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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Zufuhr biologischen
Materials in Zellen, insbesondere die Zufuhr biologischen Materials
in Zellen mit Hilfe von Zufuhrverfahren mittels Partikeln.
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Die
Zufuhr biologischen Materials, insbesondere genetischen Materials,
mittels Partikeln in lebende Zellen und lebendes Gewebe hat sich
zu einem wichtigen Instrument der pflanzlichen und tierischen Biotechnologie
entwickelt. Die vorübergehende
und langfristige Expression von eingebrachtem genetischen Material
aus Zielzellen sowie die erfolgreiche Integration von eingebrachter
DNA in Keimzellen wurden bei einer Vielzahl von Mikroorganismen, Pflanzen
und Tieren nachgewiesen.
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Eine
Beschränkung
bestehender Zufuhrvorrichtung mittels Partikeln ist die Form, in
welcher die biologische Probe bereitgestellt werden muss. Bei solchen
vorbekannten Vorrichtungen wird die biologische Probe auf die Oberfläche kleiner,
dichter Trägerpartikel
aufgebracht, welche aus einem dichten Material wie Gold oder Platin
bestehen. Die beschichteten Partikel werden wiederum auf einer Trägerfläche angeordnet,
zum Beispiel einer steifen Fläche
oder Metallplatte, oder auf einer flachen Trägerfolie aus fragilem Material
wie Mylar. Die Trägerfläche wird
dann auf ein Ziel zu beschleunigt und die beschichteten Trägerpartikel
werden von deren Oberfläche
für die
Zufuhr zu einem Ziel gelöst.
Dieses Vorgehen hat mehrere Vorteile wie auch einige Nachteile.
Ein durch die Verwendung einer Trägerfläche, z. B. einer flachen Folie,
gebotener Vorteil besteht darin, dass eine sehr gleichmäßige Verteilung
beschleunigter Partikel in eine Zielfläche befördert werden kann. Ein Nachteil
besteht darin, dass jede Trägerfläche einzeln
erzeugt werden muss und nur einmal verwendet werden darf, was die
Verwendung solcher Vorrichtungen zeitaufwändig und ineffizient macht.
Dies ist vor allem problematisch, wenn eine wiederholte Zufuhr vorgenommen
werden muss. Jede beschichtete Trägerfläche ist zudem relativ groß und muss
mit Sorgfalt gehandhabt werden, um eine Beschädigung oder Verunreinigung
während des
Ladens einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung zu vermeiden. Es
ist unter Umständen
auch schwierig, die beschichtete Seite einer Trägerfläche von der nicht beschichteten
Seite zu unterscheiden, was die Möglichkeit einer falschen Positionierung
der Trägerfläche in einer
Beschleunigungsvorrichtung erhöht.
Diese falsche Positionierung kann den Durchsatz senken und zu einer
beträchtlichen
Vergeudung von biologischen Proben führen.
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Die
Verteilung bzw. Streuung der von einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung
zugeführten Trägerpartikel
kann bei manchen Anwendungen ausschlaggebend sein, insbesondere
wenn das zugeführte
biologische Material aus genetischem Material besteht. Bei Anwendungen,
bei denen Keimbahn-Transformationsvorgänge erwünscht sind, ist die Notwendigkeit
der Steuerung des Zufuhrmusters von Trägerpartikeln wesentlich akuter
als in anderen Anwendungen, bei denen zum Beispiel nur eine vorübergehende
Expression von eingebrachtem genetischen Material erforderlich ist.
Wenn ein nur gelegentlicher Keimbahn-Transformationsvorgang erwünscht ist,
ist es erforderlich, die Trägerpartikel gleichmäßig hin
zu einer großen
Zielfläche
zu beschleunigen, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass
eine oder mehrere Zielzellen transformiert werden. Somit besteht
ein Vorgehen bei einer solchen Transformation darin, die beschichteten
Trägerpartikel
als Monolayer auf einer relativ großen Trägerfläche zu verteilen. Dies trägt dazu
bei, die Anzahl an Zellen zu maximieren, welche unter exakt gleichmäßigen Bedingungen
Partikel aufnehmen. Bei Anwendungen, bei denen beschichtete Partikel
in die Zellen beschleunigt werden, um eine vorübergehende Genexpression in
somatischem Gewebe wie Haut zu induzieren, ist die Notwendigkeit
weniger zwingend, eine gleichmäßige Partikelverteilung
zu bieten, da eine ausreichende Expression verwirklicht werden kann,
selbst wenn eine relativ kleine Anzahl an Zellen die Partikel aufnehmen.
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In
Partikelbeschleunigungsanwendungen, bei denen beschichtete Partikel
verwendet werden, um Nucleinsäureimpfstoffpräparate zuzuführen, wird ein
eine antigene Determinante kodierendes genetisches Material in ein
Zielgewebe befördert.
In den Zellen, die erfolgreich mit dem genetischen Material transfiziert
wurden, folgt eine vorübergehende
Expression eines Proteins oder Peptids, welches durch das genetische
Material kodiert wurde, was eine Immunreaktion gegen das Protein
oder Peptid hervorruft. Diese und andere therapeutische oder medizinische
Anwendungen von Partikelbeschleunigungstechnologien werfen praktische
Fragen auf, wie zum Beispiel die Notwendigkeit, die Sauberkeit und
eventuell die Sterilität
einer zur Zufuhr der Partikel zu einem Empfänger verwendeten Vorrichtung
zu wahren. Diese Punkte gewinnen eine besondere Bedeutung, wenn
die Vorrichtung bei Massenimpfprojekten verwendet werden soll. Aus
diesen und weiteren Gründen
besteht auf dem Gebiet ein besonderer Bedarf an einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung, die
ohne Verunreinigen von Proben oder Zielen verwendet werden kann,
sowie an einer Vorrichtung, die eine unerwünschte Zufuhr von in der Partikelzufuhrstrecke
eingeschlossenen Partikeln vermeidet.
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WO
95/19799 und WO 96/04947 offenbaren ein Genzufuhrinstrument mit
einer Patronenkammer, einer Austrittdüse und einem Partikelbeschleunigungsdurchlass.
Diese Bauteile sind an einer Antriebskraftquelle angebracht.
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Die
vorliegende Erfindung gibt ein Probenzufuhrmodul zur Verwendung
mit einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung an die Hand. Das Modul kann
zur Zufuhr einer biologischen Probe, beispielsweise Nucleinsäure wie
DNA- oder RNA-Moleküle, Peptide
oder Proteine, zu einer Zielzelle verwendet werden.
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Demgemäß ist in
einer Ausführung
der Gegenstand der Erfindung auf ein Probenzufuhrmodul für den Einmalgebrauch
nach Anspruch 1 gerichtet.
