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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Beförderns von
Material in Zellen, insbesondere Instrumente zum Befördern von
Material in Zellen mit Hilfe von partikelvermittelten Zufuhrverfahren.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
partikelvermittelte Beförderung
von Materialien, insbesondere von Nucleinsäuremolekülen, in lebende Zellen und
lebendes Gewebe hat sich zu einem wichtigen Instrument der pflanzlichen
und tierischen Biotechnologie entwickelt. Eine vorübergehende
und langfristige Expression von genetischem Material, das mittels
partikelvermittelter Verfahren in Zielzellen befördert wird, wurde bei einer
Vielzahl von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren nachgewiesen.
Eine erfolgreiche Integration von DNS in Keimzellen wurde ebenfalls
unter Verwendung dieser Verfahren nachgewiesen, und es wurden partikelvermittelte
Genzufuhrinstrumente verwendet, um andere Materialien in Zellen
zu befördern,
einschließlich Pharmazeutika
und Biopharmazeutika wie Proteine, Peptide und Hormone.
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Im
Laufe der Entwicklung der Grundlagen der Technologie der partikelvermittelten
Zufuhr hat sich die Aufmerksamkeit zunehmend hin auf die Entwicklung
von Vorrichtung verschoben, die dem Bediener die Fähigkeit
zum Ausführen
der partikelvermittelten Genzufuhr in schneller und praktischer
Weise bieten. Es ist auch erwünscht,
dass der Betrieb der Zufuhrvorrichtung effizient und hoch replizierbar ist.
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Eine
bestimmte Vorrichtung, die Druckgas zum Beschleunigen von Trägerpartikeln
verwendet, die biologische Materialien in Zielgewebe transportieren,
wird in der internationalen Schrift Nr.
WO 95/19799 beschrieben.
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Die
Verteilung oder Ausbreitung von Trägerpartikeln, die von einer
partikelvermittelten Zufuhrvorrichtung, beispielsweise der Vorrichtung
von
WO 95/19799 , zugeführt werden,
kann bei manchen Anwendungen kritisch sein, insbesondere wenn biologisches
Material, zum Beispiel genetisches Material, zugeführt wird.
Bei Anwendungen, bei denen Keimbahn-Transformationsvorgänge erwünscht sind,
ist die Notwendigkeit der Steuerung des Zufuhrmusters von Trägerpartikeln
viel akuter als bei anderen Anwendungen, zum Beispiel wenn nur eine
vorübergehende
Expression von eingebrachtem genetischen Material erforderlich ist.
Wenn ein sporadischer Keimbahn-Transformationsvorgang erwünscht ist,
ist es im Allgemeinen erforderlich, die Partikel gleichmäßig hin
zu einer großen
Zielfläche
zu beschleunigen, um die Wahrscheinlichkeit zu vergrößern, dass
eine oder mehrere Zielzellen transformiert werden.
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Auch
wenn die Vorrichtung von
WO 95/19799 und
andere ähnliche
Instrumente für
ihre vorgesehenen Zwecke geeignet sind, besteht demgemäß nach wie
vor die Notwendigkeit, eine verstärkte Gleichmäßigkeit
und Verteilung von Partikeln, die von solchen Vorrichtungen zugeführt werden, vorzusehen.
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Kurzdarlegung der Erfindung
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Die
Erfindung ist wie in den beigefügten
Ansprüchen
festgelegt auf eine gasbetriebene Vorrichtung zum Befördern von
Partikeln gerichtet, die Elemente aufweist, die das Strömen von
Gas durch die Vorrichtung verändern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst Mittel zum Isolieren einer Druckgasfüllung in dem Instrument für jeden
Partikelzufuhrvorgang. In einer Ausführung der Erfindung ist eine
Partikelzufuhrvorrichtung vorgesehen, die einen Körper mit
einem darin ausgebildeten Beschleunigungsdurchlass umfasst. Ein
Wirbelströmungselement
ist in dem Beschleunigungsdurchlass angeordnet und dient dazu, in
einem dadurch tretenden Gasstrom vor oder nach Eindringen dieses
Gasstroms in eine Beschleunigungskammer, die einen stromabwärts befindlichen
Teil des Beschleunigungsdurchlasses bildet, eine Drehbewegung zu
vermitteln.
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In
verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung wird das Wirbelströmungselement
genutzt, um dem Gasstrom bevor, während und/oder nachdem der
Gasstrom Partikel kontaktiert hat, die von der Vorrichtung zu befördern sind,
eine Drehbewegung zu vermitteln. Das Wirbelströmungselement kann jedes Merkmal
oder jede Struktur sein, die in einem Beschleunigungsdurchlass angeordnet
ist, wobei das Merkmal oder die Struktur dem dadurch tretenden Gasstrom
eine Drehbewegung vermitteln kann. Ein bestimmtes Wirbelströmungselement
umfasst einen Stopfen oder ein Prallelement, das in dem Beschleunigungsdurchlass
an einer Stelle stromaufwärts
einer Partikelquelle angeordnet ist. Ein anderes Wirbelströmungselement
umfasst eine Struktur, beispielsweise mehrere dünne propellerartige Schaufelräder, die
in dem Beschleunigungsdurchlass an einer Stelle stromabwärts einer
Partikelquelle angeordnet sind.
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In
einer anderen Ausführung
ist eine Partikelzufuhrvorrichtung vorgesehen, die einen Körper mit einer
darin ausgebildeten länglichen
Beschleunigungskammer umfasst. Die Vorrichtung enthält eine Mischkammer,
die mit dem Einlass der Beschleunigungskammer in Verbindung steht,
sowie eine stromaufwärts
befindliche Gaskammer, die mit der Mischkammer in Verbindung steht.
Ein Wirbelströmungselement
ist in der stromaufwärts
befindlichen Gaskammer angeordnet und vermittelt in einem aus der stromaufwärts befindlichen
Gaskammer in die Mischkammer tretenden Gasstrom eine Drehbewegung, um
einen Wirbel in der Mischkammer zu bilden.
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In
einer noch weiteren Ausführung
ist eine Partikelzufuhrvorrichtung vorgesehen, die einen Körper mit
einer darin ausgebildeten länglichen
Beschleunigungskammer umfasst. Die Vorrichtung enthält eine
Partikelquelle, die angrenzend an einen Einlass für die Beschleunigungskammer
angeordnet ist. Ein Wirbelströmungselement
ist stromaufwärts
sowohl der Beschleunigungskammer als auch der Partikelquelle angeordnet,
wodurch ein solches Element zum Erzeugen von Verwirbelung in einem
dadurch tretenden Gasstrom vor dessen Kontakt mit der Partikelquelle
genutzt wird. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst
das Wirbelströmungselement
eine über
der Partikelquelle angeordnete Gasleitung, wobei die Gasleitung
einen gestuften Abschnitt vergrößerten Durchmessers
aufweist.
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In
einer anderen Ausführung
der Erfindung wird eine Partikelzufuhrvorrichtung vorgesehen, die ein
Element zur Strömungsdrosselung
umfasst, das das Strömen
von Druckgas in die Vorrichtung drosselt.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung bei Lesen unter Berücksichtigung
der Begleitzeichnungen hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Darstellung, die den allgemeinen Betrieb einer gasbetriebenen
Partikelzufuhrvorrichtung zeigt.
