EP1660626A2 - Zellprozessor zur krankheitsbehandlung - Google Patents

Zellprozessor zur krankheitsbehandlung

Info

Publication number
EP1660626A2
EP1660626A2 EP04764395A EP04764395A EP1660626A2 EP 1660626 A2 EP1660626 A2 EP 1660626A2 EP 04764395 A EP04764395 A EP 04764395A EP 04764395 A EP04764395 A EP 04764395A EP 1660626 A2 EP1660626 A2 EP 1660626A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cells
substance
substances
cell
human
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04764395A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ute Steinfeld
Hyeck-Hee Lee
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Science and Technology Europe Forschungs GmbH
Original Assignee
Korea Institute of Science and Technology Europe Forschungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Science and Technology Europe Forschungs GmbH filed Critical Korea Institute of Science and Technology Europe Forschungs GmbH
Publication of EP1660626A2 publication Critical patent/EP1660626A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/04—Cell isolation or sorting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12M35/08—Chemical, biochemical or biological means, e.g. plasma jet, co-culture

Definitions

  • the present invention relates to a device, hereinafter also referred to as a medical cell processor or simply referred to as a cell processor, which modifies cellular components of human or animal blood, in particular cells of the body's immune system, such as T cells or macrophages, in such a way that the Cells after their introduction into the human or animal body have a therapeutic function, for example against cancer z. B. the liver or cancer of the brain or against other diseases.
  • the cellular components described are also referred to as cells for short.
  • the cells can also be, for example, other already differentiated, endogenous cells of the human or animal body or cells that have not yet been differentiated, such as stem cells. your.
  • the cell processor can be implanted in the human or animal body, but non-implantable configurations are also possible.
  • the therapeutic function of the modified cells introduced into the human or animal body can consist, for example, in a controlled release of active substance or in a tissue regeneration or the like.
  • the active ingredient is usually supplied to the whole human or animal body.
  • the active ingredient can, for example, be administered orally or by injection; it then distributes itself evenly throughout the human or animal organism.
  • the decisive disadvantage of previous treatment methods is that unaffected regions of the human or animal body can also be affected by the active ingredients and that only a small part of the active ingredient can be effective in the target areas. Accordingly, correspondingly high doses of active ingredient are inevitable.
  • the object of the present invention is to provide a device, for example a device which can be implanted in the human or animal body, which makes it possible to modify human or animal cells in such a way that, after they have returned to the human or animal body were introduced, targeted to desired parts of the body or cells are supplied and have a therapeutic function there.
  • a device designed in this way it is thus possible, for example, with low dosage Combat diseases in a targeted manner or build up and strengthen tissues without affecting uninvolved regions of the body.
  • a device according to the invention or the cell processor has the following components: a device for isolating cells, for example from the blood circulation or a blood sample, a cell line or cell culture (for example freshly isolated cells from patients, primary cultures, etc.), advantageously a device for Fixation of cells, a device for introducing substances, for example active substances, into or for attaching these substances to the fixed cells, and advantageously also a device for determining the concentration of the substances in or on the cells.
  • the device also has a device for introducing cells into the human or animal bloodstream.
  • the cells or the cells and the medium surrounding them are also transported between the individual devices of the cell processor, for example with the aid of
  • the individual sub-devices for manipulating the cells are advantageously designed as contactless devices as far as possible, since a mechanical contact between an immune cell and a surface is an immune reaction can trigger.
  • the cell processor is implanted in the immediate vicinity of a vein (but the processor can also be arranged or carried outside the body).
  • the bioprocessor takes blood from the blood stream. Certain blood cells, e.g. Leukocytes, selected and these cells loaded with an encapsulated drug. The cells can also be encapsulated
  • the encapsulation can e.g. consist of thermally decomposable materials, so that the medication is released by heating in the target area or target area (for example by hyperthermia therapy).
  • the encapsulation can also take place with the aid of material which can be split by the cell's own enzymes (for example detran). In this case, the medication will be released after a foreseeable period of time (equivalent to the use of unencapsulated medication).
  • the carrier cell itself can be killed by the medication after a definable period of time. This makes the cell membrane permeable to the drug.
  • the defined period of time can be selected (e.g. by the type of medication, the formulation of the medication, by the choice of cytotoxic properties and / or the concentration) so that the cell can reach its destination during this time. As a result, the medication is released at the target location.
  • the cells are released back into the bloodstream and transport the active substance to the disease site, eg tumor, in a target-specific manner.
  • the system or the cell processor is thus implanted in the body or on Body worn or placed outside the body.
  • the cell processor can be used or used as a laboratory device, for example in the laboratory.
  • the device can be designed on the one hand as a system that can be worn on the body.
  • the device can also be designed as a laboratory system or as a system to be operated in the laboratory for modifying human or animal cells, for example for therapeutic purposes.
  • a laboratory system for modifying cells for autologous cancer therapies in which, for example, immune cells are isolated from a patient's tumor, then multiplied in the laboratory and finally released back into the patient's bloodstream. After the multiplication step in the laboratory, these cells can then be loaded with the device according to the invention with nanoparticles which are coated or provided with medicaments and / or nucleic acids and / or other therapeutically active compounds.
  • Uses of the laboratory device for screening purposes for pharmaceutical active substances are also conceivable.
  • the cell processor can thus be implantable, but can also be in a non-implantable shape and / or size. However, cell handling, for example isolation, fixation, transporting or counting cells etc., can also be done by touch. An example of this is cell sorting via antibody binding.
  • the first sub-device which has a cell processor designed according to the invention, is the device for isolating the cells.
  • this insulation device consists of at least one capillary, for example of a high-polymer plastic, and of at least two electrodes arranged on this capillary or these capillaries. The cells are passed through the capillary, the capillary diameter being designed so that only individual cells can pass through the capillary.
  • the individual cell types have different electrical conductivities.
  • the cells touch the electrodes, depending on the cell type, different currents can be measured. In this way, the cells can be distinguished from one another and can be selected.
  • An insulation device designed in this way thus isolates the required cells from their surroundings, for example a blood sample, by comparing the conductivities of different cell types.
  • at least one laser detector is arranged on the capillary or capillaries. Since the different cell types also have different light refraction properties, the required cells can be selected or isolated on the basis of the light refraction. In a further advantageous embodiment, the cells required are isolated by measuring the impedance, in which different cell types also differ.
  • an extension is connected at the end of at least one of the capillaries, an electromagnetic field being generated on or in this, for example with the aid of two electrodes arranged on it. Since various ne cell types have particle charges of different heights, they are influenced to different extents by the electromagnetic field and accordingly have a different duration for reaching the capillary wall in the expanded area in the electromagnetic field. In this way, the required cells can be isolated using their particle charge.
  • the electrophoretic mobility of the cells is used. This electrophoretic mobility takes on different values depending on cell properties such as density of the surface charge, volume and weight and can therefore also be used to select the desired cell type.
  • a further advantageous embodiment of the device for cell isolation uses the different particle sizes of different cell types.
  • a filter membrane is used, which is designed in such a way that only certain blood cells can pass through the membrane, other blood cells are retained.
  • Membrane filters with different pore sizes can also be used.
  • a further design option for the insulation device uses so-called solution diffusion membranes.
  • a mass transfer or isolation of the desired cell type is, for example, caused or carried out in the following manner: On the primary side of a solution diffusion membrane, a solvent is used which corresponds to all ingredients or all available cell types. On the secondary side of the solution diffusion membrane, a solvent is used that is only suitable for a certain component or a certain cell type. Only the cell type to be isolated is therefore soluble in the solvent on the secondary side.
  • the on The component soluble on the secondary side of the solvent membrane or the corresponding cell type tends to diffuse through the membrane; all other components or cell types do not.
  • the required cell type can thus be isolated.
  • Other membrane types can of course also be used for cell isolation using filtration.
  • the filtration can be implemented in an H-shaped filter module, for example.
  • the cell processor according to the invention advantageously has a device for fixing the cells.
  • the fixation serves to hold the cells so that the substance or the active ingredient can be attached to them or introduced into them.
  • a first advantageous embodiment of the sub-device for cell fixation consists of a capillary, for example made of a highly polymeric plastic, an expansion at the end of this capillary and a device for holding the cell which is introduced into the expansion.
  • the device for holding the cell is, for example, a fine needle which is applied to an electric field. The device uses the particle charges of the cells.
  • an alternating electrical field is used in the present case, which alternately holds the cell and repels it, so that the cell remains in vibration and the particle charge is retained.
  • the cells to be fixed are thus held by an alternating electrical field.
  • Such a partial device for fixing the cells with the aid of an electrical field can be used, for example, in the form of a three-dimensional microelectrode system. smooth cell manipulation.
  • Such a three-dimensional microelectrode system enables cells to be fixed or held in a cage filled with a dielectric liquid.
  • the three-dimensional microelectrode system has, for example, the following components.
  • the electrode elements which can be shaft, tube or funnel-shaped or straight or in the form of a cage or a switch, are operated by alternating current or a rotating, electrical field.
  • the electrode thickness is 10 ⁇ m and the active electrode surfaces are minimized to prevent the solution from heating up.
  • the system is operated at 5 to 11 volts and at 5 to 15 MHz.
  • the channel has a flow rate of 300 ⁇ m / s.
  • a further advantageous embodiment of the partial device for fixing cells of the immune defense is carried out as follows. With the help of a fine capillary, for example, gas or a liquid is introduced into a microball, which in turn inflates it and thus simulates a foreign body. After the defense cell has enclosed the simulated foreign body and the cell is thus fixed, the active substance is applied to the cell. The gas or liquid is then released from the microball and the defense cell floats free again. This defense cell fixation through foreign body simulation thus uses the natural function of defense cells.
  • a first advantageous embodiment of the sub-device of the cell processor for introducing a substance into the cell or for arranging a substance on the cell, which substance can be an active ingredient consists in a device for generating high-voltage pulses, for example with the aid of microelectrodes that have been coated, for example, by sputtering gold. With the help of such high-voltage pulses, which can be realized, for example, in the form of a step-like potential, small reversible pores are formed in the cell envelope. The corresponding substances or active substances are then introduced into the cells through these pores. In the present embodiment, the active ingredient or substance is thus introduced by means of electroporation.
  • a further advantageous embodiment of the sub-device for introducing or arranging substances or active substances uses magnetizable or magnetized nanoparticles or small spheres which are coated with or contain the substance or the active substance.
  • nanoparticles are particles with sizes from a few nanometers to a few hundred nanometers. In the following, however, particles with sizes are also included. understood for example in the micrometer range.
  • the sub-device now contains a device for generating a magnetic field. This can, for example, contain or consist of at least one microcoil.
  • the particles or spheres are set in motion or vibrate with the aid of this magnetic field, which is advantageously an oscillating field, but static fields are also possible, and are thereby able to penetrate the cell if the magnetic field is sufficiently strong.
  • the oscillating field can be sinusoidal or sawtoothed, for example. If the particles or spheres are in simple liquids, static magnetic fields are preferably used. If they are in more complex biological media, oscillating fields are preferred.
  • An advantageous embodiment of the magnetic field-based insertion device has a reservoir that is filled with the corresponding nanoparticles or beads. A capillary with a sluice is connected to the reservoir, the sluice only allowing a precisely defined number of nanoparticles or spheres to pass through.
  • a magnet is attached below the capillary.
  • the cell to be modified is fixed between the magnet and the capillary.
  • the substance or substances or substances are applied to the corresponding nanoparticles or beads. If necessary, these are magnetized before or after. If the magnet is activated in this arrangement, the nanoparticles or spheres are drawn into the cell.
  • the decisive factors are the time and the strength of the magnetic field: the nanoparticles or beads must not pass through the cell completely, they must remain in it.
  • Fe 2 0 3 or Fe 3 for example, come as nanoparticles or spheres containing particles or paramagnetic particles in question.
  • the cells loaded with the nanoparticles in the manner described can also be used for diagnostic purposes (comparable to the use of contrast media).
  • the nanoparticles can also be coated with contrast agents or similar substances with a high atomic number.
  • the cells loaded with nanoparticles can then also help with disease detection or better detection of diseases through the physical properties, such as magnetic characteristics (magnetized nanoparticles) of the nanoparticles.
  • the cells loaded with nanoparticles can also be used for diagnosis and at the same time for medication. This is then possible due to the magnetic properties of the nanoparticles and their simultaneous coating with an active ingredient.
  • Partial device for introducing substances or active substances into the cell uses liposomes.
  • Liposomes have the ability to penetrate the cell wall of a cell, so they can be used to transfer a substance or an active ingredient into the cell.
  • the substance or active ingredient is thus first introduced into a liposome. This is advantageously done, as described above, via active substance-coated, magnetized particles.
  • the substance or active ingredient is then transferred into the cell by lipofection, ie the liposome complex fuses with the cell membrane and releases the substance or active ingredient into the cell.
  • the partial device of the cell processor for introducing a substance or an active ingredient into the cell used phagocytosis.
  • Phagocytes are phagocytes that absorb foreign substances, dissolve and destroy them through enzymes.
  • the natural function of immune cells is thus used in that the active substance or the substance is recognized as a foreign body and is enclosed by an immune cell.
  • the substance or the active ingredient will first be brought into a form which renders it indigestible for the immune cell.
  • viruses are used. These viruses can be modified HIV viruses, for example.
  • a DNA can be introduced into the cell, which causes the cell to produce a desired active substance or substance itself.
  • a very fine needle is used for microinjection. The substance or the
  • nanofibers for example made of carbon compounds, can also be used for the injection.
  • the nanofibers advantageously have a diameter of a few tens of nanometers at the tips. If these fibers are arranged at a distance from one another corresponding to the cell size, for example on a silicon chip in a two-dimensional matrix, cells separated on the chip, for example with the aid of centrifugal forces, are only pierced by one fiber, a substance or an active ingredient being injected into the cell can.
  • a first advantageous embodiment of a partial Direction for determining the concentration of a substance or an active ingredient in or on the cell uses at least one sensor for determining magnetic field strengths.
  • a magnetic field sensor when using magnetized nanoparticles or beads, the substance or active substance concentration in the cell is measured by measuring the magnetic field strength of the nanoparticles or beads.
  • the sensitivity of the sensor is advantageously carried out in accordance with the minimal substance or agent loading, the measurement resolution in accordance with a substance or. Active ingredient loading unit. If magnetized particles are used in liposomes, the sensor can, for example, also be used to determine the number of particles loaded into a liposome.
  • the sensor is a magnetoresistive sensor or an arrangement of micro-coils that inductively detect magnetic fields.
  • the magnetic field sensors work here without contact, ie the substance or active substance concentration is determined without touching the substance or the active substance or the cell coupled to magnetic materials.
  • the active substance or substance concentration is determined with the aid of a device for measuring the fluorescent light from fluorescent dyes and / or with the aid of biomarkers.
  • a fluorescent substance or a marker substance is added to the substance or the active ingredient beforehand.
  • the line Processor has a device for determining the number or for checking the number of modified cells.
  • the partial device for determining the concentration of a substance or an active substance in or on the cell and the partial device for introducing substances or active substances into the cell are accommodated in a common reaction space.
  • This reaction space advantageously has at least two supply devices such as, for example, microchannels: a supply device for supplying the cells and a supply device for supplying substances or active ingredients or also washing reagents. The washing reagents are added after the active ingredient treatment.
