ES2299190T3 - Dispositivo de suministro de particulas accionado por gas. - Google Patents

Dispositivo de suministro de particulas accionado por gas. Download PDF

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Dennis E. Mccabe
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Abstract

Un dispositivo (10) adaptado para suministrar partículas a una célula o un tejido diana, comprendiendo dicho dispositivo: un cuerpo (33) que tiene formada en el mismo una cámara de aceleración alargada, teniendo dicha cámara una entrada y una salida; una fuente de gas comprimido (12) acoplada al cuerpo para el suministro de un flujo de gas a la entrada de la cámara de aceleración; y medios para aislar una carga de gas comprimido en el instrumento para cada operación de suministro de partículas, de tal forma que se evita que ese volumen adicional de gas comprimido de dicha fuente de gas comprimido (12) fluya a través del instrumento durante el suministro de partículas.

Description

Dispositivo de suministro de partículas accionado por gas.
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de suministrar material la interior de células, más particularmente a instrumentos para suministrar material al interior de células usando técnicas de suministro mediado por partículas.
Antecedentes de la invención
El suministro mediado por partículas de materiales, particularmente de moléculas de ácido nucleico al interior de células y tejidos vivos ha surgido como una herramienta importante de biotecnología de plantas y animales. La expresión transitoria y a largo plazo de material genético suministrado mediante técnicas medidas por partículas al interior de células diana se ha demostrado en una amplia diversidad de microorganismos, plantas y animales. La integración exitosa de ADN en células germinales también se ha demostrado usando estas técnicas, y se han usado instrumentos de suministro génico mediado por partículas para suministrar otros materiales al interior de células, incluyendo compuestos farmacéuticos y biofarmacéuticos tales como proteínas, péptidos y hormonas.
Ya que los fundamento de la tecnología del suministro mediado por partículas se han desarrollado, la atención se ha desviado de forma creciente hacia el desarrollo de dispositivos que ofrezcan al operario la posibilidad de realizar el suministro génico medido por partículas de una manera rápida y cómoda. También es deseable que el funcionamiento del dispositivo de suministro sea eficaz y altamente reproducible.
Un dispositivo particular que usa gas comprimido para acelerar partículas vehículo que llevan materiales biológicos al interior de tejido diana se describe en la Publicación Internacional Nº WO 95/19799.
La distribución o dispersión de partículas vehículo suministradas mediante un dispositivo de suministro mediado por partículas, tal como el dispositivo del documento WO 95/19799, puede ser crítica en algunas aplicaciones, particularmente cuando el material biológico se está suministrando, por ejemplo, material genético. En aplicaciones en las que se desean sucesos de transformación de línea germinal, la necesidad de controlar el patrón de suministro de partículas vehículo es sustancialmente más intensa que en otras aplicaciones, tal como cuando solamente se necesita la expresión transitoria de material genético introducido. Cuando se desea un suceso de transformación de línea germinal infrecuente, generalmente es necesario acelerar de manera uniforme las partículas hacia una gran área diana para aumentar la probabilidad de que se transformen una o más células diana.
En consecuencia, incluso aunque el dispositivo del documento WO 95/19799 y otros instrumentos relacionados se han adecuado para sus propósitos de destino, sigue habiendo una necesidad de proporcionar una acrecentar la uniformidad y distribución de partículas suministradas por tales dispositivos.
Sumario de la invención
La invención se refiere a un dispositivo de suministro de partículas accionado por gas que tiene elementos que modifican el flujo de gas a través del dispositivo, como se define en las reivindicaciones adjuntas. El dispositivo de la invención comprende medios para aislar una carga de gas comprimido en el instrumento para cada operación de suministro de partículas. En una realización de la invención se proporciona un dispositivo de suministro de partículas que comprende un cuerpo que tiene un paso de aceleración formado en el mismo. Se dispone un elemento de flujo rotacional en el paso de aceleración y sirve para impartir un movimiento rotatorio a un flujo de gas que pasa a través del mismo antes o después de la entrada de ese flujo de gas en una cámara de aceleración que forma una parte aguas abajo del paso de aceleración.
En diversos aspectos de la invención, el elemento de flujo rotacional se usa para impartir un movimiento rotacional en el flujo de gas antes de, durante y/o después de que el flujo de gas se haya puesto en contacto con partículas que se tienen que suministrar por el dispositivo. El elemento de flujo rotacional puede ser cualquier elemento o estructura dispuesto en un paso de aceleración, elemento o estructura que es capaz de impartir movimiento rotacional a un flujo de gas que pasa a través del mismo. Un elemento de flujo rotacional particular comprende un tapón o tabique que está dispuesto en el interior del paso de aceleración en una posición aguas arriba de una fuente de partículas. Otro elemento de flujo rotacional comprende una estructura, tal como una pluralidad de delgadas aspas similares a una hélice, dispuestas en el interior del paso de aceleración en una posición aguas debajo de una fuente de
partículas.
En otra realización se proporciona un dispositivo de suministro de partículas que comprende un cuerpo con una cámara de aceleración alargada formada en el mismo. El dispositivo incluye una cámara de mezcla que se comunica con la entrada de la cámara de aceleración, y una cámara de gas aguas arriba que se comunica con la cámara de mezcla. Se dispone un elemento de flujo rotacional en el interior de la cámara de gas aguas arriba, e imparte un movimiento rotatorio a un flujo de gas que pasa desde la cámara de gas aguas arriba a la cámara de mezcla para formar un remolino en el interior de la cámara de mezcla.
En una realización adicional más se proporciona un dispositivo de suministro de partículas que comprende un cuerpo con una cámara de aceleración alargada formada en el mismo. El dispositivo incluye una fuente de partículas que está dispuesta adyacente a una entrada para la cámara de aceleración. Se dispone un elemento de flujo turbulento aguas arriba de la cámara de aceleración y la fuente de partículas, por lo que tal elemento se usa para crear turbulencia en un flujo de gas que pasa a través de las mismas antes de contacto con la fuente de partículas. En un aspecto particular de la invención, el elemento de flujo turbulento comprende un conducto de gas dispuesto por encima de la fuente de partículas, en el que el conducto de gas tiene una parte escalonada de diámetro aumentado.
