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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Zuführen von
Molekülen
zu einer Zielzelle und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen
zum Erzielen einer solchen Zuführung
durch Elektroporation und Elektromigration.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Die
Auswirkungen elektromagnetischer Felder auf Zellmembranen werden
bereits seit den 60er Jahren studiert. Frühe Forschungsarbeiten konzentrierten
sich auf die Beschreibung von Beobachtungen, dass ein anliegendes
elektrisches Feld einen irreversiblen Zusammenbruch von Zellmembranen
in vitro verursachen kann. Im Laufe der 70er Jahre verbreitete sich
dieses Thema in der Literatur weiter, konzentrierte sich aber immer
noch auf die Beschreibung des Phänomens,
das von einer kurzzeitigen Exposition gegenüber intensiven elektrischen
Feldern sowie dem Eintritt von exogenen Molekülen in das Zellinnere infolge
eines Membranzusammenbruchs resultierte. In den 80er Jahren traten
allmählich
Anwendungen auf und das Verständnis
des irreversiblen Membranzusammenbruchs vertiefte sich.
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Frühere Forschungsarbeiten
führten
zu dem derzeitigen Verständnis,
dass Membranen vorübergehend
destabilisiert werden, wenn Zellen für kurze Zeitperioden der Wirkung
von intensiven elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Dieser Effekt
wurde als Durchschlag aufgrund eines induzierten Transmembranpotentials
beschrieben und mit "Elektroporation" oder "Elektropermeabilisierung" bezeichnet, weil
beobachtet wurde, dass Moleküle,
die normalerweise nicht durch die Membran passieren, nach der Behandlung
der Zellen mit elektrischen Feldern in Zellen eindringen können. Man
stellte fest, dass der porierte Zustand temporär war. Die Zellen bleiben typischerweise
minutenlang nach dem Ende der elektrischen Behandlung in einem destabilisierten
Zustand.
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Aufgrund
ihrer physikalischen Natur ist die Elektroporation universell anwendbar.
Dieser Behandlungstyp, der temporären Zugang zum Zytosol bietet,
wird in einer Reihe verschiedener Vorgänge genutzt. Dazu gehören die
Produktion auf monoklonalen Antikörpern, Zell-Zell-Fusion, Zell-Gewebe-Fusion,
Insertion von Membranproteinen und genetische Transformation. Darüber hinaus
wurden Farbstoffe und fluoreszente Moleküle zum Untersuchen des Elektroporationsphänomens verwendet.
Ein bemerkenswertes Beispiel für
das Laden von Molekülen
in Zellen in vivo ist die Elektrochemotherapie. Bei diesem Vorgang
wird ein Medikament in Verbindung mit elektrischen Impulsen als
Mittel zum Beschicken von Tumorzellen mit einem Krebsbekämpfungsmedikament
verwendet. Er wurde von den Autoren der vorliegenden Erfindung in
einer Reihe von Tiermodellen und in klinischen Versuchen durchgeführt. Es wurden
auch Rattenleberzellen in vivo mit Plasmid-DNA behandelt (Heller et al., FEBS Lett.
389, 225–28).
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Protokolle
für die
Anwendung von Elektroporation zum Laden von Zellen in vitro beinhalten
typischerweise die Verwendung eine Suspension von einzelnen Zellen
oder von Zellen, die auf planare Weise auf einer Wachstumsfläche liegen.
Die in vivo Elektroporation ist komplexer, weil Gewebe beteiligt sind.
Gewebe bestehen aus individuellen Zellen, die kollektiv eine dreidimensionale
Struktur bilden. In jedem Fall sind die Auswirkungen auf die Zelle
dieselben. 1 illustriert Einzelheiten des
elektrischen Behandlungsverfahrens. Elektroden und Elektrodenarrays
zum Zuführen
von elektrischen Wellenformen zur Erzielung eines therapeutischen
Nutzens, einschließlich
der Induktion von Elektroporation, wurden von Bernard beschrieben
(WO 98/47562).
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Das
Laden von Molekülen
durch Elektroporation in vitro sowie in vivo erfolgt typischerweise
dadurch, dass zunächst
die Zellen oder das Gewebe von Interesse mit einem Medikament oder
einem anderen Molekül
in Kontakt gebracht werden (2). Die
Zellen oder das Gewebe werden dann elektrischen Feldern ausgesetzt,
indem ein oder mehrere Gleichstromimpulse angelegt werden. Die elektrische
Behandlung wird auf eine Weise durchgeführt, die zu einer vorübergehenden
Membrandestabilisierung mit minimaler Zytotoxizität führt. Die
Intensität der
elektrischen Behandlung wird typischerweise anhand der Größe des angelegten
elektrischen Feldes beschrieben. Dieses Feld wird als die an die
Elektroden angelegte Spannung dividiert durch den Abstand zwischen
den Elektroden definiert. Elektrische Feldstärken im Bereich von 1000 bis
5000 V/cm wurden zum Zuführen
von Molekülen
in vivo verwendet und sind auch für die untersuchten Zellen oder
das untersuchte Gewebe spezifisch. Impulse sind gewöhnlich rechteckig;
es wurden jedoch auch exponentiell abklingende Impulse verwendet.