  • the reaction space also advantageously has elements for electrophoresis, such as funnel-shaped or shaft-shaped microelectrodes for aligning electrostatically charged cells or straight or zigzag-shaped microelectrodes for deflecting electrostatically charged cells.
  • the sub-device for determining the concentration of a substance or an active ingredient and the sub-device for introducing substances or active ingredients into the cell can, however, also be arranged in different compartments (for example chip with different reaction spaces or compartments, so that the determination of the concentration and the active ingredient is introduced in different areas of the chip).
  • Compartments or reaction spaces are areas of the device which are delimited from one another (for example by suitable wall designs) and which have different functional areas Represent or integrate units of the device (for example, mixing chamber, electroporation unit or separation unit).
  • the individual compartments or reaction spaces can then be connected to one another via suitable flow channels, so that the cells can be guided from one compartment to the other or reaction space.
  • the cell processor has a sub-device for introducing the cells into the human or animal bloodstream.
  • This can contain, for example, micropumps, microvalves, micro nozzles and / or microfilters for controlling the flow of a fluid containing cells.
  • the modified cells are introduced into the human or animal body, they are transported to a desired defined type of tissue via the bloodstream.
  • the desired defined tissue is reached here by the ability of cells to detect this tissue with the help of messenger substances which are separated from the desired tissue. In an analogous manner, it is also possible to find previously unknown, diseased tissue.
  • the cell processor according to the invention is equipped with a device for delivering substances or active substances to a defined human or animal tissue.
  • a device for generating an electromagnetic field which is used when using magnetized nanoparticles.
  • the nanoparticles are pulled out of the immune cell by a magnetic field created with the aid of the device.
  • the release of the substance can not only be done with With the aid of a magnetic field generated by the implantable microcell processor, but also by a magnetic field generated outside or minimally invasively inside the body.
  • the substance or active ingredient is thus delivered locally to the tissue as desired. Analogous to the loading of the cells, static and / or oscillating magnetic fields can be used.
  • the active ingredient can be supplied to the desired tissue in a controlled manner and thus ideally dosed.
  • the device for delivering the substances or active ingredients is a device for destroying the modified cells at the location of the desired tissue.
  • a device can be, for example, a chemical that has been added to the substance or active ingredient that dissolves the cell on the desired tissue.
  • the trigger for self-destruction can be, for example, the concentration of messenger substances that are secreted from the desired tissue.
  • Another possible embodiment of the device for delivering substances or active substances is a device for generating ultrasound fields with a field strength sufficient to destroy cells.
  • the ultrasound field for dispensing the substance can not only be generated by the implantable microprocessor itself as described, but the dispensing of the substance can also take place by means of an ultrasound field generated outside the body or minimally invasively inside the body.
  • the cell processor according to the invention is equipped with a device for localizing modified cells, for example in the human body.
  • the localization device can, for example, be a Sensor for detecting a magnetic field caused by modified cells or a detection device for biomarkers or a detection device for fluorescent light.
  • the cell processor according to the invention relates to the integration or arrangement of a battery for energy supply. If the cell processor is used outside the body, it is advantageously possible to use a conventional battery supply. If the cell processor is used inside the body, it is advantageous to use a long-life battery, such as is also used in cardiac pacemakers (lithium-iodine batteries). Such a long-life battery can be replaced with a minimally invasive procedure.
  • the cell processor according to the invention is equipped with a contactless, inductive power supply.
  • a first coil with rectifier is used at the location of the implanted cell processor, which feeds an accumulator or a capacitor, such as a scap, which in turn represents the energy supply of the cell processor.
  • a scap is a powerful double-layer capacitor, in which the electrical energy is stored by shifting the charge at the interface between the electrode - usually made of carbon - and the organic electrolyte.
  • the capacitor or the accumulator is charged inductively via the first coil by a second coil which is applied to the body surface and which is applied to an alternating field.
  • This outer second coil can, for example, be fastened to the body by a band in the sleep phase.
  • the power supply is provided by using special carbon nanotubes. These carbon nanotubes generate an electrical charge when flowing through a liquid, for example blood. The required energy is thus made available by the liquid flow.
  • At least one reservoir is provided on or on the cell processor.
  • Such a reservoir is used to hold at least one substance or active ingredient.
  • the substances or active ingredients can be, for example, therapeutic agents such as medicines, medication precursors (prodrugs),
  • Hormones enzymes for the cleavage of drug precursors, viruses, which are used for example for gene therapy, or nanoparticles. If the reservoirs are exhausted, they can, for example, be implanted from the outside by a minimally invasive procedure, e.g. can be refilled with a fine needle. The filling can be implemented, for example, using various septa.
  • Another advantageous embodiment of the cell processor according to the invention relates to the integration of a so-called home monitoring system, which uses a transmitter to report the need for replenishment of substances or active ingredients.
  • the cell processor according to the invention or parts thereof consist of biocompatible material and / or different types of metal, such as, for example, silver, titanium or V2A, and / or of ceramic and / or plastics, such as, for example, polyethylene, silicone, polymer 908 the surface of the cell processor partly modified in such a way that it is not recognized by the immune system as a foreign body, or the cell processor secretes substances that suppress local defense reactions of the body (eg steroids).
  • metal such as, for example, silver, titanium or V2A
  • ceramic and / or plastics such as, for example, polyethylene, silicone, polymer 908 the surface of the cell processor partly modified in such a way that it is not recognized by the immune system as a foreign body, or the cell processor secretes substances that suppress local defense reactions of the body (eg steroids).
  • the cell processor described above for modifying cells is distinguished by a number of significant advantages. It enables the targeted transportation of active ingredients of various types
  • T-lymphocytes T-lymphocytes
  • monocytes neutrophils
  • neutrophils the latter after stimulation, for example with ⁇ -glucan; see Hong et al., '2003, Cancer Research 63, 9023-9031
  • other blood cells such as T-lymphocytes, monocytes or neutrophils
  • Blood cells are detected by the cell processor and substances, active substances or therapeutic agents, such as medicines, prodrugs, hormones, enzymes for cleaving the prodrugs, viruses, e.g. used for gene therapy, or nanoparticles, transferred to it.
  • the defense cells modified in this way are returned to the human or animal bloodstream.
  • the body's immune system has the natural ability to recognize certain tissues.
  • Targeted treatment measures can also be used to make a tissue recognizable for the immune system, i.e. targeted immune cells are directed to a specific tissue and the recognition of this target tissue is reinforced by immune cells.
  • An example is the targeted heating of a tumor, e.g. through hyperthermia or thermotherapy.
  • So-called heat shock proteins such as HSP 96, HSP 72, are formed in the heated tissue. These can play a role in the complex process leading to antigen presentation on the cell surface. Furthermore, they can also be released into the extracellular environment for the immune system to serve as a sign of abnormal, dead or damaged cells. An immune response in this tissue is strengthened.
  • Another example is immunotherapy with specific or multi-tumor-specific epitopes or induction of the immune response by infiltration of appropriate antigen-presenting cells or effector cells of the immune system, which likewise increase the strengthening of the immune system in the tumor tissue.
  • DNA vaccination is also conceivable.
  • the medication transport through loaded immune cells becomes more specific and effective.
  • the modified cells can thus be used to target specific tissue using the natural ability of the body's immune defense and to release the active substance at the desired position.
  • the type of transfer of the active ingredient to the transport medium with the aid of the cell processor according to the invention can vary as described. It For example, both an adsorption of the active substance on the surface and an incorporation into the transport medium are possible.
  • the type of active ingredient accumulation can also vary as described. Mechanisms such as electroporation, lipofection or microinjection are possible.
  • the cell processor according to the invention can transfer the active ingredients to the transport medium both inside the body and outside the body.
  • the medication or other components can be transported through the immune cells by storing the substance to be transported in the immune cell, or in a further envelope, such as e.g. a liposome, or is coupled to its surface (in the latter case, therefore, the substance itself is not directly embedded in the cell, but encapsulated in the further envelope, incorporated in the cell or introduced into the cell attached to the surface of this envelope).
  • a further envelope such as e.g. a liposome
  • the therapy according to the invention can be combined with all other therapies, e.g. Cancer vaccination, strengthening of the body's immune defense by e.g. Cytokine administration, etc. can be combined.
  • the therapies can be combined independently of one another, but they can also be used in parallel, as a previous therapy or as a subsequent therapy to other therapies.
  • the therapy according to the invention is combined in the manner with other therapies, that for example first with other therapies, such as, for example, by strengthening the body's immune defense or cancer vaccination, the cells required for the intended purpose are increased first and then for the therapy according to the invention can be separated from the bloodstream.
  • medications are also transported in the therapy according to the invention which are coupled to an antibody which recognizes the cell to be treated.
  • An antibody can be coupled to the body's own defense cell, which specifically docks the defense cell to the cell to be treated.
  • RNA e.g. siRNA
  • DNA are transported, which are linked to the cell to be treated or its genetic information, whereby the cell e.g. is made harmless, is prevented from further growth or cell division, or is made more recognizable by the immune system and, as a result, cells of the immune system specifically target the treated cells (for example cancer cells).
  • RNA e.g. siRNA
  • DNA are transported, which are linked to the cell to be treated or its genetic information, whereby the cell e.g. is made harmless, is prevented from further growth or cell division, or is made more recognizable by the immune system and, as a result, cells of the immune system specifically target the treated cells (for example cancer cells).
  • Cell processors according to the invention for modifying human or animal cells can be designed as described in one of the following examples.
  • FIG. 1 shows schematically an inventive Cell processor
  • FIG. 2 shows a three-dimensional view of the same
  • FIG. 3 shows devices for loading active substances and for measuring active substance concentration in a common reaction space
  • FIG. 4 shows a partial device of the cell processor for cell isolation by measuring the conductivity
  • FIG. 5 shows a partial device for cell isolation by means of a laser detector
  • FIG. 6 shows a partial device for cell isolation by means of the particle charge
  • Figure 7 shows part of devices for cell isolation using filters
  • Figure 8 shows a part of apparatus for cell fixation by means of an alternating field
  • Figure 9 shows a component device for cell fixation by means of a micro-ball
  • Figure 10 shows the electroporation of a Cell
  • FIG. 11 shows a partial device for loading cells by means of magnetized particles
  • FIG. 11 shows a partial device for loading cells by means of magnetized particles
  • FIG. 12 shows the loading of a cell by lipofection
  • FIG. 13 shows the loading of a cell by phagocytosis
  • FIG. 14 shows the loading of a cell m it with the help of a virus
  • FIG. 15 shows the loading of a cell by microinjection
  • FIG. 16 shows the discharge of the active substance from a cell with the aid of an ultrasound field
  • FIG. 17 shows an inductive power supply for the cell processor
  • FIG. 18 shows a magnetoresistive sensor and an arrangement of micro-coils
  • FIG. 19 shows the active substance loading and unloading with the aid of magnetic liposomes or magnetic nanoparticles.
  • FIG. 1 shows schematically a possible embodiment of a cell processor according to the invention.
  • Blood is supplied from a blood reservoir 1, the human blood circulation, via a filter device 3a to the cell isolation device * 4, which contains the desired, i.e. H. selected the cells to be modified.
  • a filter liquid from a filter liquid reservoir 3 can be added via a microvalve 2.
  • the amount of cells isolated is determined with the aid of a counting device 5, a device for measuring impedance.
  • the cells are fixed in a loading device 6a and loaded with the desired active ingredient.
  • the active ingredient is added via a lock 7 from an active ingredient reservoir 8.
  • the concentration of the active substance in the loaded cells is determined in the measuring device 6b.
  • the modified cells are supplied to the human bloodstream through an outlet 10.
  • the cells are transported using a micropump 9.
  • FIG. 2 shows a three-dimensional view of an embodiment of the cell processor according to the invention.
  • Blood and its cellular components flow into the microcell processor through an inlet la. about A filter structure 3 a leads the cells to the cell isolation device 4.
  • the cells With the aid of the sub-device 6a, the cells are loaded with the desired active ingredient, which is supplied with the aid of a reservoir 8.
  • the concentration of the active substance introduced is measured with the aid of the device for determining the concentration of the active substance 6b.
  • the modified cells are fed back into the bloodstream via the outlet 10.
  • the cell is transported within the system with the aid of a micropump 9, the device 3 represents a tank for a filter liquid.
  • FIG. 3 shows an integrated device 6 for fixing the cells and for loading the 1 cells with them
  • Active substances with the aid of magnetic fields generated by microcoils 6a and for measuring the concentration of the active substances in the loaded cells by means of a magnetoresistive sensor 6b.
  • FIG. 4 shows a device for isolating cells based on their conductivity.
  • the figure shows a capillary 12 with an upwardly flared end. In this widened end and in the narrow part of the capillary 12 there are cells 11.
  • FIG. 1 shows a device for isolating cells based on their conductivity.
  • FIG. 5 shows a device for cell isolation using a laser detector.
  • a capillary 12 with a funnel-shaped end and cells 11 are shown.
  • a laser detector 14a is arranged on the left narrow side of the capillary 12.
  • the light refraction properties of the cells 11 are determined with the aid of a laser beam 14b. Since different cell types differ in their refractive properties, the cell types can be distinguished with the aid of the device described. In this way, the cell types sought are isolated.
  • FIG. 6 shows a device for cell isolation based on the particle charge of the cells.
  • a capillary 12 is shown with an end that widens upwards in the shape of a funnel.
  • An extension 15 is connected to the lower end of the capillary 12.
  • Cells 11 are shown in the funnel-shaped end, in the narrow part and in the widening of the capillary 12, two electrodes 13a and 13b are sketched to the left and right of the widening. With the help of the electrodes 13a and 13b, an electromagnetic field is applied in the area of the extension 15. Due to the different particle charges, different cell types have different running times in the electromagnetic field. On the basis of this runtime, the different cell types can thus be distinguished or the desired cell type can be isolated.
  • FIGS. 7A and 7B show devices for isolating cells with the aid of filter modules.
  • FIG. 7A shows an H-shaped filter module 16a.
  • a filter membrane ran 16c introduced, which divides the H-shaped filter module 16a into two equal sections, an upper section and a lower section.
  • a solvent 16d in which all existing cell types are dissolved.
  • these are a searched cell type 11a and another cell type 11b.
  • a solvent 16b which is only suitable for the cell type 11a sought.
  • the sought-after cell type 11a thus endeavors to diffuse through the membrane 16c, but not all other cell types or components.
  • the cell isolation or selection is therefore carried out with the aid of a filter membrane 16c and two suitably selected solvents 16b and 16d.
  • Figure 7B outlines a multi-stage filter process.
  • the cells are supplied to the filter device through an inlet channel 16e.
  • Three filters 16i, 16j and 16k are integrated in the filter device. These three filters are used to separate particles with different diameters.
  • cells of a first diameter are discharged through a channel 16f
  • cells of a second diameter are discharged through a channel 16g
  • cells of a third channel 16h are discharged.
  • FIG. 8 shows a device for cell fixation by means of an alternating electrical field.
  • a capillary 12 is shown with a funnel-shaped end widening upwards and an extension 15 connected downwards.
  • Cells 11 are shown in the entire area of the capillary.