En otra realización de la invención se proporciona un dispositivo de suministro de partículas que comprende un elemento de constricción de flujo que restringe el flujo de gas comprimido al interior del dispositivo.
Estos y otros objetos, características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente memoria descriptiva, leída a la vista de los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una ilustración que representa el funcionamiento general de un dispositivo de suministro de partículas accionado por gas.
Las Figuras 2A-2C son ilustraciones esquemáticas del efecto de variaciones en la geometría de la boquilla de salida en el dispositivo de la Fig. 1.
La Figura 3 es una representación ilustrada de un dispositivo de suministro de partículas que realiza la presente invención.
La Figura 4 es una vista recortada de una parte del instrumento de la Figura 3 que muestra un elemento de flujo rotacional dispuesto en una parte del dispositivo.
La Figura 5 es una vista en planta lateral de un elemento de flujo rotacional de acuerdo con la presente invención.
La Figura 6 es una vista despiezada recortada de una parte de un dispositivo de suministro de partículas que comprende un elemento de flujo rotacional.
La Figura 7 es una vista no despiezada de la Figura 6.
La Figura 8 es una vista en planta de la cara aguas arriba del elemento de flujo rotacional del dispositivo de la Figura 6.
La Figura 9 es una vista en planta lateral del elemento de flujo rotacional del dispositivo de la Figura 6.
La Figura 10 es una vista recortada de un elemento de flujo turbulento de acuerdo con la presente invención.
La Figura 11 es una vista en planta de un elemento de constricción de flujo de acuerdo con la presente invención.
La Figura 12 es una representación gráfica del estudio de suministro de partículas descrito en el Ejemplo 1.
Descripción detallada de la realización preferida
Antes de describir la presente invención de forma detallada se debe entender que esta invención no está limitada a dispositivos de suministro de partículas particulares o a partículas vehículo particulares ya que tales pueden, por supuesto, variar. También se entiende que diferentes realizaciones de los módulos de suministro de muestra descritos y dispositivos relacionados se pueden adaptar a las necesidades específicas de la técnica. También se debe entender que la terminología usada en este documento es con el propósito de describir realizaciones particulares de la invención, y no pretende ser limitante.
Se debe señalar que, como se usa en esta memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el", "la" incluyen referentes plurales a menos que el contenido lo indique claramente de otro modo. Por tanto, por ejemplo, la referencia a "una partícula" incluye la referencia a mezclas de dos o más partículas, la referencia a "un agente terapéutico" incluye uno o más de tales agentes, y similares.
A. Definiciones
A menos que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y científicos usados en este documento tienen el mismo significado que un especialista en la técnica a la que pertenece la invención entiende habitualmente. Se pretende definir los siguientes términos como se indica a continuación.
Como se usa en este documento, la expresión "agente terapéutico" está destinada a cualquier compuesto o composición en cuestión que, cuando se administra a un organismo (humano o animal) induce un efecto deseado farmacológico, inmunogénico y/o fisiológico por acción local, regional y/o sistémica. Por lo tanto, la expresión incluye los compuestos o agentes químicos que se han considerado tradicionalmente fármacos, vacunas y compuestos biofarmacéuticos incluyendo moléculas tales como proteínas, péptidos, hormonas, ácidos nucleicos, construcciones génicas y similares.
Más particularmente, la expresión "agente terapéutico" incluye compuestos o composiciones para usar en todas las principales áreas terapéuticas, incluyendo, pero sin limitación, antiinfecciosos tales como antibióticos y agentes antivirales; analgésicos y combinaciones analgésicas; anestésicos locales y generales; anoréxicos, antiartríticos; agentes antiasmáticos; anticonvulsivantes, antidepresivos; antihistamínicos; agentes anti-inflamatorios; antieméticos; antineoplásicos; antipruríticos; antipsicóticos; antipiréticos; antiespasmódicos; preparaciones cardiovasculares (incluyendo bloqueantes de canal de calcio, beta-bloqueantes, beta-agonistas y antiarrítmicos); antihipertensivos; diuréticos; vasodilatadores; estimulantes del sistema nerviosos central; preparaciones para la tos y el resfriado; descongestivos; agentes diagnósticos; hormonas; estimulantes del crecimiento óseo e inhibidores de la resorción ósea; inmunosupresores; relajantes musculares; psicoestimulantes; sedantes; tranquilizantes; proteínas, péptidos y fragmentos de los mismos (de origen natural, sintetizados químicamente o producidos recombinantemente); y moléculas de ácido nucleico (formas poliméricas de dos o más nucleótidos, ribonucleótidos (ARN) o desoxirribonucleótidos (ADN) incluyendo moléculas bi- y monocatenarias, construcciones génicas, vectores de expresión, moléculas antisentido y similares).
Las partículas de un agente terapéutico, solas o en combinación con otros fármacos o agentes, se preparan típicamente como composiciones farmacéuticas que pueden contener uno o más materiales añadidos tales como vehículos y/o excipientes. Los "vehículos" y "excipientes" generalmente se refieren a materiales sustancialmente inertes que son no tóxicos y no interaccionan con otros componentes de la composición de una manera perjudicial. Estos materiales se pueden usar para aumentar la cantidad de sólidos en composiciones farmacéuticas granuladas. Los ejemplos de vehículos adecuados incluyen agua, silicona, gelatina, ceras y materiales similares. Los ejemplos de "excipientes" empleados de forma normal incluyen calidades farmacéuticas de dextrosa, sacarosa, lactosa, trehalosa, manitol, sorbitol, inositol, dextrano, almidón, celulosa, fosfatos sódicos o cálcicos, sulfato cálcico, ácido cítrico, ácido tartárico, glicina, polietilenglicoles de alto peso molecular (PEG) y combinaciones de los mismos. Además puede ser deseable incluir un lípido cargado y/o detergente en las composiciones farmacéuticas. Tales materiales se pueden usar como estabilizantes, anti-oxidantes o usar para disminuir la posibilidad de irritación local en el sitio de administración. Los lípidos cargados adecuados incluyen, sin limitación, fosfatidilcolinas (lecitina) y similares. Los detergentes típicamente serán un tensioactivo no iónico, aniónico, catiónico o anfotérico. Los ejemplos de tensioactivos adecuados incluyen, por ejemplo, tensioactivos Tergitol® y Triton® (Union Caribe Chemicals and Plastics, Danbury, CT), polioxietilensorbitanos, por ejemplo, tensioactivos TWEEN® (Atlas Chemical Industries, Wilmington, DE), éteres de polioxietileno, por ejemplo, Brij, ésteres de ácidos grasos farmacéuticamente aceptables, lauril sulfato y sales del mismo (SDS) y materiales similares.