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In
verwandten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist das Probenzufuhrmodul
so aufgebaut, dass die Austrittdüse
eine kegelförmige
Geometrie aufweist, und in einer bevorzugten Ausführung weist
das stromabwärts
gelegene Endstück
der Austrittdüse
einen größeren Durchmesser
als dessen stromaufwärts
gelegenes Endstück
auf und der Abstand zwischen dem stromaufwärts und dem stromabwärts gelegenen
Endstück
der Austrittdüse ist
größer als
durch Durchmesser des stromabwärts gelegenen
Endstücks.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das Probenzufuhrmodul
unabhängig
von einem zugehörigen
Antriebskraft erzeugenden Teil einer Beschleunigungsvorrichtung
ist und dass das Modell für
einen einmaligen Partikelzufuhrvorgang ausgelegt ist, wobei das
Modul ein Einwegmodul ist.
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Die
Verwendung eines Einweg-Probenmoduls vermeidet die Möglichkeit
einer Probenkreuzkontamination zwischen aufeinander folgenden Zufuhren
aus einer Beschleunigungsvorrichtung.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist auch, dass das Probenzufuhrmodul
ein Befestigungsmittel umfassen kann, das eine formschlüssige, druckdichte
Verbindung zwischen dem Modul und einer zugehörigen Antriebskraftquelle vorsieht, und
dass Proben vor Gebrach erzeugt und somit mühelos aufbewahrt und gehandhabt
werden können.
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In
einer weiteren Ausführung
ist die Erfindung auf eine Partikelbeschleunigungsvorrichtung gerichtet,
welche umfasst: (a) einen Instrumentenkörper mit einer sich durch diesen
erstreckenden Leitung, wobei die Leitung ein für das Ankuppeln an einer Druckgasquelle
ausgelegtes erstes Endstück und
ein für
das Ankuppeln an einem Probenzufuhrmodul ausgelegtes zweites Endstück aufweist,
wobei der Instrumentenkörper
weiterhin Betätigungsmittel für das Freigeben
eines Gasstroms durch die Leitung umfasst; und (b) ein wie oben
beschriebenes Probenzufuhrmodul, wobei die Druckgasquelle die Antriebskraftquelle
ist und das stromaufwärts
gelegene Endstück
der Patronenkammer mit dem zweiten Endstück der Leitung des Instrumentenkörpers verbunden
ist.
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In
verwandten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst die
Partikelbeschleunigungsvorrichtung ein Betätigungsmittel, welches aus einem
Ventil oder einer zerreißbaren
Membran besteht und in dem Instrumentenkörper zwischen dem ersten und
zweiten Endstück
der Leitung angeordnet ist, um das Strömen von Gas durch diese zu
steuern.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung unter Zusammenschau mit den Begleitzeichnungen
hervor. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Partikelbeschleunigungsvorrichtung.
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2 eine
schematische Abbildung, welche die Wirkungen bei Ändern des
Winkels der Austrittdüse
zeigt.
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3 eine
Seitenansicht einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung, welche den
verbesserten erfindungsgemäßen Zufuhrteil
umfasst.
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4 eine
Seitenansicht einer Ausführung des
verbesserten erfindungsgemäßen Zufuhrteils.
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5 eine
seitliche Schnittansicht entlang Linie 5-5 von 4.
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6 und 7 Endansichten
der Ausführung
von 4.
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8 eine
seitliche, frei geschnittene Ansicht einer rohrförmigen Probenpatrone zur Verwendung
in der als Beispiel herangezogenen Ausführung.
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Vor
einer eingehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung muss darauf
hingewiesen werden, dass diese Erfindung nicht auf die jeweiligen Partikelzufuhrvorrichtungen
oder auf die jeweiligen Trägerpartikel
beschränkt
ist, da diese natürlich
unterschiedlich sein können.
Es versteht sich auch, dass verschiedene Ausführungen der offenbarten Probenzufuhrmodule
und der zugehörigen
Vorrichtungen auf die spezifischen Bedürfnisse des Gebiets zugeschnitten
werden können.
Ferner versteht sich, dass die hier verwendete Terminologie lediglich
dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungen der Erfindung dient
und nicht einschränkend
gedacht ist.
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Zu
beachten ist, dass der bestimmte und unbestimmte Artikel im Singular
auch den Plural einschließt,
es sei denn der Inhalt schreibt ausdrücklich etwas Gegenteiliges
vor. Somit umfasst der Hinweis auf „einen beschichteten Partikel" einen Hinweis auf Gemische
aus zwei oder mehr Partikeln und dergleichen.
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Die
vorliegende Erfindung gibt ein Probenzufuhrmodul zur Verwendung
in einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung an die Hand. Das Probenzufuhrmodul
ermöglicht
eine reproduzierbare, aufeinander folgende Zufuhr von Partikeln,
welche mit einem biologischen Material, beispielsweise genetischem
Material, beschichtet sind, in eine Empfängerzelle oder ein Zielgewebe.
Das Modul ist unabhängig
und ist mit einem Teil eines Partikelbeschleunigungsinstruments verbindbar,
das eine ausreichende Antriebskraft für das Zuführen der beschichteten Partikel
hin zu und in ein Ziel erzeugt. In bestimmten Ausführungen
ist das Probenzufuhrmodul so konfiguriert, dass es ein schnelles
An- und Abkuppeln desselben an einer zugehörigen Antriebskraftquelle zulässt. Weiterhin
ist das Zufuhrmodul eine entsorgbare Vorrichtung für den Einmalgebrauch.
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In
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen
ist das Probenzufuhrmodul aus einem kostengünstigen Polymermaterial gebildet
oder geformt, beispielsweise einem thermoplastischen Harz, was es
wirtschaftlich praktikabel macht, das Probenzufuhrmodul nach einmaligem
Gebrauch wegzuwerfen. Alternativ kann das Probenzufuhrmodul aus
einem elastischeren und wieder verwendbaren Material bestehen, beispielsweise
aus Materialien, die Reinigungsvorgängen standhalten können, die
für das Entfernen
und/oder Vernichten von verbleibenden biologischen Materialien ausreichen.
Das Probenzufuhrmodul kann zum Beispiel aus einem Material bestehen,
das herkömmlichen
Sterilisierungsprozessen standhalten kann. Geeignete Materialien
umfassen Polycarbonate oder Polypropylene, die bei der Herstellung
von Vorrichtungen oder Instrumenten medizinischer Qualität häufig verwendet
werden.
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Bei
Verwendung in einem klinischen Umfeld ist vorgesehen, dass das Probenzufuhrmodul
in einem abgedichteten, sterilen Behälter vorgesehen werden kann,
wie er häufig
zur Aufbewahrung von medizinischen Vorrichtungsteilen für den Einmalgebrauch,
wie Einwegspritzen, verwendet wird.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung, welche das allgemeine Verfahren für den Betrieb
eines Partikelbeschleunigungsinstruments unter Einbeziehung der
vorliegenden Erfindung veranschaulichen soll. Die in 1 gezeigten
Bauteile der Vorrichtung werden an einigen Stellen der Klarheit
halber in leicht auseinander gezogener Ansicht gezeigt. Diese bestimmte
Darstellung soll das grundlegende Funktionsprinzip einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung
veranschaulichen, nicht Konstruktionseinzelheiten zeigen.