  • a needle 17a is inserted into the widening from the left. With An electric field is applied to the needle by means of a second electrode 17b. Due to the particle charge, the cells 11 can be held with the aid of the needle 17a. In order to hold the cells 11 over a longer period of time, it is necessary to maintain the particle charge. For this purpose, the cells 11 must be subjected to a certain movement. Therefore, an alternating electrical field is used in the present case; which alternately holds and repels a cell 11 so that it remains in vibration and thus the particle charge is retained.
  • FIG. 9 shows a device for fixing the cells with the aid of a microball.
  • a capillary 12 is shown, at the right end of which a microball 18a is connected.
  • the microball is inflated, • which happens with the help of a gas or a liquid 18b passed through the capillary. Inflation simulates a foreign body.
  • a defense cell 11 encloses this foreign body.
  • the defense cell 11 is thereby fixed and an active substance 19 is introduced.
  • the lower part of the picture shows in an analogous manner how the liquid or gas is removed from the microball 18d, the microball thus collapses 18c and the defense cell 11, into which the active ingredient 19 is now introduced, floats freely again ,
  • FIG. 10 shows how an active substance is introduced into a cell with the aid of high-voltage pulses, so-called electroporation.
  • FIG. 10A shows an immune cell 11, on the upper part of which reversible pores 20a are formed in the cell envelope by high-voltage pulses 20b. Through this An active substance 19 is introduced into the immune cell 11 through the pores 20a.
  • FIG. 10B outlines a corresponding device for electroporation. Two cells 11a and 11b are immobilized on a plate 20g equipped with corresponding recesses 20h. Electrodes 20c and 20d are located on the left and right edges of the depressions 20h. A voltage source 20i is applied to this, which is outlined for the cell 11a.
  • a reservoir 20f which is filled with the active substance 19 to be introduced.
  • the active substance 19 is introduced into the pores via microholes 20e located below the recesses 20h.
  • FIG. 11 shows a device for loading a cell with an active ingredient by means of magnetized nanoparticles.
  • a capillary 12 is shown with a funnel-shaped upper end.
  • the capillary 12 has a lock device 21b.
  • the funnel-shaped upper end of the capillary 12 serves as a reservoir for nanoparticles 21a.
  • An immune cell 11 is shown below the capillary, below this a magnet 21c.
  • the lock device 21b ensures that only a precisely defined number of nanoparticles 21a can pass through the lock. With the help of the magnetic field, this defined number of nanoparticles with the active substances is drawn into the immune cell 11.
  • the decisive factor in this device is the time and the strength of the magnetic field, so that the nanoparticles 21a do not completely pass through the immune cell 11, but remain in it.
  • a magnet For example, static and oscillating fields are possible.
  • suitable nanoparticles 21a are Fe 3 0 4 particles or paramagnetic particles. With the help of the particles, the active ingredient is brought into a form that makes it indigestible for the immune cell. This will be described in more detail later (relating to FIG. 13).
  • FIG. 12 shows the introduction of an active substance into an immune cell 11 using lipofection.
  • FIG. 12A shows circular liposomes 22a. These liposomes are loaded with the desired active ingredient 19 and with magnetized particles 22b.
  • An immune cell 11 is shown in the right part of FIG. 12A, inside which there are four liposomes 22a.
  • the liposomes 22a have the ability to penetrate the cell wall of an immune cell 11 and thus to transport the active substance 19 introduced into it into the cell 11.
  • the liposomes are directed in the direction of the cell 11 by the magnetized particles 22b introduced into them by means of a magnet 22c. This is shown by arrows in FIG. 12A.
  • FIG. 12A shows circular liposomes 22a. These liposomes are loaded with the desired active ingredient 19 and with magnetized particles 22b.
  • An immune cell 11 is shown in the right part of FIG. 12A, inside which there are four liposomes 22a.
  • the liposomes 22a have the ability to penetrate the cell wall
  • FIG. 12B outlines the determination of the concentration of an active substance in a cell processor according to the invention.
  • the figure shows a liposome 22a on the left, into which magnetic particles 22b and the active substance 19 have been introduced.
  • the liposome is introduced into a cell 11 by means of lipofection, which is outlined by an arrow.
  • the concentration of the active substance is determined using a magnetic sensor 22c. This is also indicated by an arrow.
  • FIG. 13 shows the loading of an immune cell 11 with an active ingredient 19 by phagocytosis.
  • An immune cell 11 and an active substance are in the upper part of the figure 19 shown.
  • the same immune cell 11 is shown in the lower area of the figure, but has completely enclosed the active substance 19.
  • the natural function of an immune cell 11 is used in phagocytosis.
  • the active substance 19 is recognized as a foreign body and enclosed by the immune cell 11.
  • the active substance 11 is previously brought into a form which renders it indigestible for the immune cell 11.
  • the indigestibility can be done, for example, by applying or enveloping the active ingredient by means of an external encapsulation or by special formulation of the active ingredient. This also protects the cell itself from the effects of the drug.
  • the encapsulation or formulation has properties that it dissolves at the target location, for example by supplying external heat to the target or by dissolving under certain physiological conditions.
  • the drug only works at the destination.
  • the drug can also be a preliminary stage (pro-drug) that is only converted into the active form at the destination.
  • FIG. 14 shows the loading of an immune cell 11 with an active substance using a modified HIV virus 23a.
  • a virus 23a is shown in the form of a cut ball. This virus 23a contains the active substance 19 in its interior.
  • An immune cell 11 is shown in the lower image area. The virus 23a adheres to the immune cell 11 with the aid of four leg-shaped projections 23b. On the underside, the virus 23a has a tube-shaped protuberance 23c which extends into the immune cell 11.
  • the virus 23a is used to introduce the active substance 19 into the immune cell 11.
  • the virus 23a can also be used to introduce a DNA into the cell 11, which causes the cell 11 to produce the corresponding active ingredient 19.
  • FIG. 15 shows the loading of a cell 11 with an active ingredient 19 by microinjection.
  • the figure shows an immune cell 11, a needle 24, and an active ingredient 19, which is partly in the needle 24 and partly already in the immune cell 11.
  • the active ingredient is injected by microinjection with a very fine needle 24 of the immune cell 11.
  • FIG. 16 shows the release of an active substance 19 on the desired tissue using ultrasound.
  • a cell 11 loaded with an active ingredient 19 is outlined on the left in the figure. After it has migrated into the desired tissue, the active substance 19 is released from the cell 11 with sufficient intensity using an ultrasound field 25; shown on the right in the picture.
  • FIG. 17 shows a device for inductive power supply for the cell processor.
  • a first coil 26b with the associated power supply 26c is sketched in a rectangular shape.
  • an implant 26d which contains a cell processor, is indicated as an ellipse.
  • the skin surface 26a is located between the first coil 26b and the implant 26d.
  • a second coil 26f, a rectifier 26g and a capacitor or accumulator 26h are drawn in the implant 26d.
  • the cell processor is supplied with energy as follows: The coil 26b is applied to an alternating field. By induction, this results in a current in the coil 26f, which is the accumulator or Capacitor 26h feeds.
  • FIG. 18 shows the determination of the concentration of an introduced active substance with the aid of a magnetoresistive sensor.
  • FIG. 18A shows an active substance-loaded liposome 22a, which contains magnetic particles, in the form of a cut-open sphere.
  • a three-dimensional view of a magnetoresistive sensor 27a is sketched below the liposome 22a. This essentially consists of three layers, the uppermost Si 3 N 4 layer 27b, the magnetoresistive film 27c underneath, and a silicon substrate 27d underneath.
  • An electromagnet 22c is drawn below the magnetoresistive sensor 27a. The position of the liposome 22a can be influenced using the electromagnet 22c.
  • the concentration of the active substance loaded into the liposome 22a is determined with the aid of the magnetic field caused by the magnetic particles by the magnetoresistive sensor 27a.
  • FIG. 18b shows an arrangement of microcoils 27e for generating or for detecting a magnetic field.
  • Figure 19 outlines the loading and unloading of a cell using magnetic fields.
  • a liposome 22a is drawn at the top left of the figure, which is loaded with an active ingredient and with magnetic particles. Some magnetic particles 21a are drawn below.
  • a magnet 21c with its magnetic field is sketched in the middle of the figure. Right in the
  • Figure is a cell 11 outlined.
  • the magnetized liposome 22a can be influenced in its position or in its path. This is shown by two arrows.
  • the magnetic nanoparticles 21a can also be supplied to the cell 11 with the aid of the magnet 21c or its magnetic field.
  • a discharge of the drug-coated particles 21a from the cell 11 is also possible. This is outlined by two arrows.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mik romedizinischen Zellprozessor, der zelluläre Bestand teile des Bluts, insbesondere Zellen der körpereige nen Immunabwehr, dergestalt modifiziert, dass die 10 Zellen nach ihrem Einbringen in den Körper eine the rapeutische Funktion gegen Krebserkrankungen oder ge gen andere Erkrankungen ausüben. Der Zellprozessor ist in den menschlichen oder tierischen Körper im plantierbar und weist eine Vorrichtung zur is Isolation von Zellen, eine Vorrichtung zur Fixierung der Zellen, eine Vorrichtung zum Einbringen von Sub stanzen in die Zellen und eine Vorrichtung zur Be stimmung der Konzentration der Substanzen in den Zel len auf. Der Zellprozessor kann auch außerhalb des 20 Körpers zur Beladung von Zellen verwendet werden.

Description

Zellprozessor zur Krankheitsbehandlung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, im folgenden auch als medizinischer Zell- prozessor oder vereinfacht als Zellprozessor bezeichnet, die zelluläre Bestandteile des menschlichen oder tierischen Bluts, insbesondere Zellen der körpereigenen Immunabwehr wie beispielsweise T-Zellen oder Makrophagen, dergestalt modifiziert, dass die Zellen nach ihrem Einbringen in den menschlichen oder tierischen Körper eine therapeutische Funktion, beispielsweise gegen Krebserkrankungen z. B. der Leber oder Krebserkrankungen des Gehirns oder gegen andere Erkrankungen, ausüben. Hier und in den folgenden Ab- schnitten werden die beschriebenen zellulären Bestandteile auch kurz als Zellen bezeichnet. Bei den Zellen kann es sich beispielsweise auch um andere bereits ausdifferenzierte, körpereigene Zellen des menschlichen oder tierischen Körpers oder um noch nicht ausdifferenzierte Zellen wie Stammzellen han- dein. Der Zellprozessor kann in den menschlichen oder tierischen Körper implantiert werden, es sind jedoch auch nicht-implantierbare Ausgestaltungsformen möglich. Die therapeutische Funktion der in den mensch- liehen oder tierischen Körper eingebrachten modifizierten Zellen kann beispielsweise in einer kontrollierten Wirkstoffabgäbe oder in einer Geweberegeneration oder ähnlichem bestehen.
Verfahren zur medizinischen Behandlung durch Wirkstoffe sind bereits altbekannt . Bei diesen Verfahren wird in der Regel der Wirkstoff dem ganzen menschlichen oder tierischen Körper zugeführt. Der Wirkstoff kann beispielsweise oral oder durch Injektion verab- reicht werden; er verteilt sich daraufhin gleichmäßig im gesamten menschlichen oder tierischen Organismus. Der entscheidende Nachteil der bisherigen Behandlungsmethoden ist darin zu sehen, dass auch nicht betroffene Regionen des menschlichen oder tierischen Körpers durch die Wirkstoffe in Mitleidenschaft gezogen werden können, und dass nur ein geringer Teil des Wirkstoffes in den Zielbereichen zur Wirkung kommen kann. Somit sind entsprechend hohe Wirkstoffdosen unvermeidlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung, beispielsweise eine in den menschlichen oder tierischen Körper implantierbare Vorrichtung, zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, menschliche oder tierische Zellen so zu modifizieren, dass diese, nachdem sie wieder in den menschlichen oder tierischen Körper eingebracht wurden, gezielt gewünschten Körperpartien bzw. Zellen zugeführt werden und dort eine therapeutische Funktion ausüben. Durch Benutzung einer dergestalt ausgeführten Vorrichtung ist es somit beispielsweise möglich, mit geringer Dosierung Krankheiten gezielt zu bekämpfen oder Gewebe gezielt aufzubauen und zu stärken, ohne dabei unbeteiligte Regionen des Körpers zu tangieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie durch Verfahren gemäß der Patentansprüche 69 und 70 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der beschriebenen Verfahren werden in den jeweiligen ab- hängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. der Zellprozessor weist die folgenden Bestandteile auf: Eine Vorrichtung zur Isolation von Zellen beispielsweise aus dem Blutkreislauf oder einer Blutprobe, einer Zeil-Linie oder Zellkultur (beispielsweise frisch isolierte Zellen aus Patienten, Primärkulturen etc.), vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Fixierung von Zellen, eine Vorrichtung zum Einbringen von Substan- zen, beispielsweise von Wirkstoffen, in oder zum Anbringen dieser Substanzen an die fixierten Zellen, und vorteilhafterweise auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration der Substanzen in den bzw. an den Zellen. Vorteilhafterweise weist die Vorrich- tung auch eine Vorrichtung zum Einbringen von Zellen in den menschlichen oder tierischen Blutkreislauf auf. Vorteilhafterweise erfolgt der Transport der Zellen bzw. der Zellen und des sie umgebenden Mediums zwischen den einzelnen Vorrichtungen des Zellprozes- sors desweiteren beispielsweise mit Hilfe von in dem
Zellprozessor integrierten oder an ihm angebrachten Mikropumpen. Die einzelnen Teilvorrichtungen zur Manipulation der Zellen sind dabei vorteilhafterweise soweit möglich als berührungslose Vorrichtungen aus- gestaltet, da ein mechanischer Kontakt zwischen einer Immunzelle und einer Oberfläche eine Immunreaktion auslösen kann.
Der Zellprozessor wird in einer Ausgestaltungsform in unmittelbare Nähe einer Ader implantiert (der Prozes- sor kann aber auch außerhalb des Körpers angeordnet sein oder getragen werden) . Der Bioprozessor entnimmt Blut aus dem Blutström. Im Chip bzw. Prozessor werden bestimmte Blutzellen, z.B. Leukozyten, selektiert und diese Zellen mit einem gekapselten Medikament bela- den. Die Zellen können auch mit einem ungekapselten
Medikament beladen werden. Bei der Verwendung von gekapselten Medikamenten kann die Kapselung z.B. aus thermisch zersetzbaren Materialien bestehen, so dass durch Erwärmung im Target-Bereich bzw. Zielbereich (beispielsweise durch Hyperthermie-Therapie) das Medikament freigesetzt wird. Die Kapselung kann auch mit Hilfe von durch zelleigene Enzyme spaltbarem Material erfolgen (beispielsweise Detran) . In diesem Fall wird das Medikament nach einer absehbaren Zeit- spanne freigesetzt (äquivalent zur Verwendung von ungekapselten Medikamenten) . Bei der Verwendung von ungekapselten Medikamenten kann die Trägerzelle selbst durch das Medikament nach einem definierbaren Zeitraum abgetötet werden. Die Zellmembran wird hierdurch durchlässig für das Medikament. Der definierte Zeitraum kann hierbei so gewählt werden (z. B. durch die Medikamentenart, die Medikamentenformulierung, durch Wahl der zytotoxischen Eigenschaften und/oder der Konzentration) , dass die Zelle in dieser Zeit zum Zielort gelangen kann. Hierdurch erfolgt die Medikamentenfreisetzung gezielt am Zielort.