Die Dauer jedes Impulses wird als Impulsbreite bezeichnet. Das Laden der
Moleküle
erfolgte mit Impulsbreiten im Bereich von Mikrosekunden (μs) bis Millisekunden
(ms). Die Zahl der zugeführten
Impulse lag im Bereich von eins bis acht. Typischerweise werden
mehrere Impulse während
der elektrischen Behandlung benutzt.
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Für Moleküle, die
durch Elektroporation ins Zellinnere geführt werden sollen, ist es wichtig,
dass das Molekül
von Interesse in der Nähe
der Außenseite
der Zellmembran liegt, wenn in der Zelle ein permeabilisierter Zustand
vorliegt. Es ist auch wichtig, Moleküle in der Nähe von im Wesentlichen allen
Zellen innerhalb eines behandelten Gewebevolumens zu haben, um eine
effiziente Zuführung
zu im Wesentlichen allen Zellen in dem Behandlungsvolumen zu erzielen.
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Moleküle werden
derzeit mit der Fachperson hinlänglich
bekannten Methoden systemisch oder direkt in den Behandlungsort
injiziert. Es wird nicht versucht, eine spezifische Verteilung von
Molekülen
zu erzeugen, reicht aus, um eine effektive Verteilung zu im Wesentlichen
allen Zellen zu erzielen.
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Es
wurde von Elektropermeabilisierung von Tumorzellmembranen in vivo
mittels angelegter elektrischer Impulsen von Oberflächenelektroden
in Kontakt mit der Haut berichtet (Rols et al., Nature Biotechnology
16, 173, 1998). Ein Protein kann in die Zellen transferiert und/oder
durch diese exprimiert werden, indem entweder das Protein oder ein
ein Reporter-Gen tragendes Plasmid eingebaut wird. Die Wirkungsgrade
des Transfers für
das Protein und das Plasmid betrugen jeweils 20 bzw. 4%.
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Ein
erster in der Technik bekannter Elektrodentyp umfasst Parallelplattenelektroden,
die auf gegenüberliegenden
Seiten des Tumors positioniert werden. Andere derzeit in der Technik
bekannte Methoden umfassen Nadeln, die in oder um das Gewebe von
Interesse eingeführt
werden. Ein solches Beispiel ist in der WO96/39926 offenbart. Ein
weiterer Typ von Elektrodenanordnung ist in der
US 538069 offenbart, die zwei axial
beabstandete Elektroden auf einem Penetrator beinhaltet, der in
ein Zielgewebe eingeführt
wird. Diese Anordnungen des Standes der Technik lehren jedoch, dass
elektrische Felder nur in zwei Dimensionen der dreidimensionalen
Gewebematrix angelegt werden. Dies begrenzt den Bereich jeder Zelle,
der elektroporiert werden kann (
1), wodurch
der Wirkungsgrad der Zuführung
reduziert wird.
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Es
wurde auch eine zweidimensionale Anordnung von Nadeln offenbart
(Gilbert et al., Biochim. Biophys. Acta 1334, 9, 1997; US-Patent
Nr. 5,702,359), wo kreisförmig
angeordnete Paare von Nadeln ein Zielgewebe umgeben. Impulse von
entgegengesetzter Polarität
werden an jedes Paar Nadeln in einer vorbestimmten Sequenz angelegt,
wodurch gezeigt werden konnte, dass eine Tumorregression in einer
Mausmelanomstudie verbessert werden konnte.
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In
den in der Technik bekannten Elektroden und Verfahren gibt es keine
Molekülbewegung
während
der Präelektroporationeperiode
zur Verbesserung der Molekülverteilung
oder in der Postelektroporationszeitperiode, wenn sich die Zellen
in einem Zustand erhöhter
Membranpermeabilität
befinden. Man ist der Ansicht, dass die Bewegung von Molekülen innerhalb
des Gewebes eine Erhöhung
der zugeführten
Menge von Molekülen
durch Verbessern der Bewegung in die Zellen bewirkt.