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Unter
Bezug nun auf die in 1 dargestellte Vorrichtung ist
eine Trägerpartikelpatrone 14 in dem
Instrument angeordnet. Die Partikelpatrone 14 ist eine
längliche
konkave oder rohrförmige
Konstruktion, welche einen durch ihre Mitte verlaufenden konkaven
hohlen Durchlass aufweist. Es sind mehrere Trägerpartikel 16 am
Inneren der Patrone angeordnet. Die Trägerpartikel, welche nachstehend
eingehender beschrieben werden, sind kleine, dichte Partikel, die
zuvor mit einem biologischen Material, z. B. DNA oder RNA, beschichtet
wurden, das in eine Zielzelle oder ein Zielgewebe befördert werden
soll. Die Trägerpartikel
können
alternativ mit anderen Arten von biologischen Materialien wie Peptiden,
Cytokinen, Hormonen oder Proteinen beschichtet werden. Ein Betätigungsmittel 18,
zum Beispiel ein Gasventil oder eine zerreißbare Membran, ist stromaufwärts der
Trägerpartikelpatrone
angeordnet und steht über eine
geeignete Leitung 17 in Fluidverbindung mit dem Inneren
der Trägerpartikelpatrone 14.
Das Betätigungsmittel
steht über
einen geeigneten Schlauch, welcher im Allgemeinen bei 13 gezeigt
ist, mit einer Quelle für
Druckgas 12 in Verbindung. Die Quelle für Druckgas 12 kann
ein herkömmlicher
handelsüblicher
Druckgasbehälter
sein, vorzugsweise mit einem reaktionsträgen Druckgas wie Helium. Ein
Druckgasspeicher ist im Allgemeinen zwischen der Gasquelle 12 und
dem Betätigungsmittel 18 wünschenswert;
jedoch kann der Schlauch 13 als solcher Speicher fungieren.
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Neben
der Trägerpartikelpatrone
befindet sich eine Mündung 20,
welche eine Fluidverbindung zum Inneren einer Beschleunigungskammer 22 erzeugt,
welche wiederum mit einer kegelförmigen Austrittdüse 24 in
Verbindung steht. Das Ziel, z. B. ein Patient, ein Gewebe oder eine
Zelle, wird in der Figur mit 19 bezeichnet.
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Bei
allgemeinem Betrieb der Vorrichtung von 1 wird das
Betätigungsmittel 18 für die Abgabe eines
Druckgasstoßes
verwendet, welches in dem durch den Schlauch 13 gebildeten
Speicher gehalten wird. Ein zwischen dem Betätigungsmittel 18 und
der Austrittdüse 24 angeordneter
Partikelbeschleunigungsdurchlass bildet eine Strecke, durch welche das
abgegebene Gas einen sich bei beträchtlicher Geschwindigkeit fortbewegenden
Gasstrom erzeugt. Der Gasstrom beschleunigt durch den Partikelbeschleunigungsdurchlass
und löst
bei Durchtreten durch das Innere der Partikelpatrone 14 die
Trägerpartikel 16 ab.
Der beschleunigende Gasstrom, welcher die abgelösten Partikel enthält, tritt
durch die Kammer 22 und in die Austrittdüse 24.
Auf diese Weise werden die Trägerpartikel
von dem Instrument und in das Ziel 19 befördert, wo
sich die Trägerpartikel
in den Zellen des Ziels oder Patienten festsetzen, diese aber nicht
vernichten.
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Ein
besonders wichtiges Merkmal der Vorrichtung von 1 ist
die Geometrie der Austrittdüse 24.
Unter Bezug nun auf 2 werden drei verschiedene mögliche Geometrien
der Austrittdüse 24 schematisch
als Versionen A, B und C gezeigt. Ferner wird die Wirkung dieser
verschiedenen Austrittdüsengeometrien
auf das Zufuhrmuster der Trägerpartikel 16 dargestellt.
In Version A weitet sich die Austrittdüse 24 hin zu ihrem
stromabwärts
liegenden Ende nicht wesentlich. Dadurch tritt der austretende Gasstrom
im Wesentlichen linear von der Austrittdüse 24 aus und begibt
sich direkt hin zum Ziel. Dadurch bewegen sich die Trägerpartikel
weiterhin auf einer relativ geraden Strecke und liefern ein zielgerichtetes
Zufuhrmuster, das auf einen relativ schmalen Bereich 25 des
Ziels auftrifft. Die Partikel 16 weichen zwar etwas von
ihrem linearen Flug ab, doch ist das Abweichen recht gering und
unerheblich.
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Analog
weist die Austrittdüse 24 in
Version B von 2 einen außergewöhnlich breiten Winkel einer
konischen Verjüngung
hin zu ihrem stromabwärts gelegenen
Endstück
auf. Bei dieser Konfiguration tritt der Gasstrom recht geradlinig
aus dem Instrument aus und die Trägerpartikel 16 streuen
nicht breit. Die Partikel treffen wiederum auf einem relativ kleinen Teil 25 des
Ziels auf.
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Ein
wesentlich anderes Zufuhrmuster wird aber erhalten, wenn der Verjüngungswinkel
der kegelförmigen
Austrittdüse
unter einem kritischen Winkel liegt. Dieses Phänomen wird als Version C in 2 gezeigt.
Wenn der beschleunigte Gasstrom in die Austrittdüse gelangt, erzeugt er insbesondere durch
eine Wirbelwirkung ein Vakuum zwischen der Durchtrittstrecke des
Gasstroms und den Seiten der Austrittdüse 24. Dieses Vakuum
bewirkt, dass der Gasstrom in alle Richtungen senkrecht zur Fortbewegungsrichtung
des Gasstroms nach außen
gezogen wird. Auf diese Weise werden der Gasstrom und die in dem
Gasstrom mitgeführten
Partikel in einer Richtung seitlich der Hauptachse der Austrittdüse (d. h. der
Fortbewegungsrichtung der Partikel) gestreut. Dadurch wird, wie
in Version C von 2 ersichtlich ist, der aus dem
Instrument austretende Gasstrom seitlich über einer breiteren Fläche gestreut,
wodurch die Trägerpartikel 16 über einer
breiteren Fläche
verteilt werden und ein verbessertes Zufuhrprofil über einer
viel größeren Fläche 25 des
Ziels erzeugt wird, als dies der Fall wäre, wenn die kegelförmige Austrittdüse nicht
so geformt wäre.
Dies vermeidet ein Überdosieren
einer kleinen Fläche
des Ziels mit Trägerpartikeln
und sieht eine relativ breite und gleichmäßige Verteilung der Trägerpartikel
ohne Notwendigkeit einer mechanischen Verteilung der Partikel oder
komplizierter Gasumleitungs- oder Gasverteilungsgeräte vor.