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2A–2C sind
schematische Darstellungen der Wirkung von Veränderungen der Geometrie der
Austrittsdüse
in der Vorrichtung von 1.
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3 ist
eine bildliche Darstellung einer die vorliegende Erfindung verkörpernden
Partikelzufuhrvorrichtung.
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4 ist
eine freigeschnittene Ansicht eines Teils des Instruments von 3,
die ein in einem Teil der Vorrichtung angeordnetes Wirbelströmungselement
zeigt.
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5 ist
eine seitliche Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Wirbelströmungselement.
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6 ist
eine freigeschnittene, auseinander gezogen dargestellte Ansicht
eines Teils einer Partikelzufuhrvorrichtung, die ein Wirbelströmungselement
umfasst.
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7 ist
eine nicht auseinander gezogen dargestellte Ansicht von 6.
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8 ist
eine Draufsicht auf die stromaufwärts befindliche Stirnseite
des Wirbelströmungselements
der Vorrichtung von 6.
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9 ist
eine seitliche Draufsicht auf das Wirbelströmungselement der Vorrichtung
von 6.
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10 ist
eine freigeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Wirbelströmungselements.
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11 ist
eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strömungsdrosselungselement.
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12 ist
eine graphische Darstellung der in Beispiel 1 beschriebenen Partikelzufuhruntersuchung.
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Eingehende Beschreibung der
bevorzugten Ausführung
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Bevor
die vorliegende Erfindung näher
beschrieben wird, muss verstanden werden, dass diese Erfindung nicht
auf bestimmte Partikelzufuhrvorrichtungen oder auf bestimmte Trägerpartikel
beschränkt ist,
da diese natürlich
variieren können.
Es versteht sich auch, dass verschiedene Ausführungen der offenbarten Probenzufuhrmodule
und ähnlicher
Vorrichtungen auf die spezifischen Bedürfnisse des Gebiets zugeschnitten
werden können.
Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Terminologie lediglich
dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungen der Erfindung dient
und nicht einschränkend
gedacht ist.
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Zu
erwähnen
ist, dass die Singularformen „ein", „eine" sowie „der", „die", „das", wie sie in der Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
verwendet werden, den Plural einschließen, sofern der Inhalt nicht
eindeutig das Gegenteil vorgibt. Somit umfasst zum Beispiel der
Hinweis auf „einen
Partikel" einen
Hinweis auf Mischungen von zwei oder mehr Partikeln, der Hinweis
auf „einen
therapeutischen Wirkstoff" schließt ein oder
mehrere solche Wirkstoffe ein, usw.
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A. Begriffserläuterung
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Sofern
nichts Gegenteiliges angegeben ist, haben alle hierin verwendeten
technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung,
wie sie üblicherweise
von einem Durchschnittsmann, den die Erfindung betrifft, verstanden
werden. Die folgenden Begriffe sollen wie nachstehend aufgezeigt
definiert sein.
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Der
Begriff „therapeutischer
Wirkstoff", wie
er hierin verwendet wird, soll jede Verbindung oder Zusammensetzung
von Stoffen umfassen, die bei Abgabe an einen Organismus (menschlich
oder tierisch) eine erwünschte
pharmakologische, immunogene und/oder physiologische Wirkung durch
lokale, regionale und/oder systemische Wirksamkeit hervorruft. Der
Begriff schließt
daher solche Verbindungen oder Chemikalien ein, die herkömmlicherweise
als Arzneimittel, Impfstoffe und Biopharmazeutika betrachtet werden,
einschließlich
Moleküle
wie Proteine, Peptide, Hormone, Nucleinsäuren, Genkonstrukte und der
gleichen.
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Insbesondere
umfasst der Begriff „therapeutischer
Wirkstoff" Verbindungen
oder Zusammensetzungen zur Verwendung in allen therapeutischen Hauptgebieten,
einschließlich
aber nicht ausschließlich
Antiinfektiva wie Antibiotika und antivirale Wirkstoffe; Analgesika
und analgetische Kombinationen; lokale und allgemeine Anästhetika;
Anorexika; Antiarthritika; Antiasthmatika; Anticonvulsiva; Antidepressiva;
Antihistamine; entzündungshemmende Mittel;
Antinausea; Antineoplastika; Antipruriginosa; Antipschychotika;
Antipyretika; Antispasmodika; kardiovaskuläre Präparate (einschließlich Calciumkanalblocker,
Betablocker, Betaagonisten und Antiarrythmika); Antihypertensiva;
Diuretika; Vasodilatanzien; Stimulanzien des Zentralnervensystems;
Husten- und Schnupfenpräparate;
abschwellende Mittel; Diagnostika; Hormone; Stimulanzien für das Knochenwachstum
und Knochenresorptionshemmer; Immunsuppressiva; Muskelrelaxanzien;
Psychostimulanzien; Sedative; Beruhigungsmittel; Proteine, Peptide und
Fragmente derselben (sei es in natürlicher Form, chemisch synthetisiert
oder rekombinant erzeugt) sowie Nucleinsäuremoleküle (polymere Formen von zwei
oder mehr Nucleotiden, entweder Ribonucleotide (RNA) oder Desoxyribonucleotide
(DNA) einschließlich
sowohl Doppel- als auch Einzelstrangmoleküle, Genkonstrukte, Expressionsvektoren,
Antisense-Moleküle
und dergleichen).
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Partikel
eines Therapeutikums werden typischerweise allein oder in Kombination
mit anderen Arzneistoffen oder Mitteln als pharmazeutische Zusammensetzungen
hergestellt, welche ein oder mehrere zugesetzte Materialien wie
Träger
und/oder Exzipienzien enthalten können. „Träger" und „Exzipienzien" bezeichnen im Allgemeinen
im Wesentlichen inaktive Materialien, welche nichttoxisch sind und nicht
in schädlicher
Weise mit anderen Bestandteilen der Zusammensetzung zusammenwirken.
Diese Materialien können
verwendet werden, um die Menge an Feststoffen in den pharmazeutischen
Partikelzusammensetzungen zu erhöhen.
Beispiele für
geeignete Träger
umfassen Wasser, Silicon, Gelatine, Wachse und ähnliche Materialien. Beispiele
für normalerweise
verwendete „Exzipienzien" schließen pharmazeutische
Klassen von Dextrose, Saccharose, Laktose, Trehalose, Mannitol,
Sorbitol, Inositol, Dextran, Stärke,
Cellulose, Natrium- oder Calciumphosphate, Calciumsulfat, Citronensäure, Weinsäure, Glycin,
Polethylenglykole hoher relativer Molekülmasse (PEG) und Kombinationen
derselben ein. Ferner kann es wünschenswert
sein, ein geladenes Lipid und/oder Detergent in den pharmazeutischen
Zusammensetzungen aufzunehmen. Solche Materialien können als
Stabilisatoren, Antioxidantien verwendet oder zur Verringerung der
Wahrscheinlichkeit lokaler Reizung an der Verabreichungsstelle genutzt werden.
Geeignete geladene Lipide umfassen ohne Einschränkung Phosphatidylcholine (Lecithin)
und dergleichen. Detergentien sind typischerweise ein nichtionischer,
anionischer, kationischer oder amphoter grenzflächenaktiver Stoff. Beispiele
für geeignete grenzflächenaktive
Stoffe umfassen zum Beispiel die grenzflächenaktiven Stoffe Tergitol® und
Triton® (Union
Carbide Chemicals and Plastics, Danbury, CT), Polyoxyethylensorbitane,
z. B. die grenzflächenaktiven
Stoffe TWEEN® (Atlas
Chemical Industries, Wilmington, DE), Polyoxyethylenether, z. B.