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Die
WO98/47562 offenbart Mittel, um eine Bewegung des Moleküls während der
Präelektroporationsperiode
oder der Postelektroporationsperiode zuzulassen, umfassend einen
Träger
und wenigstens ein erstes und ein zweites Element, die an dem Träger befestigt
sind und von diesem weg verlaufen. Die Elektrodenanordnung beinhaltet
drei Nadelelektroden, die ein Dreieck in der die Elektroden schneidenden
Ebene bilden. Gemäß diesem
Dokument werden zwei Dimensionen durch die Geometrie der Drei-Elektroden-Anordnung und die
dritte Dimension durch die Länge
der leitenden Region der Elektroden gebildet. Das elektrische Feld
kann jedoch nicht über die
Länge der
dritten Dimension variiert werden, wodurch der Bereich des Zielgewebes,
der elektroporiert werden kann, weiterhin begrenzt wird, und bietet keine
Flexibilität
im Hinblick auf die Stärke
des Feldes in der dritten Dimension, um Differenzen in der Elektroporation
oder der Molekülbewegung
in der Präelektroporationsperiode
oder der Postelektroporationsperiode entlang der dritten Dimension
zu berücksichtigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Vorrichtung zum Manipulieren von Molekülen neben und/oder in einem Zielgewebeort
bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, eine solche Vorrichtung zum Manipulieren
von Molekülen
in einem dreidimensionalen Raum wie z.B. einem Gewebevolumenelement
bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, eine solche Vorrichtung bereitzustellen,
die eine gewünschte
elektromagnetische Feldverteilung neben und/oder in einem Zielgewebe
erzeugen kann.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, eine solche Vorrichtung bereitzustellen,
die zum Aktivieren eines labilen Multikomponentensystems an einem
gewünschten
Ort konfiguriert werden kann.
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Es
ist noch eine zusätzliche
Aufgabe, ein System zum Bewirken einer Tumorreduktion bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, ein System zum Bewirken eines In-Vivo-Gentransfers
zu Zellen per Elektroporation bereitzustellen.
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Diese
und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung mit einer
Vorrichtung zum Manipulieren eines Moleküls in vivo relativ zu einem Zielgewebe
in drei Dimensionen gelöst.
Die Vorrichtung umfasst einen Träger
und wenigstens ein erstes und ein zweites Element, die an dem Träger befestigt sind
und von diesem weg verlaufen. Das erste Element beinhaltet wenigstens
eine diskrete Elektrode und das zweite Element beinhaltet wenigstens
zwei diskrete Elektroden, jede Elektrode in unabhängiger Schaltungsverbindung
mit einem jeweiligen Teil einer Quelle von elektrischer Energie
und daher differenziell aktivierbar. Die Elektroden sind in axial
beabstandeter Beziehung entlang dem Element angeordnet.
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Die
diskreten Elektroden sind so konfiguriert, dass ein erstes elektromagnetisches
Feld in vivo zwischen gewählten
Elektroden entsteht, das ausreicht, um ein Molekül translational relativ zu
einem Zielgewebe zu manipulieren. Die Elektroden werden ferner so
konfiguriert, dass ein zweites elektromagnetisches Feld entsteht,
das ausreicht, um eine transiente Permeabilität einer Zellmembran in dem
Zielgewebe zu bewirken.
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Eine
solche Anordnung ermöglicht
eine Triangulation zwischen den unabhängig aktivierbaren Elektroden.
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In
einer besonderen Ausgestaltung sind die Elektroden auch so konfiguriert,
dass ein drittes elektromagnetisches Feld entsteht, das zum Manipulieren
eines Moleküls
ausreicht, so dass es translational dem zweiten Feld folgt, um die
Molekülverteilung und/oder
die Aufnahme an Zellen weiter zu verbessern. Typischerweise sind
der erste und der dritte Feldpegel niedriger als der zweite, aber
dies ist nicht als Beschränkung
anzusehen.
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In
einer besonderen Ausgestaltung sind die Elektroden in einer vorbestimmten
Sequenz aktivierbar, die eine sequentielle oder gleichzeitige Aktivierung
einiger oder aller Elektroden beinhalten kann.