Die Zellen werden zurück in den Blutstrom entlassen und transportieren den Wirkstoff zielspezifisch zum Krankheitsort, z.B. Tumor. Das System bzw. der Zell- prozessor wird also im Körper implantiert oder am Körper getragen oder außerhalb des Körpers angeordnet. Bei der Modifikation von tierischen oder menschlichen Zellen insbesondere für therapeutische Zwecke außerhalb des Körpers kann der Zellprozessor bei- spielsweise im Labor als Laborgerät angewendet oder eingesetzt werden.
Ist die Vorrichtung als außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers einsetzbare Vorrichtung aus- gestaltet, so kann sie einerseits als am Körper tragbares System gestaltet sein. Die Vorrichtung kann jedoch wie beschrieben auch als Laborsystem bzw. als im Labor zu betreibendes System zur Modifikation von menschlichen oder tierischen Zellen, beispielsweise für therapeutische Zwecke, ausgestaltet sein. Ein Beispiel ist ein Laborsystem zur Modifikation von Zellen für autologe Krebstherapien, bei denen beispielsweise Immunzellen aus dem Tumor eines Patienten isoliert werden, anschließend im Labor vermehrt und zuletzt wieder in den Blutström des Patienten entlassen werden. Diese Zellen können dann nach dem Vermehrungsschritt im Labor mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch mit Nanopartikeln, die mit Medikamenten und/oder Nukleinsäuren und/oder anderen therapeutisch wirksamen Verbindungen beschichtet sind oder versehen sind, beladen werden. Es sind auch Verwendungen der Laborvorrichtung zu Screeningzwecken für pharmazeutische Wirkstoffe denkbar.
Der Zellprozessor kann also implantierbar sein, kann aber auch in nichtimplantierbarer Form und/oder Größe vorliegen. Die Zellhandhabung, also beispielsweise die Isolation, die Fixierung, das Transportieren oder das Zählen von Zellen usw., kann jedoch auch mit Be- rührung erfolgen. Ein Beispiel hierfür ist die Zellsortierung über Antikörper-Bindung. Die erste Teilvorrichtung, die ein erfindungsgemäß ausgeführter Zellprozessor aufweist, ist die Vorrichtung zur Isolation der Zellen. In einer ersten vor- teilhaften Ausgestaltung besteht diese Isolationsvorrichtung aus mindestens einer Kapillare, beispielsweise aus einem hochpolymeren Kunststoff, sowie aus mindestens zwei an dieser Kapillare bzw. diesen Kapillaren angeordneten Elektroden. Die Zellen werden durch die Kapillare geleitet, wobei der Kapillarendurchmesser so ausgelegt ist, dass nur einzelne Zellen die Kapillare passieren können. Die einzelnen Zelltypen besitzen unterschiedliche elektrische Leitwerte. Berühren die Zellen die Elektroden, so kommt es in Abhängigkeit vom Zelltyp zu unterschiedlich hohen Strömen, die gemessen werden können. Hierdurch sind die Zellen voneinander unterscheidbar und können selektiert werden. Eine dergestalt ausgeführte Isolationsvorrichtung isoliert somit die benötigten Zellen aus ihrer Umgebung, beispielsweise einer Blutprobe, durch den Vergleich der Leitfähigkeiten verschiedener Zelltypen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist an der oder den Kapillaren mindestens ein Laserdetektor angeordnet. Da die unterschiedli- chen Zelltypen auch unterschiedliche Lichtbrechungseigenschaften aufweisen, können die benötigten Zellen anhand der Lichtbrechung selektiert bzw. isoliert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform erfolgt die Isolation der benötigten Zellen durch Messungen der Impedanz, in der sich unterschiedliche Zelltypen ebenfalls unterscheiden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist am Ende mindestens einer der Kapillaren eine Ausweitung angeschlossen, wobei an bzw. in dieser beispielsweise mit Hilfe zweier an ihr angeordneter Elektroden ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Da verschiede- ne Zelltypen unterschiedlich hohe Partikelladungen besitzen, werden sie durch das elektromagnetische Feld unterschiedlich stark beeinflusst und weisen dementsprechend eine unterschiedlich lange Laufzeit bis zum Erreichen der Kapillarwand im ausgeweiteten Bereich im elektromagnetischen Feld auf. Auf diese Weise können die benötigten Zellen mit Hilfe ihrer Partikelladung isoliert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Zell- isolation wird die elektrophoretische Mobilität der Zellen genutzt. Diese elektrophoretische Mobilität nimmt in Abhängigkeit von Zelleigenschaften wie Dichte der Oberflächenladung, Volumen und Gewicht unterschiedliche Werte an und kann daher auch zur Selekti- on des gewünschten Zelltyps verwendet werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Zellisolation nutzt die unterschiedlichen Partikelgrößen verschiedener Zelltypen. Hierzu wird beispielsweise eine Filtermembran verwendet, die so aus- gelegt ist, dass nur bestimmte Blutkörper die Membran passieren können, andere Blutkörper werden zurückgehalten. Es können hierbei auch Membranfilter mit verschiedenen Porengrößen eingesetzt werden. Eine weitere Ausgestaltungsmδglichkeit der Isolationsvor- richtung nutzt sog. Lösungsdiffusionsmembranen. Ein Stofftransport bzw. eine Isolation des gewünschten Zelltyps wird hierbei beispielsweise auf die folgende Art und Weise verursacht bzw. durchgeführt: Auf der primären Seite einer Lösungsdiffusionsmembran wird ein Lösungsmittel verwendet, welches allen Inhalts- Stoffen bzw. allen vorhandenen Zelltypen entspricht. Auf der Sekundärseite der Lösungsdiffusionsmembran wird ein Lösungsmittel eingesetzt, das nur für eine bestimmte Komponente bzw. einen bestimmten Zelltyp geeignet ist. Im Lösungsmittel der Sekundärseite ist somit nur der zu isolierende Zelltyp löslich. Die auf der Sekundärseite der Lösungsmittelmembran lösliche Komponente bzw. der entsprechende Zelltyp hat das Bestreben, durch die Membran hindurch zu diffundieren, alle anderen Komponenten bzw. Zeiltypen haben dieses nicht. Somit kann der benötigte Zelltyp isoliert werden. Bei der Zellisolation mittels Filtration können selbstverständlich auch andere Membrantypen zum Einsatz kommen. Die Filtration kann dabei beispielsweise in einem H-förmigen Filtermodul reali- siert werden.
Als zweite Teilvorrichtung weist der erfindungsgemäße Zellprozessor vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Fixierung der Zellen auf. Die Fixierung dient hierbei dem Festhalten der Zellen, damit die Substanz bzw. der Wirkstoff an ihnen angelagert oder in sie eingebracht werden kann. Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Teilvorrichtung zur Zellfixierung besteht aus einer Kapillare, beispielsweise aus einem hochpo- lymeren Kunststoff, aus einer Ausweitung am Ende dieser Kapillare und einer in die Ausweitung eingebrachten Vorrichtung zum Halten der Zelle. Die Vorrichtung zum Halten der Zelle ist beispielsweise eine feine Nadel, die an ein elektrisches Feld angelegt ist. Die Vorrichtung nutzt die Partikelladungen der Zellen.
Die Aufrechterhaltung der Partikelladung setzt jedoch eine gewisse Bewegung der Zellen voraus. Daher wird im vorliegenden Fall mit einem elektrischen Wechselfeld gearbeitet, welches die Zelle abwechselnd fest- hält und wieder abstößt, so dass diese in Schwingung und die Partikelladung somit erhalten bleibt. Die zu fixierenden Zellen werden somit durch ein elektrisches Wechselfeld gehalten. Eine solche Teilvorrichtung zur Fixierung der Zellen mit Hilfe eines elekt- rischen Feldes kann beispielsweise in Form eines dreidimensionalen Mikroelektrodensystems zur beruh- rungslosen Zellmanipulation ausgeführt sein. Ein solches dreidimensionales Mikroelektrodensystem ermöglicht die Fixierung bzw. das Festhalten von Zellen in einem mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllten Käfig. Das dreidimensionale Mikroelektrodensystem weist hierbei beispielsweise die folgenden Bestandteile auf.
• Eine zweischichtige Elektrodenstruktur bzw. zwei Elektroden, die durch einen 40 μm dicken Durchflusskanal aus hochpolymerem Kunststoff getrennt werden. • Die Elektrodenelemente, diese können Schacht-, schlauch- oder trichterförmig oder gerade oder in Form eines Käfigs oder eines Schalters ausgeführt sein, werden durch Wechselstrom oder ein rotierendes, elektrisches Feld betrieben. • Die Elektrodendicke beträgt 10 μm und die aktiven Elektrodenoberflächen sind minimiert, um das Aufheizen der Lösung zu verhindern. • Der Betrieb des Systems erfolgt mit 5 bis 11 Volt und mit 5 bis 15 MHz. • Der Kanal weist eine Durchflussrate von 300 μm/s auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Teilvorrichtung zur Fixierung von Zellen der Immunabwehr ist wie folgt ausgeführt. Mit Hilfe beispielsweise einer feinen Kapillare wird Gas oder eine Flüssigkeit bei- spielsweise in einen Mikroball eingeführt, hierdurch wird dieser aufgepumpt und somit ein Fremdkörper simuliert. Nachdem die Abwehrzelle den simulierten Fremdkörper umschlossen hat, die Zelle somit fixiert ist, wird der Wirkstoff auf die Zelle aufgebracht. Anschließend wird das Gas bzw. die Flüssigkeit aus dem Mikroball entlassen und die Abwehrzelle schwimmt wieder frei. Diese Abwehrzellenfixierung durch Fremdkörpersimulation nutzt somit die natürliche Funktion von Abwehrzellen.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Teilvorrichtung des Zellprozessors zum Einbringen von einer Substanz in die Zelle bzw. zum Anordnen einer Substanz an der Zelle, wobei diese Substanz ein Wirkstoff sein kann, besteht in einer Vorrichtung zur Er- zeugung von HochspannungsImpulsen, beispielsweise mit Hilfe von Mikroelektroden, die beispielsweise durch Sputtern von Gold beschichtet wurden. Mit Hilfe solcher Hochspannungsimpulse, diese können beispielsweise in Form eines stufenförmigen Potentials realisiert werden, werden kleine reversible Poren in der Zell- hülle gebildet. Anschließend werden durch diese Poren die entsprechenden Substanzen bzw. Wirkstoffe in die Zellen eingebracht. In der vorliegenden Ausführung geschieht die Einbringung des Wirkstoffes bzw. der Substanz somit mittels Elektroporation. Hierbei, dies gilt auch für sämtliche im folgenden vorgestellten Verfahren zum Einbringen einer Substanz in die Zelle oder zum Anordnen einer Substanz an der Zelle, kann die Oberfläche der Substanzen bzw. Wirkstoffe so mo- difiziert werden, dass die Substanzen bzw. die Wirkstoffe von den Zellen nicht mehr erkannt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Teilvorrichtung zum Einbringen bzw. Anordnen von Substanzen oder Wirkstoffen nutzt magnetisierbare oder magneti- sierte Nanopartikel oder kleine Kügelchen, die mit der Substanz bzw. dem Wirkstoff beschichtet sind oder diese enthalten. Nanopartikel sind hierbei in der Regel Partikel mit Größen von einigen Nanometern bis hin zu einigen hundert Nanometern. Im folgenden werden darunter jedoch auch Partikel mit Größen bei- spielsweise im Mikrometerbereich verstanden. Die Teilvorrichtung enthält nun eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds. Diese kann beispielsweise mindestens eine Mikrospule enthalten oder daraus be- stehen. Die Partikel bzw. Kügelchen werden mit Hilfe dieses Magnetfelds, es handelt sich hierbei vorteilhafterweise um ein oszillierendes Feld, jedoch sind auch statische Felder möglich, in Bewegung bzw. in Vibration versetzt und dadurch bei ausreichender Feldstärke des Magnetfelds befähigt, in die Zelle einzudringen. Das oszillierende Feld kann beispielsweise sinusförmig oder sägezahnförmig sein. Befinden sich die Partikel bzw. Kügelchen in einfachen Flüssigkeiten, so werden bevorzugt statische Magnetfelder eingesetzt. Befinden sie sich in komplexeren biologischen Medien, so werden bevorzugt oszillierende Felder eingesetzt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der magnetfeldbasierten Einbringvorrichtung weist hierbei ein Reservoir, das mit den entsprechenden Nanoparti- kein bzw. Kügelchen befüllt ist, auf. An das Reservoir ist eine Kapillare mit einer Schleuse angeschlossen, wobei die Schleuse immer nur eine genau definierte Anzahl an Nanopartikeln bzw. Kügelchen passieren lässt . Unterhalb der Kapillare ist ein Mag- net angebracht. Die zu modifizierende Zelle wird zwischen dem Magnet und der Kapillare fixiert. Der oder die Substanzen bzw. Wirkstoffe werden auf die entsprechenden Nanopartikel bzw. Kügelchen aufgebracht. Diese werden davor oder danach ggf. noch magneti- siert. Wird der Magnet bei dieser Anordnung aktiviert, so werden die Nanopartikel bzw. Kügelchen in die Zelle gezogen. Ausschlaggebend sind die Zeit und die Stärke des Magnetfeldes: Die Nanopartikel bzw. Kügelchen dürfen die Zelle nicht vollständig passie- ren, sie müssen in ihr verbleiben. Als Nanopartikel bzw. Kügelchen kommen beispielsweise Fe203 oder Fe30 enthaltende Partikel oder paramagnetische Partikel in Frage. Die auf die beschriebene Art und Weise mit den Nanopartikeln beladenen Zellen können auch zu diagnostischen Zwecken eingesetzt werden (vergleichbar zur Anwendung von Kontrastmitteln) . Die Nanopartikel können hierbei auch mit Kontrastmitteln oder ähnlichen Stoffen hoher Ordnungszahl beschichtet werden. Die mit Nanopartikeln beladenen Zellen können dann auch durch die physikalischen Eigenschaften, wie bei- spielsweise magnetische Charakteristiken (magneti- sierte Nanopartikel) der Nanopartikel bei der Krank- heitserkennung oder besseren Erkennbarkeit von Krankheiten helfen. Die mit Nanopartikeln beladenen Zellen können auch zur Diagnostik und.gleichzeitig zur Medi- kation eingesetzt werden. Dies ist dann durch die magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel und ihre gleichzeitige Beschichtung mit einem Wirkstoff möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Teilvorrichtung zum Einbringen von Substanzen bzw. Wirkstoffen in die Zelle werden Liposome verwendet. Liposome haben die Fähigkeit, die Zellwand einer Zelle zu durchdringen, somit lässt sich mit ihrer Hilfe eine Substanz oder ein Wirkstoff in die Zelle übertragen. Die Substanz bzw. der Wirkstoff wird somit zunächst in ein Liposom eingebracht . Dies geschieht vorteilhafterweise wie vorstehend beschrieben über Wirkstoffbeschichtete, magnetisierte Partikel. An- schließend wird die Substanz bzw. der Wirkstoff in die Zelle mittels Lipofektion übertragen, d. h. der Liposom-Komplex fusioniert mit der Zellmembran und gibt die Substanz bzw. den Wirkstoff in die Zelle ab. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der TeilVorrichtung des Zellprozessors zum Einbringen einer Substanz bzw. eines Wirkstoffes in die Zelle wird die Phagozytose genutzt. Phagozyten sind Fresszellen, die Fremdstoffe aufnehmen, durch Enzyme auflösen und vernichten. Somit wird die natürliche Funktion von Immunzellen genutzt, indem der Wirkstoff bzw. die Substanz als Fremdkörper erkannt wird und von einer Immunzelle umschlossen wird. Hierzu wird zuvor die Substanz bzw. der Wirkstoff in eine Form gebracht werden, die sie bzw. ihn für die Immunzelle unverdaulich macht. In einer weiteren vorteilhaften Ausges- taltung der Teilvorrichtung zum Einbringen von Substanzen oder Wirkstoffen in die Zelle werden Viren genutzt. Bei diesen Viren kann es sich beispielsweise um modifizierte HIV-Viren handeln. Alternativ kann eine DNA in die Zelle eingebracht werden, welche die Zelle veranlasst, einen gewünschten Wirkstoff bzw. eine gewünschte Substanz selbst zu produzieren. In einer letzten beispielhaften Ausgestaltung einer Teilvorrichtung zum Einbringen von Substanzen oder Wirkstoffen in eine Zelle, wird eine sehr feine Nadel zur Mikroinjektion genutzt. Die Substanz bzw. der
