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Der
Elektrodenabstand kann auch durch eine Änderung in Kapazität, Lichtdämpfung oder
andere Mittel, welche irgendeine Art von Signal wie etwa ein elektrisches
Signal erzeugen, das für
den Abstand zwischen den Elektroden steht, überwacht werden. Das Signal
kann dann Mittel zur Aktivierung einer Ablesung wie etwa eine numerischen
Angabe in Zentimetern oder dergleichen bereitstellen. Das Signal
kann auch verstärkt
und an eine geeignete Steuerungseinrichtung gerichtet werden, welche
arbeitet, um die Spannung eines Impulsgenerators 36 proportional
zu dem durch das Signal repräsentierten
Abstand festzulegen.
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Im
Betrieb wird eine Einheit, wie sie oben beschrieben wurde, in eine
Körperhöhle eines
Patienten über
einen Tubus 12 eingeführt,
und werden die Elektrodenklauen geöffnet, und ein ausgewähltes Gewebe,
das zu behandeln ist, wird zwischen den Elektrodenklauen platziert
und ergriffen. Ein Signal, das dem Abstand zwischen den Elektroden
entspricht, wird erzeugt und entweder manuell oder elektronisch
in den Impulsgenerator 36 eingegeben, so dass er einen
Impuls bzw. Puls erzeugt, der dem gewünschten Feld proportional ist,
und ihn an die Elektroden anlegt. Der Impulsgenerator, der mit den Elektroden
verbunden ist, wird dann durch einen Triggerschalter an der Einheit,
einen Fußschalter oder
einen Schalter auf der Schalttafel zum wiederholten Anlegen von
Impulsen an die Elektroden betätigt,
um in dem Gewebe zwischen den Elektroden elektrische Felder einer
vorbestimmten Amplitude und Dauer zu erzeugen.
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Die
Felder werden durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Signals
an die Elektroden 24 und 26 der Vorrichtung erzeugt.
Die Parameter des Signals sind so ausgewählt, dass das Gewebe zwischen
den Elektroden kurzen Impulsen elektrischer Felder hoher Intensität ausgesetzt
sind, die ausreichen, um eine Elektroporation der Zellen des Gewebes
zwischen den Elektroden zu bewirken. Die Spannung wird genau so
eingestellt, dass das erzeugte Feld die gewünschte optimale Amplitude aufweist.
Diese Felder bewirken, dass die Zellwände vorausgewählter Zellen
in dem Gewebe vorübergehend durchlässig werden,
um den Molekülen
zu erlauben, in die vorausgewählten
Zellen einzutreten, ohne die Zellen zu töten. Die Durchlässigkeit
ergibt sich aus der vorübergehenden
Ausbildung von Poren in den Zellwänden, welche groß genug
sind, um eine Einwanderung der Moleküle durch die Zellwände zu erlauben.
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Eine
andere Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes ist in 4 und 5 dargestellt
und allgemein mit der Bezugsziffer 44 bezeichnet. Sie enthält ein Paar
voneinander beabstandeter Anordnungen leitfähiger Nadelelektroden 46 und 48,
die auf einem dielektrischen Träger
oder Stützelement 50 montiert
sind. Die Nadelanordnung 46 wird in einer feststehenden
Einspannung gehalten, welche eine Einstellung der Nadeln in der
Tiefe und auch im Abstand von der Anordnung 46 erlaubt.
Die Nadeln sind jeweils mit einem Eindringstopp 56 versehen.
Eine Spaltabstandsklemme 58 sichert die Einspannung 54 in
ausgewählten Positionen
auf dem Träger 50.
Ein Spaltabstandssensor 60 erfasst den Abstand zwischen
den Nadelanordnungen und erzeugt ein Signal, das über ein Leiterkabel 62 an
den Impulsgenerator gesendet wird. Mittels Kabeln 66 und 68 und
Steckern 70 und 72 ist ein Impulsgenerator mit
den Nadelelektroden verbunden.