Cuando se pretende un suministro intracelular directo, los agentes terapéuticos (o preparaciones farmacéuticas derivadas de los mismos) se pueden aplicar como recubrimiento sobre micropartículas vehículo usando una diversidad de técnicas conocidas en la técnica. Se prefieren materiales densos para proporcionar micropartículas que se pueden acelerar de forma sencilla hacia una diana en una distancia corta, donde las micropartículas todavía son de tamaño suficientemente pequeño con respecto a las células a las que se tienen que suministrar. Se ha observado que las micropartículas que tienen un diámetro medio de unos pocos micrómetros pueden penetrar de forma sencilla en células vivas sin dañar excesivamente tales células.
En particular, se pueden usar micropartículas de tungsteno, oro, platino e iridio como vehículos para agentes terapéuticos. Se prefieren tungsteno y oro. Las micropartículas de tungsteno están disponibles de forma sencilla con tamaños medios de 0,5 a 2,0 \mum de diámetro, y por tanto, son adecuadas para suministro intracelular. A pesar de que tales partículas tienen densidad óptima para usar en métodos de suministro de partículas, y permiten un recubrimiento altamente eficaz con ácidos nucleicos, el tungsteno puede ser potencialmente tóxico para determinados tipos de células. Por tanto, el oro es un material preferido para usar como micropartículas vehículo, ya que el oro tiene una elevada densidad, es relativamente inerte a materiales biológicos y resiste la oxidación, y está fácilmente disponible en la forma de esferas que tienen un diámetro medio de aproximadamente 0,2 a 3 \mum. Se han usado de forma exitosa micropartículas de oro esféricas, o perlas, en un intervalo de tamaño de 1-3 \mum en tecnologías de suministro de partículas, así como oro proporcionado en la forma de un polvo microcristalino que tiene un intervalo de tamaño medido de aproximadamente 0,2 a 3 \mum.
B. Métodos Generales
En una realización, la invención se refiere a un componente o elemento topográfico para usar en un dispositivo de suministro de partículas, componente o elemento que prevé un perfil de flujo de gas alterado en el interior del dispositivo. El flujo de gas alterado, a su vez, prevé una mejora espectacular en la distribución de partículas en las direcciones laterales al eje principal del flujo de gas. En otra realización, se usa un componente o elemento topográfico en un dispositivo de suministro de partículas para proporcionar un flujo de gas turbulento en el interior del dispositivo. El flujo turbulento permite un suministro más completo de una carga útil de partículas por el dispositivo. En una realización adicional más, la invención se refiere a un medio para limitar la cantidad de gas usada para suministrar partículas por un dispositivo de suministro de partículas accionado por gas, donde tal limitación sirve para disminuir significativamente el disparo audible asociado a una operación de suministro de partículas sin una disminución concomitante de la eficacia del suministro de partículas por el dispositivo.
En la técnica se conocen diversos dispositivos de suministro de partículas para suministrar un agente terapéutico particulado o micropartículas recubiertas con un agente terapéutico, y todos son adecuados para usar junto con la presente invención. Tales dispositivos usan generalmente una descarga gaseosa para impulsar partículas hacia células diana. Las partículas se pueden unir opcionalmente de forma desmontable a una hoja vehículo móvil o unirse de forma desmontable a una superficie a lo largo de la cual pasa una corriente de gas, elevando las partículas de la superficie y acelerando las mismas hacia la diana. Se describen ejemplos de dispositivos de descarga gaseosa en la Patente de Estados Unidos Nº 5.204.253 y en la Publicación Internacional Nº WO 95/19799.
Aunque la presente invención es adecuada para usar con cualquier dispositivo de suministro de partículas, la invención se ejemplifica en este documento con referencia al dispositivo descrito en la Publicación Internacional Nº WO 95/179799. Sin embargo, se debe entender que también se pueden usar varios métodos y dispositivos similares o equivalentes a los descritos en este documento en la práctica de la presente invención.
Con referencia ahora a los dibujos, las Figuras 1 y 2 proporcionan una ilustración del método general de funcionamiento de un dispositivo de suministro de partículas tal como el descrito en la Publicación Internacional Nº WO 95/19799. Los componentes del dispositivo se muestran en una vista ligeramente despiezada en algunos sitios con propósitos de claridad. Esta ilustración particular pretende ilustrar el principio de funcionamiento básico de un aparato de suministro de partículas, más que ilustrar detalles de construcción.
Con referencia ahora al dispositivo de la Figura 1, se localiza un cartucho de partículas 14 en el interior del instrumento de suministro de partículas. El cartucho de partículas 14 es una estructura alargada cóncava o tubular que tiene un paso hueco cóncavo que pasa a través de su centro. Una pluralidad de partículas 16 se dispone en el interior del cartucho. Las partículas, como se ha analizado anteriormente en este documento, pueden ser cualquier agente terapéutico particulado o, preferiblemente, pueden comprender micropartículas vehiculo pequeñas, densas que están recubiertas con un agente terapéutico, por ejemplo, ADN o ARN, que se pretende suministrar al interior de tejido o célula diana. Tales micropartículas se pueden recubrir alternativamente con otros tipos de materiales biológicos tales como péptidos, citoquinas, hormonas o proteínas.