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Der
exakte Verjüngungswinkel
der kegelförmigen
Austrittdüse 24 ist – abhängig vom
verwendeten Gasdruck und der Größe der Beschleunigungskammer 22 – von Ausführung zu
Ausführung
unterschiedlich. Bei einem Instrument, welches einen handelsüblichen
Heliumbehälter
als Antriebskraftquelle verwendet, wobei die Beschleunigungskammer 22 einen
Durchmesser von etwa 1,6 mm (1/16 Zoll) hat, liefert eine Austrittdüse, welche über eine
Spanne von 84 mm (3,3 Zoll) von 1,6 mm (1/16 Zoll) auf 17 mm (2/3
Zoll) zuläuft,
ein zufrieden stellendes Partikelverteilungsmuster, das eine Zielfläche mit
einem Durchmesser von etwa 1,6 mm (1/16 Zoll) bis etwa 17 mm (2/3
Zoll) abdeckt. Dies stellt eine 100fache Zunahme des Partikelverteilungsmusters
dar, mit einer gleichzeitigen 100fachen Abnahme der Partikelverteilungsdichte.
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Somit
muss in bevorzugten Ausführungen die
konische Austrittdüse 24 entlang
ihrer Hauptachse wesentlich länger
sein (z. B. 84 mm (3,3 Zoll)), als sie an ihrem stromaufwärts oder
stromabwärts
befindlichen Endstück
breit ist (z. B. 1,6 mm bis 17 mm (1/16 Zoll bis 2/3 Zoll)). Eine
Düse mit
einer konischen Verjüngung,
die einen Durchmesser aufweist, der größer ist als ihre Länge, liefert
für die
Zwecke der Erfindung keine geeignete Streuung von Trägerpartikel.
Es ist aber nicht erforderlich, dass die kegelförmige Austrittdüse eine
kontinuierlich kegelförmige Innengeometrie
aufweist. Die Austrittdüse
kann zum Beispiel mehrere kleine gestufte Durchmesserzunahmen an
Stelle einer kontinuierlichen Durchmesserzunahme aufweisen, ohne
dass ihre Gesamtfunktion nachteilig beeinflusst wird.
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Durch
Abändern
des Drucks des Gases kann die Kraft, mit der die Partikel auf das
Ziel 19 auftreffen, geändert
werden. Bei der praktischen Umsetzung der Erfindung muss der von
der Antriebskraftquelle gelieferte Gasdruck ausreichen, um die beschichteten
Partikel 16 von der Patrone 14 zu lösen, darf
aber nicht so groß sein,
dass das Ziel 19 beschädigt
wird. Bei Befördern
von beschichteten Partikeln in die unversehrte Haut eines Tiers
hat sich gezeigt, dass ein abgelassener Gasstrom die Zielhautfläche nicht
schädigt.
Bei manchen höheren
Gasdrücken tritt
eine gewisse geringfügige
Rötung
der Haut bei sehr tolerierbaren Werten ein. Ein regulierter Gasdruck,
wie er z. B. bei im Handel erhältlichen
Behältern
mit verdichtetem Helium verfügbar
ist, hat sich für
das Ablösen
der Trägerpartikel 16 und
das Zuführen
derselben in die Hautzellen eines Zieltiers ohne nachteilige Schädigung der
Zielhaut oder Zielzellen als zufrieden stellend erwiesen. Niedrigere
Drücke oder
höhere
Drücke
können – abhängig von
der Dichte der Trägerpartikel,
der Beschaffenheit der Zielfläche
und der erwünschten
Tiefe des Eindringens der Partikel – bei bestimmten Anwendungen
geeignet sein. Die mit der Zufuhr von Trägerpartikeln in Schweinehaut
verbundenen Zufuhrparameter sind aufgrund der mechanischen Ähnlichkeit
zwischen menschlicher Haut und Schweinehaut analog zu den bei der
menschlichen Haut erwarteten Parametern.
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Die
Partikelpatrone 14 kann aus einer konkaven Konstruktion
gebildet werden, vorzugsweise einer rohrförmigen Konstruktion, und weist
an ihrer Innenfläche
aufgebrachte Partikel auf. Diese Partikelpatronen können mühelos gehandhabt
werden, ohne die Trägerpartikel
zu berühren,
wodurch die Unversehrtheit und eventuell die Sterilität der Probe
gewahrt wird. Im Rahmen der Erfindung sind zwar viele Formen und
Geometrien der Partikelpatrone 14 möglich, doch kann eine einfache
und funktionsfähige Version
mit Hilfe eines kurzen Schlauchsegments bestehend aus einem im Wesentlichen
reaktionsträgen Polymermaterial
wie Poly(ethylentetra-Fluorethylen), welches unter der Handelsbezeichnung
Tefzel® erhältlich ist,
erzeugt werden. Der Schlauch bildet einen Zylinder mit einem Durchlass
durch seine Mitte. Ein Vorteil einer solchen rohrförmigen Konstruktion liegt
darin, dass die mit einem biologischen Material beschichteten Trägerpartikel
an der Innenfläche
des Schlauchs aufgebracht werden und dadurch nicht die Wände der
Zufuhrvorrichtung berühren
und eventuell kontaminieren. Ein Verteil bei Verwendung eines Materials
wie Tefzel® liegt
darin, dass es transparent ist, was das visuelle Identifizieren
der geladenen Patronen zulässt.
Dieses Identifizieren erfolgt anhand des Aussehens der Patrone,
welche zum Beispiel erkennbar goldstichig ist oder einen sichtbaren
Goldstreifen hat, wenn Goldträgerpartikel
verwendet werden. Der Innendurchmesser der Patrone muss nur so groß sein,
dass darin Patronen gelagert werden können und ein ausreichender
Gasstrom durch diese bei einem für
das Ablösen
der Partikel ausreichenden Druck zugelassen wird. Die Patrone 14 muss
aber nicht rohrförmig
sein und kann in jeder geeigneten konkaven Form konfiguriert sein,
in welcher das mit Druck beaufschlagte Gas eingeschlossen werden kann.
Solche alternativen Geometrien gewährleisten, dass die abgelösten Partikel 16 nicht
gestreut werden und somit durch den Gasstrom hin zum Ziel geführt werden.
Die Patrone 14 kann beispielhaft aus einem Halbrohr bestehen,
in welchem Trägerpartikel 16 abgeschieden
sind. Das Halbrohr kann dann durch eine ebene oder nicht ebene Fläche der
Vorrichtung dicht abgedeckt werden, um eine halbzylindrische Bahn
zu bilden, durch welche das Gas strömen kann. Diesbezüglich sind
die jeweiligen Geometrien der Probenpatrone und der umgebenden Kammer,
welche durch eine Fläche
der Vorrichtung gebildet wird, nicht ausschlaggebend, solange die
Geometrien zusammen den Gasstrom von der Patrone 14 zu
dem Ziel 19 führen.
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Geeignete
Trägerpartikel 16 zur
Verwendung in der Probenpatrone 14 können aus jedem biologisch reaktionsträgen Material
hoher Dichte bestehen. Dichte Materialien sind bevorzugt, um Partikel zu
erzeugen, die über
eine kurze Strecke mühelos auf
ein Ziel zu beschleunigt werden können, wobei die Partikel verglichen
mit den Zellen, in die sie befördert
werden sollen, immer noch von der Größe her klein genug sind. Es
wurde festgestellt, dass Trägerpartikel
mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ein paar Mikron mühelos in
lebende Zellen eindringen können,
ohne diese Zellen übergebührlich zu verletzen.