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Im
Betrieb wird eine Einheit, wie sie oben beschrieben ist, ausgewählt und
auf einem geeigneten Träger
wie etwa einem geeigneten Klemmen- und Gelenkarmaufbau montiert,
wie dargestellt. Ein Pfosten 76 ist an den Operationstisch
geklemmt und erstreckt sich aufwärts,
wobei ein Arm 78 an dem Pfosten angelenkt ist und ein Arm 80 an
dem äußeren Ende
des Arms 78 angelenkt ist. Der Träger 50 ist an dem äußeren Ende
des Arms 80 befestigt. Der Träger 50 ist über dem
Patienten angeordnet und die Nadeln der Anordnung 46 werden
in eine Seite eines ausgewählten
Gewebes des Patienten eingesetzt. Die Elektroden 48 sind
auf einer anderen Seite des zu behandelnden Gewebes angeordnet und
in das Gewebe eingebracht. Durch eine Spritze 82 oder andere
geeignete Mittel werden Medikamente zur Krebsbekämpfung in den Patienten infundiert
oder injiziert. Die Medikamente oder andere Moleküle können in
den Blutkreislauf oder direkt in den Tumor oder ein anderes zu behandelndes
Gewebe injiziert werden.
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Der
mit den Elektroden verbundene Impulsgenerator wird betätigt, um
elektrische Felder einer vorbestimmten Amplitude und Dauer in dem
zwischen den Elektroden liegenden Gewebe wiederholt zu erzeugen.
Die Felder werden durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen
Signals an die Elektroden der Vorrichtung erzeugt. Der Abstand zwischen den
Elektroden wird als ein Parameter in den Impulsgenerator eingegeben.
Der Abstand kann auf vielfältige
Weise bestimmt werden und entweder manuell oder automatisch in den
Generator eingegeben werden.
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In 6 ist
ein Beispiel eines digitalen Spaltmesssystems dargestellt. Ein optischer
Rasterstreifen 84 ist an einem Elektrodenträger befestigt
und bewegt sich mit und in direkter Proportionalität zu dem
Elektrodenspalt. Der Rasterstreifen ist zwischen einer Lichtquelle 86 und
einem Lichtsensor 88 so angeordnet, dass eine Bewegung
des Rasters das Licht unterbricht und ein Signal im Sensor 88 proportional zu
der Bewegung oder Position des Rasters erzeugt. Das Signal wird
in einem Verstärker 90 verstärkt und an
den Impulsgenerator übertragen,
welcher antwortet, um die Ausgangsspannung für den Generator festzulegen,
um die erforderlichen Spannungsimpulse zu erzeugen und an die Elektroden
zu übertragen.
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Die
Funktion des Generators in dem Netzteil 36 ( 2)
besteht darin, ein vorbestimmtes elektrisches Signal zu erzeugen,
welches, wenn es an die Elektroden 24 und 26 angelegt
wird, dazu führt,
dass das Gewebe, welches zwischen den Elektroden eingeklemmt ist,
elektrischen Feldern einer vorbestimmten Amplitude und Dauer ausgesetzt
wird. Vorzugsweise werden diese Felder wiederholt angewendet und
ihre Amplitude und Dauer optimiert, um die Zellwände vorausgewählter Zellen
in dem Gewebe hinreichend durchlässig
zu machen, um einen Eintritt der therapeutischen Moleküle in die
vorausgewählten
Zellen zu erlauben.
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Mit
Bezug auf 7 ist ein Beispiel einer Schalttafel
für einen
Impulsstromgenerator dargestellt. Bei der dargestellten Tafel können Impulsparameter
durch Schalter wahlweise eingestellt werden. Die Zeit zwischen Impulsen
kann durch einen Schalter 94 nach unten und durch einen
Schalter 96 nach oben ausgewählt und an einer Anzeige 98 abgelesen werden.
Die Impulslänge
kann durch einen Schalter 100 nach unten und durch einen
Schalter 102 nach oben ausgewählt und bei 104 abgelesen
werden. Schalter 106 und 108 erniedrigen oder
erhöhen
wahlweise die Anzahl der Impulse, welche bei 110 abgelesen
wird. Die Feldstärke
wird an einem Schalter 112 verringert und an einem Schalter 114 erhöht, wobei
der Wert bei 116 angezeigt wird. Die Spannung wird durch
Schalter 118 und 120 nach unten bzw. nach oben
festgelegt, wobei die Werte bei 122 abgelesen werden. Dieser
Spannungswert wird durch den Abstand zwischen den Elektroden (in
cm) und durch die festgelegte Feldstärke (in kV/cm) bei 116 bestimmt
sein. Start- und Stopp-Schalter 124 und 126 ermöglichen
ein Starten und Stoppen des Impulsgenerators.