Brij, pharmazeutisch zulässige
Fettsäureester,
z. B. Laurylsulfat und Salze davon (SDS) und ähnliche Materialien.
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Wenn
eine direkte intrazelluläre
Zufuhr gewünscht
ist, können
therapeutische Wirkstoffe (oder daraus abgeleitete pharmazeutische
Präparate)
mit Hilfe verschiedener vorbekannter Verfahren auf die Trägermikropartikel
aufgebracht werden. Dichte Materialien sind bevorzugt, um Mikropartikel
vorzusehen, die problemlos über
eine kurze Strecke hin zu einem Ziel beschleunigt werden können, wobei
die Mikropartikel im Verhältnis
zu den Zellen, in die sie zu befördern
sind, immer noch klein genug bemessen sind. Es hat sich gezeigt,
dass Mikropartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von
ein paar Mikron problemlos in lebende Zellen eindringen können, ohne
diese Zellen übermäßig zu schädigen.
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Als
Träger
für therapeutische
Wirkstoffe können
insbesondere Wolfram-, Gold-, Platin- und Iridiummikropartikel verwendet
werden. Wolfram und Gold sind bevorzugt. Wolframmikropartikel sind
problemlos in durchschnittlichen Größen von 0,5 bis 2,0 μm Durchmesser
erhältlich
und sind somit für
intrazelluläre
Zufuhr geeignet. Auch wenn diese Mikropartikel optimale Dichte zur
Verwendung bei Partikelzufuhrverfahren haben und eine sehr effiziente
Beschichtung mit Nucleinsäuren
ermöglichen,
kann Wolfram für
bestimmte Zellarten potentiell toxisch sein. Somit ist Gold zur
Verwendung als Trägermikropartikel
ein bevorzugtes Material, da Gold eine hohe Dichte aufweist, gegenüber biologischen
Materialien relativ inert ist und oxidationsbeständig ist und in Form von Kugeln
mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 3 μm leicht erhältlich ist. Kugelförmige Goldmikropartikel
oder -perlen werden in einem Größenbereich
von 1–3
Mikron erfolgreich bei Partikelzufuhrtechnologien verwendet, ebenso
wie Gold, das in Form eines mikrokristallinen Pulvers mit einem
gemessenen Größenbereich
von etwa 0,2 bis 3 μm
vorgesehen wird.
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B. Allgemeine Verfahren
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In
einer Ausführung
ist die Erfindung auf eine Komponente oder ein topographisches Merkmal
zur Verwendung in einer Partikelzufuhrvorrichtung gerichtet, wobei
die Komponente oder das Merkmal innerhalb der Vorrichtung ein geändertes
Gasströmprofil
vorsieht. Das geänderte
Strömen
von Gas sieht wiederum eine drastische Verbesserung der Partikelverteilung
in Richtungen seitlich der Hauptachse des Gasstroms vor. In einer
anderen Ausführung
wird eine Komponente oder ein topographisches Merkmal in einer Partikelzufuhrvorrichtung
zum Vorsehen einer Gaswirbelströmung
in der Vorrichtung verwendet. Die Wirbelströmung ermöglicht eine vollständigere
Zufuhr einer Nutzlast von Partikeln von der Vorrichtung. In einer
noch weiteren Ausführung
ist die Erfindung auf ein Mittel zum Beschränken der Gasmenge gerichtet,
die zum Zuführen
von Partikeln von einer gasbetriebenen Partikelzufuhrvorrichtung
verwendet wird, wobei diese Beschränkung dazu dient, den akustischen
Knall in Verbindung mit einem Partikelzufuhrvorgang ohne damit einhergehende
Abnahme der Wirksamkeit der Partikelzufuhr von der Vorrichtung signifikant
zu verringern.
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Auf
dem Gebiet sind verschiedene Partikelzufuhrvorrichtungen bekannt,
die zum Zuführen
eines Partikeltherapeutikums oder von mit einem Therapeutikum beschichteten
Mikropartikeln geeignet sind, und diese sind alle zur Verwendung
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung geeignet. Solche Vorrichtungen
nutzen im Allgemeinen Gasausstoß,
um Partikel hin zu Zielzellen zu treiben. Die Partikel können optional
an einer beweglichen Trägerplatte
lösbar
angebracht sein oder lösbar
an einer Oberfläche,
entlang welcher ein Gasstrom streicht, angebracht sein, der die
Partikel von der Oberfläche hebt
und sie hin auf das Ziel beschleunigt. Beispiele für Gasausstoßvorrichtungen
werden in
U. S. Patent Nr. 5
204 253 und in der internationalen Veröffentlichung Nr.
WO 95/19799 beschrieben.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung zur Verwendung mit einer beliebigen Partikelzufuhrvorrichtung
geeignet ist, wird die Erfindung hierin unter Bezug auf die Vorrichtung
veranschaulicht, die in der internationalen Veröffentlichung Nr.
WO 95/19799 beschrieben ist. Es versteht
sich aber, dass eine beliebige Anzahl an Verfahren und Vorrichtungen,
die ähnlich
oder gleichwertig zu den hierin beschriebenen sind, bei der Ausübung der
vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden können.
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Unter
Hinwendung nun auf die Zeichnungen bieten
1 und
2 eine
Veranschaulichung des allgemeinen Verfahrens des Betriebs einer
Partikelzufuhrvorrichtung, wie sie zum Beispiel in der internationalen
Veröffentlichung
WO 95/19799 beschrieben wird.
Bestandteile der Vorrichtung werden an einigen Stellen der Klarheit
halber in leicht auseinander gezogener Ansicht gezeigt. Diese bestimmte
Darstellung soll das grundlegende Arbeitsprinzip einer Partikelzufuhrvorrichtung
veranschaulichen und nicht Konstruktionseinzelheiten zeigen.
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Unter
Bezug nun auf die Vorrichtung von 1 befindet
sich eine Partikelkartusche 14 in dem Partikelzufuhrinstrument.
Die Partikelkartusche 14 ist eine längliche konkave oder rohrförmige Struktur,
die einen durch ihre Mitte verlaufenden konkaven hohlen Durchlass
aufweist. An der Innenwand der Kartusche sind mehrere Partikel 16 angeordnet.
Die Partikel können,
wie hier vorstehend erläutert,
ein beliebiges Partikeltherapeutikum sein oder können bevorzugt aus kleinen,
dichten Trägermikropartikeln
bestehen, die mit einem Therapeutikum beschichtet sind, z. B. DNA
oder RNA, das in eine Zielzelle oder ein Zielgewebe befördert werden
soll. Solche Mikropartikel können
alternativ mit anderen Arten von biologischen Materialien beschichtet
sein, beispielsweise Peptiden, Cytokinen, Hormonen oder Proteinen.