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Für die Zwecke
der Erfindung können
Wolfram-, Gold-, Platin- und Iridium-Trägerpartikel
verwendet werden. Wolfram- und Goldpartikel sind bevorzugt. Wolframpartikel
sind in durchschnittlichen Größen von
0,5 bis 2,0 μm
Durchmesser gut erhältlich
und sind dadurch für
die intrazelluläre
Zufuhr geeignet. Wenngleich diese Partikel eine optimale Dichte
zur Verwendung bei Partikelbeschleunigungsverfahren aufweisen und
eine höchst
effiziente Beschichtung mit Nucleinsäuren zulassen, kann Wolfram
für bestimmte
Zelltypen möglicherweise
toxisch sein. Daher ist Gold ein bevorzugtes Material für die Trägerpartikel 16,
da Gold eine hohe Dichte aufweist, gegenüber biologischen Materialien
relativ reaktionsträge
ist und oxidationsresistent ist und in Form von Kugeln mit einem
durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,2 bis 3 μm problemlos
verfügbar
ist. Kugelförmige
Goldpartikel oder Goldperlen in einem Größenbereich von 1–3 Mikron
werden bei Partikelbeschleunigungstechnologien erfolgreich eingesetzt, ebenso
wie Gold in Form eines mikrokristallinen Pulvers mit einem gemessenen
Größenbereich
von etwa 0,2 bis 3 μm.
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Es
kann eine große
Anzahl an Probenpatronen 14, wie z. B. die rohrförmige Konstruktion
von 8, welche anhaftende Trägerpartikel 16 aufweisen,
in einem einzelnen Vorgang erzeugt werden. Diesbezüglich werden
zwei verschiedene Anwendungsverfahren erfolgreich eingesetzt.
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Bei
einem ersten Verfahren wird eine Suspension aus Trägerpartikeln,
die mit einem interessierenden biologischen Material beschichtet
sind, in ein Stück Kunststoffschlauch
eingebracht. Man lässt die
Partikel unter der Wirkung der Schwerkraft entlang des Bodens der
Innenfläche
des Schlauchs absetzen. Bei Setzen bilden die Partikel ein Band
von Partikeln entlang der gesamten Länge des Schlauchs, und es kann
Flüssigkeit
aus der Partikelsuspension vom Schlauch abgelassen werden. Bei Entnehmen
der Flüssigkeit
wird der Schlauch gerollt, um die Partikel über der gesamten Innenfläche des Schlauchs
zu verteilen, und die verteilten Partikel werden unter einem Strom
von trocknendem Gas wie z. B. Stickstoff getrocknet. Der Schlauch
kann dann auf Längen
zugeschnitten werden, die für
das Einführen
in eine Probenkammer einer Partikelzufuhrvorrichtung geeignet sind.
Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die Anzahl beschichteter
Partikel, die für
die Übertragung
zur Verfügung
stehen, durch Einstellen der Konzentration der Partikelsuspension
oder durch Einstellen der Länge
des zur Ausbildung einer Patrone verwendeten Schlauchs variiert
werden kann. Er wird auch erkennen, dass Probenpatronen, welche
in der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, auf andere Art hergestellt
werden können,
als gerade beschrieben wurde.
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Ein
zweites Verfahren für
das Beschichten der Innenfläche
einer rohrförmigen
Konstruktion verwendet eine leichte Klebewirkung, um die Trägerpartikel 16 an
der Partikelpatrone 14 zu befestigen. Es hat sich herausgestellt,
dass die Verwendung eines leichten Klebstoffs dazu beiträgt sicherzustellen, dass
die Partikel gut beschleunigt werden, indem man sie zeitweilig an
der konkaven Innenfläche
der Patrone anhaften lässt,
bis der Gasstrom einen angemessenen Zufuhrdruck erreicht. Um dies
zu verwirklichen, wird ein Zusatz verwendet, wenn die Partikel in
Alkohol suspendiert sind. Zusätze,
die nur schwach haftend wirken und die erfolgreich eingesetzt wurden,
sind Polyvinylpyrrolidon (PVP), Cholesterin, Glycerin und Wasser.
Cholesterin wird zum Beispiel bei einer Rate von 1 mg Cholesterin
pro ml Alkohol in der Suspension verwendet. Die Partikel-/Alkoholsuspension
wird mit Ultraschall behandelt, um zum Halten der Partikel in der
Suspension beizutragen, und die Suspension wird auf die Innenfläche der
Patrone 14 zum Haften gebracht, welche auf ihre Seite gelegt
wurde. Die Trägerpartikel
werden entlang einer Seite der Innenfläche der Patrone schnell aus
der Suspension ausgefällt.
Der Alkohol kann dann entfernt und das Innere der Patrone mit einem
Stickstoffstrom getrocknet werden, während der Schlauch gedreht
wird.
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Unter
Bezug nun auf 3 wird eine Seitenansicht einer
Ausführung
einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung, welche allgemein bei 10 dargestellt
wird, mit eingebautem Einweg-Probenzufuhrmodul gezeigt, welches
erfindungsgemäß konstruiert wurde.
Die Vorrichtung 10 ist von Hand bedienbar und tragbar,
so dass sie von einem Bediener mühelos
gehandhabt und bewegt werden kann.
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Unter
Hinwendung auf die Einzelheiten der Vorrichtung von 3 umfasst
der Antriebskraft erzeugende Teil der Vorrichtung einen Handgriff 28, welcher
vorzugsweise länglich
ist und von jeder geeigneten Form oder Größe sein kann, welche für die Bedürfnisse
und den Komfort eines jeweiligen Bediener ausgelegt ist. Wie in 3 gezeigt
wird, kann der Handgriff 28 in Form eines Pistolengriffs
ausgebildet sein, um dem Bediener einen festen Griff und mühelosen
Zugang zu einem Betätigungsmittel 30,
z. B. einem Ventilauslösemechanismus,
zu geben, der von einer Kappe 29 abgedeckt sein kann, welche
mit dem Betätigungsmechanismus 30 greift,
wenn sie von einem Bediener gedrückt
wird.
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Ein
Einlassschlauch 32 oder eine Leitung verläuft durch
den Handgriff 28, wobei der Einlassschlauch an beiden Enden
offen ist und aus einem festen Material besteht, welches Gas bei
den für
die Zufuhr von Partikel aus der Vorrichtung erforderlichen Drücken enthalten
kann. In bevorzugten Ausführungen
bestehen der Einlassschlauch 32 und alle anderen Teile
der Vorrichtung (mit Ausnahme der Probenpatrone), die den unter
Druck stehenden Gasstrom kontaktieren, aus einem nicht verformbaren festen
Material wie Metall, z. B. Messing, oder einem Polymermaterial hoher
Dichte. Der Einlassschlauch 32 kann in dem Instrument durch
Buchsen oder dergleichen ortsfest befestigt werden. Der Einlassschlauch 32 dient
als Speicher, welcher ein abgebbares Gasvolumen unter ausreichendem
Betriebsdruck liefert, um eine Zufuhr beschleunigter Partikel zu
verwirklichen. Die Maße
des Einlassschlauchs 32 sind nicht ausschlaggebend und
können
vergrößert oder verkleinert
werden, um ein ausreichendes Volumen von Gas unter Druck aufzunehmen.
