EP1362091A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschallimpfung von biologischem zellmaterial - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur ultraschallimpfung von biologischem zellmaterialInfo
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
- C12M35/04—Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli
Definitions
- the aim is to develop a method that is as inexpensive and simple as possible in order to inoculate individual cells or cell assemblies with biological molecules and / or pharmaceutical particles.
- the procedure for opening the cell has to be carried out with extremely complex precision technology and therefore the costs for a single cell vaccination are very high.
- one or more individual ultrasound-guiding glass fibers are in a suspension of cells and vaccine material in solution is introduced and excited via suitably coupled electrical or magnetostrictive ultrasound transmitters.
- An arrangement consisting of a piezoelectric composite transducer has proven to be particularly suitable, which together with the glass fiber or the fiber bundle forms an acoustic system which is excited in resonance.
- the sound coupling into the glass fiber or the fiber bundle is advantageously carried out by a mechanical connection such as gluing or clamping at a point where the amplitude of the mechanical tension is minimal (tension node).
- the glass fiber or the fiber bundle must be a multiple of half the wavelength.
- the method for vaccinating individual cells or cell assemblies can also be used for medical applications in such a way that vaccine material is introduced into the target region of a biological tissue via a guide catheter and the ultrasound-guiding glass fiber is introduced via this catheter or a second access and an ultrasound field is then built up in the area of application of the cavitation in the target region to be treated, in order to promote an accelerated vaccination of the target tissue material at the cellular level with biological / genetic engineering or pharmacological material.
- 1 shows an exemplary embodiment consisting of an ultrasound transducer 2 with a device 3 for measuring the amplitude, which may consist, for example, of an additional, passive piezo disk, and the mechanical coupling 4 of the glass fiber 5.
- the ultrasound transducer 2 is generated by the electric ultrasound generator 1 driven, which simultaneously evaluates the signal of the measuring device 3 and regulates the frequency and amplitude in the sense of an optimal effect.
- the distal end of the fiber 5 is in the suspension 7 of the cells and the inoculum in solution, which is located in the reaction vessel 6.
- the cavitation effects 8 caused by the ultrasound in the suspension 7 enable or support the introduction of the biological and or pharmacological material into the cells.
- FIG. 2 shows an embodiment for vaccinating cells in the
- the ultrasound transducer 10 transmits one with an amplitude measuring device 11 and a coupling 12
- Ultrasonic vibration on the flexible glass fiber 13 the ultrasonic transducer 10 by the generator 1, which simultaneously regulates the amplitude and frequency to an optimum value for the effect with the aid of the signal from the measuring device 11.
- the glass fiber 13 leads through a guide catheter 14 into the tissue area 15 to be treated.
- the biological or pharmacological material to be inoculated in solution is injected 16 through the guide catheter 14, which material can penetrate into the cells through the ultrasound effects 17.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Ultraschallimpfung von biologischem Zellmaterial. Es soll vor allem ein einfaches Verfahren vorgeschlagen werden, um einzelne Zellen oder Zellverbände mit biologischen Molekülen und/oder mit pharmazeutischen Partikeln preiswert zu impfen. Gelöst ist diese Aufgabe im wesentlichen dadurch, dass die eingesetzte Ultraschallenergie über geeignet geformte Glasfasern in die unmittelbare Nähe der zu impfenden Zellen in einem das Impfmedium tragenden Fluid gebracht wird.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall- Impfung von biologischem Zellmaterial
Aufgabenstellung
Es soll ein möglichst preiswertes und einfaches Verfahren entwickelt werden, um einzelne Zellen oder Zellverbände mit biologischen Molekülen und/oder pharmazeutischen Partikeln zu impfen. Stand der Technik
Es ist bekannt, über mechanisch oder optisch gesteuerte Mikromanipulatoren einzelne Zellen mittels Injektionsnadeln und/oder Laserstrahlen punktuell zu eröffnen und über die so geschaffenen Kanäle biologisches oder pharmazeutisches Material in die Zellen einzuschleusen. Hierzu gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, die dem interessierten Fachmann bekannt
> sind. Alle diese Verfahren haben jedoch gemeinsam, dass die
Vorgehensweise zur Eröffnung der Zelle mit extrem aufwendiger Präzisionstechnologie zu erfolgen hat und daher die Kosten für eine Einzelzellimpfung sehr hoch sind.
Erfindungsgemäße Lösung Erfindungsgemäß sollen daher ein Verfahren und eine Vorrichtung entwickelt werden, die es ermöglicht, einzelne Zellen oder Zellensembles bis hin zu Gewebeverbänden möglichst einfach mit hoher Effizienz mit dem gewünschten biologischen oder pharmakologischen Material zu impfen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es möglich ist, durch lokal induzierte Ultraschallschwingungen die Zellmembranen derart zu beeinflussen, dass sie unter Einfluss eben dieser Ultraschalleinwirkung durchlässiger werden und insbesondere einzelne natürlicherweise vorhandene Poren so weit öffnen, dass in der Umgebung der Zelle vorliegendes biologisches oder pharmakologisches Material in die Zelle eindringen kann. Insbesondere wird dieser Vorgang in der Gegenwart von Kavitation bevorzugt. Es hat sich nun auch für den Fachmann völlig überraschend gezeigt, dass es möglich ist, mit geeignet dimensionierten, flexiblen Glasfasern bzw. ' Faserbündeln Ultraschallschwingungen im Frequenzbereich über 20 kHz im Grundsatz bis zu einigen 50 MHz weiterzuleiten und dass abhängig von der Viskosität der Umgebung der Faserspitze es bei Ultraschallfrequenzen zwischen 20 und 100 kHz zu Kavitationen kommen kann, wobei die entstehende Kavitationsdynamik den Vorgang der Einschleusung von biologischem und pharmakologischem Material in die im Schallfeld vorhandenen Zellen unterstützt und im Grundsatz überhaupt erst möglich macht.