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Stromaufwärts der
Partikelkartusche befindet sich ein Aktor 18, zum Beispiel
ein Gasventil, Gasschieber oder eine berstbare Membran, und steht
mittels einer geeigneten Leitung 17 in Fluidverbindung
mit dem Innenraum der Kartusche 14. Der Aktor ist durch
geeignete Schläuche,
die allgemein bei 13 gezeigt sind, mit einer Quelle von
Druckgas 12 verbunden. Die Quelle von Druckgas 12 kann
ein herkömmlicher,
handelsüblicher
Druckgasbehälter sein,
der bevorzugt ein inertes Druckgas wie Helium enthält. Zwischen
der Gasquelle 12 und dem Aktor 18 ist im Allgemeinen
ein Druckgasspeicher erwünscht,
der Schlauch 13 kann aber als solcher Speicher dienen.
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Neben
der Partikelkartusche 14 befindet sich eine Öffnung 20,
die Fluidverbindung mit dem Innenraum einer Beschleunigungskammer 22 herstellt, welche
wiederum mit einer konischen Austrittsdüse 24 in Verbindung
steht. Das Ziel, z. B. ein Patient, eine Gewebeoberfläche oder
Zelle, ist in der Figur als 19 bezeichnet.
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Im
allgemeinen Betrieb dient der Aktor 18 zum Freisetzen eines
Druckgasimpulses durch die Vorrichtung. Ein zwischen dem Aktor 18 und
der Austrittsdüse 24 angeordneter
Partikelbeschleunigungsdurchlass sieht einen Weg vor, über den
das freigesetzte Gas einen sich bei erheblicher Geschwindigkeit
fortbewegenden Gasstrom erzeugt. Der Gasstrom beschleunigt durch
den Partikelbeschleunigungsdurchlass und löst bei Passieren des Innenraums
der Partikelkartusche 14 die Partikel 16 ab. Der
beschleunigende Gasstrom, der die abgelösten Partikel enthält, bewegt
sich entlang des Beschleunigungsdurchlasses durch die Beschleunigungskammer 22 und
in die Austrittsdüse 24 weiter.
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Ein
besonders wichtiges Merkmal der Vorrichtung von 1 ist
die Geometrie der Austrittsdüse 24.
Unter Bezug nun auf 2 werden drei verschiedene mögliche Geometrien
der Austrittsdüse 24 schematisch
als Versionen A, B und C gezeigt. Ferner wird die Wirkung dieser
verschiedenen Austrittsdüsengeometrien
auf das Zufuhrmuster der Partikel 16 gezeigt. Bei Version
A weitet sich die Austrittsdüse 24 nicht
wesentlich hin zu ihrem stromabwärts
befindlichen Ende. Somit verläuft
der austretende Gasstrom im Wesentlichen linear von der Austrittsdüse 24 und
bewegt sich weiter direkt hin auf das Ziel. Dadurch bewegen sich
die Trägerpartikel
auf einer relativ geradlinigen Strecke weiter fort und bilden ein
konzentriertes Zufuhrmuster, das auf eine relativ begrenzte Fläche 25 des
Ziels auftrifft. Während
die Partikel 16 von ihrem geradlinigen Flug etwas auseinander
streben, ist das Auseinanderstreben recht gering und unwesentlich.
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In
Version B von 2 weist die Austrittsdüse 24 einen
außerordentlich
breiten Winkel konischen Zulaufens hin zu ihrem stromabwärts befindlichen
Endpunkt auf. Bei dieser Konfiguration tritt der Gasstrom recht
geradlinig aus dem instrument aus, und die Partikel 16 streben
nicht weit auseinander. Die Partikel treffen wiederum auf einen
relativ kompakten Teil 25 des Ziels auf.
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Ein
erheblich anderes Zufuhrmuster wird aber erhalten, wenn der Zulaufwinkel
der konischen Austrittsdüse
unter einem kritischen Winkel liegt. Dieses Phänomen wird in 2 als
Version C gezeigt. Wenn im Einzelnen der beschleunigte Gasstrom
in die Austrittsdüse
strömt,
erzeugt er durch eine Wirbelwirkung einen Unterdruck zwischen dem
Stromweg des Gasstroms und den Seiten der Austrittsdüse 24.
Dieser Unterdruck bewirkt ein Ziehen des Gasstroms nach außen in alle
Richtungen senkrecht zur Fortbewegungsrichtung des Gasstroms. Auf
diese Weise werden der Gasstrom und die in dem Gasstrom mitgeführten Partikel
in eine Richtung seitlich der Hauptachse der Austrittsdüse (d. h.
die Fortbewegungsrichtung der Partikel) gestreut. Wie in Version
C von 2 ersichtlich ist, wird somit der aus dem Instrument
austretende Gasstrom seitlich über
einem breiteren Bereich verteilt, wodurch die Partikel 16 über einem
breiteren Bereich verteilt werden und über der Fläche 25 des Ziels ein
verbessertes Zufuhrprofil vorgesehen wird. Dies vermeidet ein Überdosieren
einer kleinen Zielfläche
mit den zugeführten Partikeln.
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Der
exakte Zulaufwinkel der konischen Austrittsdüse 24 kann verändert werden,
um die Verwendung unterschiedlicher Gasdrücke und relativer Größen für die Beschleunigungskammer 22 möglich zu machen.
In einem Instrument, das einen handelsüblichen Heliumtank als Antriebskraftquelle
verwendet, wobei die Beschleunigungskammer 22 einen Durchmesser
von in etwa 1,6 mm (1/16 Zoll) aufweist, bietet eine Austrittsdüse, die über eine
Spanne von 8,7 cm (3,3 Zoll) von 1,6 mm (1/16 Zoll) auf 1,7 cm (2/3 eines
Zolls) zuläuft,
ein zufriedenstellendes Partikelverteilungsmuster, das eine Zielfläche mit
einem Durchmesser von etwa 1,6 mm (1/16 Zoll) bis etwa 1,7 cm (2/3
Zoll) abdeckt. Dies stellt eine über
einhundertfache Zunahme des Partikelverteilungsmusters dar, mit
einer damit einhergehenden einhundertfachen Abnahme der Partikelverteilungsdichte.
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Zusammengefasst
kann dann die konische Austrittsdüse
24 der Vorrichtung
von
WO 95/19799 entlang
ihrer Hauptachse erheblich länger,
als sie an ihrem stromaufwärts
oder stromabwärts
befindlichen Endpunkt breit ist, ausgelegt werden, um eine breitere
Gesamtverteilung von Partikeln zu erhalten. Durch Verändern des
Drucks des Gases kann zudem die Kraft, mit der Partikel auf das
Ziel
19 auftreffen, angepasst werden. Der von der Antriebskraftquelle
gelieferte Gasdruck muss aber mindestens ausreichen, um die Partikel
16 von
der Kartusche
14 zu lösen. Gleichzeitig
sollte der Gasdruck nicht so groß sein, dass er das Ziel
19 beschädigt. Beim
Befördern
von beschichteten Trägermikropartikeln
in intakte tierische Haut mit Hilfe solcher Vorrichtungen hat sich
gezeigt, dass ein ausgestoßener
Gasstrom nicht die anvisierte Hautoberfläche schädigt. Bei höheren Gasdrücken kann es zu einer geringfügigen Rötung der Haut
kommen, im Allgemeinen bei tolerierbaren Werten. Ein regulierter
Gasdruck, wie er aus handelsüblichen
Druckheliumtanks zur Verfügung
steht, hat sich zum Ablösen
der Partikel
16 von der Kartusche
14 und zum Befördern derselben
in Epidermiszellen eines Zieltiers ohne unerwünschte Schädigung der Zielhaut oder Zielzellen
als zufriedenstellend erwiesen. Bei bestimmten Anwendungen können abhängig von
der Dichte der Partikel, der Natur der Zielfläche und der erwünschten
Partikeleindringtiefe niedrigere Drücke oder höhere Drücke geeignet sein.