Un accionador (18), por ejemplo, una válvula de gas, compuerta o membrana rompible se localiza aguas arriba del cartucho de partículas y está en comunicación fluida con el interior del cartucho (14) por un conducto apropiado (17). El accionador se conecta por tuberías apropiadas generalmente indicadas con (13) con una fuente de gas comprimido (12). La fuente de gas comprimido (12) puede ser un tanque de gas comprimido comercial convencional, que contiene preferiblemente un gas comprimido inerte tal como helio. Generalmente es deseable un depósito de gas comprimido entre la fuente de gas (12) y el accionador (18), sin embargo, la tubería (13) puede funcionar como tal depósito.
Adyacente al cartucho de partículas (14) hay un orificio (20) que proporciona comunicación fluida con el interior de una cámara de aceleración (22) que se comunica, a su vez, con una boquilla de salida cónica (24). La diana, por ejemplo, un paciente, una superficie tisular o una célula se denomina (19) en la Figura.
Durante el funcionamiento general, el accionador (18) se usa para liberar un pulso de gas comprimido a través del dispositivo. Un paso de aceleración de partículas, dispuesto entre el accionador (18) y la boquilla de salida (24), proporciona un camino a través del cual el gas liberado crea una corriente de gas que viaja a velocidad significativa. La corriente de gas se acelera a través del paso de aceleración de partículas, y cuando pasa a través del interior del cartucho de partículas (14) disgrega las partículas (16). La corriente de gas en aceleración, que contiene las partículas disgregadas, contiene igual a lo largo del paso de aceleración a través de la cámara de aceleración (22) y al interior de la boquilla de salida (24).
Una característica particularmente importante del dispositivo de la Figura 1 es la geometría de la boquilla de salida (24). Con referencia ahora a la Figura 2, se ilustran esquemáticamente tres posibles geometrías diferentes de la boquilla de salida (24) como Versiones A, B, y C. También se ilustra el efecto de estas diferentes geometrías de boquilla de salida en el patrón de suministro de las partículas (16). En la Versión A, la boquilla de salida (24) no se abre significativamente hacia el extremo aguas debajo de la misma. Por tanto, la corriente de gas de salida pasa sustancialmente de forma lineal desde la boquilla de salida (24) y avanza directamente hacia la diana. Como un resultado, las partículas vehículo continúan en un camino relativamente lineal y proporcionan un patrón de suministro focalizado que impacta en un área (25) relativamente estrecha de la diana. Aunque las partículas (16) divergen en cierta medida de su camino lineal, la divergencia es bastante pequeña e insignificante.
En la Versión B de la Figura 2, la boquilla de salida (24) tiene un ángulo extremadamente amplio de punta cónica hacia el extremo aguas abajo de la misma. En esta configuración, la corriente de gas sale del instrumento bastante linealmente, y las partículas 16 no se dispersan ampliamente. De nuevo, las partículas impactan en una parte (25) relativamente compacta de la diana.
Sin embargo, se obtiene un patrón de suministro sustancialmente diferente cuando el ángulo de la punta de la boquilla de salida cónica es menor que un ángulo crítico. Este fenómeno se ilustra como Versión C en la Figura 2. En particular, cuando la corriente de gas acelerada pasa al interior de la boquilla de salida, crea, por una acción de remolino, un vacío entre la vía de paso de la corriente de gas y los laterales de la boquilla de salida (24). Este vacío provoca que la corriente de gas se presione hacia el exterior en todas las direcciones perpendicular a la dirección de desplazamiento de la corriente de gas. De este modo, la corriente de gas y las partículas atrapadas en la corriente de gas se dispersan en una dirección lateral al eje principal de la boquilla de salida (es decir, en la dirección de desplazamiento de las partículas). Por tanto, como se puede observar en la Versión C de la Figura 2, la corriente de gas que pasa al exterior del instrumento se distribuye lateralmente sobre un área más amplia, distribuyendo de ese modo las partículas 16 sobre un área más amplia y proporcionando un perfil de suministro mejorado sobre el área de superficie (25) de la diana. Esto evita la sobredosificación de cualquier área pequeña de la diana con partículas suministradas.
El ángulo exacto de la punta de la boquilla de salida cónica (24) puede variar para adaptarse al uso de diferentes presiones de gas y tamaños relativos de la cámara de aceleración (22). En un instrumento que usa un tanque de helio comercial como la fuente de fuerza motriz, en el que la cámara de aceleración (22) en un diámetro de aproximadamente 1,6 mm (1/16 pulgadas) una boquilla de salida que se ensancha desde 1,6 mm (1/16 pulgadas) a 1,7 cm (2/3 de una pulgada) a lo largo de un tramo de 8,4 cm (3,3 pulgadas) proporcionará un patrón de distribución de partículas satisfactorio que cubre una superficie diana que tiene un diámetro de aproximadamente 1,6 mm (1/16 pulgadas) a aproximadamente 1,7 cm (2/3 de una pulgada). Esto representa un aumento de más de 100 veces en el patrón de distribución de partículas, con una disminución concomitante en la densidad de distribución de partículas de 100 veces.
En resumen, después, la boquilla de salida cónica (24) del dispositivo del documento WO 95/19799 se puede configurar de forma significativamente más larga a lo largo de su eje principal que su anchura en su extremo aguas arriba o aguas abajo para obtener una distribución global de partículas más amplia. Además, variando la presión del gas, se puede ajustar la fuerza con la que las partículas impactan en la diana (19). Sin embargo, a un mínimo, la presión de gas proporcionada por la fuente de fuerza motriz tiene que ser suficiente para disgregar las partículas (16) del cartucho (14). Al mismo tiempo, la presión de gas no debe ser tan grande como para dañar la diana (19). Cuando se suministran micropartículas vehículo recubiertas al interior de piel animal intacta usando tales dispositivos, se ha observado que una corriente de gas descargada no dañará la superficie cutánea objetivo. A presiones de gas mayores, puede suceder cierto enrojecimiento menor de la piel, generalmente a niveles tolerables. Se ha observado que una presión de gas regulada, tal como la disponible a partir de tanques de helio comprimido disponibles en el mercado, es satisfactoria para desprender las partículas (16) del cartucho (14), y suministrar las mismas a células epidérmicas de un animal diana sin daño adverso de la piel o las células diana. Presiones menores o presiones mayores pueden trabajar en aplicaciones particulares dependiendo de la densidad de las partículas, la naturaleza de la superficie diana y la profundidad deseada de la penetración de partículas.