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Die
Vorrichtung kann beispielsweise mit Wechselstrom, Gleichstrom, pulsiertem Wechselstrom,
pulsiertem Gleichstrom, Hoch- und Niederspannungswechselstrom mit
veränderlicher
Frequenz und Amplitude, veränderlichen
Gleichstromwellenformen, veränderlichen
Wechselstromsignalen, die mit veränderlichen Gleichstromwellenformen vorgespannt
sind, und veränderlichen
Wechselstromsignalen, die mit konstantem Gleichstrom vorgespannt
sind, verwendet werden.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung kann zum Verbessern der Zuführung eines
Moleküls
wie z.B. eines bioaktiven Moleküls,
einer Nukleinsäure, einer
Aminosäure,
eines Polypeptids, eines Proteins, eines Antikörpers, eines Glykoproteins,
eines Enzyms, eines Oligonukleotids, einer Plasmid-DNA, eines Chromosoms
oder eines Medikaments verwendet werden, obwohl diese Liste nicht
als erschöpfend oder
beschränkend
anzusehen ist. Die Vorrichtung kann verwendet werden, um eine Elektromigration von
wenigstens zwei Komponenten eines Multikomponenten-Reaktionssystems
in Apposition zu bewirken, um eine Reaktion an einem gewünschten
Zielgewebeort zuzulassen. Das Zielgewebe kann einen Tumor und ein
Organ oder eine Wundstelle umfassen.
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Die
Merkmale, die die Erfindung charakterisieren, sowohl im Hinblick
auf Organisation als auch Funktionsweise, zusammen mit weiteren
Aufgaben und Vorteilen davon, gehen besser aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor. Es
ist ausdrücklich
zu verstehen, dass die Zeichnung nur zu Illustrations- und Beschreibungszwecken
dient und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung anzusehen
ist. Diese und andere von der vorliegenden Erfindung erzielte Aufgabenlösungen und
Vorteile gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor,
wenn diese in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gelesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 (Stand
der Technik) ist eine schematische zweidimensionale Darstellung
der Elektroporation einer Zelle, die einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt
wird. Membrandurchbruchregionen, als Poren dargestellt, entstehen
an den Enden von den Elektroden zugewandten Zellen. Der Kontakt
mit dem elektromagnetischen Feld wird durch Anlegen eines Potentials
zwischen den positiven und negativen Elektroden erzielt.
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2 (Stand der Technik) zeigt den Vorgang des
Zuführens
von Molekülen
durch Elektroporation (2A); Zellen in vitro oder in
vivo werden dem Molekül
von Interesse ausgesetzt (2B); Gleichstromimpulse
werden an die Zellen angelegt, um eine temporäre Membrandestabilisierung
zu bewirken, die es zulässt,
dass die Moleküle
ungehinderter in das Zellinnere eintreten (2C). Zellen
kehren nach der Pulsation in ihren normalen Zustand zurück und lassen
die Moleküle
in den Zellen.
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3 zeigt
eine erste Ausgestaltung eines Elektrodentragelementes eines Molekülmanipulators mit
radial angeordneten koaxialen Elektroden, die durch nichtleitendes
Material beabstandet sind.
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4 zeigt
einen Molekülmanipulator,
der einen Träger
und mehrere Elementen wie in 3 gezeigt
beinhaltet.
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5 zeigt
eine zweite Ausgestaltung eines Elektrodentragelementes eines Molekülmanipulators mit
Umfangsbändern
von Elektroden, die um eine allgemein zylindrische Elektrode herum
angeordnet sind.
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6 zeigt
einen Molekülmanipulator,
der einen Träger
und mehrere Elementen wie in 5 gezeigt
beinhaltet.
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7 zeigt
die Verwendung eines Molekülmanipulators,
um Komponenten eines Multikomponenten-Reaktionssystems in Apposition
an einem Zielgewebeort zu bringen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG
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Es
folgt eine Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die 3–7.
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Eine
erste Ausgestaltung einer Vorrichtung 10 zum Manipulieren
eines Moleküls
M in vivo relativ zu einem Zielgewebe T (3 und 4)
umfasst einen Träger 11,
der so gestaltet ist, dass er sich außerhalb des Ortes des Zielgewebes
T befindet, in der Illustration hier auf der Haut S, aber dies ist
nicht als Beschränkung
anzusehen. Wenigstens ein Element 12, hier als vier Elemente 12 dargestellt,
sind an dem Träger 11 befestigt
und verlaufen von diesem weg. Die Elemente 12 sind vorzugsweise
um den Träger 11 in
beabstandeter Beziehung voneinander angeordnet und so konfiguriert,
dass sie einen Umfang von wenigstens einem Teil des Zielgewebes
T umgeben und/oder in dieses eindringen, wobei wenigstens ein unterer
Abschnitt der Elemente 12 die Haut S (oder ein anderes
Organ oder Gewebe) durchdringt, um das Zielgewebe T zu erreichen.
Hier ist das Zielgewebe T als Tumor dargestellt, aber dies ist nicht
als Beschränkung
anzusehen.
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Jedes
Element 12 hat wenigstens zwei diskrete Elektroden, die
in axial beabstandeter Beziehung voneinander angeordnet sind, hier
als drei Elektrodenabschnitte 13, 14, 15 dargestellt.