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Mit
Bezug auf 8 und 9 ist eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung dargestellt und allgemein mit der Bezugsziffer 124 bezeichnet.
Die dargestellte Vorrichtung weist ein längliches, im allgemeinen röhrenförmiges Gehäuse 126 auf
mit einer Längsachse
und einer Querführungskanalanordnung an
einem vorderen oder nahen Ende, in welcher ein Paar von Elektroden
einstellbar montiert ist. Das Gehäuse 126 kann aus irgend
einem geeigneten Material aufgebaut oder ausgebildet sein, jedoch
vorzugsweise aus einem geeigneten nicht leitenden Kunststoffmaterial,
und ist mit einem Quergehäuseabschnitt 128 versehen.
Das Gehäuse 128 bildet
einen allgemein rechtwinklig-kastenförmigen länglichen Führungskanal aus, der aus einer
Rückwand 130,
einer oberen Wand 132 und einer unteren Wand 134 ausgebildet
ist, die an den Enden durch Stirnwände 136 und 138 umschlossen
sind.
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Eine
Doppelwendelschraube 140 ist durch geeignete Stirnlagerzapfen 142 und 144 in
Bohrungen 146 bzw. 148 in den Stirnwänden 136 und 138 drehbar
montiert. Die Doppelwendelschraube 140 weist Schraubenwindungen
auf, die an der Mitte hiervon beginnen und sich in gegenläufigen Wendeln
zu den jeweiligen gegenüberliegenden
Enden hiervon erstrecken. Die Schraube 140 weist ein Ritzel 150 auf,
das in der Mitte hiervon montiert ist. Ein Paar von Elektrodenmontageblöcken oder
-elementen 152 und 154 ist in dem Führungskanal
des Gehäuses 128 eingebaut
und enthält
jeweilige Gewindebohrungen 158 und 160, die mit
den jeweiligen entgegengesetzt gerichteten Schraubengewinden der
drehbaren Schraube 140 im Gewindeeingriff stehen. Die Montageblöcke 152 und 154 sind
jeweils mit Schlitzen oder Aufnahmen 162 und 164 ausgebildet,
in welchen ein Paar von Elektroden 166 und 168 ausbaubar
montiert ist. Die Elektroden 166 und 168 sind
innerhalb der Sockel oder Schlitze 162 und 164 ausbaubar montiert
und sind Wegwerfartikel. Die Elektroden sind etwa durch ein Paar
leitender Kontaktfederplatten 206 und 208 befestigt,
die in Ausnehmungen in Elementen 170 und 172 montiert
sind, welche an Ort und Stelle durch ein Paar von Kopfschrauben
oder dergleichen 174 und 176 montiert sind.
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Ein
Rändelrad 178 weist
eine Verzahnung auf, die mit der Verzahnung des Ritzels 150 auf
der Schraube 140 im Eingriff steht und nach oben über die
Oberseite des Gehäuses
hervorragt, um eine manuelle Drehung durch einen Daumen oder Finger
zu ermöglichen.
Das Rändelrad 178 ist
auf einer geeigneten Welle 180 innerhalb des Gehäuses 126 drehbar
montiert. Das Rändelrad 178 greift
auch durch einen Getriebezug, welcher Zahnräder 184 und 186 beinhaltet,
so in ein Potentiometer 182 ein oder ist mit diesem so
gekoppelt, dass es dieses antreibt. Das Potentiometer 182 ist
durch geeignete Leiter elektrisch mit einem Ausgangsverbinder 188 verbunden, wobei
ein geeignetes Kabel wie etwa ein Telefondraht in eine geeignete,
auf ein Signal ansprechende Einrichtung wie etwa eine Digitalanzeige,
die den Raum zwischen den Elektroden angibt, eingestöpselt und
mit dieser verbunden sein oder direkt mit einer Impulsstromeinheit
verbunden sein kann, um den erforderlichen Eingang bereitzustellen,
um die Ausgangsspannung proportional zu dem Abstand zwischen den
Elektroden einzustellen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist ein Kabel 190 angeschlossen, um ein Signal entsprechend
dem Elektrodenabstand d an einem Mikroprozessor (CPU) 192,
der einen Impulsgenerator 194 steuert, zu übertragen.