Alternativ kann ein separater, eigens vorgesehener Gasspeicher vorgesehen
werden, wenn das Volumen in dem Einlassschlauch 32 unzureichend
ist.
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An
einem Endstück
des Einlassschlauchs 32 befindet sich ein Verbindungsstück 31,
das sich durch einen biegsamen Schlauch mit einer externen Gasquelle,
welche allgemein bei 12 gezeigt wird, verbinden lässt. Das
Verbindungsstück 31 ist
vorzugsweise eine Schnellkupplung einer häufig bei Druckluftvorrichtungen
verwendeten Art, welche Gase bei höheren Drücken einsetzen. Die Gasquelle
kann einer handelsüblicher
Behälter
sein, welcher ein biologisch und chemisch reaktionsträges Druckgas
enthält.
Das reaktionsträge
Gas ist vorzugsweise Helium. Der Druck, bei welchem Gas die Gasquelle
verlässt,
wird vorteilhafterweise durch ein herkömmliches Druckregelventil geregelt.
Ein für
den Bediener sichtbares Messelement kann zur Anzeige des Drucks
in der Vorrichtung verwendet werden.
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Ein
Betätigungsmittel 34,
beispielsweise ein Ventil oder eine zerreißbare Membran, ist mit dem gegenüberliegenden
Endstück
des Einlassschlauchs 32 verbunden. Das Betätigungsmittel
wird zur Steuerung des Gasstroms aus dem Einlassschlauch 32 zu dem
Probenzufuhrteil der Vorrichtung 10 verwendet. In der Ausführung von 3 ist
das Betätigungsmittel 34 ein
elektrisch betätigtes
Magnetventil, das durch einen Auslösemechanismus 30 an
dem Handgriff 28 gesteuert wird. Drähte, welche das Magnetventil
mit dem Auslösemechanismus
verbinden, können
in dem Handgriff 28 angeordnet werden, um die Sicherheit
und Bedienbarkeit der Vorrichtung zu verbessern. Eine abnehmbar
befestigbare Abdeckplatte 36 bietet Zugriff auf die internen
elektrischen Verbindungen des Auslösemechanismus 30.
Ein Verdrahtungskanal 38, welcher durch den Handgriff 23 verläuft, bietet
einen geschützten
Durchlass für
Drähte, welche
den Auslösemechanismus 30 und
das Betätigungsmittel 34 verbinden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die bestimmte Art von Betätigungsventil
und auch nicht auf einen bestimmten Auslösemechanismus beschränkt. Diesbezüglich sind
viele Ventil- und
Auslösemechanismen bekannt,
die von einem Durchschnittsfachmann an Stelle der in 3 abgebildeten
Kombination eingesetzt werden können.
Es können
federbelastete Kugelventile verwendet werden, ebenso wie Betätigungsmechanismen,
die durch Reißen
oder Brechen eines fragilen Verschlusses arbeiten, um einen beschränkten Strom
druckbeaufschlagten Gases freizusetzen. Solche Kombinationen sind
zur Verwendung in dieser Anmeldung geeignet, solange der Betätigungsmechanismus
dem Druck des aus dem Einlassschlauch 32 eindringenden
Gasstroms standhalten kann.
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Der
Fluidauslass des Betätigungsmittels 34 umfasst
ein Gasauslassrohr 39, welches mit dem Ventil gekoppelt
ist, und ein Endstück-Verbindungsstück 37,
welches dafür
ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Probenzufuhrmodul
(welches allgemein bei 40 gezeigt wird) aufzunehmen. Um
das mühelose
und wiederholte Anbringen und Abnehmen des Probenzufuhrmoduls 40 zu
erleichtern, kann das Verbindungsstück 37 eine Schnellkupplung
der oben erwähnten
Art sein.
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Die
vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf dem Probenzufuhrmodul 40 und
zum Teil auf dem Gebrauch desselben mit einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung 10,
welche eine geeignete Antriebskraft vorsehen kann. Das Probenzufuhrmodul 40 umfasst
die erforderlichen Elemente zur Zufuhr einer Probe zu einem Ziel,
wenn diese mit dem Antriebskraft erzeugenden Teil des Instruments 10 verbunden
ist. Das Probenzufuhrmodul 40 wird unter Bezug auf die 4–7 eingehender
beschrieben. Wie in 4 gezeigt wird, umfasst eine
bestimmte erfindungsgemäße Ausführung ein
Befestigungsmittel 42 für
das schnelle Verbinden des Probenzufuhrmoduls mit dem Verbindungsstück 37.
In dieser Ausführung
umfasst das Befestigungsmittel 42 ein Endfitting, das von
Größe und Form
her für das
sichere Greifen des Verbindungsstücks 37 ausgelegt ist.
Die bestimmte Größe und Form
des sichernden Endfitting ist nicht ausschlaggebend, solange sie
der des Verbindungsstücks 37 entspricht, so
dass das Probenzufuhrmodul während
des Betriebs fest mit der Antriebskraftquelle gekoppelt werden kann.
Diesbezüglich
ist es bevorzugt, dass das Befestigungsmittel binnen Sekunden in
Eingriff bringbar und lösbar
ist.
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Das
Endfitting des Befestigungsmittels 42 wird in 4 als
die Art von Schnellkupplung gezeigt, welche häufig als „Swagelok"-Schnellkupplung bezeichnet wird. Das
Endfitting des Befestigungsmittels umfasst drei zylinderförmige Teile 44, 46 und 48.
Im Verlauf vom stromaufwärts
befindlichen Endstück des
Endfitting zum mittleren Teil des Probenzufuhrmoduls 40 wird
der Durchmesser jedes zylinderförmigen
Teils zunehmend größer. Der äußerste zylinderförmige Endteil 44 selbst
endet in einem stumpfkegeligen Segment 50. Zwischen dem
zylinderförmigen Endteil 44 und
dem mittleren zylinderförmigen
Teil 46 bietet ein zweites stumpfkegeliges Segment 52 einen allmählichen Übergang
vom Durchmesser des ersten zylinderförmigen Teils 44 zu
dem des zweiten zylinderförmigen
Teils 46. Zwischen dem zweiten zylinderförmigen Teil 46 und
dem dritten zylinderförmigen Teil 48 ist
kein solcher allmählicher Übergang
vorgesehen. Dadurch ergibt sich ein abrupter Durchmesseranstieg
der bevorzugten Ausführung
von dem zweiten zylinderförmigen
Teil 46 zu dem dritten zylinderförmigen Teil 48. Der
dritte zylinderförmige
Teil 48 bietet eine praktischen Handgriff für einen
Bediener und erleichtert das Einrücken des Probenzufuhrmoduls
in das Verbindungsstück 37.