Jede Elektrode 13–15 befindet
sich in Schaltkreisverbindung mit einem jeweiligen Teil einer Quelle 50 von
elektrischer Energie. Der hierin verwendete Begriff "in Schaltkreisverbindung" beschreibt (1) Vorrichtungen,
die direkt oder indirekt elektrisch miteinander verbunden sind;
(2) Vorrichtungen, die andere Vorrichtungen oder Kombinationen von
Vorrichtungen (z.B. Leistungsunterbrecher, Relais, Puffer, Treiber,
Sender, Empfänger
und Decoder) dazwischen haben; (3) Vorrichtungen in optischer Verbindung
miteinander (z.B. über
einen Optoisolator oder eine faseroptische Verbindung); (4) Vorrichtungen
in elektromagnetischer Verbindung miteinander (z.B. über ein
Radiofrequenzsender- und -empfängerpaar);
(5) Vorrichtungen, die durch oder über andere Strukturen verbunden
sind, so dass sie miteinander in Verbindung sein können; und
(6) eine beliebige Kombination der obigen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst diese Quelle einen in der
Technik bekannten Impulsgenerator (z.B. einen PA-2000 oder PA-4000,
beide von Cyto Pulse Sciences, Inc., Columbia, MD; einen T820, BTX,
Inc., San Diego, CA) mit der Aufgabe, Impulse einer vorbestimmten
Form, Spannung, Dauer und Trennung zuzuführen. Die Quelle 50 sollte
insbesondere so gestaltet sein, dass sie Spannung an jede Elektrode 13–15 anlegt,
um ein elektromagnetisches Feld mit niedrigerem und mit höherem Pegel
in vivo zwischen gewählten
Elektroden zu erzeugen. Eine selektive Steuerung des Anlegens elektrischer
Signale zwischen den individuellen Elektroden kann auf verschiedene
Weisen erzielt werden, z.B. über
den Programmable Pulse Switch PA-201 in Kombination mit dem PA-4000
Generator (beide von Cyto Pulse Sciences, Inc., Columbia, MD), oder
kann manuell, mechanisch oder elektrisch erfolgen.
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Das
Feld mit tieferem Pegel dient zum Manipulieren (z.B. zum Bewirken
der Elektromigration) des Moleküls
M auf dreidimensionale Weise relativ zum Zielgewebe T, hier als
Masse dargestellt. Das Feld mit höherem Pegel soll eine transiente
Permeabilität
einer Zellmembran im Zielgewebe T bewirken. Eine solche Permeabilität ist nützlich,
um es zuzulassen, dass das Molekül
M ins Innere der Zelle eindringt (siehe 1 und 2). Ein Feld mit tieferem Pegel kann auch
nach dem Anlegen eines Feldes mit höherem Pegel angelegt werden,
um eine Molekülverteilung
im Zielgewebe zu verbessern und/oder eine Bewegung des Moleküls bzw.
der Moleküle
ins Zellinnere der permeabilisierten Zelle durch Elektroporation
zu bewirken.
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In
der ersten Ausgestaltung umfasst das Element 12 eine längliche
und zugespitzte Kernelektrode 13, die aus einem leitenden
Material besteht. Eine nichtleitende Isolatorhülse 16 befindet sich
in Umgebungsbeziehung zu einem Teil der Kernelektrode 13, wobei
ein unterer Abschnitt der Kernelektrode 13 vorsteht und
somit exponiert ist.
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Eine
erste Außenelektrode 14 befindet
sich in Umgebungsbeziehung zu einem Abschnitt der Hülse 16,
wobei ein unterer Abschnitt der Hülse 16 davon vorsteht
und somit exponiert ist.
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Eine
zweite Hülse 17 befindet
sich in Umgebungsbeziehung zu einem Abschnitt der ersten Außenelektrode 14,
wobei ein unterer Abschnitt der zweiten Elektrode 14 davon
vorsteht und somit exponiert ist.
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Eine
zweite Außenelektrode 15 befindet
sich in Umgebungsbeziehung zu einem Abschnitt der zweiten Hülse 17,
wobei ein unterer Abschnitt der zweiten Hülse 17 davon vorsteht
und somit exponiert ist.
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Eine
dritte Hülse 18 befindet
sich in Umgebungsbeziehung zu einem Abschnitt der zweiten Außenelektrode 15,
wobei ein unterer Abschnitt der zweiten Außenelektrode 15 davon
vorsteht und somit exponiert ist.