Aunque el uso de las geometrías de boquilla de salida que se han descrito anteriormente y los parámetros de funcionamiento proporcionan una distribución significativa de partículas suministradas sobre una superficie diana, el patrón de distribución no es tan uniforme como se desea. En particular, incluso aunque la distribución de partículas proporcionada por el dispositivo del documento WO 95/19799 es mejor que la conseguida por cualquier otro dispositivo accionado por gas comprimido, el patrón todavía se caracteriza por una concentración de partículas que han impactado en el centro del área diana con una distribución de partículas que disminuye lateralmente que se extiende desde esta área centralizada. En consecuencia, es un objeto específico de la invención proporcionar un elemento que sirva para aumentar la uniformidad de la distribución de partículas que se pueda obtener a partir de los dispositivos de suministro de partículas.
En una realización particular de la invención se proporciona un elemento de flujo rotacional que se puede colocar en un dispositivo de suministro de partículas en el interior de un paso de aceleración, por ejemplo, en una localización aguas arriba de una fuente de partículas (por ejemplo, en el interior del conducto de fluido (17) del dispositivo del documento WO 95/19799), o en una localización aguas abajo de una fuente de partículas (por ejemplo, en el interior de la cámara de aceleración 22 del dispositivo del documento WO 95/19799). El elemento, por tanto, puede servir para recanalizar todo o una parte del flujo de gas, antes o después de su puesta en contacto con las partículas, impartiendo de este modo un movimiento rotacional al flujo de gas antes de, durante y/o después de que el flujo de gas se haya puesto en contacto con las partículas. El elemento puede ser cualquier elemento o estructura capaz de impartir movimiento rotacional al flujo de gas. En un aspecto de la invención, el elemento comprende una o más aspas dispuestas en o dependientes de la superficie interna de un conducto de gas en un paso de aceleración. En un aspecto de la invención, las aspas se colocan aguas arriba de una fuente de partículas que se tienen que suministrar. En otro aspecto, las aspas se colocan aguas abajo de una fuente de partículas. El aspa o las aspas sirven para recanalizar al menos una parte del flujo de gas, forzándolo a moverse o rotar alrededor de un eje. En otro aspecto más, el elemento comprende un tampón cilíndrico o tabique dispuesto en un conducto de gas que está aguas arriba de la fuente de partículas. El tapón o tabique contiene uno o más canales angulados que permiten que un flujo de gas en expansión pase a través de los mismos para iniciar un flujo rotacional en la corriente de gas en expansión antes de, durante y/o después de la puesta en contacto con las partículas. Estos canales se pueden formar en el tapón o tabique, disponer alrededor de la periferia del tapón o tabique de tal forma que el conducto de gas proporciona una pared del canal, o se puede emplear cualquier combinación de canales internos y periféricos. En cualquiera de tales configuraciones, el elemento de flujo rotacional sirve para aumentar espectacularmente la distribución lateral de partículas suministradas, asegurando de este modo una distribución de partículas más uniforme sobre el área objetivo.
Sin quedar limitado por ninguna teoría particular, se piensa que impartir una rotación al flujo de gas antes, durante y/o después de su puesta en contacto con las partículas ayuda a un mezclado turbulento de las partículas en el gas que, a su vez, proporciona una mejor distribución de las partículas en la corriente de gas en expansión. Tales dinámicas de flujo rotacional también pueden llevarse a través de la boquilla de salida del dispositivo de suministro de partículas, ayudando a la formación de una dispersión lateralmente uniforme de las partículas suministradas, posiblemente debido a fuerzas centrífugas. Sin tener en cuenta el mecanismo por el que se consigue el resultado, el resultado es bastante claro. Las partículas suministradas se dispersan lateralmente desde el eje principal de la corriente de gas después de su salida del dispositivo de suministro de partículas, proporcionando un aumento medible cualitativamente y cuantitativamente en la uniformidad de distribución de partículas en un área diana. De este modo, por tanto, la presente invención se puede usar en líneas generales en cualquier dispositivo de suministro de partículas accionado con gas para proporcionar uniformidad mejorada en una distribución de partículas.
Con referencia a la Figura 3, un dispositivo de suministro de partículas similar al de la Figura 1 se indica generalmente con (10). El dispositivo (10) comprende un mango (28) a través del cual pasa un conducto de entrada (32). El conducto de entrada (32) termina en un extremo con un acoplador (31) que permite la conexión del dispositivo (10) con una fuente asociada de gas comprimido. Un disparador (30), situado en el mango (28), permite el accionamiento del dispositivo liberando un flujo de gas al dispositivo desde la fuente asociada.
Un conducto de gas aguas arriba (37) conecta el mango (28) con un cuerpo alargado (33), cuerpo que incluye una cámara de cartucho (35) capaz de alojar un cartucho de partículas. En el dispositivo particular de la Figura 3, una sujeción de cartucho (36) montado en el cuerpo (33) aloja varios cartuchos de partículas que están configurados como tubos cilíndricos recubiertos en sus superficies interiores de partículas para el suministro desde el dispositivo. Durante el funcionamiento, los cartuchos de la sujeción de cartucho se llevan individualmente hasta la posición en la cámara del cartucho (35) de forma que están dispuestos en el camino de un flujo de gas que pasa a través de un paso de aceleración que se extiende desde el conducto de gas aguas arriba (37) a través de una cámara de aceleración (44). La cámara de aceleración (44) termina en una boquilla de salida (46). El elemento de flujo rotacional de la presente invención se sitúa preferiblemente en el conducto de gas aguas arriba (37) de tal forma que puede impartir un movimiento rotacional a la corriente de gas que pasa a través del mismo de la puesta en contacto de esta corriente de gas con las partículas en la cámara del cartucho.