Der Mikroprozessor bestimmt V aus einer voreingestellten Feldstärke E (V/cm),
die bei 196 eingegeben wird, und dem Abstand, der von dem
Potentiometer 182 aus eingegeben wird. Die CPU beginnt
dann damit, die Kondensatorbank des Signalgenerators auf die Spannung
V aufzuladen. Der Bediener aktiviert den Generator durch Schließen eines
Schalters 198, und der Generator liefert einen Impuls bzw.
Puls an die Elektroden 166 und 168. Die Elektroden
sind mit dem Impulsgenerator durch ein oder mehrere Kabel 202 und 204 verbunden,
die ein Paar von Leitern aufweisen, welche jeweils über Platten 170 und 172 und
Federclips 206 und 208 mit den Elektroden verbunden
sind. In der dargestellten Ausführungsform
sind die Leiter (von denen nur einer 210 gezeigt ist) mit
leitenden Federclips 206 und 208 verbunden, die
sich in leitendem Eingriff mit Elektroden in den Sockeln befinden,
in welche die Einweg-Elektroden
eingestöpselt
sind.
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Im
Betrieb wird die handgehaltene Abgreifelektrodenanordnung ergriffen
und so positioniert, dass sich die Elektroden 166 und 168 berühren (9),
um das Instru ment zu nullen. Das Instrument wird so eingestellt,
dass der Ablesewert für
die sich berührenden
Elektroden Null beträgt
und ihr maximaler Abstand dem maximalen Zwischenraum zwischen diesen
repräsentiert.
Zwischen diesen zwei Positionen kann eine digitale Ablesung vorgesehen
sein, um eine numerische Angabe des Abstands zwischen den Elektroden
zu zeigen. Die Elektroden werden manuell eingestellt, um gegenüberliegende
Seiten eines Tumors oder eines anderen Körperabschnitts einzuklemmen
oder einzugreifen. Die Elektroden sind mit einem wie zuvor beschriebenen
Impulsgenerator verbunden, der die Fähigkeit besitzt, eine gepulste
Spannung einer ausgewählten
Amplitude anzulegen. Der Abstand zwischen den Elektroden wird durch
Potentiometer 182 abgenommen und in die CPU 192 eingegeben.
Er kann auch auf einer Ablesung notiert werden, und der Abstand
wird in den Impulsgenerator so eingegeben, dass der Generator so festgelegt
wird, dass er eine gewünschte
Spannung je Einheitsabstand zwischen den Elektroden anlegt. Der
Impulsgenerator wird dann durch Schließen des Schalters 198 (z.
B. durch Drücken
eines nicht näher dargestellten
Knopfes) aktiviert, um die vorbestimmte Spannung an die Elektroden
anzulegen und dadurch den Tumor oder anderes Körpergewebe dieser auszusetzen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist der Impulsgenerator 194 mit einer Schnittstelle derart versehen,
dass das rückgeführte Signal,
welches den Abstand zwischen den Elektroden definiert, ein Signal
bereitstellt, welches die durch den Impulsgenerator angelegte Spannung
einstellt, um die gewünschte
Feldstärke
bereitzustellen. Dies erfordert eine einfache Schaltung, wodurch
die durch den Widerstand, der durch das Potentiometer 182 bereitgestellt
ist und der den Abstand zwischen den Elektroden repräsentiert,
repräsentierte
Spannung durch die CPU 192 ausgenutzt wird, um die durch
den Impulsgenerator 194 anzulegende Spannung festzulegen.
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Ein
elektrisches Feld über
eine Zellmembran führt
zu der Erzeugung durchlässiger
Poren, die bezüglich
des Elektroporationsprozesses kritisch sind. Der Impulsstromgenerator
liefert die Spannung (in kV), welche durch das Gewebe in dem Spalt
(in cm) zwischen den Elektroden 166 und 168 wandert.
Diese Potentialdifferenz definiert das, was die elektrische Feldstärke genannt
wird, wobei E kV/cm gleichkommt. Jede Zellart weist ihre eigene
kritische Feldstärke
zur optimalen Elektroporation auf. Dies liegt an Zellgröße, Aufbau
der Membran und individuellen Eigenschaften der Zellwand selbst.
Beispielsweise sind Gram-positive Bakterien ziemlich widerstandsfähig gegenüber einer
Elektroporation und erfordern sehr hohe Feldstärken, d. h. größer als
17 kV/cm, bevor der Zelltod und/oder die Elektroporation auftritt.