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden dabei ein oder mehrere einzelne ultraschallführende Glasfasern in eine Suspension aus Zellen
und in Lösung befindlichem Impfmaterial eingeführt und über geeignet angekoppelte elektrische oder magnetostriktive Ultraschallgeber angeregt. Als besonders geeignet hat sich eine Anordnung aus einem piezoelektrischen Verbundwandler erwiesen, der zusammen mit der Glasfaser beziehungsweise dem Faserbündel ein akustisches System bildet, das in Resonanz angeregt wird. Die Schalleinkopplung in die Glasfaser beziehungsweise das Faserbündel erfolgt vorteilhaft durch eine mechanische Verbindung wie Kleben oder Klemmen in einem Punkt, an dem die Amplitude der mechanischen Spannung minimal ist (Spannungsknoten). Die Glasfaser beziehungsweise das Faserbündel muss in diesem Fall ein Vielfaches der halben Wellenlänge lang sein. Da der Prozess der transmembranen Impfung von Zellen besonders effektiv im Bereich der Einsatzschwelle der Kavitationsbildung ist, befindet sich im akustischen System ein Ultraschallaufnehmer, der über die rückgekoppelte Messung des sich ausbildenden Ultraschallstehwellenfeldes den Einsatzpunkt der distal auftretenden Kavitation erkennt und danach Amplitude und ggf. Frequenz des Schwingers rückgekoppelt steuert. In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann das Verfahren zur Impfung einzelner Zellen oder Zellverbände auch für medizinische Anwendungen der Gestalt benutzt werden, dass über einen Führungskatheter Impfmaterial in die Zielregion eines biologischen Gewebes eingeführt wird und über ebendiesen Katheter bzw. einen zweiten Zugang die ultraschallführende Glasfaser eingeführt wird und sodann in der zu behandelnden Zielregion ein Ultraschallfeld im Einsatzbereich der Kavitation aufgebaut wird, um damit eine beschleunigte Impfung des Zielgewebematerials auf zellulärer Ebene mit biologisch/gentechnischem bzw. pharmakologischem Material zu fördern.
In den Figuren 1 und 2 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 ein Ausführungsbeispiel bestehend aus einem Ultraschallwandler 2 mit einer Einrichtung 3 zur Messung der Amplitude, die zum Beispiel aus einer zusätzlichen, passiven Piezoscheibe bestehen kann, sowie der mechanischen Ankopplung 4 der Glasfaser 5. Der Ultraschallwandler 2 wird durch den elektrischen Ultraschallgenerator 1 angetrieben, der gleichzeitig das Signal der Messeinrichtung 3 auswertet und die Frequenz und Amplitude im Sinne einer optimalen Wirkung regelt. Das distale Ende der Faser 5 befindet sich in der Suspension 7 aus den Zellen und dem in Lösung befindlichem Impfmaterial, die sich in dem Reaktionsgefäß 6 befindet. Die durch den Ultraschall entsehenden Kavitationseffekte 8 in der Suspension 7 ermöglichen beziehungsweise unterstützen die Einschleusung des biologischen und oder pharmakologischen Materials in die Zellen.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Impfung von Zellen im
Gewebeverband. Dabei überträgt der Ultraschallwandler 10, mit Amplitudenmeßeinrichtung 11 und Ankopplung 12 eine
Ultraschallschwingung auf die flexible Glasfaser 13. Angetrieben wird
der Ultraschallwandler 10 durch den Der Generator 1, der gleichzeitig mit Hilfe des Signals der Meßeinrichtung 11 die Amplitude und Frequenz auf einen für die Wirkung optimalen Wert regelt. Die Glasfaser 13 führt durch einen Führungskatheter 14 hindurch in das zu behandelnde Gewebeareal 15. Durch den Führungskatheter 14 wird das in Lösung befindliche zu impfende biologische beziehungsweise pharmakologische Material injiziert 16, das durch die Ultraschalleffekte 17 in die Zellen eindringen kann.
Claims
1. Verfahren und Vorrichtung zur ultraschallgestützten Impfung von Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallenergie über geeignet geformte Glasfasern in die unmittelbare Nähe der zu impfenden Zellen in einem das Impfmedium tragenden Fluid gebracht wird.
2. Verfahren und Vorrichtung nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass an der ultraschallführenden Faser ein Messsystem zur Erkennung des Einsetzens der Kavitation durch Ultraschallimpedanzmessung angebracht ist.
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