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Während die
Verwendung der vorstehend beschriebenen Austrittsdüsengeometrien
und Betriebsparameter eine erhebliche Verteilung zugeführter Partikel über einer
Zielfläche
vorsieht, ist das Verteilungsmuster nicht so gleichmäßig wie
erwünscht. Auch
wenn die von der Vorrichtung von
WO 95/19799 vorgesehene
Partikelverteilung im Einzelnen besser als die mit einer anderen
druckgasbetriebenen Vorrichtung erreichte Partikelverteilung ist,
ist das Muster immer noch durch eine Konzentration von Partikeln
gekennzeichnet, die in der Mitte der Zielfläche auftreffen, wobei eine
seitlich abnehmende Verteilung von Partikeln von diesem zentralen
Bereich aus verläuft.
Demgemäß besteht
eine spezifische Aufgabe der Erfindung darin, ein Element an die Hand
zu geben, das zum Verbessern der bei Partikelzufuhrvorrichtungen
erzielbaren Gleichmäßigkeit
der Partikelverteilung dient.
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In
einer bestimmten Ausführung
der Erfindung ist ein Wirbelströmungselement
vorgesehen, das in einer Partikelzufuhrvorrichtung in einem Beschleunigungsdurchlass,
zum Beispiel an einer Stelle stromaufwärts einer Partikelquelle (z.
B. in der Fluidleitung
17 der Vorrichtung von
WO 95/19799 ) oder an einer Stelle
stromabwärts
einer Partikelquelle (z. B. in der Beschleunigungskammer
22 der
Vorrichtung von
WO 95/19799 ),
positioniert werden kann. Das Element kann somit zum Umleiten des
gesamten oder eines Teils des Gasstroms entweder vor und nach dessen
Kontaktieren der Partikel dienen, wodurch vor, während und/oder nach Kontaktieren
der Partikel durch den Gasstrom eine Drehbewegung auf den Gasstrom
ausgeübt
wird. Das Element kann jedes Merkmal oder jede Struktur sein, die
einem Gasstrom eine Drehbewegung vermitteln kann. In einer Ausgestaltung
der Erfindung umfasst das Element ein oder mehr Schaufelräder, die
entweder in oder von der Innenfläche
einer Gasleitung abstehend in einem Beschleunigungsdurchlass angeordnet
sind. In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaufelräder stromaufwärts einer
Quelle von zuzuführenden
Partikeln angeordnet. In einer anderen Ausgestaltung sind die Schaufelräder stromabwärts einer
Partikelquelle angeordnet. Das Schaufelrad bzw. die Schaufelräder dienen
zum Umleiten mindestens eines Teils des Gasstroms, was ihn zwingt,
sich um eine Achse zu bewegen bzw. zu drehen. In einer noch anderen Ausgestaltung
umfasst das Element einen zylinderförmigen Stopfen oder ein Prallelement,
das in einer Gasleitung angeordnet ist, die stromaufwärts der Partikelquelle
ruht. Der Stopfen bzw. das Prallelement umfasst ein oder mehrere
gewinkelte Kanäle, die
einen sich ausdehnenden Gasstrom durchtreten lassen, um einen Wirbelstrom
in dem sich ausdehnenden Gasstrom vor, während und/oder nach Kontakt
mit den Partikeln auszulösen.
Diese Kanäle
können
in dem Stopfen oder Prallelement ausgebildet sein, um den Umfang
des Stopfens oder Prallelements angeordnet sein, so dass eine Wand
des Kanals durch die Gasleitung vorgesehen wird, oder es kann eine
Kombination von inneren und umlaufenden Kanälen vorgesehen werden. Bei
allen diesen Konfigurationen dient das Wirbelströmungselement zum drastischen
Steigern der seitlichen Verteilung der zugeführten Partikel, wodurch über der
anvisierten Fläche
eine gleichmäßigere Partikelverteilung
sichergestellt wird.
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Ohne
durch eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, glaubt man, dass
das Vermitteln einer Drehung auf den Gasstrom vor, während und/oder nach
dessen Kontakt mit den Partikeln zu einem turbulenten Vermischen
der Partikel im Gas beiträgt, was
wiederum eine bessere Verteilung der Partikel in dem sich ausdehnenden
Gasstrom vorsieht. Eine solche Wirbelstromdynamik kann auch bis
zur Austrittsdüse
der Partikelzufuhrvorrichtung wirken, was – möglicherweise aufgrund von Zentrifugalkräften – die Ausbildung
einer seitlich gleichmäßigen Verteilung der
beförderten
Partikel unterstützt.
Unabhängig
vom Mechanismus, durch den das Ergebnis erreicht wird, ist das Ergebnis
recht klar. Die beförderten
Partikel werden bei deren Austreten aus der Partikelzufuhrvorrichtung
seitlich von der Hauptachse des Gasstroms verteilt, was sowohl eine
qualitativ als auch quantitativ messbare Zunahme der Gleichmäßigkeit der
Partikelverteilung in einer Zielfläche vorsieht. Auf diese Weise
ist die vorliegende Erfindung dann zur Verwendung in einer gasbetriebenen
Partikelzufuhrvorrichtung breit einsetzbar, um eine verbesserte Gleichmäßigkeit
einer Partikelverteilung vorzusehen.
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Unter
Bezug auf 3 wird eine Partikelzufuhrvorrichtung ähnlich der
von 1 allgemein bei 10 gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst
einen Griff 28, durch den eine Einlassleitung 32 verläuft. Die
Einlassleitung 32 endet an einem Ende mit einem Verbindungsstück 31,
das eine Verbindung der Vorrichtung 10 mit einer zugehörigen Druckgasquelle
ermöglicht.
Ein an dem Griff 28 befindlicher Auslöser 30 ermöglicht die
Betätigung
der Vorrichtung durch Freisetzen eines Gasstroms von der zugehörigen Quelle
in die Vorrichtung.
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Eine
stromaufwärts
befindliche Gasleitung 37 verbinden den Griff 28 mit
einem länglichen
Körper 33,
welcher eine Kartuschenkammer 35 umfasst, die eine Partikelkartusche
aufnehmen kann. In der bestimmten Vorrichtung von 3 nimmt
eine an dem Körper 33 angebrachte
Kartuschenhalterung 36 mehrere Partikelkartuschen auf,
die als zylinderförmige
Rohre ausgelegt sind, die zur Zufuhr aus der Vorrichtung an ihren
Innenflächen
mit Partikeln beschichtet sind. Bei Betrieb werden die Kartuschen von
der Kartuschenhalterung einzeln in der Kartuschenkammer 35 so
in Position gebracht, dass sie in der Strecke des Gasstroms angeordnet
sind, der durch einen Beschleunigungsdurchlass strömt, der sich
von der stromaufwärts
befindlichen Gasleitung 37 durch eine Beschleunigungskammer 44 erstreckt. Die
Beschleunigungskammer 44 endet in einer Austrittdüse 46.