Con referencia ahora a las Figuras 4 y 5 se muestra un elemento de flujo rotacional particular que comprende un tabique (50) que tiene una cara aguas arriba (52) y una cara aguas abajo (54). El tabique se configura como un tapón que se puede insertar en el conducto de gas aguas arriba (37) en una localización adyacente a la cámara del cartucho (35). El tabique (50) incluye uno o más canales de gas (56) dispuestos en una serie radial alrededor de su periferia. El tabique puede comprender cualquier material elástico adecuado que se puede procesar por máquina o moldear, por ejemplo, metales, aleaciones metálicas y materiales poliméricos rígidos. Los canales de gas se extienden a lo largo de la longitud del tabique en una dirección que está sustancialmente en la dirección del flujo de gas a través del conducto de gas. Sin embargo, como se puede observar con referencia particular a la Figura 5, cada canal se puede inclinar o angular con un ángulo \theta definido con respeto al eje principal del tabique.
El ángulo \theta particular puede variar en un intervalo de aproximadamente 0-15º y está preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 0-11º. Un ángulo \theta pequeño de aproximadamente 0-5º proporciona una mayor penetración de partículas suministradas por el dispositivo de suministro de partículas. Un ángulo \theta medio de aproximadamente 7-11º proporciona la distribución más amplia de partículas en una dirección lateral a la dirección del flujo de gas a través del dispositivo de suministro de partículas.
El tabique (50) puede comprender roscas externas que cooperan con roscas correspondientes en el conducto de gas (37), o el tabique puede tener una superficie externa sustancialmente lisa, por ejemplo, donde el tabique está ajustado con presión al conducto de gas. Durante el funcionamiento, un flujo de gas liberado en el dispositivo de suministro de partículas pasa al interior del conducto de gas (37) donde se pone en contacto con la cara aguas arriba (52) del tabique (50). Después, se provoca el paso del flujo de gas en expansión a través de los canales de gas (56), que imparten un movimiento rotacional al flujo de gas proporcional al ángulo \theta. Este flujo de gas rotacional, después, viaja al interior de un cartucho de partículas donde recoge las partículas de la superficie interior del cartucho para el suministro a una superficie diana.
Con referencia ahora a las Figuras 6-9, se indica generalmente con (70) un tabique de elemento de flujo rotacional. El tabique (70) se dispone en un dispositivo de suministro de partículas entre una cámara aguas arriba (72) que proporciona la cámara inicial a la que se libera gas comprimido, y una cámara de mezclado aguas abajo (74). El tabique (70) tiene una cara aguas arriba (76), una cara aguas abajo (78) y una superficie externa (80). Un orificio (82) central lineal se extiende entre las caras aguas arriba y aguas abajo (76) y (78), donde el orificio central es coaxial con el eje principal del tabique (70). Un asiento anular (84) en la cara aguas arriba (76) proporciona un ajuste con receso que acepta y retiene un cartucho de partículas cilíndrico (86). El asiento anular (84) rodea y está alineado coaxialmente con el orificio central (82).
El cartucho de partículas (86) tiene una pluralidad de partículas 88 recubiertas en la superficie interna del mismo. Como se puede observar con referencia a las Figuras 6 y 7, el cartucho de partículas (86) se asienta en el asiento anular (84) y se proyecta al interior de la cámara aguas arriba (72). Con referencia ahora a las Figuras 8 y 9, el tabique (70) tiene uno o más canales de gas (90) en la superficie externa (80) del mismo, donde los canales de gas están dispuestos en una serie radial alrededor del orificio central (82). Como se ha descrito anteriormente en este documento, los canales de gas pueden estar inclinados o angulados con respecto al eje principal del tabique (70) para impartir un movimiento rotacional al gas que fluye a través del dispositivo de suministro de partículas. El ángulo relativo del los canales de gas puede variar entre 0-15º dependiendo de la cantidad de movimiento rotacional que se desea para el flujo de gas.
Durante el funcionamiento, un flujo de gas liberado en la cámara aguas arriba (72) viaja hacia la cara aguas arriba (76) del tabique (70) entrando una parte del flujo de gas en el cartucho de partículas (76). El diámetro reducido del orificio central (82) con respecto al diámetro del asiento anular (84), y por tanto, del cartucho de partículas (86), restringe la cantidad de gas que puede fluir a través del cartucho de partículas a un porcentaje fijo del flujo total de gas. La mayor parte del flujo de gas, por tanto, se desplaza alrededor de la superficie externa del tabique (70) y a través de los canales de gas (90). Esto induce la formación de un remolino en un punto central en la cámara de mezcla (74), donde converge el gas que fluye a través de los canales de gas. Un haz axial de partículas (88) que se han disgregado de la superficie interior del cartucho de partículas (86) viaja a través del orificio central (82) del tabique en una dirección sustancialmente lineal, y, por tanto, se suministra al centro del remolino formado en la cámara de mezclado. Cuando el flujo de gas en remolino y el haz de partículas entran en la cámara de aceleración (92), el flujo de gas que está girando se pone en contacto con el haz axial de partículas que después se aceleran y centrifugan para impartir una trayectoria final cuando pasan a través de la boquilla (94), distribuyendo las partículas de forma uniforme sobre un área diana.
De nuevo, el tabique (70) puede comprender cualquier material adecuado que se pueda procesar a máquina o moldeable que pueda resistir la fuerza de un flujo de gas comprimido adecuado para el suministro de partículas a través del dispositivo de suministro de partículas. El tabique (70) puede incluir adicionalmente roscas externas en la superficie externa (80) del mismo para facilitar el acoplamiento a la cámara aguas arriba (72).
Los elementos de flujo rotacional de la presente invención sirven para impartir un componente rotacional al flujo de corriente de gas comprimido que pasa a través del dispositivo de suministro de partículas. Este componente de flujo rotacional provoca algunos resultados sorprendentes en el funcionamiento de dispositivos de suministro de partículas. Un resultado no esperado es que un dispositivo equipado con un elemento de flujo rotacional, denominado en este documento algunas veces un instrumento "giratorio" es más eficaz recogiendo partículas del interior del cartucho de partículas (14). Sin embargo, los elementos de flujo rotacional de la presente invención proporcionan su mayor beneficio potenciando sustancialmente la uniformidad de la distribución de partículas sobre un área diana.