Wirkstoff wird mit Hilfe dieser sehr feinen Nadel durch ein sehr feines Loch in die fixierte Zelle injiziert. Anstelle der Nadel können zur Injektion auch Nanofasern beispielsweise aus Kohlenstoffverbindüngen verwendet werden. Die Nanofasern haben hierbei vorteilhafterweise an den Spitzen einen Durchmesser von einigen 10 Nanometern. Sind diese Fasern mit einem der Zellgrδße entsprechenden Abstand zueinander beispielsweise auf einem Silikonchip in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet, werden beispielsweise mit Hilfe von Zentrifugalkräften auf dem Chip abgeschiedene Zellen jeweils nur durch eine Faser angestochen, wobei eine Substanz bzw. ein Wirkstoff in die Zelle injiziert werden kann.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung einer Teilvor- richtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz bzw. eines Wirkstoffes in bzw. an der Zelle verwendet mindestens einen Sensor zur Bestimmung von Magnetfeldstärken. Mit Hilfe eines solchen Magnet- feldsensors erfolgt beim Einsatz von magnetisierten Nanopartikeln oder Kügelchen die Messung der Substanz- bzw. Wirkstoffkonzentration in der Zelle durch Messung der Magnetfeldstärke der Nanopartikel bzw. Kügelchen. Die Sensitivität des Sensors ist hierbei vorteilhafterweise entsprechend der minimal auftretenden Substanz- bzw. Wirkstoffbeladung ausgeführt, die Messauflösung entsprechend einer Substanzbzw. Wirkstoffbeladungseinheit . Im Fall des Einsatzes magnetisierter Partikel in Liposomen kann der Sensor beispielsweise auch dazu verwendet werden, die Anzahl der in ein Liposom geladenen Partikel zu bestimmen. In einer beispielhaften Ausgestaltungsform enthält der Magnetfeldsensor einen Hallsensor bzw. ein zwei- dimensionales Array von Hallsensorelementen bestehend beispielsweise aus 4 x 4 = 16 einzelnen Hallelementen. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltungsform handelt es sich bei dem Sensor um einen magneto- resistiven Sensor oder um eine Anordnung von Mikro- spulen, die Magnetfelder induktiv nachweisen. Die Magnetfeldsensoren arbeiten hierbei berührungsfrei, d.h. die Substanz- bzw. Wirkstoffkonzentration wird bestimmt, ohne die an magnetische Materialien gekoppelte Substanz bzw. den Wirkstoff oder die Zelle zu berühren. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestal- tung wird die Wirkstoff- bzw. Substanzkonzentration mit Hilfe einer Vorrichtung zur Messung des Fluoreszenzlichts von Fluoreszenzfarbstoffen und/oder mit Hilfe von Biomarkern bestimmt. Hierzu wird der Substanz bzw. dem Wirkstoff zuvor eine fluoreszierende Substanz bzw. eine Markersubstanz zugeführt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Zeil- Prozessor eine Vorrichtung zur Bestimmung der Anzahl bzw. zur Kontrolle der Anzahl modifizierter Zellen auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungs- gemäßen Zellprozessors sind die Teil orrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz bzw. eines Wirkstoffes in bzw. an der Zelle und die Teilvorrichtung zum Einbringen von Substanzen bzw. Wirkstof- fen in die Zelle in einem gemeinsamen Reaktionsraum untergebracht. Vorteilhafterweise weist dieser Reaktionsraum mindestens zwei Zuführeinrichtungen wie beispielsweise Mikrokanäle auf: Eine Zuführeinrichtung zum Zuführen der Zellen und eine Zuführeinrich- tung zum Zuführen von Substanzen bzw. Wirkstoffen oder auch von Waschreagenzien. Die Waschreagenzien werden nach der Wirkstoffbehandlung zugeführt. Vorteilhafterweise weist der Reaktionsraum des weiteren Elemente für die Elektrophorese wie beispielswei- se trichter- oder Schachtförmig geformte Mikroelekt- roden zur Ausrichtung elektrostatisch geladener Zellen oder gerade oder zickzackförmige Mikroelektroden zum Ablenken elektrostatisch geladener Zellen auf.
Die Teilvorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz bzw. eines Wirkstoffs und die Teilvorrichtung zum Einbringen von Substanzen bzw. Wirkstoffen in die Zelle können jedoch auch in verschiedenen Kompartimenten angeordnet sein (beispielsweise Chip mit verschiedenen Reaktionsräumen bzw. Kompartimenten, so dass die Bestimmung der Konzentration und das Einbringen des Wirkstoffs in unterschiedlichen Bereichen des Chips stattfindet) . Kompartimente bzw. Reaktionsräume sind gegeneinander abgegrenzte (beispiels- weise durch geeignete Wandgestaltungen) Raumbereiche der Vorrichtung, die unterschiedliche funktioneile Einheiten der Vorrichtung (beispielsweise Mischkammer, Elektroporationseinheit oder Separationseinheit) darstellen bzw. integrieren können. Die einzelnen Kompartimente oder Reaktionsräume können dann über geeignete Durchströmungskanäle miteinander verbunden sein, so dass die Zellen von einem zum anderen Kom- partiment bzw. Reaktionsraum geleitet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Zellprozessor eine Teilvorrichtung zum Einbringen der Zellen in den menschlichen oder tierischen Blutkreislauf auf. Diese kann beispielsweise Mikropumpen, Mikroventile, Mikrodüsen und/oder Mikrofilter zur Steuerung des Flusses eines Zellen enthaltenden Flui- des enthalten. Werden die modifizierten Zellen in den menschlichen oder tierischen Körper eingebracht, so erfolgt ihr Transport zu einer gewünschten definierten Gewebeart über den Blutkreislauf. Das Erreichen des gewünschten definierten Gewebes erfolgt hierbei durch die Fähigkeit von Zellen, mit Hilfe von Botenstoffen, welche vom gewünschten Gewebe ausgesondert werden, dieses Gewebe aufzuspüren. In analoger Weise ist es auch möglich, bisher unbekanntes, krankes Gewebe aufzufinden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Zellprozessor mit einer Vorrichtung zur Abgabe von Substanzen oder Wirkstoffen an ein definiertes menschliches oder tierisches Gewebe ausges- tattet. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, welches bei der Nutzung magnetisierter Nanopartikel eingesetzt wird. Hierbei werden die Nanopartikel durch ein mit Hilfe der Vorrichtung ange- legtes Magnetfeld aus der Immunzelle gezogen. Die Abgabe der Substanz kann hierbei jedoch nicht nur mit Hilfe eines durch den implantierbaren Mikrozellpro- zessor erzeugten Magnetfeldes erfolgen, sondern auch durch ein außerhalb oder minimal invasiv innerhalb des Körpers erzeugtes Magnetfeld erfolgen. Somit wird die Substanz bzw. der Wirkstoff wie gewünscht lokal am Gewebe abgegeben. Analog zur Beladung der Zellen kommen hierbei statische und/oder oszillierende Magnetfelder in Frage. Durch geeignete Wahl von Feldform und -stärke kann der Wirkstoff kontrolliert dem ge- wünschten Gewebe zugeführt und somit ideal dosiert werden. In einer anderen Ausgestaltungsform ist die Vorrichtung zur Abgabe der Substanzen bzw. Wirkstoffe eine Vorrichtung zum Zerstören der modifizierten Zellen am Ort des gewünschten Gewebes . Eine solche Vor- richtung kann beispielsweise eine Chemikalie sein, die der Substanz bzw. dem Wirkstoff zugegeben wurde, welche die Zelle am gewünschten Gewebe auflöst. Auslöser der Selbstzerstörung kann hierbei beispielsweise die Konzentration von Botenstoffen sein, welche vom gewünschten Gewebe abgesondert werden. Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung zur Abgabe von Substanzen oder Wirkstoffen ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeidern mit einer zum Zerstören von Zellen ausreichenden Feldstärke. Das Ultraschallfeld zur Abgabe der Substanz kann hierbei nicht nur wie beschrieben durch den implantierbaren Mikroprozessor selbst erzeugt werden, sondern die Abgabe der Substanz kann auch durch ein außerhalb des Körpers oder minimal invasiv innerhalb des Körpers erzeugtes Ultraschallfeld erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellprozessors ist mit einer Vorrichtung zur Lokalisation von modifizierten Zellen beispiels- weise im menschlichen Körper ausgestattet. Die Vorrichtung zur Lokalisation kann beispielsweise ein Sensor zum Nachweis eines durch modifizierte Zellen verursachten Magnetfeldes oder eine Nachweisvorrichtung für Biomarker oder eine NachweisVorrichtung für Fluoreszenzlicht sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellprozessors betrifft die Integration oder die Anordnung einer Batterie zur Energieversorgung. Wird der Zellprozessor außerhalb des Körpers eingesetzt, so kann vorteilhafterweise auf eine gewöhnliche Batterieversorgung zurückgegriffen werden. Wird der Zellprozessor innerhalb des Körpers eingesetzt, ist es vorteilhaft, eine langlebige Batterie, wie sie beispielsweise auch in Herzschrittmachern zum Einsatz kommt (Lithium-Jod-Akkumulatoren) , zu verwenden. Eine solche langlebige Batterie kann durch einen minimalinvasiven Eingriff gewechselt werden. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der erfindungsgemäße Zellprozessor mit einer berührungslo- sen, induktiven Stromversorgung ausgestattet. Hierbei wird beispielsweise am Ort des implantierten Zellprozessors eine erste Spule mit Gleichrichter eingesetzt, welche einen Akkumulator oder einen Kondensator, wie beispielsweise einen Scap, speist, welcher wiederum die Energieversorgung des Zellprozessors darstellt. Ein Scap ist ein leistungsstarker Doppelschichtkondensator, wobei die elektrische Energie durch Ladungsverschiebung an der Grenzfläche zwischen der Elektrode - in der Regel aus Kohlenstoff - und dem organischen Elektrolyten gespeichert wird. Der
Kondensator oder der Akkumulator wird über die erste Spule induktiv durch eine an der Körperoberfläche angelegte zweite Spule geladen, welche an ein Wechsel- feld angelegt ist. Diese äußere zweite Spule kann beispielsweise in der Schlafphase durch ein Band am Körper befestigt sein. In einer weiteren Möglichkeit zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellprozessors erfolgt die Stromversorgung durch den Einsatz spezieller Carbon-Nanoröhren. Diese Carbon-Nanoröhren erzeugen bei einer Durchströmung mit Flüssigkeit, beispielsweise Blut, eine elektrische Ladung. Somit wird durch die Flüssigkeitsströmung die erforderliche Energie zur Verfügung gestellt .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Zellp'rozessors ist auf bzw. an dem Zellprozessor mindestens ein Reservoir vorgesehen. Ein solches Reservoir dient der Aufnahme von mindestens einer Substanz oder eines Wirkstoffes. Die Substanzen bzw. Wirkstoffe können hierbei zum Beispiel Therapeutika wie Medikamente, Medikamentenvorstufen (Prodrugs) ,
Hormone, Enzyme zur Spaltung von Medikamentenvorstufen, Viren, welche beispielsweise zur Gentherapie eingesetzt werden, oder Nanopartikel sein. Sind die Reservoire erschöpft, so können sie bei implantiertem Zellprozessor beispielsweise von außen durch einen minimalinvasiven Eingriff, z.B. mit einer feinen Nadel, wiederbefüllt werden. Die Befüllung kann hierbei beispielsweise über verschiedene Septen realisiert werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellprozessors betrifft die Integration eines sog. Home Monitoring Systems, welches mit einem Sender die Notwendigkeit eines Substanz- bzw. Wirkstoffnachschubs meldet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Zellprozessor bzw. Teile desselben aus biokompatiblem Material und/oder verschiedenen Metallsorten, wie beispielsweise Silber, Titan oder V2A, und/oder aus Keramik und/oder Kunststoffen, wie beispielsweise Polyäthylen, Silikon, Polymer 908. Hierbei ist die Oberfläche des Zellprozessors vor- teilhafterweise derart modifiziert, dass sie vom Immunsystem nicht als Fremdkörper erkannt wird, oder der Zellprozessor sondert Substanzen ab, welche lokale Abwehrreaktionen des Körpers unterdrücken (z.B. Steroide) .
Der vorstehend beschriebene Zellprozessor zur Modifikation von Zellen zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Er ermöglicht den gezielten Transport von Wirkstoffen verschiedenster Art mit
Hilfe der körpereigenen Immunabwehr, wie beispielsweise T-Lymphozyten, Monozyten oder Neutrophil (letztere nach Stimulation beispielsweise mit ß-Glucan; siehe Hong et al.,'2003, Cancer Research 63, 9023- 9031) oder sonstiger Blutzellen. Dabei werden die
Blutzellen durch den Zellprozessor erfasst und Substanzen, Wirkstoffe oder Therapeutika, wie Medikamente, Medikamentvorstufen (Prodrugs) , Hormone, Enzyme zur Spaltung der Medikamentenvorstufen, Viren, die z.B. zur Gentherapie eingesetzt werden, oder Nanopartikel, darauf übertragen. Die so modifizierten Abwehrzellen werden in den menschlichen oder tierischen Blutkreislauf zurückgeführt. Die körpereigene Immunabwehr hat die natürliche Fähigkeit, bestimmtes Gewe- be zu erkennen. Durch gezielte Behandlungsmaßnahmen kann ein Gewebe auch für das Immunsystem erkennbar gemacht werden, d.h. gezielt Immunzellen zu einem bestimmten Gewebe dirigiert werden und die Erkennung dieses Zielgewebes durch Immunzellen verstärkt wer- den.
Ein Beispiel ist die gezielte Erwärmung eines Tumors, z.B. durch Hyperthermie oder Thermotherapie .