Im allgemeinen variiert die erforderliche Feldstärke in umgekehrtem Verhältnis zu
der Größe der Zelle. Säugetierzellen
erfordern Feldstärken
von typischerweise 200 V/cm bis einigen kV/cm.
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Die
verschiedenen Parameter, einschließlich der elektrischen Feldstärken, die
für die
Elektroporation jeder bekannten Zelle erforderlich sind, sind im allgemeinen
aus den vielfältigen
Forschungsberichten, die über
das Thema berichten, wie auch aus einer Datenbank erhältlich,
die durch Genetronics, Inc., San Diego, California, der Anmelderin
der vorliegenden Anmeldung, gepflegt wird. Die elektrischen Feldstärken, die
für die
Elektroporation an Zellen im lebenden Organismus, wie etwa ECT,
benötigt
werden, sind in der Amplitude den Feldern ähnlich, die für Zellen
in vitro erforderlich sind. Diese liegen in dem Bereich von 100
V/cm bis einigen kV/cm. Dies ist durch eigene Experimente des Erfinders
und die anderer, über
die in wissenschaftlichen Publikationen berichtet wurde, verifiziert
worden. Die erste Anwendung gepulster elektrischer Felder in dem
Gebiet der Chemotherapie zur Behandlung von Tumoren am lebenden
Organismus wurde 1987 durch Okino in Japan berichtet.
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Die
erste Gruppe planarer Experimente durch Okino et al. sind an Donryu-Ratten
durchgeführt
worden, in welche karzinome Zellen, die sich in Tumore entwickeln,
injiziert worden sind. Kontrollierte Studien wurden durchgeführt, in
welchen sie als optimale Bedingungen der Behandlung eine Feldstärke von
4–5 kV/cm
und eine Impulslänge
von 3 ms, anzuwenden 30 Minuten nach systemischer Injektion des Antikrebsmittels,
fanden.
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Die
meisten systematischen Studien sind durch Mir und dessen Kollegen
am Gustave-Roussy-Institut in Paris durchgeführt wurden. Mir et al. wendeten
seinen Behandlungsmodus zuerst an nackten oder herkömmlichen
Mäusen
mit subkutan transplantierten Tumoren an. Die Mäuse wurden durch intramuskuläre Injektion
von Bleomycin, gefolgt durch eine Anwendung kurzer intensiver elektrischer
Impulse an der Stelle des Tumors, behandelt. Eine Kontrollstudie
wurde durchgeführt,
in welcher 250 mg des Medikaments in beide Oberschenkel injiziert
wurden und die elektrische Feldstärke von 1,5 kV/cm mit Abständen von
8 × 100
ms Impulsen in einer Minute 30 Minuten nach Injektion des Bleomycins appliziert
wurde. Nach dieser Behandlung mit einer Feldstärke von zwischen 1,2 und 1,5
kV/cm waren 35% geheilt. Niedrigere Spannungen führten zu weniger vollständigen Rückbildungen,
wie auch mehr Rückfällen.
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Mir
et al. führten
die ersten klinischen Versuche mit ECT bei Patienten mit Plattenepithelkarzinomen
an Kopf und Nacken durch und erzielten ermutigende Ergebnisse. Die
Studie beinhaltete sieben Patienten mit 32 Knötchen, die sich in dem vorderen Halsbereich
oder dem oberen Teil des Thorax befanden. Diese wurden mit 10 mg
je qm behandelt, das intravenös
gegeben wurde, und elektrischen Impulsen aus einem Rechteckwellengenerator,
angewendet 3,5 Minuten nach Injektion. Die verwendete Medikamentenmenge
betrug weniger als ein Sechstel der Dosis, die in herkömmlicher
Chemotherapie verwendet wird, bei Feldstärken von etwa 1,3 kV/cm. Die
Impulse variierten mit Abständen
von zwischen 4 und 8 in einer Sekunde. Die Ergebnisse waren 9 teilweise Rückbildungen,
14 vollständige
Rückbildungen,
verzögertes
Wachstum im Vergleich mit einer rapiden Zunahme in unbehandelten
Knötchen
(zwei ohne Änderung,
und die Ergebnisse für
drei wurden nicht aufgezeichnet).