Das erfindungsgemäße Wirbelströmungselement
ist bevorzugt in der stromaufwärts
befindlichen Gasleitung 37 angeordnet, so dass es dem dadurch
strömenden
Gasstrom vor dem Kontakt dieses Gasstroms mit den Partikeln in der
Kartuschenkammer eine Drehbewegung vermitteln kann.
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Unter
Bezug nun auf 4 und 5 wird ein
bestimmtes Wirbelströmungselement
gezeigt, das ein Prallelement 50 mit einer stromaufwärts befindlichen
Stirnseite 52 und einer stromabwärts befindlichen Stirnseite 54 umfasst.
Das Prallelement ist als Stopfen ausgelegt, der in der stromaufwärts befindlichen
Gasleitung 37 an einer Stelle neben der Kartuschenkammer 35 eingesetzt
werden kann. Das Prallelement 50 umfasst ein oder mehrere
Gaskanäle 56,
die in einer radialen Anordnung um seinen Umfang angeordnet sind.
Das Prallelement kann aus einem geeignet elastischen Material bestehen,
das entweder maschinell bearbeitbar oder geformt ist, zum Beispiel
aus Metallen, Metalllegierungen und festen Polymermaterialien. Die
Gaskanäle
verlaufen entlang der Länge
des Prallelements in einer Richtung, die im Wesentlichen in der
Richtung des Gasstroms durch die Gasleitung verläuft. Wie aber unter besonderem
Bezug auf 5 ersichtlich ist, kann jeder
Kanal bei einem festgelegten Winkel θ zur Hauptachse des Prallelements
geneigt oder abgewinkelt sein.
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Der
bestimmte Winkel θ kann über einem Bereich
von etwa 0–15° variieren
und liegt bevorzugt in dem Bereich von etwa 0–11°. Ein kleiner Winkel θ von etwa
0–5° ermöglicht ein
tieferes Eindringen von von der Partikelzufuhrvorrichtung zugeführten Partikeln.
Ein mittlerer Winkel θ von
etwa 7–11° ermöglicht die
breiteste Verteilung von Partikeln in einer Richtung seitlich der
Richtung des Gasstroms durch die Partikelzufuhrvorrichtung.
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Das
Prallelement 50 kann Außengewinde umfassen, die mit
einem entsprechenden Gewinde in der Gasleitung 37 zusammenwirken,
oder das Prallelement kann eine im Wesentlichen glatte Außenfläche aufweisen,
zum Beispiel dort, wo das Prallelement in der Gasleitung eingepresst
ist. Bei Betrieb strömt
ein in der Partikelzufuhrvorrichtung freigesetzter Gasstrom in die
Gasleitung 37, wo er die stromaufwärts befindliche Stirnseite 52 des
Prallelements 50 kontaktiert. Der sich ausdehnende Gasstrom
wird dann veranlasst, durch die Gaskanäle 56 zu strömen, was
auf den Gasstrom eine Drehbewegung proportional zum Winkel 8 ausübt. Dieser
Wirbelgasstrom gelangt dann in eine Partikelkartusche, wo er die
Partikel von der Innenfläche
der Kartusche zur Beförderung
zu einer Zielfläche
aufnimmt.
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Unter
Bezug nun auf die 6–9 wird ein ähnliches
Wirbelströmungselement-Prallelement allgemein
bei 70 gezeigt. Das Prallelement 70 ist in einer
Partikelzufuhrvorrichtung zwischen einer stromaufwärts befindlichen
Kammer 72, die die erste Kammer vorsieht, in die Druckgas
freigesetzt wird, und einer stromabwärts befindlichen Mischkammer 74 angeordnet.
Das Prallelement 70 weist eine stromaufwärts befindliche
Stirnseite 76, eine stromabwärts befindliche Stirnseite 78 sowie
eine Außenfläche 80 auf.
Eine geradlinige mittlere Bohrung 82 verläuft zwischen
den stromaufwärts
und stromabwärts
befindlichen Stirnseiten 76 und 78, wobei die mittlere
Bohrung koaxial mit der Hauptachse des Prallelements 70 ist.
Ein ringförmiger
Sitz 84 in der stromaufwärts befindlichen Stirnseite 76 sieht
ein ausgespartes Anschlussstück
vor, das eine zylinderförmige
Partikelkartusche 86 aufnimmt und hält. Der ringförmige Sitz 84 umgibt
die mittlere Bohrung 82 und ist mit dieser koaxial ausgerichtet.
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Die
Partikelkartusche 86 weist mehrere Partikel 88 auf,
die an der Innenfläche
derselben aufgebracht sind. Wie unter Bezug auf die 6 und 7 ersichtlich
ist, sitzt die Partikelkartusche 86 in dem ringförmigen Sitz 84 und
ragt in die stromaufwärts
befindliche Kammer 72. Unter Bezug nun auf die 8 und 9 weist
das Prallelement 70 ein oder mehrere Gaskanäle 90 in
seiner Außenfläche 80 auf,
wobei die Gaskanäle
in einer radialen Anordnung um die mittlere Bohrung 82 angeordnet
sind. Wie vorstehend beschrieben, können die Gaskanäle zur Hauptachse
des Prallelements 70 geneigt oder abgewinkelt sein, um
dem durch die Partikelzufuhrvorrichtung strömenden Gas eine Drehbewegung
zu vermitteln. Der relative Winkel der Gaskanäle kann abhängig von dem Betrag der Drehbewegung,
die für
den Gasstrom erwünscht
ist, zwischen 0–15° liegen.
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Bei
Betrieb bewegt sich ein in die stromaufwärts befindliche Kammer 72 freigesetzter
Gasstrom hin zu der stromaufwärts
befindlichen Stirnseite 76 des Prallelements 70,
wobei ein Teil des Gasstroms in die Partikelkartusche 86 eindringt.
Der im Verhältnis
zu dem Durchmesser des ringförmigen
Sitzes 84 und somit der Partikelkartusche 86 verminderte Durchmesser
der mittleren Bohrung 82 drosselt die Gasmenge, die durch
die Partikelkartusche strömen kann,
auf einen festen Prozentsatz des gesamten Gasstroms. Der Großteil des
Gasstroms strömt
somit um die Außenfläche des
Prallelements 70 und durch die Gaskanäle 90. Dies ruft die
Bildung eines Wirbels am mittleren Punkt in der Mischkammer 74 hervor, wo
das durch die Gaskanäle
strömende
Gas zusammenströmt.
Ein axialer Strahl von Partikeln 88, die von der Innenfläche der
Partikelkartusche 86 abgelöst wurden, bewegt sich durch
die mittlere Bohrung 82 des Prallelements in einer im Wesentlichen
geradlinigen Richtung und wird somit in die Mitte des in der Mischkammer
ausgebildeten Wirbels befördert. Wenn
der wirbelnde Gasstrom und der Partikelstrahl in die Beschleunigungskammer 92 eindringen,
kontaktiert der sich drehende Gasstrom den axialen Strahl von Partikeln,
die dann zum Vermitteln einer endgültigen Trajektorie beim Passieren
der Düse 94 beschleunigt
und zentrifugiert werden, was die Partikel über einer Zielfläche gleichmäßig verteilt.