Dabei werden im erwärmten Gewebe sogenannte Heat Shock Proteine gebildet, wie etwa HSP 96, HSP 72. Diese können eine Rolle im komplexen Prozess, der zur Antigen-Präsentation an der Zelloberfläche führt, spielen. Weiterhin können sie auch ins extrazelluläre Milieu abgegeben werden für das Immunsystem als Zei- chen für abnormale, tote oder geschädigte Zellen dienen. Eine Immunantwort in diesem Gewebe wird verstärkt .
Ein weiteres Beispiel stellt eine Immuntherapie mit spezifischen oder multi-tumor-spezifischen Epitopen dar oder Induktion der Immunantwort durch Infiltration entsprechender Antigen präsentierender Zellen oder Effektor-Zellen des Immunsystems, die ebenfalls die Verstärkung des Immunsystems im Tumorgewebe erhöhen. Desweiteren ist neben der Gabe von Proteinantigenen auch eine DNA-Vakzinierung denkbar.
Durch eine Verstärkung der Immunantwort im Zielgewebe durch Vorbehandlung, z.B. Erwärmung vor oder während des Einsatzes des Biozeil-Prozessors bzw. Zellprozessors, wird auch der Medikamententransport durch bela- dene Immunzellen spezifischer und effektiver.
Immunisierung mit Aufbereitungen von Heat Shock Pro- teinen (HPS) , die auf Krebszellen abgeleitet sind, wurden als stimulierende Faktoren für das Immunsystem zur Krebserkennung beschrieben (Blanchere et al . 1997) .
Somit kann mit den modifizierten Zellen mit Hilfe der natürlichen Fähigkeit der körpereigenen Immunabwehr bestimmtes Gewebe gezielt angesteuert werden und der Wirkstoff an der gewünschten Position abgegeben werden. Die Art der Übertragung des Wirkstoffs auf das Transportmedium mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zell- prozessors kann dabei wie beschrieben variieren. Es ist beispielsweise sowohl eine Anlagerung (Adsorption) des Wirkstoffes auf der Oberfläche, als auch eine Einlagerung (Absorption) in das Transportmedium möglich. Auch die Art der Wirkstoffanlagerung kann wie beschrieben variieren. Unter anderem sind Mechanismen wie die Elektroporation, die Lipofektion oder die Mikroinjektion möglich. Der erfindungsgemäße Zellprozessor kann hierbei die Wirkstoffe auf das Transport- medium sowohl innerhalb des Körpers, als auch außer- halb des Körpers übertragen.
Der Transport der Medikamente bzw. der anderen Komponenten durch die Immunzellen kann dadurch erfolgen, dass der zu transportierende Stoff in die Immunzelle eingelagert, oder in einer weiteren Hülle, wie z.B. einem Liposom, oder an dessen Oberfläche angekoppelt wird (in letzterem Fall ist also nicht der Stoff an sich unmittelbar in die Zelle eingelagert, sondern in die weitere Hülle gekapselt, in die Zelle eingelagert oder an die Oberfläche dieser Hülle angelagert in die Zelle eingebracht) .
Die erfindungsgemäße Therapie kann mit allen anderen Therapien, wie z.B. Krebsimpfung, Verstärkung der körpereigenen Immunabwehr durch z.B. Cytokin-Gabe, usw. kombiniert werden. Die Kombination der Therapien kann unabhängig voneinander erfolgen, sie kann aber auch parallel, als vorhergehende oder als nachgeschaltete Therapie zu anderen Therapien erfolgen.
Es ist auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Therapie in der Art mit anderen Therapien verbunden wird, dass z.B. zunächst mit anderen Therapien, wie z.B. durch die Verstärkung der körpereigenen Immunabwehr oder die Krebsimpfung, die für den angestrebten Zweck erforderlichen Zellen zuerst vermehrt und danach für die erfindungsgemäße Therapie aus dem Blutkreislauf separiert werden.
Mit Hilfe der körpereigenen Immunabwehr werden in der erfindungsgemäßen Therapie auch Medikamente transportiert, die mit einem Antikörper gekoppelt sind, welche die zu behandelnde Zelle erkennt .
An die körpereigene Abwehrzelle kann ein Antikörper angekoppelt werden, welcher gezielt die Abwehrzelle an die zu behandelnde Zelle andockt.
Mit Hilfe der Abwehrzelle können neben Medikamenten auch alle anderen Stoffe, wie z.B. Nanopartikel, Vi- ren, Liposomen, Proteine, Nukleinsäuren, Aminosäuren, Hormone, radioaktive Teilchen, Antikörper, Antigene, Peptide, alle Arten von Chemikalien, usw. transportiert werden.
Als beispielhafte Anwendung können z.B. synthetisch hergestellte oder natürliche Erbinformationen, z.B. RNA (z.B. siRNA) oder DNA transportiert werden, welche an die zu behandelnde Zelle bzw. deren Erbinformation angebunden werden, wodurch die Zelle z.B. un- schädlich gemacht wird, am weiteren Wachstum oder der Zellteilung gehindert wird oder aber für das Immunsystem besser erkennbar gemacht wird und sich dadurch Zellen des Immunsystems gezielt auf die behandelten Zellen (beispielsweise Krebszellen) richten.
Erfindungsgemäße Zellprozessoren zur Modifikation menschlicher oder tierischer Zellen können wie in einem der folgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein.
Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Zellprozessor, Figur 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht desselben, Figur 3 zeigt Vorrichtungen zur Wirkstoffbeladung und zur Wirkstoffkonzentrationsmessung in einem gemeinsamen Reaktionsraum, Figur 4 zeigt eine TeilVorrichtung des Zellprozessors zur Zellisolation durch Messung der Leitfähigkeit, Figur 5 zeigt eine TeilVorrichtung zur Zellisolation mittels Laserdetektor, Figur 6 zeigt eine Teilvorrichtung zur Zellisolation mittels der Partikelladung, Figur 7 zeigt Teilvorrichtungen zur Zellisolation mit Hilfe von Filtern, Figur 8 zeigt eine Teilvorrichtung zur Zellfixierung mittels eines Wechselfeldes, ' Figur 9 zeigt eine Teilvorrichtung zur Zellfixierung mit Hilfe eines Mikroballs, Figur 10 zeigt die Elektroporation einer Zelle, Figur 11 zeigt eine TeilVorrichtung zur Beladung von Zellen mittels magnetisierter Partikel, Figur 12 zeigt die Beladung einer Zelle mittels Lipofektion, Figur 13 zeigt die Beladung einer Zelle durch Pha- gozytose, Figur 14 zeigt die Beladung einer Zelle mit Hilfe eines Virus, Figur 15 zeigt die Beladung einer Zelle durch Mik- roinjektion, Figur 16 zeigt die Entladung des Wirkstoffes aus einer Zelle mit Hilfe eines Ultraschallfelds, Figur 17 zeigt eine induktive Stromversorgung des Zellprozessors, Figur 18 zeigt einen magnetoresistiven Sensor sowie eine Anordnung von Mikrospulen und Figur 19 zeigt die Wirkstoffbeladung und -ent- ladung mit Hilfe von magnetischen Liposo- men oder magnetischen Nanopartikeln.
In den nachfolgend beschriebenen Figuren werden für dieselben oder einander entsprechende Bestandteile bzw. Bauteile des Zellprozessors dieselben Bezugszei- chen verwendet.
Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführung eines erfindungsgemäßen Zellprozessors. Aus einem Blutreservoir 1, dem menschlichen Blutkreislauf, wird Blut über eine Filtervorrichtung 3a der Zeilisolationsvorrichtung* 4 zugeführt, die die gewünschten, d. h. die zu modifizierenden Zellen ausselektiert. Hierbei kann über ein Mikroventil 2 eine Filterflüssigkeit aus einem Filterflüssigkeitsreservoir 3 zuge- setzt werden. Die Menge der isolierten Zellen wird mit Hilfe einer Zählvorrichtung 5, einer Vorrichtung zur Impedanzmessung, bestimmt. In einer Beladungsvorrichtung 6a werden die Zellen fixiert und mit dem gewünschten Wirkstoff beladen. Der Wirkstoff wird hier- bei über eine Schleuse 7 aus einem Wirkstoffreservoir 8 zugegeben. In der Messvorrichtung 6b wird die Konzentration des Wirkstoffes in den beladenen Zellen bestimmt. Durch einen Auslass 10 werden die modifizierten Zellen dem menschlichen Blutkreislauf zuge- führt. Der Transport der Zellen erfolgt mit Hilfe einer Mikropumpe 9.
Figur 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellprozessors. Durch einen Einlass la strömt Blut mit seinen zellulären Bestandteilen in den Mikrozellprozessor. Über eine Filterstruktur 3a werden die Zellen zu der Zell- isolationsvorrichtung 4 geleitet. Mit Hilfe der Teilvorrichtung 6a werden die Zellen mit dem gewünschten Wirkstoff beladen, der mit Hilfe eines Reservoirs 8 zugeführt wird. Die Konzentration des eingebrachten Wirkstoffes wird mit Hilfe der Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration des Wirkstoffes 6b gemessen. Über den Auslass 10 werden die modifizierten Zellen zurück in den Blutkreislauf geführt. Der Zell- transport innerhalb des Systems erfolgt mit Hilfe einer Mikropumpe 9, die Vorrichtung 3 stellt einen Tank für eine Filterflüssigkeit dar.
Figur 3 zeigt eine integrierte Vorrichtung 6 zum Fi- xieren der Zellen und zum Beladen der1 Zellen mit
Wirkstoffen mit Hilfe von durch Mikrospulen 6a erzeugten Magnetfeldern und zum Messen der Konzentration der Wirkstoffe in den beladenen Zellen mittels eines magnetoresistiven Sensors 6b.
Figur 4 zeigt eine Vorrichtung zur Isolation von Zellen anhand ihrer Leitfähigkeit. Die Figur zeigt eine Kapillare 12 mit nach oben trichterförmig erweitertem Ende. In diesem erweiterten Ende und im Schmalteil der Kapillare 12 befinden sich Zellen 11. Am Schmalteil der Kapillare 12 befindet sich jeweils links und rechts eine Elektrode 13a bzw. 13b; die Elektroden sind an eine Spannungsquelle 13d angeschlossen. Wird eine Zelle durch den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden 13a und 13b geleitet, so fließt in Abhängigkeit von ihrer Leitfähigkeit im Stromkreis 13c ein Strom, der mit einer NachweisVorrichtung, wie einem Amperemeter 13e, gemessen wird. Anhand des gemessenen, von der Leitfähigkeit der Zellen 11 abhängigen Stroms, sind verschiedene Zelltypen differenzierbar; somit werden die gewünschten Zellen isoliert. Figur 5 zeigt eine Vorrichtung zur Zellisolation mittels eines Laserdetektors. Analog zu Figur 4 sind eine Kapillare 12 mit nach oben trichterförmig erwei- tertem Ende sowie Zellen 11 gezeigt. Anstelle der in Figur 1 angeordneten Elektroden ist ein Laserdetektor 14a an der linken Schmalseite der Kapillare 12 angeordnet. Mit Hilfe eines Laserstrahls 14b werden die Lichtbrechungseigenschaften der Zellen 11 bestimmt. Da sich verschiedene Zelltypen in ihren Lichtbrechungseigenschaften unterscheiden, sind die Zelltypen mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung unterscheidbar. Auf diese Weise werden die gesuchten Zelltypen isoliert .
Figur 6 zeigt eine Vorrichtung zur Zellisolation anhand der Partikelladung der Zellen. Analog zur Figur 4 ist eine Kapillare 12 mit einem nach oben trichterförmig erweiterten Ende gezeigt . Am unteren Ende der Kapillare 12 ist eine Ausweitung 15 angeschlossen. Im trichterförmigen Ende, im Schmalteil und in der Ausweitung der Kapillare 12 sind Zellen 11 dargestellt, links und rechts der Ausweitung sind zwei Elektroden 13a und 13b skizziert. Mit Hilfe der Elektroden 13a und 13b wird ein elektromagnetisches Feld im Bereich der Ausweitung 15 angelegt. Aufgrund der unterschiedlichen Partikelladungen weisen unterschiedliche Zell- typen eine unterschiedliche Laufzeit im elektromagnetischen Feld auf. Anhand dieser Laufzeit können somit die verschiedenen Zelltypen unterschieden bzw. der gewünschte Zelltypus kann isoliert werden.
Die Figuren 7A und 7B zeigen Vorrichtungen zur Isolation von Zellen mit Hilfe von Filtermodulen. In Figur 7A ist ein H-förmiges Filtermodul 16a dargestellt. In der Mitte des Querbalkens des H ist eine Filtermemb- ran 16c eingebracht, die das H-förmige Filtermodul 16a in zwei gleich große Abschnitte, einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt, teilt. Im unteren Abschnitt befindet sich ein Lösungsmittel 16d, in dem sämtliche vorhandene Zelltypen gelöst sind. Im dargestellten Fall sind dies ein gesuchter Zelltyp 11a sowie ein anderer Zelltyp 11b. Im oberen Teil befindet sich ein Lösungsmittel 16b, das lediglich für den gesuchten Zelltyp 11a geeignet ist. Der gesuchte Zelltyp 11a hat somit das Bestreben, durch die Membran 16c hindurchzudiffundieren, alle anderen Zelltypen bzw. Komponenten nicht. Im dargestellten Fall erfolgt die Zellisolation bzw. Selektion somit mit Hilfe einer Filtermembran 16c sowie zweier geeignet ge- wählter Lösungsmittel 16b und 16d.
Figur 7B skizziert einen mehrstufigen Filterprozess . Die Zellen werden durch einen Einlasskanal 16e der Filtervorrichtung zugeführt. In die Filtervorrichtung sind drei Filter 16i, 16j und 16k integriert. Diese drei Filter dienen der Trennung von Partikeln mit unterschiedlichen Durchmessern. Somit werden nach der Filterung mit dem Filter 16i Zellen eines ersten Durchmessers durch einen Kanal 16f abgeführt, nach einer Filterung mit dem Filter 16j werden Zellen eines zweiten Durchmessers über einen Kanal 16g abgeführt und nach der Filterung mit dem Filter 16k werden Zellen über einen dritten Kanal 16h abgeführt.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung zur Zellfixierung mittels eines elektrischen Wechselfeldes. Dargestellt ist eine Kapillare 12 mit nach oben erweitertem trichterförmigen Ende sowie einer nach unten angeschlossenen Ausweitung 15. Im gesamten Bereich der Kapillare sind Zellen 11 dargestellt. Von links ist in die Ausweitung eine Nadel 17a eingebracht. Mit Hilfe einer zweiten Elektrode 17b wird an die Nadel ein elektrisches Feld angelegt. Aufgrund der Partikelladung können die Zellen 11 mit Hilfe der Nadel 17a gehalten werden. Um die Zellen 11 über einen län- geren Zeitraum zu halten, ist die Aufrechterhaltung der Partikelladung notwendig. Hierzu müssen die Zellen 11 einer gewissen Bewegung unterworfen sein. Daher wird im vorliegenden Fall mit einem elektrischen Wechselfeld gearbeitet; welches eine Zelle 11 abwech- selnd festhält und wieder abstößt, so dass diese in Schwingung und somit die Partikelladung erhalten bleibt .