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Die
Natur des zu erzeugenden elektrischen Feldes wird durch die Natur
des Gewebes, die Größe des Tumors
und seinen Ort bestimmt. Es ist wünschenswert, dass das Feld
so homogen wie möglich und
von richtiger Amplitude ist. Übermäßige Feldstärke führt zu Lysis
von Zellen, wohingegen eine niedrige Feldstärke zu reduzierter Wirksamkeit
führt.
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Die
Wellenform des durch den Generator in dem Netzteil 36 oder 194 bereitgestellten
elektrischen Signals kann ein exponentiell abklingender Impuls,
ein Rechteckimpuls, eine unipolar oszillierende Impulskette oder
eine bipolar oszillierende Impulskette sein. Die elektrische Feldstärke kann
0,2 kV/cm bis 20 kV/cm betragen. Die Impulslänge kann 10 μs bis 100
ms betragen. Es können
ein bis hundert Impulse sein. Selbstverständlich sind die Wellenform,
die elektrische Feldstärke
und die Impulsdauer von dem Zelltyp und der Art der Moleküle, die über Elektroporation
in die Zellen eintreten sollen, abhängig.
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Impulsgeneratoren
zum Ausführen
der hierin beschriebenen Prozeduren sind und waren auf dem Markt
eine Anzahl von Jahren erhältlich.
Diese können
leicht modifiziert werden, um eine geeignete Schnittstelle zur Signaleingabe
bereitzustellen, um die Spannung so festzulegen, wie es hierin beschrieben
wurde.
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Ein
geeigneter Signalgenerator ist der ELECTRO CELL MANIPULATOR Modell
ECM 600, der von GENETRONICS, INC. of San Diego, California, U.S.A.
käuflich
zu erwerben ist. Der Signalgenerator ECM 600 erzeugt einen Puls
aus der vollständigen
Entladung eines Kondensators, was zu einer exponentiell abklingenden
Wellenform führt.
Das durch den Signalgenerator ECM 600 erzeugte elektrische Signal
ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine schnelle Anstiegszeit und
ein exponentielles Ende aufweist. In dem Signalgenerator ECM 600
wird die Elektroporationsimpulslänge
durch Auswählen
eines von zehn Zeitsteuerungswiderständen festgelegt, die von R1
bis R10 markiert sind. Diese sind sowohl bei High-VM (Kapazität bei 50
Mikrofarad festgelegt) als auch Low-VM (mit einem Kapazitätsbereich
von 25 bis 3.175 Mikrofarad) aktiv.
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Der
Signalgenerator ECM 600 weist einen Knopf auf, der die Einstellung
der Amplitude der festgelegten Ladespannung, die an die internen
Kondensatoren angelegt wird, von 50 bis 500 Volt bei Low-VM und
von 0,05 bis 2,5 kV bei High-VM erlaubt. Die Amplitude des elektrischen
Signals wird auf einer in dem Signalgenerator ECM 600 eingebauten
Anzeige angezeigt. Diese Vorrichtung beinhaltet ferner eine Mehrzahl
von Druckknopfschaltern zum Steuern der Impulslänge in dem Low-VM-Modus durch
eine simultane Kombination von Widerständen parallel zu dem Ausgang
und eine Bank von sieben auswählbaren
additiven Kondensatoren.
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Der
Signalgenerator ECM 600 enthält
auch einen einzelnen Druckknopf zum automatischen Laden und Pulsen.
Dieser Knopf kann gedrückt
werden, um sowohl die Aufladung der internen Kondensatoren auf die
festgelegte Spannung einzuleiten und einen Impuls an die Durchlaufkammer
zu liefern, was ein automatischer Zyklus ist, der weniger als fünf Sekunden
benötigt.
Der manuelle Knopf kann mehrmals hintereinander gedrückt werden,
um das vorbestimmte elektrische Feld wiederholt anzuwenden.
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Während ich
die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen meines einsetzbaren
Elektroporationsverfahrens und -geräts zum Einbringen von Medikamenten
und Genen beschrieben habe, sollte verstanden werden, dass den Fachleuten
Modifikationen und Anpassungen hiervon einfallen werden. Daher sollte
der Schutz, der meiner Erfindung gewährt wird, nur in Übereinstimmung
mit dem Bereich der nachstehenden Ansprüche beschränkt sein.