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Das
Prallelement 70 kann hier wiederum aus jedem geeigneten
maschinell bearbeitbarem oder formbaren Material bestehen, das der
Kraft eines für die
Beförderung
von Partikel durch die Partikelzufuhrvorrichtung geeigneten Druckgasstroms
standhalten kann. Das Prallelement 70 kann weiterhin Außengewinde
auf seiner Außenfläche 80 aufweisen, um
das Verbinden mit der stromaufwärts
befindlichen Kammer 72 zu erleichtern.
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Die
erfindungsgemäßen Wirbelströmungselemente
dienen dazu, in dem durch die Partikelzufuhrvorrichtung tretenden
Strom von Druckgas eine Wirbelkomponente zu vermitteln. Diese Wirbelströmungskomponente
zeigt im Betrieb von Partikelzufuhrvorrichtungen einige überraschende
Ergebnisse. Ein unerwartetes Ergebnis ist, dass eine mit einem Wirbelströmungselement
ausgestattete Vorrichtung, die hier manchmal als „Schleuder"-Instrument bezeichnet
wird, beim Aufnehmen von Partikeln aus dem Innenraum der Partikelkartusche 14 effektiver ist.
Die erfindungsgemäßen Wirbelströmungselemente
bieten ihren größten Vorteil
aber durch wesentliches Verbessern der Gleichmäßigkeit der Partikelverteilung über eine
Zielfläche.
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In
einer anderen Ausführung
der Erfindung ist ein Wirbelströmungselement
vorgesehen, das in einer Partikelzufuhrvorrichtung an einer Stelle
stromaufwärts
einer Partikelquelle (z. B. in der Fluidleitung
17 der
Vorrichtung von
WO 95/19799 )
positioniert sein kann. Das Element dient zum Stören des gesamten Gasstroms
oder eines Teils desselben vor dessen Kontaktieren der Partikel,
wodurch die Zuverlässigkeit
der Partikelfreisetzung aus der Partikelquelle verbessert wird.
Somit kann das Wirbelströmungselement
jedes Merkmal oder jede Struktur sein, die einen Gasstrom so stören kann,
dass eine Strömungsturbulenz
vermittelt wird. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das
Element ein oder mehrere topographische Merkmale, die an der Innenfläche einer
stromaufwärts
befindlichen Gaskammer angeordnet sind. Diese Merkmale können einen Grat,
eine Schulter, eine Nut, eine Faltung oder eine Kombination derselben
umfassen, wobei die Merkmale zum Stören oder Aufwirbeln des durch
eine Kammer oder Leitung tretenden Gasstroms dienen. In einer bestimmten
Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Wirbelströmungselement
eine kleine Stufe in der Innenfläche
einer zylindrischen Gaskammer, was einen Kammerbereich von leicht
vergrößertem Durchmesser
herstellt, der von Bereichen kleineren Durchmessern eingeschlossen
ist, durch welche Bereiche ein sich ausdehnender Gasstrom vor dem Kontaktieren
einer Partikelquelle strömt.
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Unter
Bezug nun auf 10 ist ein Wirbelströmungselement
allgemein bei 100 gezeigt. Das Strömungselement 100 ist
zum Einsetzen in eine Partikelzufuhrvorrichtung ausgelegt, wobei
sie durch eine stromaufwärts
befindliche Öffnung 102,
die einen ersten Durchmesser A aufweist, einen freigesetzten Gasstrom
aufnimmt. Wenn der Gasstrom durch das Element vordringt, gelangt
er in einen gestuften Teil 104 mit einem etwas größeren Durchmesser
B. Der gestufte Teil des Elements 100 erstreckt sich entlang
eines wesentlichen Teils der gesamten Länge des Elements und ist an
seiner stromabwärts befindlichen
Seite mit einer stromabwärts
befindlichen Öffnung 106 mit
einem Durchmesser A gleich dem der stromaufwärts befindlichen Öffnung umgrenzt.
Der gestufte Teil 104 des Elements reicht aus, um in dem
Gasstrom vor dessen Kontakt mit einer Partikelquelle, die neben
der stromabwärts
befindlichen Öffnung 106 angeordnet
ist, eine Turbulenz einzubringen. Diese Turbulenz verbessert die
Zuverlässigkeit
der Partikelfreisetzung aus der Partikelquelle, was die Effizienz
der Partikelzufuhr verbessert. In einer bestimmten Ausführung beträgt der Durchmesser
A der stromaufwärts
und stromabwärts
befindlichen Öffnungen 102 und 106 etwa
6,4 mm (0,250 Zoll), und der Durchmesser B des gestuften Teils 104 beträgt etwa
7,1 mm (0,280 Zoll), was eine Stufe von etwa 0,7 mm (0,03 Zoll)
vorsieht.
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In
einer noch weiteren Ausführung
der Erfindung ist ein Strömungsdrosselungselement
zur Verwendung in einer Partikelzufuhrvorrichtung vorgesehen. Unter
Bezug auf 3 ist das Drosselungselement
zum Einsetzen in die Partikelzufuhrvorrichtung neben dem Verbindungspunkt
zwischen der Vorrichtung und dem zugehörigen Druckgasquelle ausgelegt.
Insbesondere kann das Drosselungselement an der Verbindungsstelle
zwischen dem Einlassrohr 32 und dem Konnektor 31 eingeführt werden.
Das Drosselungselement besteht im Allgemeinen aus einer Scheibe
aus biegsamem oder elastischem Material, das zum Beschränken des
Strömens
von Gas in die Zufuhrvorrichtung auf eine kleine Austrittsöffnung bemessen
ist. Die Austrittsöffnung
kann recht klein sein, zum Beispiel hat sich eine Austrittsöffnung von
etwa 200 bis 250 μm
als ausreichend erwiesen. Unter Bezug nun auf 11 ist
ein erfindungsgemäß aufgebautes Strömungsdrosselungselement
allgemein bei 60 gezeigt. Das Element ist als Scheibe mit
einer durch diese tretenden Austrittsöffnung 62 ausgelegt.
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Der
Zweck der durch die Austrittsöffnung
62 vorgesehenen
Drosselung ist das Isolieren eines Aliquots von Druckgas in dem
Instrument für
jeden Partikelzufuhrvorgang. Unter besonderem Bezug auf die in der
internationalen Schrift Nr.
WO
95/19799 beschriebene Vorrichtung liefert die Druckgasquelle ständig, nicht
nur während
Zufuhrvorgängen,
zusätzliches
Druckgas durch das Instrument. Wie sich zeigt, wird bei Betätigung mehr
Gas in das Instrument geliefert, als eigentlich für eine effektive
Beförderung der
Partikel zu einer Zielfläche
nötig ist.
Das durch das Instrument strömende überschüssige Gas
verstärkt
sogar die Einwirkung des Zufuhrvorgangs auf das Ziel, ohne einen
entsprechenden Vorteil zu bieten. Durch Vorsehen des Strömungsdrosselungselements
60 in
der Vorrichtung strömt
das Druckgas während
Zufuhrvorgängen
durch die Austrittsöffnung in
das Innere des Genzufuhrinstruments aus. Wenn die Vorrichtung betätigt wird,
dann ist in dem Instrument selbst bereits eine Ladung oder ein Aliquot
von Druckgas vorhanden, das die verschiedenen Kammern und Leitungen
in der Vorrichtung füllt.
Diese Druckgasladung ist, wie sich zeigt, ausreichend, um die Partikel
von der Partikelquelle zu der Zielfläche zu befördern. Wenn die Druckgasladung
somit freigesetzt wird, verhindert die durch das Strömungsdrosselungselement
60 vorgesehene
Strömungsdrosselung
das Strömen
eines zusätzlichen
Volumens an Druckgas durch das Instrument. Nach dem Zufuhrvorgang
lädt das
Druckgas das Instrument wieder auf, bis ein Druckgleichgewicht erreicht
ist.
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In
anderen ähnlichen
Ausgestaltungen der Erfindung kann das Konzept des Vorsehens eines einzigen
Aliquots (Ladung) an Gas in der Partikelzufuhrvorrichtung zum Ausstoßen einer
Füllung
an Partikeln mit Hilfe anderer Mechanismen ausgeführt werden.
Statt der Verwendung eines Strömungsdrosselungselements
wie Element 60 kann stattdessen eine Kombination von Ventilen
verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erreichen. In einer
bestimmten Anordnung kann ein Einlassventil vorgesehen werden, das
während
des Betriebs des Instruments geschlossen ist und dann geöffnet wird,
wenn das Instrument nicht im Einsatz ist, um das Instrument für den folgenden
Betrieb zu laden. Wenn zum Beispiel ein elektrisches oder magnetbetätigtes Ventil
als Hauptventil für
das Instrument verwendet wird, können
zwei Ventile abwechselnd betrieben werden, wobei ein Einlassventil
geschlossen wird, sobald das Hauptventil geöffnet wird, und das Einlassventil
geöffnet
wird, sobald das Hauptventil geschlossen wird.
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Das
Strömungsdrosselungselement
hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel wird der durch den Betrieb des
Instruments erzeugte hörbare
Knall drastisch gemindert. Bei 3,45 MPa (500 psi) des Druckgases
erzeugt eine typische Partikelzufuhrvorrichtung einen Knall von
in etwa 103 dB bei Entladung, wogegen das gleiche Instrument mit
dem vorliegenden Strömungsdrosselungselement
bei Entladung nur einen Knall von 88 dB erzeugt. Es liegt auch eine
wahrnehmbare Dämpfung
des taktischen Gefühls
der Gasentladung aus einer Partikelzufuhrvorrichtung vor, wenn das
vorliegende Drosselungselement eingesetzt wird. Weiterhin liegt
weniger Schädigung
von empfindlichen Zielgeweben oder -zellen vor, wenn das Strömungsdrosselungselement
verwendet wird.
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Im
Einzelnen ist hierin beabsichtigt, dass die verschiedenen Ausführungen
der Erfindung allein oder in Kombination verwendet werden können. Diesbezüglich ist
jede Ausführung
in der Lage, unabhängig
eine einzigartige und vorteilhafte Verbesserung der Leistung einer
Partikelzufuhrvorrichtung vorzusehen. Es ist aber besonders vorteilhaft,
sowohl ein Wirbelströmungselement
als auch ein Strömungsdrosselungselement
zu verwenden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
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C. Experimentell
-
Nachstehend
finden sich Beispiele bestimmter Ausführungen zum Durchführen der
vorliegenden Erfindung. Die Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung
und sollen nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in
irgendeiner Weise einschränken.
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Es
wurde versucht, bezüglich
der verwendeten Zahlen (z. B. Mengen, Temperaturen, etc.) Genauigkeit
sicherzustellen, doch sollte natürlich
ein gewisser experimenteller Fehler bzw. Abweichung berücksichtigt
werden.
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Beispiel 1
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Partikelzufuhrverteilung
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Um
die Wirkung eines Wirbelströmungselements
auf die Leistung einer Partikelzufuhrvorrichtung zu beurteilen,
wurde die folgende Untersuchung durchgeführt. Eine Partikelzufuhrvorrichtung,
beispielsweise die in der internationalen Veröffentlichung Nr.
WO 95/19799 beschriebene „Genkanone", wurde zum Zuführen von
Goldmikropartikeln in einen Parafilm
®-Block,
der von einer Mylar
®-Folie bedeckt ist, verwendet.
Diese Anordnung approximiert eine typische Hautgewebe-Zielfläche und
ist ausreichend undurchsichtig, um visuelle und/oder optische Beurteilungen
der Partikelverteilung in einem Zielgebiet zu ermöglichen.
Bei der vorliegenden Untersuchung wurde ein optisches Lesegerät Modell
GS300 (Hoefer Scientific) verwendet, um eine grafische Darstellung
der Verteilung der Goldmikropartikel in einem Iransekt quer über die
Mittel der Partikelausbreitung zu erzeugen.
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Es
wurden sechs verschiedene Partikelzufuhrvorgänge ausgeführt, wobei identische Partikelnutzlasten
verwendet wurden, die von einer bei 400 psi Helium betriebenen ACCELL®-Partikelzufuhrvorrichtung
(PowderJect Vaccines, Madison, WI) zugeführt wurden. Jede Zufuhr wurde
mit Hilfe eines Wirbelströmungselements
ausgeführt,
das einen anderen Drehungsgrad lieferte (0°, 2°, 3,5°, 5° und 11°) Die Ergebnisse der Untersuchung
werden in dem Kurvenblatt von 12 gezeigt.
In dem Kurvenblatt stellt der Ordinatenwert die Partikeldichte dar,
während
der Abszissenwert die Partikelverteilung darstellt. Wie in 12 ersichtlich
ist, ist die Kurve A (erhalten aus der Partikelzufuhr unter Verwendung
eines Wirbelströmungselements,
das 0° Drehung
liefert) sowohl hoch als auch schmal, was zeigt, dass sich die Partikel
nicht seitlich verteilt haben und sich in der Mitte der Zielfläche konzentriert
haben. Die Kurve C dagegen (erhalten aus der Partikelzufuhr unter
Verwendung eines Wirbelströmungselements, das
3,5° Drehung
liefert) ist verglichen mit Kurve A viel breiter, was eine höhere Partikelverteilung über der
Zielfläche
anzeigt. Zudem ist die Kurve C niedriger, was anzeigt, dass keine
besonders hohe Konzentration von Partikeln in der Mitte der Zielfläche vorliegt.
Die Kurve F (erhalten aus der Partikelzufuhr unter Verwendung eines
Wirbelströmungselements, das
11° Drehung
liefert) zeigt, dass dieser höhere Grad
an Drehung die Partikel über
der gesamten Zielfläche
signifikant streut.
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Anschließende Genzufuhrexperimente
in die Haut von Tieren bestätigen,
dass das Wirbelströmungselement
die Funktion der Partikelzufuhrvorrichtungen verbessert. Die Verwendung
des Elements liefert verglichen mit parallelen Experimenten unter
Verwendung von Vorrichtungen ohne die Strömungselemente nachweislich
vergleichbare Werte an Reportergenexpression in Testtieren. Ferner
wurde festgestellt, dass das Auftreten von Erythrämie in der
Haut von Testtieren signifikant verringert war, wenn das Wirbelströmungselement
in den Partikelzufuhrvorrichtungen verwendet wurde.
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Demgemäß wurden
neuartige, den Gasstrom modifizierende Elemente zur Verwendung mit Partikelzufuhrvorrichtungen
beschrieben. Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung recht eingehend beschrieben wurden, versteht sich, dass
offensichtliche Abänderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzumfang der durch die beigefügten Ansprüche festgelegten Erfindung
abzuweichen.