Figur 9 zeigt eine Vorrichtung zur Fixierung der Zel- len mit Hilfe eines Mikroballs. Im oberen Teil des Bildes ist eine Kapillare 12 dargestellt, an deren rechtem Ende ein Mikroball 18a angeschlossen ist. Der Mikroball ist aufgepumpt ,• was mit Hilfe eines durch die Kapillare geleiteten Gases oder einer Flüssigkeit 18b geschieht. Durch das Aufpumpen wird ein Fremdkörper simuliert. Eine Abwehrzelle 11 umschließt diesen Fremdkörper. Hierdurch wird die Abwehrzelle 11 fixiert und ein Wirkstoff 19 wird eingebracht. Im unteren Teil des Bildes ist in analoger Weise darge- stellt, wie die Flüssigkeit oder das Gas aus dem Mikroball entnommen wird 18d, der Mikroball somit in sich zusammenfällt 18c und die Abwehrzelle 11, in die mittlerweile der Wirkstoff 19 eingebracht ist, wieder frei schwimmt .
In Figur 10 ist dargestellt, wie die Einbringung eines Wirkstoffes in eine Zelle mit Hilfe von Hochspannungsimpulsen, sogenannte Elektroporation, geschieht. Figur 10A zeigt eine Immunzelle 11, an deren oberem Teil durch Hochspannungsimpulse 20b reversible Poren 20a in der Zellenhülle gebildet werden. Durch diese Poren 20a wird ein Wirkstoff 19 in die Immunzelle 11 eingebracht. Figur 10B skizziert eine entsprechende Vorrichtung zur Elektroporation. Zwei Zellen 11a und 11b sind auf einer mit entsprechenden Vertiefungen 20h ausgestatteten Platte 20g immobilisiert. Am linken und rechten Rand der Vertiefungen 20h befinden sich Elektroden 20c und 2Od. An diese wird eine Spannungsquelle 20i angelegt, was für die Zelle 11a skizziert ist . Unterhalb der Platte befindet sich ein Re- servoir 20f das mit dem einzubringenden Wirkstoff 19 befüllt ist. Nach der Öffnung von Zeilhüllenporen mit Hilfe von Hochspannungsimpulsen wird der Wirkstoff 19 über unterhalb der Vertiefungen 20h befindliche Mik- rolöcher 20e in die Poren eingeführt.
Figur 11 zeigt eine Vorrichtung zur Beladung einer Zelle mit einem Wirkstoff mittels magnetisierter Nanopartikel. Im oberen Teil der Figur ist eine Kapillare 12 mit trichterförmig erweitertem oberen Ende dargestellt. Im unteren Teil, im Schmalteil, weist die Kapillare 12 eine Schleusenvorrichtung 21b auf. Das trichterförmig erweiterte obere Ende der Kapillare 12 dient als Reservoir für Nanopartikel 21a. Unterhalb der Kapillare ist eine Immunzelle 11 darge- stellt, hierunter ein Magnet 21c. Die Nanopartikel
21a sind mit den gewünschten Wirkstoffen beladen bzw. überzogen. Durch den Magnet 21c werden diese Partikel angezogen. Die Schleusenvorrichtung 21b bewirkt, dass immer nur eine genau definierte Anzahl von Nanoparti- kein 21a die Schleuse passieren kann. Mit Hilfe des Magnetfeldes wird diese definierte Anzahl von Nanopartikeln mit den Wirkstoffen in die Immunzelle 11 eingezogen. Entscheidend sind bei dieser Vorrichtung die Zeit und die Stärke des Magnetfeldes, damit die Nanopartikel 21a die Immunzelle 11 nicht vollständig passieren, sondern in ihr verbleiben. Als Magnetfei- der sind beispielsweise statische und oszillierende Felder möglich. Als Nanopartikel 21a kommen beispielsweise Fe304-Partikel oder paramagnetische Partikel in Frage. Mit Hilfe der Partikel wird der Wirk- stoff in eine Form gebracht, die ihn für die Immunzelle unverdaulich macht. Dies wird später (zu Fig. 13) noch genauer beschrieben.
Figur 12 zeigt die Einbringung eines Wirkstoffes in eine Immunzelle 11 mit Hilfe der Lipofektion. In Figur 12A sind kreisförmig Liposomen 22a dargestellt. Diese Liposomen werden mit dem gewünschten Wirkstoff 19 und mit magnetisierten Partikeln 22b beladen. Im rechten Bildteil von Figur 12A ist eine Immunzelle 11 dargestellt, in deren Inneren sich vier Liposomen 22a befinden. Die Liposomen 22a haben die Fähigkeit, die Zellwand einer Immunzelle 11 zu durchdringen und somit den in sie eingebrachten Wirkstoff 19 in die Zelle 11 zu transportieren. Die Liposomen werden im dar- gestellten Beispiel durch die in sie eingebrachten magnetisierten Partikel 22b mittels eines Magneten 22c in Richtung der Zelle 11 dirigiert. Dies ist in Figur 12A durch Pfeile dargestellt. Figur 12B skizziert die Bestimmung der Konzentration eines Wirk- Stoffes in einem erfindungsgemäßen Zellprozessor. Die Figur zeigt links ein Liposom 22a, in welches magnetische Partikel 22b sowie der Wirkstoff 19 eingebracht wurden. Das Liposom wird mittels Lipofektion in eine Zelle 11 eingebracht, was durch einen Pfeil skizziert ist. Die Konzentration des Wirkstoffes wird mit Hilfe eines magnetischen Sensors 22c bestimmt. Dies ist ebenfalls durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Figur 13 zeigt die Beladung einer Immunzelle 11 mit einem Wirkstoff 19 durch Phagozytose. Im oberen Teil der Figur sind eine Immunzelle 11 sowie ein Wirkstoff 19 dargestellt. Im unteren Bereich der Abbildung ist dieselbe Immunzelle 11 dargestellt, die jedoch den Wirkstoff 19 komplett umschlossen hat. Bei der Phago- zytose wird die natürliche Funktion einer Immunzelle 11 genutzt. Der Wirkstoff 19 wird als Fremdkörper erkannt und von der Immunzelle 11 eingeschlossen. Zuvor wird der Wirkstoff 11 in eine Form gebracht, die ihn für die Immunzelle 11 unverdaulich macht. Das Unverdaulichmachen kann z.B. durch Aufbringen oder Umhül- len des Wirkstoffes durch eine äußere Kapselung geschehen oder durch spezielle Formulierung des Wirkstoffes . Dadurch wird auch die Zelle selbst vor der Wirkung des Medikamentes geschützt. Die Kapselung oder Formulierung weist Eigenschaften auf das die sie am Zielort aufgelöst wird, z.B. durch äußere Wärme-Zufuhr am Target oder durch Auflösen unter bestimmten physiologischen Bedingungen. Dadurch entfaltet das Medikament die Wirkung nur am Zielort. Das Medikament kann auch eine Vorstufe darstellen (Pro-Drug) , die erst am Zielort in die aktive Form überführt wird.
Figur 14 zeigt die Beladung einer Immunzelle 11 mit einem Wirkstoff mit Hilfe eines modifizierten HIV- Virus 23a. Im oberen Teil der Zeichnung ist ein Virus 23a in Form einer angeschnittenen Kugel dargestellt. Dieser Virus 23a enthält in seinem Inneren den Wirkstoff 19. Im unteren Bildbereich ist eine Immunzelle • 11 dargestellt. Der Virus 23a haftet mit Hilfe von vier beinförmigen Fortsätzen 23b an der Immunzelle 11. An der Unterseite weist der Virus 23a eine rüs- selförmige Ausstülpung 23c aus, die bis in die Immunzelle 11 hineinragt. Im skizzierten Fall wird der Vi- rus 23a dazu genutzt, den Wirkstoff 19 in die Immunzelle 11 einzubringen. Alternativ kann der Virus 23a auch dazu genutzt werden, eine DNA in die Zelle 11 einzubringen, welche die Zelle 11 veranlasst, den entsprechenden Wirkstoff 19 zu produzieren.
Figur 15 zeigt die Beladung einer Zelle 11 mit einem Wirkstoff 19 durch Mikroinjektion. Die Figur zeigt eine Immunzelle 11, eine Nadel 24, sowie einen Wirkstoff 19, der sich teilweise in der Nadel 24 und teilweise bereits in der Immunzelle 11 befindet. Im vorliegenden Beispiel wird der Wirkstoff durch Mikroinjektion mit einer sehr feinen Nadel 24 der Immunzelle 11 injiziert.
Figur 16 zeigt die Freisetzung eines Wirkstoffs 19 am gewünschten Gewebe mit Hilfe von Ultraschall. Links in der Figur ist eine mit einem Wirkstoff 19 beladene Zelle 11 skizziert. Nachdem diese in das gewünschte Gewebe gewandert ist, wird der Wirkstoff 19 mit Hilfe eines Ultraschallfelds 25 ausreichender Intensität aus der Zelle 11 freigesetzt; rechts im Bild dargestellt .
Figur 17 zeigt eine Vorrichtung zur induktiven Stromversorgung für den Zellprozessor. Im linken Figuren- teil ist rechteckförmig eine erste Spule 26b mit zugehöriger Stromversorgung 26c skizziert. In der rechten Figurenhälfte ist als Ellipse ein Implantat 26d angedeutet, das einen Zellprozessor enthält. Zwischen der ersten Spule 26b und dem Implantat 26d befindet sich die Hautoberfläche 26a. Im Implantat 26d ist eine zweite Spule 26f, ein Gleichrichter 26g und ein Kondensator bzw. Akkumulator 26h gezeichnet. Die Energieversorgung des Zellprozessors geschieht wie folgt: Die Spule 26b wird an ein Wechselfeld ange- legt. Durch Induktions irkung ergibt sich hierdurch in der Spule 26f ein Strom, der den Akkumulator oder Kondensator 26h speist.
Figur 18 zeigt die Bestimmung der Konzentration eines eingebrachten Wirkstoffes mit Hilfe eines magnetore- sistiven Sensors. In Figur 18A ist ein wirkstoffbela- denes Liposom 22a, das magnetisc e Partikel enthält, in Form einer aufgeschnittenen Kugel gezeichnet. Unterhalb des Liposoms 22a ist in dreidimensionaler Ansicht ein magnetoresistiver Sensor 27a skizziert. Dieser besteht im wesentlichen aus drei Schichten, der obersten Si3N4-Schicht 27b, dem darunter befindlichen magnetoresistiven Film 27c, sowie einem darunter befindlichen Siliziumsubstrat 27d. Unterhalb des magnetoresistiven Sensors 27a ist ein Elektromagnet 22c gezeichnet. Die Position des Liposoms 22a kann mit Hilfe des Elektromagneten 22c beeinflusst werden. Die Konzentration des in das Liposom 22a geladenen Wirkstoffs wird mit Hilfe des durch die magnetischen Partikel verursachten Magnetfeldes durch den magneto- resistiven Sensor 27a bestimmt. Figur 18b zeigt eine Anordnung von Mikrospulen 27e zum Erzeugen oder zum Nachweis eines magnetischen Feldes.
Figur 19 skizziert die Beladung und das Entladen ei- ner Zelle mit Hilfe von Magnetfeldern. Links oben in der Figur ist ein Liposom 22a gezeichnet, welches mit einem Wirkstoff und mit magnetischen Partikeln beladen ist. Darunter sind einige magnetische Partikel 21a gezeichnet. In der Mitte der Figur ist ein Magnet 21c mit seinem Magnetfeld skizziert. Rechts in der
Figur ist eine Zelle 11 skizziert. Mit Hilfe des Magneten 21c kann das magnetisierte Liposom 22a in seiner Position bzw. in seinem Weg beeinflusst werden. Dies ist durch zwei Pfeile dargestellt. Mit Hilfe des Magneten 21c ist es nicht nur möglich, den Wirkstoffträger (Liposom) in Richtung der Zelle zu dirigieren, sondern es ist auch möglich, die Verteilung von wirk- stoffbeladenen Immunzellen im menschlichen Körper zu detektieren. Auch die magnetischen Nanopartikel 21a können mit Hilfe des Magneten 21c bzw. seines Magnetfeldes der Zelle 11 zugeführt werden. Mit Hilfe des Magneten 21c ist ebenso eine Entladung der wirkstoffbeschichteten Partikel 21a aus der Zelle 11 möglich. Dies ist durch zwei Pfeile skizziert.

Claims

Patentansprüche
1. Zeilmodifikationsvorrichtung zur Modifikation von menschlichen oder tierischen Zellen zum Zwecke einer therapeutischen Wirkung im menschlichen oder tierischen Körper durch die modifizierten Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung (4) zur Isolation der Zellen (11) und mindestens eine Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz (19) in die Zellen (11) und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz (19) an den Zellen (11) enthält oder aus den genannten Vorrichtungen besteht .
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in den menschlichen oder tierischen Körper implantierbar ist oder dass die Vorrichtung außerhalb des menschlichen oder tierischen Körper einsetzbar ist, insbesondere als am Körper tragbare Vorrichtung oder als Laborge- rät.
3. Zeilmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Fixierung der Zellen (11) und/oder mindestens eine Vorrichtung (6b) zur Bestimmung der Konzentration der mindestens einen Substanz (19) in den bzw. an den Zellen (11) und/oder zum Bestimmen der Anzahl modifizierter Zellen aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung (10) zum Einbringen der Zellen in den menschlichen oder tierischen Blutkreislauf aufweist. .
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindes- tens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen und die Vorrichtung (6b) zur Bestimmung der Konzentration der mindestens einen Substanz in den bzw. an den Zellen und/oder zum Bestimmen der Anzahl modifizierter Zellen in einem gemeinsamen Reaktionsraum oder in unterschiedlichen Kompartimenten angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (9) zum Transport und/oder zur Regulierung von Zellströmen in die Vorrichtung integriert oder an ihr angeordnet ist .
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) zum Transport und/oder zur Regulierung von Zellströmen mindestens eine Mikropumpe und/oder mindestens ein Mikroventil und/oder mindestens eine Mikrodüse enthält oder daraus besteht .
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Überwachung der korrekten Funktionsweise der einzelnen Vorrichtungen aufweist .
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zum Nachweis und/oder zum Zählen und/oder zur Bestimmung des momentanen Aufenthaltsortes von mo- difizierten und/oder nicht modifizierten Zellen aufweist .
10. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Nachweis und/oder zum Zählen und/oder zur Bestimmung des momentanen Aufenthaltsortes einen Sensor zum Nachweis eines Magnetfelds und/oder eine Vorrichtung zum Nachweis von Biomarkern und/oder eine Vorrichtung zum Nachweis von Fluoreszenzlicht enthält oder daraus besteht .
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines statischen und/oder zeitlich veränderlichen Magnetfelds enthält.
12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds mindestens eine Mikrospule und/oder einen Permanentmagneten enthält oder daraus besteht .
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zum Einbringen einer Waschlösung aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit mindestens einer Vorrichtung zur Abgabe der Substanzen an oder in einem definierten menschlichen oder tierischen Gewebe aus- gestattet ist.
15. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abgabe der Substanzen eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds enthält oder daraus besteht .
16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds mindestens eine Mikrospule enthält oder daraus besteht .
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abgabe der Substanzen eine Vorrichtung zum Zerstören der modifizierten Zellen enthält oder daraus besteht .
18. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Zerstören der modifizierten Zellen eine den Substanzen zuzugebende Chemika- lie enthält oder daraus besteht, zur Auflösung der modifizierten Zellen am Ort des definierten menschlichen oder tierischen Gewebes.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Abgabe der Substanzen eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallfelds (25) enthält oder daraus besteht.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an die Vorrichtung mindestens ein Akkumulator und/oder mindestens eine Batterie zur Energieversorgung integriert oder angeordnet ist .
21. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator ein Lithium-Jod-Akkumulator ist .
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur induktiven Stromversorgung integriert oder angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur induktiven Stromversorgung mindestens eine Spule (26f) und mindestens einen Akkumulator und/oder Kondensator (26h) enthält oder daraus besteht.
24. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kondensatoren ein Doppel- Schichtkondensator ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur induktiven Stromversorgung mindestens eine erste Spule (26f) mit Gleichrichter (26g) , mindestens einen Akkumulator und/oder Doppelschichtkondensator (26h) , mindes- tens eine Ladespule (26b) und mindestens eine Vorrichtung (26c) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes am Ort der Ladespule (26b) enthält oder daraus besteht.
26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an die Vorrichtung mindestens eine Kar- bon-Nanoröhre zur Energieversorgung integriert oder angeordnet ist .
27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an die Vorrichtung mindestens ein Reservoir (8) integriert oder angeordnet ist zur Speicherung der Substanzen.
28. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Reservoire (8) ganz oder teilweise mit den Substanzen gefüllt ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Reservoire (8) wiederbe- füllbar ist.
30. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Reservoire (8) mindestens eine Septe zur Wiederbefüllung aufweist .
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Veränderung der Substanzen integ- riert oder angeschlossen ist.
32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen Wirkstoffe, Medikamente, Medika- mentvorstufen (Prodrugs) , Hormone, Enzyme, Viren, Nanopartikel, DNA oder DNA-Teile und/oder Substanzen zur lokalen Unterdrückung der Abwehrreaktion des tierischen oder menschlichen Körpers enthalten oder daraus bestehen.
33. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an die Vorrichtung mindestens eine Überwachungsvorrichtung integriert oder angeordnet ist zur Überwachung der Notwendigkeit der Modifikation weiterer Zellen.
34. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Überwachungsvorrichtungen mindestens einen Sender zur Meldung der Notwendigkeit der Modifikation weiterer Zellen enthält oder daraus besteht .
35. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Vorrichtung oder Teile der Vor- richtung Metall und/oder Metalllegierungen und/oder Keramik und/oder Kunststoff und/oder eine biokompatible und/oder chemisch inerte und/oder mit Zellen nicht wechselwirkende Substanz enthält oder daraus besteht .
36. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall und/oder die Metalllegierungen Titan und/oder Silber und/oder V2A-Stahl enthalten oder daraus bestehen.
37. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polyäthylen und/oder Silikon und/oder Polymer 908 enthält oder daraus besteht .
38. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Oberfläche aufweist, die vom menschlichen oder tierischen Immunsystem nicht als Fremdkörper erkennbar ist.
39. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) zur Isolation der Zellen eine Vorrichtung zur Isolierung von Zellen mit Hilfe deren elektrophoretischer Mobilität ent- hält oder daraus besteht und/oder mindestens eine Kapillare (12) zur Durchleitung von Zellen und mindestens zwei an mindestens einer der Kapillaren angeordnete Elektroden (13a und 13b) zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Zellen und/oder zur Messung der Impedanz der Zellen aufweist .
40. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle oder zusätzlich zu den Elektroden (13a und 13b) ein mindestens einen Laser (14a) enthaltendes Detektorsystem an mindestens einer der Kapillaren (12) angeordnet ist, zur Bestimmung der Lichtbrechung der Zellen.
41. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) zur Isolation der Zellen mindestens eine Kapillare (12) zur Durchleitung von Zellen aufweist, und dass das Ende mindes- tens einer Kapillare (12) eine Ausweitung (15) aufweist und/oder dass an ihrem Ende eine Ausweitung (15) angeordnet ist und dass eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes innerhalb der Ausweitung an der Vorrich- tung angeordnet oder in sie integriert ist, zur Bestimmung unterschiedlicher Laufzeiten unterschiedlich geladener Zellen.
42. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes mindestens zwei Elektroden (13a und 13b) enthält oder daraus besteht .
43. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) zur Isolation der Zellen mindestens eine Filtermembran enthält oder daraus besteht .
44. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) zur Isolation der Zellen mindestens eine Durchflusseinrichtung, mindestens eine Lösungsdiffusionsmembran (16c) sowie mindestens zwei verschiedene Lösungsmittel (16b und 16d) enthält oder daraus besteht.
45. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Lösungsmittel so zusammengesetzt ist (16d) , dass alle Substanzen aus deren Gesamtheit die zu modifizierenden Zellen zu isolieren sind mit ihm lösbar sind und dass ein anderes Lö- sungsmittel (16b) so zusammengesetzt ist, dass ausschließlich die zu modifizierenden Zellen mit ihm lösbar sind.
46. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusseinrichtung ein H-förmiges Modul (16a) enthält oder daraus besteht.
47. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Fixierung der Zellen mindestens eine feine Nadel (17a) und mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes am Ort der Nadel enthält oder daraus besteht .
48. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Fixierung der Zellen mindestens eine aufpumpbare Hülle (18a) und mindestens eine Vorrichtung (18b) zum Ein- und/oder Ausleiten von Gas und/oder von Flüssigkeit in die aufpumpbare Hülle (18a) enthält oder daraus besteht .
49. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ein- und/oder Ausleiten eine feine Kapillare (12) enthält oder daraus besteht .
50. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen eine Vorrichtung zum Generieren von Hochspannungsimpulsen enthält oder daraus besteht.
51. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Vorrichtung zum Generieren von Hochspannungsimpulsen stufenförmige Hochspannungsimpulse generierbar sind.
52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Generieren von Hochspannungsimpulsen mindestens zwei Elektroden (20c und 20d) enthält oder daraus besteht.
53. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (20c und 20d) mit Gold beschichtet ist und/oder gerade oder trich- terförmig oder tunnelförmig oder zickzackförmig ausgebildet ist.
54. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen magnetisierte oder magnetisierbare Parti- kel (21a) enthält oder daraus besteht, wobei die Partikel (21a) mit der Substanz beschichtet sind und/oder diese enthalten.
55. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (21a) Größen im Bereich von über 1 nm und/oder unter 104 nm, insbesondere von über 3 nm und/oder unter 1000 nm aufweisen.
56. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 54 oder 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (21a) Fe203 und/oder Fe304 und/oder paramagnetische Substanzen enthalten oder daraus bestehen.
57. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 54 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen mindestens ein Reservoir für die Partikel (21a) und/oder mindestens eine Kapillare (12) an oder in der mindestens eine Schleusenvorrichtung (21b) zur Steuerung der Anzahl der durchgelassenen Partikel angebracht oder integriert ist und/oder mindestens eine Vorrichtung (21c) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes enthält oder daraus besteht .
58. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (21c) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes mindestens eine Mikrospule enthält oder daraus besteht.
59. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 57 oder 58, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Felds ein magnetische Feld mit einem statischen und/oder einem zeitlich veränderlichen Feldanteil erzeugbar ist.
60. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen Liposome (22a) enthält oder daraus besteht .
61. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Liposome (22a) magnetische Partikel (22b) enthalten.
62. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen mindestens eine Vorrichtung enthält zur Modifikation der Substanz derart, dass diese durch Immunzellen nicht veränderbar ist.
63. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen Viren (23a) enthält oder daraus besteht.
64. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Viren (23a) modifizierte HIV-Viren sind.
65. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6a) zum Einbringen von mindestens einer Substanz in die Zellen und/oder zum Anordnen von mindestens einer Substanz an den Zellen mindestens eine Nadel (24) und/oder min- destens eine Kohlenstofffaser enthält oder daraus besteht.
66. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6b) zur Bestimmung der Konzentration der mindestens einen Substanz in den bzw. an den Zellen eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stärke eines Magnetfelds und/oder eine Vor- richtung zum Nachweis von Fluoreszenzlicht und/oder eine Vorrichtung zum Nachweis von Bio- markern enthält oder daraus besteht .
67. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der Stärke eines Magnetfelds mindestens einen Hallsensor und/oder mindestens einen magnetoresisitiven Sensor und/oder mindestens eine Mikrospule enthält oder daraus besteht .
68. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (10) zum Einbringen der Zelle in den menschlichen oder tie- rischen Blutkreislauf mindestens eine Mikropumpe enthält oder daraus besteht .
69. Zeilmodifikationsverfahren zur Modifikation von menschlichen oder tierischen Zellen außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in einem ersten Schritt isoliert werden und dass daraufhin mindestens eine Substanz in die Zellen eingebracht und/oder an den Zellen angeordnet wird.
70. Zeilmodifikationsverfahren zur Modifikation von menschlichen oder tierischen Zellen innerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in einem ersten Schritt isoliert werden und dass daraufhin mindestens eine Substanz in die Zellen eingebracht und/oder an den Zellen angeordnet wird.
71. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 68 verwendet wird.
72. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen nach dem Isolieren und vor dem Einbringen und/oder Anordnen der Substanz festgehalten werden und/oder dass nach dem Einbrin- gen und/oder Anordnen der Substanz die Konzentration der mindestens einen Substanz in und/oder an den Zellen gemessen wird und/oder dass die Anzahl der modifizierten Zellen bestimmt wird.
73. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bestimmen der Konzentration der mindestens einen Substanz in und/oder an den Zellen und/oder der Anzahl der modifizierten Zellen die mindestens eine Substanz nachbehandelt wird und ein Waschreagenz eingebracht wird.
74. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 73, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Zellen bestimmt wird und die Zellen mit Hilfe der bestimmten Leitfähigkeit isoliert werden.
75. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 74, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbrechung durch die Zellen bestimmt wird und die Zellen mit Hilfe der bestimmten Lichtbrechung isoliert werden.
76. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 75, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit der Zellen in einem magnetischen und/oder elektrischen Feld bestimmt wird und die Zellen mit Hilfe der bestimmten Laufzeiten isoliert werden.
77. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 76, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen durch mindestens eine Filtermembran mindestens einmal filtriert werden und mit Hilfe dieses oder dieser Filtervorgänge isoliert werden.
78. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in ein erstes Lösungsmittel (16d) eingebracht und an eine Seite mindestens einer der Filtermembranen (16c) gebracht werden, wobei die Zellen und alle zusätzlich zu den Zellen in das Lösungsmittel (16d) eingebrachten zellulären Bestandteile im ersten Lösungsmittel lösbar sind, und dass an die andere Seite der Filtermembran (16c) ein zweites Lösungsmittel (16b) gebracht wird, wobei im zweiten Lösungsmittel (16b) von den in das erste Lösungsmittel (16d) eingebrachten Bestandteilen lediglich die zu isolierenden Zellen lösbar sind.
79. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 78 und nach Anspruch 72 , dadurch gekennzeichnet, dass an die Zellen ein elektrisches Wechselfeld angelegt wird und dass die Zellen mit Hilfe dieses Wechselfeldes festgehalten werden.
80. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 79 und nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet, dass eine aufpumpbare Hülle (18a) durch Einleiten eines Gases und/oder einer Flüssigkeit befüllt wird und dass die Zellen mit Hilfe diese aufpumpbaren Hülle (18a) festgehalten werden.
81. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 80, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mindestens einer der Substanzen so modifiziert wird, dass sie für die Zellen nicht mehr erkennbar ist.
82. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 81, dadurch gekennzeichnet, dass kleine reversible Poren (20a) in der Hülle der Zellen eröffnet werden, zur Einbringung der min- destens einen Substanz in die Zelle und/oder zu ihrer Anordnung an der Zelle.
83. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 82, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen durch Partikelbe- schuss in die Zelle eingebracht und/oder an ihr angeordnet wird.
84. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 83, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine der Substanzen auf magnetisierte oder magnetisierbare Partikel (21a) aufgebracht wird, dass die Partikel (21a) gegebenenfalls magnetisiert werden und dass die Partikel (21a) mit Hilfe von magnetischen Feldern in die Zellen eingeführt werden.
85. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen mechanisch fixiert werden und dass die Partikel mit Hilfe einer Schleusenvorrichtung (21b) den Zellen zugeführt werden.
86. Verfahren nach einem der Ansprüche 84 oder 85, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration mindestens einer der Substanzen in oder an den Zellen oder die Anzahl der mit der Substanz beladenen Zellen mit Hilfe des durch die Partikel (21a) verursachten Magnet - felds bestimmt wird.
87. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 86, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen in Liposome (22a) eingebracht wird.
88. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in die Liposome (21a) zumindest teilweise magnetische Partikel (22b) eingebracht werden.
89. Verfahren nach einem der Ansprüche 84 bis 86 oder 88, dadurch gekennzeichnet, dass ein statisches oder zeitlich veränderliches Magnetfeld verwendet wird zur Beeinflussung des Aufenthaltsortes der Zellen.
90. Verfahren nach einem der Ansprüche 84 bis 86 oder 88, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen mit Hilfe des Magnetfeldes der Partikel (21a oder 22b) lokalisiert werden.
91. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 90, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen in eine Form gebracht wird, die sie für die Zellen unverdaulich macht .
92. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 91, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen mit Hilfe von Viren (23a) in die Zellen eingebracht und/oder an die Zellen angeordnet wird.
93. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 92, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine DNS in die Zellen eingebracht wird, zur Produktion mindestens einer der Substanzen in den Zellen.
94. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 93, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Substanzen in die Zellen injiziert wird.
95. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 94, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Substanzen mindestens eine fluoreszierende Substanz zugeführt wird und dass das Fluoreszenzlicht gemessen wird, zur Bestim- mung der Konzentration der mindestens einen Substanz in und/oder an den Zellen.
96. Verfahren nach einem der Ansprüche 69 bis 95, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Substanzen mindestens ein Biomarker zugeführt wird, zur Bestimmung der Konzentration der mindestens einen Substanz in und/oder an den Zellen.
97. Verwendung eines Verfahrens nach einem der An- Sprüche 69 bis 96 und einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Reservoire (8) wiederbefüllt werden, insbesondere durch einen minimalinvasiven Eingriff.
98. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Reservoire (8) mit mindestens einer Nadel wiederbefüllt werden.
99. Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Ver- fahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Modifikation von menschlichen oder tierischen Zellen außerhalb des menschlichen und tierischen Körpers.
100. Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Ver- fahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Modifikation von menschlichen oder tierischen Zellen innerhalb des menschlichen und tierischen Körpers.
101. Verwendung nach den zwei vorhergehenden Ansprüchen zur Modifikation von Immunzellen oder zellulären Bestandteilen des Bluts.
102. Verwendung nach einem der Ansprüche 99 bis 101 zum Zwecke der Therapie des menschlichen oder tierischen Körpers.
103. Verwendung nach einem der Ansprüche 99 bis 102 zur Therapie von Krebserkrankungen, insbesondere Tumorerkrankungen, oder Erkrankungen des Ge- hirns .
104. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch zur Therapie von Krebserkrankungen der Leber.
105. Verwendung nach einem der Ansprüche 99 bis 102 zur Behandlung von Infektions- und Entzündungs- erkrankungen, Arteriosklerosis, Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose und sonstigen Erkrankungen bei denen Zellen gezielt Krankheitsherde ansteuern.
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