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In
einer Prototyp-Ausgestaltung, die nicht als Beschränkung anzusehen
ist, umfasst die Vorrichtung 10 eine Edelstahlnadel (30 Gauge)
als Kernelektrode 13, die im Hohlraum einer hypodermischen Röhre (25 Gauge)
als erste Außenelektrode 14 mit einer
Schicht aus nichtleitendem Isoliermaterial zwischen den Elektroden 13, 14 als
erste Hülse 16 platziert
ist. Eine Isolierschicht ist um die erste Außenelektrode 14 herum
angeordnet und dient als zweite Hülse 17, und ein Röhrenabschnitt
(23 Gauge), der als zweite Außenelektrode 15 dient,
befindet sich über
der zweiten Hülse 17.
Isoliermaterial über
der zweiten Außenelektrode 15 dient
als dritte Hülse 18. Die
unteren Abschnitte jedes dieser Elemente sind exponiert und bilden
eine Reihe von leitenden Bändern 13–15,
die durch nichtleitende Regionen 16–18 getrennt sind.
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Diese
Anordnung ergibt drei nach außen
exponierte Elektroden mit einem Isolator zwischen jedem benachbarten
Elektrodenpaar. Die Fachperson wird erkennen, dass eine beliebige
Anzahl von Elektroden und Isolatoren aufeinander folgend in Überlappungsbeziehung
konfiguriert werden kann, um ein Mehrelektrodenelement zu erzeugen,
das auf eine bestimmte Anwendung auf der Basis von Faktoren wie
beispielsweise der Größe des Zielgewebes
und des verfügbaren
Raums maßgeschneidert
werden kann.
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Jede
Elektrode 13–15 hat
jeweils eine unabhängige
Leitung 19, 19', 19'', die an ihrem oberen Ende angebracht
ist, um die Schaltkreisverbindung zum Impulsgenerator herzustellen.
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Beim
Gebrauch sind die Elemente 12 gewöhnlich in gegenüberliegenden
beabstandeten Paaren angeordnet, so dass wenigstens eine Elektrode
an jedem aus einem Paar Elemente 12 so gestaltet werden
kann, dass wenigstens ein Paar Spannungen von entgegengesetzter
Polarität
etwa gleichzeitig erzeugt werden kann. Ferner kann es wünschenswert
sein, selektiv elektrische Potentiale an jedes Elektrodenpaar in
einem vorbestimmten Muster anzulegen. Ein solches Mittel zum Erzeugen
eines vorgewählten
Musters kann beispielsweise ein Softwareprogramm zum Ansteuern eines
Impulsgenerators beinhalten, um an jede gewählte Elektrode Signale in dem
vorgewählten
Muster anzulegen.
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Es
ist ersichtlich, dass eine dreidimensionale Manipulation durch Aktivieren
von gegenüberliegenden
Paaren von Elektroden in verschiedenen axialen Höhen bewirkt werden kann, um
eine Molekülbewegung
und/oder eine Elektropermeabilisierung über einen gewünschten
Pfad zu induzieren. So würde
beispielsweise durch Aktivieren des Paares 13–13' eine Bewegung
allgemein in einer Ebene lotrecht zu dem Element 12 induziert,
während
durch Aktivieren des Paares 13–15' eine Bewegung in einem Winkel
relativ zur Ebene induziert würde.
Diese vorausgesetzten Bewegungen unterliegen natürlich auch anderen Bedingungen
in und um das Gewebe und dürfen
lediglich als relativ und für
mögliche
allgemeine Direktionalitäten
indikativ angesehen werden, die mit den Vorrichtungen der vorliegenden
Erfindung erzielt werden können.
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Eine
zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung 20 zum Manipulieren
eines Moleküls
M in vivo relativ zu einem Zielgewebe T (5 und 6)
umfasst einen Träger 21 und
wenigstens ein Element 22, hier als vier Elemente 22 dargestellt,
das an dem Träger 21 befestigt
ist und davon weg verläuft.
Die Elemente 22 sind vorzugsweise in beabstandeter Beziehung voneinander
um den Träger 21 angeordnet
und so konfiguriert, dass sie eine Peripherie von wenigstens einem
Teil des Zielgewebes T umgeben und/oder darin eindringen. In 6 ist
das Zielgewebe T als Tumor dargestellt, aber dies ist nicht als
Beschränkung anzusehen.
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Jedes
Element 22 hat wenigstens zwei diskrete Elektroden, hier
als fünf
Elektroden 23–27 dargestellt,
die als Umfangsringe konfiguriert sind, die um einen allgemein zylindrischen
nichtleitenden Kernpfosten 28 herum angeordnet sind. Wie
oben, befindet sich jede Elektrode 23–27 in unabhängiger Schaltkreisverbindung
mit einem jeweiligen Teil einer Quelle 50 von elektrischer
Energie. Eine solche unabhängige
Schaltkreisverbindung kann beispielsweise durch jeweilige isolierte
Leitungen 29 gebildet werden, die durch den Kern 28 vom
oberen Ende bis zu jeder Ringelektrode 23–27 verlaufen.