En otra realización de la invención se proporciona un elemento de flujo turbulento que se puede colocar en un dispositivo de suministro de partículas en una localización aguas arriba de una fuente de partículas (por ejemplo, en el conducto de fluido (17) del dispositivo del documento WO 95/19799). El elemento sirve para perturbar todo o una parte del flujo de gas antes de su puesta en contacto con las partículas, mejorando de este modo la fiabilidad de la liberación de partículas de la fuente de partículas. El elemento de flujo turbulento, por tanto, puede ser cualquier elemento o estructura capaz de separar un flujo de gas de tal modo que se imparta una turbulencia del flujo. En un aspecto de la invención, el elemento comprende uno o más elementos topográficos dispuestos en la superficie interna de una cámara de gas aguas arriba. Tales elementos pueden comprender un puente, un hombro, un surco, una ondulación o cualquier combinación de los mismos, características que sirven para separar o perturbar el flujo de gas que pasa a través de una cámara o un conducto. En un aspecto particular de la invención, el elemento de flujo turbulento comprende un pequeño escalón en la superficie interna de una cámara de gas cilíndrica que establece un área de cámara de diámetro ligeramente aumentado unido por áreas de diámetros menores, áreas a través de las que pasa un flujo de gas en expansión antes de ponerse en contacto con una fuente de partículas.
Con referencia ahora a la Figura 10, un elemento de flujo turbulento se indica generalmente con (100). El elemento de flujo (100) está adaptado para la inserción en un dispositivo de suministro de partículas, en el que acepta un flujo de gas liberado a través de una abertura aguas arriba (102) que tiene un primer diámetro (A). Cuando el flujo de gas avanza a través del elemento, entra en una parte escalonada (104) que tiene un diámetro ligeramente mayor (B). La parte escalonada del elemento (100) se extiende a lo largo de una parte sustancial de la longitud global del elemento y está unida en su lado aguas abajo con una abertura aguas abajo (106) que tiene un diámetro (A) igual al de la abertura aguas arriba. La parte escalonada (104) del elemento es suficiente para introducir una turbulencia en el flujo de gas antes de su puesta en contacto con una fuente de partículas dispuesta adyacente a la abertura aguas abajo (106). Esta turbulencia mejora la fiabilidad de una liberación de partículas por la fuente de partículas, mejorando la eficacia del suministro de partículas. En una realización particular, el diámetro A de las aberturas aguas arriba y aguas abajo (102) y (106) es de aproximadamente 6,4 mm (0,250 pulgadas) y el diámetro (B) de la parte escalonada (104) es de aproximadamente 7,1 mm (0,280 pulgadas), proporcionando un escalón de aproximadamente 0,7 mm (0,03 pulgadas).
En una realización adicional más de la invención se proporciona un elemento de constricción del flujo para usar en un dispositivo de suministro de partículas. Con referencia a la Figura 3, el elemento de constricción está configurado para la inserción en el dispositivo de suministro de partículas adyacente al punto de acoplamiento entre el dispositivo y la fuente asociada de gas comprimido. En particular, el elemento de constricción se puede insertar en la unión entre el tubo de entrada (32) y el conector (31). El elemento de constricción comprende generalmente un disco de material flexible o elástico dimensionado para restringir el paso de gas al interior del dispositivo de suministro hasta un orificio pequeño. El orificio puede ser bastante pequeño, por ejemplo, se ha observado que es suficiente un orificio aproximadamente de 200 a 250 \mum. Con referencia ahora a la Figura 11, un elemento de constricción de flujo construido de acuerdo con la presente invención se indica generalmente con (60). El elemento está configurado como un disco que tiene un orificio (62) que pasa a través del mismo.
El propósito de la restricción proporcionada por el orifico (62) es aislar una alícuota de gas comprimido en el instrumento para operación de suministro de partículas. Con referencia particular al dispositivo descrito en la Publicación Internacional Nº WO 95/19799, la fuente de gas comprimido suministra gas comprimido adicional a través del instrumento en todos los momentos, no solamente durante las operaciones de suministro. Como se observa, se suministra más gas al instrumento después del accionamiento del que se requiere realmente para el suministro eficaz de las partículas a una superficie diana. De hecho, el exceso de gas que se desplaza a través del instrumento solamente se añade al impacto del funcionamiento de suministro sobre la diana sin proporcionar un beneficio correspondiente. Proporcionando el elemento de constricción de flujo (60) en el dispositivo, el gas comprimido sale a través del orificio al interior del instrumento de suministro génico entre operaciones de suministro. Cuando se acciona el dispositivo, entonces ya hay presente una carga o alícuota de gas comprimido en el propio instrumento ocupando las diversas cámaras y conductos en el dispositivo. Esta carga de gas comprimido es, como se observa, suficiente para suministrar las partículas desde la fuente de partículas hasta la superficie diana. Cuando la carga de gas comprimido se ha liberado de este modo, la restricción de flujo proporcionada por el elemento de constricción de flujo (60) evita que un volumen adicional de gas comprimido fluya a través del instrumento. Después de la operación de suministro, el gas comprimido cargará de nuevo el instrumento hasta que se haya alcanzado un equilibrio de presión.
En otros aspectos relacionados de la invención, el concepto de proporcionar una única alícuota (carga) de gas en el dispositivo de suministro de partículas para descargar una carga útil de partículas se puede realizar usando otros mecanismos. Por ejemplo, en vez de usar un elemento de constricción de flujo tal como el elemento (60), se puede usar una combinación de válvulas para conseguir el mismo efecto. En una disposición particular se puede proporcionar una válvula de entrada que está cerrada durante el funcionamiento del instrumento, y después se abre cuando el instrumento no está funcionando para cargar el instrumento para el funcionamiento posterior. Por ejemplo, si se usa una válvula eléctrica o accionada por solenoide como la válvula principal del instrumento, se pueden accionar dos válvulas de forma alterna, donde una válvula de entrada está cerrada siempre que la válvula principal está abierta, y la válvula de entrada está abierta siempre que la válvula principal está cerrada.