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Es
können
bei der Umsetzung der Erfindung eine Reihe anderer schnellkupplungsartiger
Verbindungsstücke
verwendet werden. Insbesondere ist zum Beispiel beabsichtigt, dass
ein „Luer-Lok" Ansatz der an Spritzen
verwendeten Art an Stelle des in der gezeigten Ausführung von 4 abgebildeten Befestigungsmittels
treten kann.
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Bevorzugt
ist auch, dass das Befestigungsmittel 42 formschlüssig mit
dem Verbindungsstück 37 greifen
kann. Zum Beispiel kann eine ringförmige Nut 54 an der
Außenfläche des
zweiten zylinderförmigen Teils 46 vorgesehen
werden. Die Nut kann von Größe und Form
her so ausgelegt werden, dass sie von einer durch das Verbindungsstück vorgesehenen
Arretierung formschlüssig
gegriffen wird. Diesbezüglich können eine
Vielzahl von Kugeln (z. B. von der in einem Kugellager gefundenen
Art) als Arretierungsmittel in dem Verbindungsstück 37 vorgesehen werden. Die
Kugeln und die ringförmige
Nut 54 werden so angeordnet, dass bei Anziehen des Verbindungsstücks 37 die
Kugeln in der ringförmigen
Nut 54 zum Sitzen kommen, wo sie bis zum Abkuppeln des
Verbindungsstücks 37 bleiben.
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Ein
Verbindungsteil 56 ist neben dem Endfitting 42 angeordnet.
Der Verbindungsteil 56 weist vorzugsweise eine zylinderförmige Geometrie
auf und weist in einer Ausführung
einen kleineren Durchmesser als der dritte zylinderförmige Teil 48 des
Befestigungsmittels 42 auf. Auf diese Weise ist der dritte
zylinderförmige
Teil 48 während
des Einbaus des Probenzufuhrmoduls 40 zugänglich.
Eine kegelförmige Austrittdüse 58 ist
am gegenüberliegenden
Ende des Verbindungsteils 48 angeordnet. Die Austrittdüse 58 ist
wie hier vorstehend beschrieben konfiguriert. Diesbezüglich ist
der Durchmesser der kegelförmigen
Austrittdüse 58 vorzugsweise
nahe dem Verbindungsteil 56 schmäler als an ihrem gegenüberliegenden
Ende. Die bestimmten Maße
und der Kegelwinkel der Austrittdüse 58 hängen von
dem Eingangsgasdruck des Instruments ab.
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Optional
können
Abstandsschenkel 60 mit dem breiteren, stromabwärts befindlichen
Endstück der
Austrittdüse 58 verbunden
sein. Die Abstandsschenkel 60 werden im Allgemeinen so
gewählt,
dass sie eine geeignete Länge
für die
Zufuhr von Partikeln zu einem erwünschten Ziel haben. Solche
Abstandsschenkel 60 sind nicht erforderlich, sind aber
vorteilhaft, da sie es einem Bediener ermöglichen, einen geeigneten Abstand
zwischen dem Instrument 10 und dem Ziel festzulegen. Dies
ermöglicht
reproduzierbare Ergebnisse zwischen aufeinander folgenden Partikelzufuhren.
Der geeignete Abstand kann ermittelt und wie benötigt festgelegt werden, indem
die Länge
der Abstandsschenkel 60 variiert wird, wobei empirische
Beobachtungen des Aussehens der Zielzellen und gemessene Werte der
Genexpression nach Zufuhr genutzt werden. Es wurde für Säugetierhaut
festgestellt, dass eine Abstandsschenkellänge von 19 mm bis 25 mm (3/4–1 Zoll)
bevorzugt ist. Alternativ ist es möglich, das Instrument manuell
bei einem erwünschten
Abstand zum Ziel zu positionieren. Meist wird mindestens einer und
vorzugsweise zwei oder mehr Abstandsschenkel 60 vorgesehen.
Die Abstandsschenkel einer bestimmten Ausführung sind am besten in den 5–7 ersichtlich.
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Ein
hohler Kanal wird entlang der gesamten Länge des Probenzufuhrmoduls 40 vorgesehen.
Dieser hohle Kanal bietet eine Probenbahn, die im Wesentlichen koaxial
zur Hauptachse des Probenzufuhrmoduls 40 ist. Unter Bezug
auf die Schnittansicht von 5 umfasst
die Probenbahn eine Patronenkammer 62, welche axial in
dem Befestigungsmittel 42 angeordnet ist und sich von dem
stromaufwärts gelegenen
Endstück
des Befestigungsmittels durch den ersten zylinderförmigen Teil 44 und
in den zweiten zylinderförmigen
Teil 46 erstreckt. Die Patronenkammer 62 lässt einen
beschleunigten Gasstrom von dem Antriebskraft erzeugenden Teil des
Instruments 10 ein. Die Patronenkammer 62 ist
so konfiguriert, dass sie eine (nachstehend beschriebene) Partikelpatrone
mit den an einer konkaven Innenfläche derselben lösbar befestigten
Trägerpartikeln
aufnimmt und festhält.
Der Durchmesser der Patronenkammer 62 ist an ihrem stromabwärts gelegenen
Endstück verglichen
mit ihrem stromaufwärts
gelegenen Endstück
kleiner. Dies beschränkt
die Bewegung einer Partikelpatrone, wenn sie in der Patronenkammer gehaltert
wird.
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Das
schmälere
Endstück
der Patronenkammer 62 steht mit dem stromaufwärts befindlichen Endstück eines
im Wesentlichen geradlinigen Partikelbeschleunigungsdurchlasses 64 mit
einem Durchmesser, der verglichen mit dem der Patronenkammer 62 kleiner
ist, in Fluidverbindung. Die relativen Durchmesser der Patronenkammer 62 und
des Partikelbeschleunigungsdurchlasses 64 sind unter Bezug
auf die 5 und 6 ersichtlich.
Der Partikelbeschleunigungsdurchlass 64 ist im Wesentlichen
koaxial zu den Hauptachsen des Probenzufuhrmoduls 40 und
der Patronenkammer 62 angeordnet. Der Durchlass 64 kann
in einer Ausführung
einen Durchmesser von 1,6 mm (1/16 Zoll) und eine Länge von
5 bis 15 mm aufweisen. Wenn der Durchlass 64 zu lang ist,
kann der Gasstrom aufgrund von Reibung an Moment verlieren. Der
Partikelbeschleunigungsdurchlass 64 verläuft zwischen
dem stromabwärts
befindlichen Endstück
der Patronenkammer und dem stromaufwärts befindlichen Endstück der kegelförmigen Austrittdüse 58.