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Darüber hinaus
kann von einer oberen Öffnung 33 ausgehend
ein Lumen 30 durch den Kern 28 verlaufen, um ein
Molekül
M durch ein Portal 31 zu einem Gewebe zu führen. Das
Portal 31 kann sich in einer Ausgestaltung neben einer
Elektrode befinden oder kann sich an der Spitze 32 des
Kerns befinden (31'),
die in einer bestimmten Ausgestaltung zugespitzt sein kann.
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Es
werden nachfolgend mehrere Verfahren zum Verwenden der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung offenbart. Die Verfahren werden mit der
oben beschriebenen Vorrichtung 10 illustriert, aber dies
ist nicht als Beschränkung
anzusehen, da die Vorrichtung 10 oder die Vorrichtung 20 oder
andere für
die Fachperson verständliche Äquivalente
hierin eingesetzt werden könnten.
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Eine
erste Ausgestaltung umfasst ein Verfahren zum Erzielen einer verbesserten
Verteilung und Zuführung
eines gewünschten
Moleküls
M in ein Zielgewebe T. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des
Einführens
von wenigstens einem länglichen Element 12 in
ein Körpergewebe
allgemein neben und/oder in einem Zielgewebe T. Ein solches Einführen kann
mit beliebigen der in der Technik bekannten Sichtbarmachungstechniken
unterstützt
werden, wie z.B. Computertomografie, Ultraschall, Röntgentechnik,
aber diese sind nicht als beschränkend
anzusehen. Eine Substanz, die das gewünschte Molekül M, wie
z.B. eine Lösung
davon, beinhaltet, wird in den Körper
in einen Bereich in der Nähe
des Zielgewebes T entweder vor oder nach dem Einführen der
Vorrichtung 10 eingeleitet. Ein bestimmtes Einführungsverfahren
umfasst das Zuführen
der Substanz durch ein Lumen 30 und ein Portal 31 wie
in der Ausgestaltung der 5 und 6. Es kann
aber auch jedes andere Einführungsverfahren
angewendet werden, das der Fachperson bekannt ist.
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Ein
erstes elektrisches Potential wird zwischen einem Paar Elektroden 13–15' erzeugt, das ausreicht,
um eine Umverteilung und Elektromigration des gewünschten
Moleküls
M in Richtung auf das Zielgewebe T zu bewirken. Danach wird ein
zweites elektrisches Potential zwischen einem Paar Elektroden erzeugt,
bei denen es sich um dasselbe Elektrodenpaar wie zuvor aktiviert
handeln kann oder auch nicht. Das zweite Potential hat ein ausreichend
hohes elektrisches Potential, um eine Elektroporation im Zielgewebe
T zur Verbesserung einer Bewegung des gewünschten Moleküls M in
eine Zelle zu bewirken. Ein zusätzliches
drittes Feld mit niedrigem Pegel kann nach der Elektroporationsinduktion
angelegt werden, um die Molekülbewegung
in Zellen und/oder die Umverteilung noch weiter zu verbessern. Beispielhafte
Impulsgrößen- und
-dauerbereiche sind u.a., sind aber nicht als darauf beschränkt anzusehen,
1–10.000
Volt/cm für
eine Dauer im Bereich von Nanosekunden bis Sekunden. Eine bestimmte
Ausgestaltung umfasst einen Impuls oder eine Mehrzahl von Impulsen
im Bereich von 1–500
V/cm für
eine Dauer im Millisekundenbereich für das erste und das dritte
Potential und einen Impuls oder eine Mehrzahl von Impulsen in einem
Bereich von 750–1500
V/cm im Mikrosekundenbereich für
das zweite Potential. Diese Werte sollen natürlich nicht beschränkend sein und
die Fachperson wird verstehen, dass beispielsweise kürzere Impulse
von größerer Stärke oder
längere
Impulse von geringerer Stärke
nach Bedarf verwendet werden können,
um den gewünschten
Effekt zu erzielen.