Los beneficios del elemento de constricción del flujo son muchos. Por ejemplo, el disparo audible creado por el accionamiento del instrumento disminuye espectacularmente. Con 3,45 MPa (500 psi) de gas comprimido, un dispositivo de suministro de partículas típico generará un disparo de aproximadamente 103 dB después de la descarga, mientras que el mismo instrumento que tiene el presente elemento de constricción del flujo genera solamente un disparo de 88 dB después de la descarga. Además, también hay una amortiguación perceptible en la percepción de la descarga de gas en un dispositivo de suministro de partículas cuando se emplea el presente elemento de constricción. Además hay menos daño de tejidos o células diana sensibles cuando se usa el elemento de constricción de flujo.
En este documento se pretende específicamente que las diversas realizaciones de la invención se puedan usar solas o en cualquier combinación. A este respecto, cada realización es capaz de proporcionar independientemente una mejora única y ventajosa en la realización de un dispositivo de suministro de partículas. Sin embargo, es particularmente ventajoso usar un elemento de flujo rotacional y un elemento de constricción de flujo para obtener resultados óptimos.
C. Experimental
A continuación hay ejemplos de realizaciones específicas para realizar la presente invención. Los ejemplos se ofrecen solamente con propósitos ilustrativos y pretenden limitar de ningún modo el alcance de la presente invención.
Se han realizado esfuerzos para asegurar la precisión con respecto a los números usados (por ejemplo, cantidades, temperatura, etc.), pero por supuesto se deja un margen para cierto error experimental y desviación.
Ejemplo 1 Distribución de Suministro de Partículas
Para evaluar el efecto de un elemento de flujo rotacional en la realización de un dispositivo de suministro de partículas se realizo el siguiente estudio. Un dispositivo de suministro de partículas, tal como la "pistola de genes" descrita en la Publicación Internacional Nº WO 95/19799 se usó para suministrar micropartículas de oro a un bloque de Parafilm® cubierto por una película Mylar®. Esta disposición aproxima una superficie diana de tejido cutáneo típica y es lo suficientemente opaca para permitir las evaluaciones visual y/o óptica de la distribución de partículas en un área diana. En el presente estudio se usó un lector óptico Modelo GS300 (Hoefer Scientific) para generar una representación gráfica de la distribución de las micropartículas de oro en una sección transversal a través de la distribución de partículas.
Se realizaron seis suministros diferentes de partículas usando cargas útiles idénticas de partículas que se suministraron por un dispositivo de suministro de partículas ACCELL® (Powder Ject Vaccines, Madison, WI) accionado con helio a 400 psi. Cada suministro se realizó usando un elemento de flujo rotacional que proporcionó un grado diferente de vueltas (0º, 2º, 3,5º, 5º, 7º y 11º).
Los resultados del estudio se presentan en el gráfico de la Figura 12. En el gráfico, el valor de la ordenada representa la densidad de partículas, mientras que el valor de la abscisa representa la distribución de partículas. Como se puede observar en la Figura 12, la curva (A) (obtenida a partir del suministro de partículas usando un elemento de flujo rotacional que proporciona una vuelta de 0º) es alta y estrecha, demostrando que las partículas no se distribuyeron lateralmente y se concentraron en el centro del área diana. Por el contrario, la curva C (obtenida a partir del suministro de partículas usando un elemento de flujo rotacional que proporciona una vuelta de 3,5º) es mucho más amplia con respecto a la curva (A), indicando una mayor dispersión de partículas sobre el área diana. Además, la curva C es menor, indicando que no hay una concentración de partículas particularmente elevada en el centro del área diana. La curva F (obtenida a partir del suministro de partículas usando un elemento de flujo rotacional que proporciona una vuelta de 11º) muestra que este mayor grado de rotación dispersa significativamente las partículas por toda el área diana.
Experimentos posteriores de suministro génico a piel de animales confirman que el elemento de flujo rotacional mejora el funcionamiento de dispositivos de suministro de partículas. El uso del elemento se mostró para proporcionar niveles comparables de expresión de gen indicador en animales de ensayo en comparación con experimentos paralelos usando dispositivos sin los elementos de flujo. Además, se observó que la aparición de eritema en la piel de animales de ensayo disminuyó de forma significativa al usar el elemento de flujo rotacional en los dispositivos de suministro de partículas.
En consecuencia, se han descritos nuevos elementos de modificación del flujo de gas para usar con dispositivos de suministro de partículas. Aunque se han descrito con algún detalle realizaciones preferidas de la invención, se entiende que se pueden hacer variaciones obvias sin apartarse de la función de la invención como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

1. Un dispositivo (10) adaptado para suministrar partículas a una célula o un tejido diana, comprendiendo dicho dispositivo:
un cuerpo (33) que tiene formada en el mismo una cámara de aceleración alargada, teniendo dicha cámara una entrada y una salida;
una fuente de gas comprimido (12) acoplada al cuerpo para el suministro de un flujo de gas a la entrada de la cámara de aceleración; y
medios para aislar una carga de gas comprimido en el instrumento para cada operación de suministro de partículas, de tal forma que se evita que ese volumen adicional de gas comprimido de dicha fuente de gas comprimido (12) fluya a través del instrumento durante el suministro de partículas.
2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho medio para aislar una carga de gas comprimido permite que el gas de dicha fuente (12) recargue el instrumento después de la operación de suministro.
3. El dispositivo de la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho medio para aislar una carga de gas comprimido comprende un elemento de constricción de flujo (60) que limita el flujo de gas de la fuente (12) al cuerpo.
4. El dispositivo de la reivindicación 3, en el que el elemento de constricción de flujo (60) comprende un tapón que tienen un orificio (62) que pasa a través del mismo.
5. El dispositivo de la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho medio para aislar una carga de gas comprimido comprende una combinación de válvulas.
6. El dispositivo de la reivindicación 5, en el que dichas válvulas comprenden una válvula de entrada dispuesta para cerrarse durante el funcionamiento del instrumento, y abrirse después cuando el instrumento no se está accionando para cargar el instrumento para el accionamiento posterior.
7. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, comprendiendo adicionalmente un elemento de flujo rotacional (50) dispuesto aguas arriba de la entrada de la cámara de aceleración, en el que dicho elemento de flujo rotacional imparte un movimiento rotatorio a un flujo de gas que pasa a través del mismo antes de la entrada de dicho flujo de gas en la cámara de aceleración.
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