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Das
Wahren einer glatten Innenfläche
für den
Beschleunigungsdurchlass 64 reduziert jeden Reibungswiderstand
bzw. jede nachteilige Wechselwirkung zwischen den Trägerpartikeln
und dem Durchlass 64, wodurch ein korrektes Strömen der Trägerpartikel
hin zu dem geplanten Ziel erleichtert wird. Um eine solche glatte
Fläche
zu wahren, kann eine Schnur oder ein Rohrreiniger mit einer Polierverbindung
beschichtet und dann zum Polieren des Inneren des Durchlasses 64 verwendet
werden. Eine geeignet glatte Innenfläche für den Durchlass kann auch direkt
in einem Formprozess gebildet werden, wenn das Probenzufuhrmodul
aus einem thermoplastischen Material gebildet wird. Die Austrittdüse 58 weist
ferner bevorzugt eine glatte Innenfläche auf.
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Bei
Gebrauch wird eine Probenpatrone so in die Patronenkammer 62 eingesetzt,
dass ihre Innenfläche,
welche daran angebrachte Trägerpartikel
aufweist, mit dem Gasstrom in Fluidverbindung steht, wenn das Probenzufuhrmodul 40 eingebaut
ist. Die Ausrichtung der Partikel in der Probenpatrone ist ansonsten
nicht ausschlaggebend. Das Probenzufuhrmodul 40 ist mittels
des Befestigungsmittels 42 mit dem Verbindungsstück 37 gekuppelt,
wodurch ein unbeabsichtigtes Lösen
des Probenzufuhrmoduls 40 von dem Instrument 10 während Einsatz
verhindert wird. Der Auslösemechanismus 30,
der das Gasstrom-Betätigungsmittel 34 steuert,
wird betätigt,
um Druckgas aus dem Schlauch 32 freizusetzen. Das freigesetzte
Gas strömt
in einem Strom von dem Betätigungsmittel 34 hin
zu dem Probenzufuhrmodul 40, wobei es durch die Probenpatrone
strömt
und Partikel von deren Oberfläche
löst und
mitführt.
Der Gasstrom und die darin mitgeführten Trägerpartikel strömen durch
den Partikelbeschleunigungsdurchlass 64 und in die kegelförmige Düse 58 und
hin zu und in ein Ziel.
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Wie
vorstehend beschrieben hängen
die präzisen
Betriebsparameter im Allgemeinen von dem zum Zuführen der Trägerpartikel verwendeten Gasdruck
ab, was wiederum die jeweiligen Maße des Partikelbeschleunigungsdurchlasses 64 und
der Austrittdüse 58 diktiert.
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Nachdem
eine Probe der beschichteten Partikel aus der Vorrichtung 10 zugeführt wurde,
wird das Verbindungsstück 37 gelöst, um das
Probenzufuhrmodul 40 zu entnehmen. In bevorzugten Ausführungen,
bei denen das Modul für
den Einmalgebrauch gedacht ist, kann das verbrauchte Modul in geeigneter
Weise entsorgt werden. Anschließendes Zuführen kann
dann durch Wiederholen der oben beschriebenen Schritte unter Verwendung
einer neuen Probenpatrone und einer neuen Probenzufuhrmoduls 40 ausgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist für
die Zufuhr von biologischen Materialien besonders brauchbar, da
alle Teile der Partikelbeschleunigungsvorrichtung, die tatsächlich mit
der Probe und einer Zielfläche
in Kontakt kommen, separat von dem Antriebskraftteil des Instrument
vorgesehen werden und nach Einmalgebrauch problemlos entsorgt werden
können. Dadurch
wird das Potenzial für
eine Kreuzkontaminierung mit verbleibenden biologischen Materialien aus
früheren
Zufuhren effektiv eliminiert. Das routinemäßige Wegwerfen verbrauchter
Probenzufuhrmodule verhindert zudem eine Kreuzkontaminierung zwischen
oder unter Empfängern,
da kein Teil des Instruments, der mit einem Empfänger in Berührung kommt, erneut verwendet
werden muss.
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Die
vorliegende Erfindung kann bei Massenimpfungen von Säuger-Versuchstieren,
beispielsweise Ratten, Vieh, Schweine, Schafe, Ziegen, Pferde und
von menschlichen Versuchspersonen sowie von Haustieren wie Hunden
und Katzen unter Verwendung von Nucleinsäure-Impfstoffen, verwendet
werden. Nucleinsäure-Impfstoffe enthalten
genetisches Material, für
gewöhnlich
DNA, welches aus einem pathogenen Stoff gewonnen wurde. Das genetische Material
wird in Zellen eines Säuger-Versuchstiers mit
Hilfe einer Vorrichtung, wie sie hier beschrieben werden, zugeführt. Nach
Zufuhr in eine Zelle wird das genetische Material durch die zelluläre Transkription und
Translationsmaschinerie ausgedrückt,
um ein Protein oder Peptid zu erzeugen, welches bei dem geimpften
Versuchstier bzw. der geimpften Versuchsperson eine Immunreaktion
auslöst.
Die Immunreaktion kann das geimpfte Versuchstier bzw. die geimpfte
Versuchsperson gegenüber
einer späteren
Infektion durch den Stoff, aus welchem der Impfstoff gewonnen wurde,
resistent machen oder eine therapeutische Wirkung bei einem bereits
infizierten Versuchstier bzw. einer bereits infizierten Versuchsperson
erzeugen. Die hierin beschriebene Vorrichtung kann auch für den Gentransport,
beispielsweise Gentherapien, verwendet werden.
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Zwar
wurde die vorliegende Erfindung eigens für die wiederholte Zufuhr von
biologischen Materialien im Großeinsatz
entwickelt, doch kann sie auch für
traditionellere Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise bei
vorhandenen Partikelbeschleunigungsvorrichtungen für die einmalige,
separate Zufuhr von Trägerpartikeln
in eine Zielfläche. Das
Probenzufuhrmodul und eine dieses Modul verwendende Partikelbeschleunigungsvorrichtung
können
zum Beispiel bei Verfahren für
das Übertragen von
genetischem Material in Organe, Gewebe und/oder gezüchtete Zellen
von Pflanzen und Tieren verwendet werden. Die vorliegende Erfindung
wurde mit einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung zum Zuführen von
Genen in die Meristeme von lebenden Pflanzen verwendet, um transgene
Pflanzen zu erzeugen. Alle Vorteile der Erfindung, insbesondere ihre Tragbarkeit
und ihre einfache Probenhandhabung, kommen genauso gut zur Geltung,
wenn die Vorrichtung für
die einmalige Zufuhr eines Gens durch Partikelbeschleunigung verwendet
wird. Das Prinzip der Erfindung kann aber auch in ein feststehendes,
nichttragbares Gerät
integriert werden, um wesentliche Vorteile bezüglich Geschwindigkeit, Reproduzierbarkeit
und müheloser
Anwendung zu verwirklichen.
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Dementsprechend
wurden neuartige Probenzufuhrmodule zur Verwendung mit einer Partikelbeschleunigungsvorrichtung
beschrieben. Es werden zwar gewisse Einzelheiten bevorzugter Ausführungen
dieser Erfindung beschrieben, doch versteht sich, dass nahe liegende
Abänderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzumfang der durch die beigefügten Patentansprüche festgelegten Erfindung
abzuweichen.