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Ein
zweites Verfahren dient zum Zuführen
eines bioaktiven Moleküls
zu einem subkutanen Zielgewebe T. Dieses Verfahren umfasst die Schritte,
wie oben, des Einleitens einer Substanz, die das bioaktive Molekül M enthält, systemisch
oder in einen subkutanen Bereich in der Nähe des Zielgewebes T. Eine Vorrichtung
wie die Vorrichtung 10 wird in ein Körpergewebe im Allgemeinen neben
einem Zielgewebe T eingeführt,
und es werden wiederum Elektrodenpaare mit einem niedrigen und einem
hohen und wiederum einem niedrigen Pegel aktiviert, um jeweils eine Elektromigration
des bioaktiven Moleküls
M neben und in dem Zielgewebe T, eine Elektroporation einer Zellmembran
in dem Zielgewebe T, die ausreicht, um den Eintritt des bioaktiven
Moleküls
M ins Zelleninnere zu erlauben, und eine zusätzliche Elektromigration in
dem Zielgewebe zu erzielen.
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Eine
dritte Methode (7) dient dazu, zwei Moleküle M, M' in Apposition an
einem gewünschten Zielgewebeort
T zu bringen, um eine Reaktion dazwischen zuzulassen, wie in einem
Multikomponenten-Reaktionssystem oder einer "Zellbombe". Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte
des Einleitens einer ein erstes Molekül M enthaltenden Substanz in
einen ersten Bereich A neben und/oder in dem Zielgewebeort T und
des Einleitens einer ein zweites Molekül M' enthaltenden Substanz in einen zweiten
Bereich A' neben
und/oder in dem Zielgewebeort T.
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Als
Nächstes
wird eine Elektromigration des ersten Moleküls M und des zweiten Moleküls M' zu einem dritten
Bereich A'' bewirkt, der sich
neben und/oder in dem Zielgewebeort T befindet. Der dritte Bereich
A'' kann tatsächlich den
ersten Bereich A oder den zweiten Bereich A' oder einen anderen davon unterschiedlichen
Bereich umfassen.
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Als
Nächstes
wird zugelassen, dass das erste Molekül M und das zweite Molekül M' in dem dritten Bereich
A'' reagieren.
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Die
Fachperson wird verstehen, dass zusätzliche Ausgestaltungen möglich sind,
einschließlich
anderer Elektrodenkonfigurationen mit der Aufgabe, Felder mit hohem und
niedrigem Pegel zum Bewirken von Elektromigration und Elektroporation zu
erzeugen. In dieser Anwendung bedeutet die Tatsache, dass eine Vorrichtung
zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes "konfiguriert" ist, dass (i) der Abschnitt der Vorrichtung,
der mit dem Körpergewebe
oder Fluid in Kontakt kommt, aus biokompatiblen Materialien besteht,
(ii) die Elektroden den Strom führen
können,
der für
die Elektroporation und/oder Elektromigration von lebenden Zellen
in vivo in einem Elektrolyt benötigt
wird, der das behandelte Gewebe, Einlagerungsfluid, injiziertes
Material am Behandlungsort, auf das Zielgewebe aufgebrachtes Material und
Kombinationen davon beinhalten kann, und (iii) das Material zwischen
den Elektroden auf jedem Trägerelement,
das dasselbe Material sein kann wie das Trägerelement, eine ausreichende
Dielektrizitätskonstante
haben muss, damit es aufgrund dessen, dass nahe gelegene Elektroden
eine entgegengesetzte Polarität
haben, während
der elektrischen Behandlung zu keinem Durchbruch kommt. Darüber hinaus wird
für die
Fachperson offensichtlich sein, dass dort, wo eine Elektrode oder
ein System so konfiguriert ist, dass es zu Elektromigration und
Elektroporation kommt, eine solche Elektrode oder ein solches System
zum Ausführen
einer oder beider Funktionen verwendet werden kann.
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In
der oben genannten Beschreibung wurden bestimmte Begriffe der Kürze und
Deutlichkeit halber sowie zur Vermittlung eines Verständnisses verwendet,
aber dadurch sind keine unnötigen
Beschränkungen über die
Erfordernisse des Standes der Technik hinaus abzuleiten, weil solche
Wörter hierin
für Beschreibungszwecke
verwendet werden und im breiten Sinne zu verstehen sind. Darüber hinaus
sind die Ausgestaltungen der hierin illustrierten und beschriebenen
Vorrichtung lediglich beispielhaft und der Umfang der Erfindung
ist nicht auf die genauen Konstruktionsdetails beschränkt.
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Nachdem
die Erfindung, der Aufbau, der Betrieb und die Verwendung der bevorzugten
Ausgestaltung davon sowie die dadurch erhaltenen vorteilhaften neuen
und nützlichen
Ergebnisse beschrieben wurden, werden nunmehr neue und nützliche
Konstruktionen sowie sinnvolle mechanische Äquivalente davon, die für die Fachperson
offensichtlich sind, in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt.