JP2005319316A - 実験動物の嗅球に埋め込まれる測定電極部 - Google Patents

Abstract

【課題】嗅粘膜を刺激することにより、直接、脳細胞に作用する化合物をスクリーニングする装置及び方法測定電極部、嗅粘膜刺激物並びに治療装置を提供する。
【解決手段】測定電極部１０は、嗅球にて生じる電気信号の測定または電気信号を与えるために使用される。嗅球の神経細胞からの電気信号をそれぞれ検出する複数の微小電極が設けられており、各微小電極が、実験動物の嗅粘膜に対する嗅粘膜刺激化合物の投与によって嗅球に発生する電気信号パターンに基づいて配置されている。実験動物固定器３２に固定されたラットの嗅粘膜に対して、嗅粘膜刺激化合物が、噴霧ノズル３３によって噴霧され、測定電極部によって嗅球にて生じる電気信号が測定される。ラットに誘起される生理的反応との相関関係に基づいて、嗅粘膜刺激化合物の有用性が判定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、環境科学分野、医療科学分野、薬学分野、食品科学分野、神経生理学分野等において、生物に投与される中枢神経薬等の種々の薬物の効力を調べるスクリーニング装置および方法に関し、より具体的には、実験動物の嗅粘膜を刺激することにより、生体の恒常性、自己治癒能力等を高める嗅粘膜刺激化合物をスクリーニングする装置及び方法、そのスクリーニング方法によって 得られる嗅粘膜刺激化合物、さらには、嗅粘膜刺激化合物と同様の効果が得られる治療装置、さらには、スクリーニング装置および治療装置に使用される測定電極部に関する。

近年、環境汚染に伴う環境変化により、生態系が脅かされて、新たな疾病が増加する傾向になっているが、医療技術の発達により、種々の病気が克服され、長寿命の人が増加している。しかしながら、その反面、主として老人に見られるアルツハイマー症候群、パーキンソン病等、脳機能に異常を引き起こす病気の患者数が増加しており、脳機能を改善する薬物のさらなる開発が望まれている。

このような状況のもとで、多くの薬品メーカーおよび化学メーカーは、新規な薬物の開発を行っている。

薬物は、内服、塗布、静脈注射、筋肉注射等により生体に投与されるが、いずれの投与方法であっても、投与された薬物が血流によって体内を循環した後、患部に到達し、患部に到達した薬物が、その患部に直接的に作用する点において共通する。また、将来的に薬物の候補となるリード化合物、その類縁体等も、従来の薬物と同様に、直接、患部に作用する。

内服、静脈注射等によって生体に投与される薬物の場合には、投与される薬物の薬物動態、薬物の吸収率、患部到達効率等をシミュレーションし、それを実証する必要がある。

また、内服により薬物を患者に投与する場合、投与された薬物は、胃または小腸により吸収され、吸収された薬物は、肝臓を経て、血流により体内を循環する。しかし、肝臓に到達した薬物は、そのまま排泄、あるいは、代謝されることにより、ほとんどが体外に除去されるために、投与した薬物の一部しか利用されないような場合も多く発生している。また、胃、小腸、肝臓のいずれか、特に肝臓に損傷のある患者には、投与できる薬物の種類及び量が制限される場合がある。

さらに、脳の中枢系への薬物は、脳に移行するに際して、いわゆる血液脳関門を通過する必要があり、薬物の構造によっては、脳内に移行できない場合がある。しかも、脳内では、性質が異なる神経細胞が複雑に絡み合った状態になっているために、脳内に達した薬物によって不測の副作用が発現するおそれがあり、このような副作用の発現を回避することは非常に困難である。

また、薬物が血流による体内循環を経て患部に到達する場合には、薬物が患部に到達して作用するまでに時間がかかるという問題もある。

患部に薬物を塗布するように、直接、薬物を患部に作用させる方法でも、これらの問題点を回避することは困難である。

一方、生体の嗅粘膜の刺激は、直接、脳細胞に伝達されることが知られているが、生体の嗅粘膜の刺激によって、脳細胞がどのように機能するかは必ずしも明確に解明されていない。

（発明の開示）
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、嗅粘膜を刺激することにより、直接、脳細胞に作用する化合物をスクリーニングする装置及び方法、その装置に使用される測定電極部、その方法によって得られる嗅粘膜刺激物、並びに治療装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１の嗅粘膜刺激性化合物スクリーニング装置は、実験動物の嗅粘膜に向けて嗅粘膜刺激化合物を投与する投与手段と、実験動物の嗅球に埋め込まれて、嗅球にて生じる電気信号を測定する測定電極部と、前記投与手段によって実験動物の嗅粘膜に嗅粘膜刺激化合物が投与された場合における該測定電極部にて測定される電気信号と実験動物に誘起される生理的反応との相関関係を分析する処理手段と、を備えたものである。

請求項２の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置は、請求項１記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置において、前記処理手段は、実験動物から、生理的反応に関するデータを直接得て、前記測定電極部にて測定される電気信号との相関関係を分析するものである。

請求項３の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置は、請求項１記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置において、前記処理手段は、実験動物が生理的反応を誘起させる嗅球における電気信号に関するデータを予め有しており、そのデータに基づいて、前記測定電極部にて測定される電気信号との相関関係を分析するものである。

請求項４の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置において、前記投与手段は、嗅粘膜刺激化合物を収容するボックスと、該ボックス内に収容された嗅粘膜刺激化合物を、実験動物の嗅粘膜に噴霧するノズルとを有するものである。

請求項５の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置において、前記測定電極部は、嗅球の神経細胞からの電気信号を検出する少なくとも１つの微小電極を有するものである。

請求項６の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置は、請求項５記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置において、前記微小電極が複数設けられており、各微小電極は、実験動物の嗅粘膜に対する嗅粘膜刺激化合物の投与によって嗅球に発生する電気信号パターンが多点で得られるように配置されているものである。

請求項７の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置は、請求項５または６記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置において、前記各微小電極には、実験動物が生理的反応を誘起させる電気信号がそれぞれ与えられるものである。

請求項８の嗅粘膜刺激性化合物スクリーニング方法は、実験動物の嗅粘膜に向けて嗅粘膜刺激化合物を投与する工程と、実験動物の嗅粘膜に嗅粘膜刺激化合物が投与された場合に、実験動物の嗅球に生じる電気信号を測定する工程と、測定される電気信号と実験動物に誘起される生理的反応との相関関係について分析する工程と、を包含するものである。

請求項９の嗅粘膜刺激性化合物は、請求項８に記載の嗅粘膜刺激性化合物スクリーニング方法によって、測定電極部にて測定される電気信号と実験動物に誘起される生理的反応との相関関係が認められるものである。

請求項１０の治療装置は、生体の嗅球に埋め込まれる測定電極部と、生体が生理的反応を誘起させる嗅球での刺激パターンを、該測定電極部に対して電気信号パターンとして与える手段と、を具備するものである。

請求項１１の測定電極部は、実験動物の嗅球に埋め込まれて、嗅球にて生じる電気信号の測定または嗅球に電気信号を与えるために使用される測定電極部であって、嗅球の神経細胞からの電気信号をそれぞれ検出する複数の微小電極が設けられており、各微小電極が、実験動物の嗅粘膜に対する嗅粘膜刺激化合物の投与によって嗅球に発生する電気信号パターンに基づいて配置されているものである。

請求項１２の測定電極部は、請求項１１記載の測定電極部において、前記各微小電極が、１μｍ²〜１００００００００μｍ²の面積になっているものである。

請求項１３の測定電極部は、請求項１２記載の測定電極部において、前記微小電極がマトリクス状に配置されているものである。

請求項１４の測定電極部は、請求項１３記載の測定電極部において、隣接する微小電極の間隔が、１０〜１００００μｍになっているものである。

請求項１５の測定電極部は、請求項１１記載の測定電極部において、前記各微小電極は、フィルム状の基板上に配置されているものである。

請求項１６の測定電極部は、請求項１５記載の測定電極部において、前記各微小電極は、それぞれリング状をしており、前記基板に設けられた貫通孔の周縁部にそれぞれ配置されているものである。

請求項１７の測定電極部は、請求項１６記載の測定電極部において、前記基板に形成された貫通孔の内径が１００００μｍ以下であるものである。

請求項１８の測定電極部は、請求項１１に記載の測定電極部において、前記微小電極は、前記基板の表面および裏面の同じ位置に配置されており、前記基板の一方の面に設けられた各微小電極は、実験動物が生理的反応を誘起させる電気信号パターンを検出し、他方は、検出した信号と同じ、または異なる信号を印加するものである。

請求項１９の測定電極部は、請求項１５記載の測定電極部において、前記微小電極が、金、白金、ＩＴＯ、チッ化チタン、銅、銀、タングステンのいずれかによって形成されているものである。

請求項２０の測定電極部は、請求項１５記載の測定電極部において、前記基板が、生体材料によって構成されているものである。

請求項２１の測定電極部は、請求項１５記載の測定電極部において、前記基板が、ポリエチレンテレフタレート、テフロン（登録商標）、シリコンゴム、半導体材料、導電性ゴムのいずれかによって構成されているものである。

請求項２２の測定電極部は、請求項１３記載の測定電極部において、前記微小電極は、針状導電線の先端部にそれぞれ形成されており、所定本数の針状導電線が、各微小電極がそれぞれ所定の間隔をあけた状態で束ねられて電極列を構成するとともに、複数の電極列が、所定の間隔をあけて平行に配置されているものである。

請求項２３の測定電極部は、請求項２１記載の測定電極部において、前記針状導電線は、直径１μｍ〜１０００μｍになっているものである。

請求項２４の測定電極部は、請求項２２記載の測定電極部において、前記針状導電線は、針状の導電材料を、先端部の微小電極を除いて絶縁皮膜によって覆われて構成されているものである。

請求項２５の測定電極部は、請求項２４記載の測定電極部において、前記針状導電線の導電材料が、金、白金、ＩＴＯ、チッ化チタン、銅、銀、タングステン、導電性ゴムのいずれかによって構成されているものである。

請求項２６の測定電極部は、請求項２４記載の測定電極部において、前記針状導電線の絶縁皮膜が、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミドのいずれかによって構成されているものである。

請求項２７の測定電極部は、請求項１１記載の測定電極部において、前記微小電極は、生体材料によって構成された皮膜によって覆われているものである。

請求項２８の測定電極部は、請求項２２記載の測定電極部において、前記針状導電性材料の先端部が生体材料の皮膜によって覆われているものである。

請求項２９の治療方法は、実験動物の嗅粘膜に向けて嗅粘膜刺激化合物を投与する工程と、実験動物の嗅粘膜に嗅粘膜刺激化合物が投与された場合に、実験動物の嗅球に生じる電気信号を測定する工程と、測定される電気信号のパターンと、該電気信号のパターンによって実験動物に誘起される生理的反応の種類および程度を把握する工程と、目的の生理的反応を生じるに十分な電気信号パターンを刺激パターンとして該実験動物の嗅球に与える工程と、を包含するものである。

請求項３０の方法は、前記目的の生理的反応が血圧降下であるものである。

請求項３１の方法は、前記目的の生理的反応が血糖値の低下であるものである。

本発明は、生体の嗅粘膜を刺激することにより、直接、脳機能を活性化または抑制することにより、生理機能を調節する医薬品候補化合物をスクリーニングする装置及び方法を提供する。本発明のスクリーニング装置は、医薬品候補化合物である嗅粘膜刺激物を生体の嗅粘膜に投与したときに惹起される嗅球の刺激パターンを測定し、そのパターン分析を行って、生体内に生じる生理的反応との相関関係を調査し、嗅粘膜への刺激を介して脳を活性化又は抑制する嗅粘膜刺激物のスクリーニングする。

その結果、本発明のスクリーニング装置によりスクリーニングされる嗅粘膜刺激化合物は、内服薬等の薬物と異なり、嗅粘膜を介して、直接、脳細胞を刺激するために、内服薬等の投与が困難であった患者に対しても、治療薬として有効である。また、内服薬等による患部到達経路に与える副作用もほとんどなく、さらに、薬物動態などの実験を行う必要もない。

以下に、本発明のスクリーニング装置を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明のスクリーニング装置の概略構成を示している。このスクリーニング装置１は、スクリーニングの候補化合物である嗅粘膜刺激化合物が、所望の濃度で充填された嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１と、実験動物の行動範囲を所定範囲内に固定する実験動物固定器３２と、嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１内の嗅粘膜刺激化合物を実験動物固定器３２に噴霧する噴霧ノズル３３とを有している。

実験動物固定器３２内に固定される実験動物としては、スクリーニング実験の目的によって種々の大きさの動物が使用され、通常、ラット、マウス、ウサギ等である。実験動物固定器３２の大きさは、用いられる実験動物の大きさに対応した大きさとされる。

嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１に充填された嗅粘膜刺激化合物は、噴霧ノズル３３によって、実験動物固定器３２に固定された実験動物の鼻先に向けて噴霧される。実験動物固定器３２は、噴霧ノズル３３から噴霧される嗅粘膜刺激化合物が内部にて拡散し過ぎないような適度の大きさとされている。

なお、本実施の形態では、実験動物としてラットを用いており、実験動物固定器３２もラットの大きさに対応した大きさとされている。

実験動物固定器３２に固定される実験動物の頭蓋内の嗅球には、手術によって、測定電極部１０が装着されている。

嗅球とは、脳から前方側に突き出た左右嗅索の先端にあり、層状に並ぶニューロン群で構成される嗅覚の一次中枢である。鼻腔の最上部にある嗅粘膜を形成する嗅細胞の軸索は、頭蓋の内部を通って、嗅球に達している。嗅球からの二次ニューロンは、大脳皮質の嗅覚野である眼窩前頭回に達している。従って、嗅粘膜刺激化合物による嗅粘膜への刺激は、嗅球を必ず通過するために、嗅球において、嗅粘膜から脳細胞への刺激を確実に検出することができる。

噴霧ノズル３３から嗅粘膜刺激化合物を含む空気を噴霧することによる実験動物の嗅球の電気的反応は、実験動物に装着された測定電極部１０により測定される。測定電極部１０にて測定される電気信号は、測定電極部１０に接続されたターミナルライン３８および信号増幅刺激装置３４を介して、信号増幅装置３５に与えられている。信号増幅装置３５は、与えられる電気信号を増幅して、コンピュータ等によって構成された処理装置３６に与えられている。

処理装置３６は、測定電極部１０から与えられる電気信号に基づいて、嗅球における刺激パターンを分析するとともに、分析によって得られた刺激パターンを、データとして保存する。また、処理装置３６によって得られた刺激パターンの分析結果は、画像処理されて、表示装置３７に表示される。

なお、測定電極部１０と信号増幅装置３５との間に設けられている信号増幅刺激装置３４は、処理装置３６から出力される電気信号を、増幅して測定電極部１０に与えるために設けられており、測定電極部１０が、嗅球における電気信号の測定のみに使用される場合には、特に動作されず、測定電極部１０からの電気信号が通過する。

また、実験動物固定器３２には、固定された実験動物の血圧、心拍数等の生体内にて生じる生理反応を測定する手段が設けられており、その測定手段による測定結果が、処理装置３６に与えられている。

図２（ａ）は、実験動物の嗅球に装着された測定電極部１０の概略平面図、図２（ｂ）はその拡大図、図２（ｃ）は、その側面図である。測定電極部１０は、絶縁性のフィルムによって構成された基板１２と、その基板１２の表面に、例えば４×４のマトリクス状に配置された１６個の微小電極１３とを有している。

基板１２は、厚さが１μｍ〜１００μｍ程度であって、一辺の長さが２ｍｍ程度の正方形状に形成されている。各微小電極１３は、１辺が１００μｍ程度の正方形状に形成されており、隣接する一対の微小電極１３のピッチは、５００μｍ程度とされている。各微小電極１３の大きさに関しては、特に限定されるものではなく、１μｍ²〜１００００００００μｍ²程度の範囲にて、適宜、設定される。また、隣接する一対の微小電極１３のピッチに関しても、特に限定されるものではなく、１０μｍ〜１００００μｍ程度の範囲にて、適宜、設定される。

各微小電極１３には、導電線１４がそれぞれ接続されている。導電線１４は、基板１２上に設けられた導電パターンによって構成されており、その表面が絶縁性材料の皮膜によって覆われている。

各導電線１４は、基板１２の横方向に沿った一方の側縁部に沿って配置されている集電部１５の各電極１５ａにそれぞれ接続されている。集電部１５の各電極１５ａは、ターミナルライン３８（図１参照）に接続されており、このターミナルライン３８は、実験動物の頭蓋から外部に引き出されて信号増幅刺激装置３４に接続されている。

各微小電極１３は、生体組織との密着性を向上させるために、生体材料であるコラーゲンによって形成された薄い皮膜にて覆われている。なお、各微小電極１３を覆う薄い皮膜は、コラーゲンの他、ゼラチン、セルロース等の生体材料を用いてもよい。このように、各微小電極１３を生体材料による皮膜によって覆うことにより、測定電極部１０が実験動物の嗅球内に埋め込まれた際に、嗅球の生体成分に対して高い密着性で嗅球内に保持される。

各微小電極１３及び各導電線１４の材質としては、白金、金、ＩＴＯ、チッ化チタン、銅、銀、タングステンを使用することができる。また、導電線１４を覆う絶縁性材料としては、例えば、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミド等が使用される。

また、基板１２は、ポリエチレンテレフタレート、テフロン（登録商標）、シリコンゴム、半導体材料等によって構成することができる。基板１２としては、このような材料に限らず、コラーゲン、ゼラチン、セルロースなどの生体材料によって構成してもよい。基板１２を生体材料によって構成することにより、測定電極部１０が実験動物の嗅球内に埋め込まれた際に、基板１２が嗅球の生体成分と一体化し、各微小電極１３および導電線１４を絶縁材料の皮膜が、高い密着性で嗅球内に保持される。

このような構成のスクリーニング装置１の動作について説明する。まず、スクリーニングの候補となる嗅粘膜刺激化合物を、所望の濃度として嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１に充填する。また、実験動物固定器３２に、実験動物としてのラットを固定する。ラットは、嗅球に測定電極部１０が装着されている。

実験動物固定器３２にラットが固定されると、噴霧ノズル３３によって、ラットの鼻先に向けて嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１に充填された嗅粘膜刺激化合物が、実験動物固定器３２内に空気とともに噴霧される。

噴霧ノズル３３から噴出される空気に含まれる嗅粘膜刺激化合物は、ラットの嗅粘膜の嗅細胞を刺激し、この刺激が、電気的信号として、嗅球に伝達される。

ラットの嗅球に埋め込まれた測定電極部１０の各微小電極１３は、各微小電極１３にそれぞれ対応した嗅球の各位置において、嗅粘膜の刺激によって生じる電気信号を測定し、この電気信号が、各微小電極１３に接続された導電線１４及び集電板１５、および、実験動物固定器３２の外部に設けられた信号増幅刺激装置３４を介して、信号増幅装置３５に送信される。

信号増幅装置３５に送信された電気信号は、信号増幅装置３５によって増幅されて、処理装置３６に出力される。処理装置３６は、信号増幅装置３５から与えられる電気信号に基づいて、嗅球内に配置された各微小電極１３にそれぞれ対応した各位置における電気信号を分析する。

また、処理装置３６には、噴霧ノズル３３から嗅粘膜刺激化合物を含む空気が噴霧された際に、実験動物固定器３２にて固定されたラットの血圧、心拍数等の測定結果が与えられている。

処理装置３６は、分析された嗅球における電気信号のパターンと、ラットの血圧、心拍数等の測定結果とに基づいて、ラットに噴霧された嗅粘膜刺激化合物の有効性について判定する。例えば、嗅粘膜刺激化合物による嗅粘膜の刺激によって、ラットの血圧が降下していることが検出されると、その嗅粘膜刺激化合物が、脳細胞を抑制して、血圧を降下させる生理的反応が誘起されているものと判定される。これにより、その嗅粘膜刺激化合物が血圧の降下に有効であるとスクリーニングされる。この場合に、測定電極部１０によって得られた電気信号パターンは、データとして処理装置３６に保存される。

なお、測定電極部１０は、基板１２上に微小電極１３が１６個設けられているが、少なくとも１つの微小電極１３を有すればよいが、嗅球における嗅粘膜刺激化合物による刺激パターンを精度よく得るためには、嗅球に発生する電気信号に対応するように複数設けて、嗅球に発生する電気信号のパターンに対応させることが望ましい。この場合の微小電極１３の数は、１６個に限定されるものではない。

また、処理装置３６は、実験動物固定器３２に固定されたラットからの血圧、心拍数等の生理的反応を測定して、測定電極部１０によって得られた電気信号のパターンに対してラットに生理的反応が誘起されていることを直接的に判定するようになっているが、実験動物が生理的反応を誘起させる嗅球における電気信号パターンに関するデータを予め処理装置３６に設定しておいて、そのデータと、測定電極部１０にて測定される電気信号のパターンとを比較して、ラットに生理的反応が誘起されることを判定してもよい。

図３は、測定電極部１０の他の例を示しており、図３（ａ）は、測定電極部１０の概略平面図、図３（ｂ）は、その拡大図、図３（ｃ）は、その側面図である。この測定電極部１０は、絶縁性のフィルム材料によって構成された基板１２に、４×４のマトリクス状に、それぞれの内径５０μｍ程度の貫通孔が設けられている。隣接する一対の貫通孔のピッチは、５００μｍ程度になっている。基板１２の表面及び裏面における各貫通孔の周縁部には、リング状の微小電極１３がそれぞれ設けられている。従って、基板１２の表面および裏面には、１６個の微小電極１３が、それぞれ同様の位置に配置されている。

各微小電極１３は、各貫通孔と同様に、内径５００μｍ程度の開口部をそれぞれ有しており、各貫通孔と同心状態でそれぞれ配置されている。各微小電極１３の外径は、１００μｍ程度とされている。

基板１２に設けられた各貫通孔および各微小電極１３の開口部の内径は、微小電極１３の外径にもよるが、通常、１μｍ以上、１００００μｍ以下とされる。

また、この測定電極部１０の表面に配置された各微小電極１３は、嗅粘膜の嗅細胞から嗅球に送られる電気信号をそれぞれ測定して、ターミナルライン３８および信号増幅刺激装置３４を介して信号増幅装置３５に与えられて、信号増幅装置３５によって増幅された後に処理装置３６に与えられる。処理装置３６では、信号増幅装置３５によって増幅された電気信号に基づいて、嗅球における刺激パターンを分析する。

測定電極部１０の裏面に配置された各微小電極１３は、処理装置３６から送信される電気信号が、信号増幅刺激装置３４によって増幅されて与えられており、各微小電極１６に与えられる電気信号によって、測定電極部１０が装着されたラットの嗅球を刺激する。そして、各微小電極１３によって与えられる電気信号による刺激が、ラットの脳細胞に伝達される。

測定電極部１０の裏面に配置された各微小電極１３には、例えば、嗅粘膜刺激化合物によってラットの嗅球が刺激されることによって例えば血圧を降下させるように脳細胞が抑制された場合において、測定電極部１０の表面に配置された各微小電極１３によって得られた電気信号のパターンと同様のパターンの電気信号が与えられる。これにより、嗅球には、嗅粘膜刺激化合物による嗅粘膜の刺激と同様の刺激パターンが嗅球を介して脳細胞に与えられることになり、血圧を降下させることができる。

測定電極部１０の裏面に配置された各微小電極１３に与えられる電気信号のパターンは、脳細胞の活性化あるいは抑制化させるために有効であると認められるものであれば、測定電極部１０の表面の微小電極１３によって得られる電気信号のパターンと同様である必要はなく、異なった電気信号パターンが得られるように、各微小電極１３に電気信号を送信するようにしてもよい。

このように、測定電極部１０の各微小電極１３に電気信号を与えて、嗅球に対して所定パターンの電気信号の刺激を与えることにより、脳細胞の活性化あるいは抑制化によって生理的反応を誘起させることができる。従って、生体の嗅球に測定電極部１０を装着して、測定電極部１０の各微小電極１３に電気信号を与えて、所定パターンの電気信号による刺激を嗅球に与えることによって、脳細胞の活性化あるいは抑制化による生理的反応の誘起させることができる。このように、本発明の装置は、生体の治療装置として使用することができる。

なお、図３に示すように、基板１２の表面および裏面に微小電極１３がそれぞれ設けられた測定電極部１０に限らず、図２に示すように、基板１２の表面にのみ微小電極１３が設けられている場合にも、その測定電極部１０を人体の嗅球に埋め込んで、その測定電極部１０に対して、処理装置３６から、所定の電気信号を、信号増幅刺激装置３４によって増幅して、測定電極部１０の各微小電極１３に与えることにより、人体に対して生理的反応を誘起させることができ、人体の治療装置として使用することができる。

図３に示す測定電極部１０では、各微小電極１３がリング状に形成されており、しかも、基板１２の表面および裏面に設けられた各微小電極１３の開口部同士が、基板に設けられた貫通孔によって相互に連通しているために、測定電極部１０を嗅球に埋め込んだ際に分断された嗅球内の神経組織が、対をなす各微小電極１３の開口部および貫通孔を介して伸長される。従って、嗅球内にて分断された神経経路を再成することができる。

図４は、測定電極部１０のさらに他の例を示しており、図４（ａ）は、測定電極部１０の概略構成図、図４（ｂ）は、その要部の断面図である。この測定電極部１０は、例えば、それぞれの先端部に微小電極１６ａが設けられた長さの異なる４本の針状導電線１６を束ねて構成された４本の電極列１７を有している。針状導電線１６は、針状の導電材料を絶縁皮膜によって覆われて構成されており、各針状導電線１６の先端部の絶縁皮膜が剥離されることによって、微小電極１６ａがそれぞれの先端部に形成されている。各微小電極１６ａは、例えば、１００μｍの長さとされる。

針状導電線１６の導電材料としては、白金、金、ニッケル、チッ化チタン、銅、銀、タングステン等が使用される。また、導電材料を被覆する絶縁皮膜としては、ポリイミド、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネート等が使用される。

各電極列１７は、それぞれ長さが異なる４本の針状導電線１６を、先端部に設けられた微小電極１６ａが、例えば、５００μｍの間隔あけて配置された状態で束ねられている。各電極列１７は、それぞれの最も短い針状導電線１６の先端からさらに５００μｍ離れた部分を、シリコン、テフロン（登録商標）等の絶縁性のホルダー１８によって固定することにより、例えば、それぞれが５００μｍの間隔をあけた状態で平行に保持されている。なお、図４（ａ）では、図面を見やすくするために、各針状導電線１６の幅を実際の幅よりも広くして示している。

このような構成の測定電極部１０も、生体の嗅球内に埋め込まれて、図１に示すスクリーニング装置、あるいは治療装置に使用される。この測定電極部１０は、４つの微小電極１６ａが設けられた各電極列１７が、相互に適当な間隔をあけて保持されているために、脳組織の切断が少なく、神経回路網を維持したまま生体の嗅球内への埋め込み手術が容易である。

実施例を用いて本発明を説明する。以下の実施例は、本発明の例示であって、本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
実験用動物として、生後２週令のラットを使用し、図４に示す測定電極部１０を埋め込む手術を実施した。

測定電極部１０は、微小電極１６ａの長さが１００μｍ、各電極列１７における隣接する微小電極１６ａの間隔が５００μｍである。また、針状導電線１６の導電材料としては、白金が使用されており、絶縁皮膜としては、ポリイミドが使用されている。

測定電極部１０は、ラット嗅球への埋め込みに先立って、埋め込み後の神経細胞の再生、密着性を向上させるために、微小電極１６ａをＮ２サプリメントとコラーゲンによって前処理を行った。

測定電極部１０をラットに装着する際には、まず、ネンブタール（バルビツール）を、ラット体重の１／１０量を腹腔内に注射して麻酔した後、ラットをうつ伏せに固定した。ラットを固定した後、前頭部の頭皮を開き、頭蓋骨を１ｍｍ×５ｍｍの大きさで開いた。続いて、前処理を施した測定電極部１０を嗅球内に挿入し、測定電極部１０のターミナルライン３８をラットの頭部外に引き出した。次に、頭蓋に形成されている穴をデンタルセメントにて埋め、ターミナルライン３８を頭蓋の外に引き出した状態で頭皮を縫合した。この縫合の後、術後の患部を抗生物質（ペニシリン１００ｕ／ｍｌ、ストレプトマイシン１００μｇ／ｍｌ）にて洗浄し、滅菌デンタルセメントで固めた。

このようにして、測定電極部１０を埋め込む手術をした後に、３週間が経過するまで、活性炭によって清浄化された匂い成分のない環境下にてラットを飼育した。そして、手術の３週間後に、図１に示すスクリーニング装置１の実験動物固定器３２にラットを固定した。体外に引き出したターミナルライン３８は、実験動物固定器３２の外部にて、信号増幅刺激装置３４に接続されている。

このような状態で、スクリーニング装置１の嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１内に、嗅粘膜刺激化合物として、所定の濃度のシネオール（Ｃ₁₀Ｈ₁₈Ｏ）を充填して、嗅粘膜刺激化合物収容ボックス３１内のシネオールを、通常の空気と共に、５分間にわたって、実験動物固定器３２内のラットに噴霧して、ラットの嗅球における反応を、測定電極部１０の各微小電極１６ａからの電気信号として記録した。測定電極部１０における１６個の微小電極１６ａの電気信号を、図５（ａ）に示す。同時に、シネオールが噴霧されたときのラットの血圧および心拍数を測定した。その測定結果を図６（ａ）に示す。

次に、シネオールを含まない空気を活性炭によって清浄化し、実験動物固定器３２に３０分間にわたって流して、ラットの嗅球の反応が安定するまで待機した。そして、ラットの嗅球が安定した後に、シネオールを通常より５％酸素濃度が高い空気と共に実験動物固定器３２に噴霧し、そのときのラットの嗅球の反応を、測定電極部１０の各微小電極１６ａからの電気信号として記録した。測定電極部１０における１６個の微小電極１６ａの電気信号を、図５（ｂ）に示す。また、同時に測定されたラットの血圧および心拍数の結果を図６（ｂ）に示す。

図５（ａ）と図５（ｂ）との比較により、シネオールによってラットの嗅粘膜が刺激されていたことが判明した。また、図６（ａ）と図６（ｂ）との比較により、シネオールによって、血圧及び心拍数が上昇するという生理的反応が誘起されていることも明らかになった。しかも、シネオールを通常の酸素濃度の空気とともに嗅粘膜に噴霧した場合に、シネオールを酸素濃度が通常より５％高い空気とともに嗅粘膜に噴霧したときよりも、ラットの血圧及び心拍数が上昇することも判明した。

このように、シネオールは、血圧および心拍数の上昇に有効であり、特に、高濃度酸素存在下でない場合に、血圧および心拍数の上昇に有効であることが判明した。

＜実施例２＞
図３に示す測定電極部１０を、実施例１と同様にしてラットに装着した。この測定電極部１０におけるリング状の各微小電極１３として、導電性材料であるＩＴＯを用い、各微小電極１３の表面を、それぞれ金によってメッキした。なお、基板１２としては、厚さ１００μｍのポリイミドのフィルム材料を使用した。

測定電極部１０が装着されたラットを、図１に示すスクリーニング装置１の動物実験固定器３２に固定して、所定の電気信号パターンがラットの嗅球に与えられるように、測定電極部１０の裏面に設けられた１６個の微小電極１３に対して、図７に示す電気信号をそれぞれ与えた。そして、電気信号パターンが嗅球に与えられた場合におけるラットの血圧及び心拍数の経時変化を測定した。その結果を図８に示す。

測定電極部１０における各微小電極１３に対して、図７に示す電気信号を与えることにより、図８に示すように、血圧および心拍数は上昇し、１時間程度が経過した時点で、血圧値は最大になり、また、２時間程度が経過した時点で、心拍数は最大になっていた。

このように、嗅球に対して所定の電気信号パターンを与えることによって、脳細胞が活性化されて、血圧および心拍数の上昇という生理的反応が誘起されていることが明らかになった。

＜実施例３＞
図２に示す測定電極部１０を実施例１と同様にしてラットに装着した。この測定電極部１０の各微小電極１３として、導電性材料であるＩＴＯを用い、各微小電極１３の表面を、それぞれ金によってメッキした。基板１２として、厚さ１００μｍのポリイミドのフィルム材料を使用した。

測定電極部１０が装着されたラットを、図１に示すスクリーニング装置１の動物実験固定器３２に固定して、所定の刺激パターンがラットの嗅球に与えられるように、測定電極部１０に対して、図９（ａ）に示す電気信号を与えた。そして、このような電気信号が測定電極部１０に与えられた場合におけるラットの血糖値の経時変化を測定した。その結果を図９（ｂ）に示す。

このように、嗅球に対して所定の電気信号を与えたることによって血糖値の低下という生理的反応が誘起されていることが確認された。

＜実施例４＞
図４に示す測定電極部１０を実施例１と同様にしてラットに装着した。この測定電極部１０の針状導電線１６の導電材料として白金を用い、その導電材料をポリイミドによって絶縁皮膜処理した。針状導電線１６の径は、１００μｍ、電極列１７における隣接する微小電極１６ａの間隔は５００μｍとした。また、微小電極１６ａと生体組織の密着性を良好にするために、微小電極１６ａを、コラーゲンによって構成された薄い皮膜にて覆った。

測定電極部１０が装着されたラットを、図１に示すスクリーニング装置１の動物実験固定器３２に固定して、生育環境下において、測定電極部１０の１６個の微小電極１６ａに対して、図１０に示す電気信号をそれぞれ与えた、嗅球に対して電気信号による刺激パターンを与えた場合における血圧および心拍数の経時変化を、低酸素濃度条件下および高濃度酸素条件下のそれぞれについて測定した。低酸素濃度条件として、通常の空気の酸素濃度よりも酸素濃度を５％低くし、高酸素濃度条件として、通常の空気における酸素濃度よりも酸素濃度を５％が高くした。その測定結果を図１１に示す。

図１１に示すように、嗅球に与えられる電気信号パターンによって、血圧および心拍数が上昇するという生理的変化が誘起されており、しかも、低酸素濃度条件下において、血圧および心拍数とも、高酸素濃度条件下よりも大きく上昇していたことが確認された。

なお、図４に示す測定電極部１０に代えて、図３に示す測定電極部１０を使用した場合にも、同様の測定結果が得られた。

本実施例においては表裏に微小電極を複数備えたものを使用しているが、表面のみ電極を有する電極部から信号のみを検出し、スクリーニングを行うことも可能である。

各実施例１〜４にそれぞれ示すように、本発明の装置および方法により、生体の嗅球に対する刺激によって、生理的反応が誘起される。しかも、嗅球に対する刺激パターンが異なることにより、誘起される生理的反応の種類、程度等も異なる。このために、生体の嗅粘膜を刺激する嗅粘膜刺激化合物によって誘起される生理的反応の種類、程度等の関連性に基づいて、嗅粘膜刺激化合物がスクリーニングされる。

スクリーニングされた嗅粘膜刺激化合物は、脳細胞に直接的に作用するために即効性を有しており、しかも、内服、血管注射、筋肉注射等による薬物投与が困難である患者に対しても投与することができる新規な薬物として使用することができる。また、様々な環境変化に伴って出現する新たな疾病に対して有効な薬物の創出も可能である。

さらに、嗅粘膜刺激化合物による嗅粘膜の刺激によって、嗅球にて生じる電気信号パターンと、その電気信号パターンによって誘起される生体の生理的反応の種類、程度等を把握しておき、生体の嗅球に装着された測定電極部に対して、所定の生理的反応が誘起される刺激パターンを電気信号のパターンによって与えることにより、測定電極部が装着された生体には、所定の生理的反応が誘起されることになる。これにより、血圧、血糖値の降下等のような、生体の治療が可能になる。

なお、上記各実施例１〜４は、本発明の装置および方法の有用性を証明するためになされた一例にすぎず、与える化合物および酸素濃度等は、特に限定されるものではない。

以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できる。

本発明のスクリーニング装置および方法は、実験動物の嗅球に埋め込まれた測定電極部によって、嗅粘膜刺激化合物によって嗅球に生じる電気的信号を測定して、実験動物に誘起される生理的反応に基づいて、嗅粘膜刺激化合物の有効性が判定されるために、実験動物に対する有効な嗅粘膜刺激化合物を容易に、しかも、確実にスクリーニングすることができる。

また、本発明の治療装置は、人体の脳細胞に直接刺激を与えるために、薬物の投与等のように、副作用等が生じるおそれがない。さらに、本発明の測定電極部は、これらスクリーニング装置および治療装置に好適に使用することができる。

図１は、本発明の嗅粘膜刺激性化合物のスクリーニング装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。なお、図１〜１１に記載される参照番号は、それぞれ以下の部材または装置を示す：１０ 測定電極部、１２ 基板、１３ 微小電極、１４ 導電線、、１５ 集電部、１６ 針状導電線、１６ａ 微小電極、１７ 電極列、１８ ホルダー、３１ 嗅粘膜刺激化合物収容ボックス、３２ 実験動物固定器、３３ 噴霧ノズル、３４ 信号増幅刺激装置、３５ 信号増幅装置、３６ 処置装置。 図２は、スクリーニング装置に使用される測定電極の一例を示す図であり、（ａ）は、そのスクリーニング装置に使用される測定電極部の一例を示す概略平面図、（ｂ）は、その詳細を示す拡大平面図、（ｃ）は、その側面図である。 図３は、スクリーニング装置に使用される測定電極の他の例を示す図であり、（ａ）は、そのスクリーニング装置に使用される測定電極部の他の例を示す概略平面図、（ｂ）は、その詳細を示す拡大平面図、（ｃ）は、その側面図である。 図４は、スクリーニング装置に使用される測定電極のさらに他の例を示す図であり、（ａ）は、そのスクリーニング装置に使用される測定電極部のさらに他の例を示す概略図、（ｂ）は、その詳細を示す断面図である。 図５は、実施例１における結果を示す図であって、（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例１において、測定電極部にて測定される電気信号パターンを示している。 図６は、血圧及び心拍数の経時変化を示すグラフであって、（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図５（ａ）および（ｂ）に示す電気信号パターンによって誘起される血圧及び心拍数の経時変化を示すグラフである。 図７は、実施例２において測定電極部に与えられた電気信号パターンを示している。 図８は、図７に示す電気信号パターンを測定電極部に与えた場合のラットの血圧及び心拍数の経時変化を示すグラフである。 図９は、ラットの血糖値の経時的変化を示すグラフであって、（ａ）は、実施例３において測定電極部に与えられる電気信号パターンを示し、（ｂ）はその電気信号パターンを測定電極部に与えた場合のラットの血糖値の経時的変化を示すグラフである。 図１０は、実施例４において、測定電極部にて測定された電気信号パターンを示している。 図１１は、実施例４において測定された血圧及び心拍数の経時的変化を示すグラフである。

Claims (31)

1. 実験動物の嗅粘膜に向けて嗅粘膜刺激化合物を投与する投与手段と、
   実験動物の嗅球に埋め込まれて、嗅球にて生じる電気信号を測定する測定電極部と、
   前記投与手段によって実験動物の嗅粘膜に嗅粘膜刺激化合物が投与された場合における該測定電極部にて測定される電気信号と実験動物に誘起される生理的反応との相関関係を分析する処理手段と、
   を備えた、嗅粘膜刺激性化合物スクリーニング装置。
2. 前記処理手段は、実験動物から、生理的反応に関するデータを直接得て、前記測定電極部にて測定される電気信号との相関関係を分析する、請求項１記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置。
3. 前記処理手段は、実験動物に生理的反応を誘起させる嗅球における電気信号に関するデータを予め有しており、そのデータに基づいて、前記測定電極部にて測定される電気信号との相関関係を分析する、請求項１記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置。
4. 前記投与手段は、嗅粘膜刺激化合物を収容するボックスと、該ボックス内に収容された嗅粘膜刺激化合物を、実験動物の嗅粘膜付近に噴霧するノズルとを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置。
5. 前記測定電極部は、嗅球の神経細胞からの電気信号を検出する少なくとも１つの微小電極を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置。
6. 前記微小電極が複数設けられており、各微小電極は、実験動物の嗅粘膜に対する嗅粘膜刺激化合物の投与によって嗅球に発生する電気信号パターンが多点で得られるように配置されている、請求項５記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置。
7. 前記各微小電極には、実験動物が生理的反応を誘起させる電気信号がそれぞれ与えられる、請求項５または６記載の嗅粘膜刺激化合物スクリーニング装置。
8. 実験動物の嗅粘膜に向けて嗅粘膜刺激化合物を投与する工程と、
   実験動物の嗅粘膜に嗅粘膜刺激化合物が投与された場合に、実験動物の嗅球に生じる電気信号を測定する工程と、
   測定される電気信号と実験動物に誘起される生理的反応との相関関係について分析する工程と、
   を包含する、嗅粘膜刺激性化合物スクリーニング方法。
9. 請求項８に記載の嗅粘膜刺激性化合物スクリーニング方法によって、測定電極部にて測定される電気信号と実験動物に誘起される生理的反応との相関関係が認められる、嗅粘膜刺激性化合物。
10. 生体の嗅球に埋め込まれる測定電極部と、
    生体が生理的反応を誘起させる嗅球での刺激パターンを、該測定電極部に対して電気信号パターンとして与える手段と、
    を具備する、治療装置。
11. 実験動物の嗅球に埋め込まれて、嗅球にて生じる電気信号の測定または嗅球に電気信号を与えるために使用される測定電極部であって、
    嗅球の神経細胞からの電気信号をそれぞれ検出する複数の微小電極が設けられており、各微小電極が、実験動物の嗅粘膜に対する嗅粘膜刺激化合物の投与によって嗅球に発生する電気信号パターンに基づいて配置されている、測定電極部。
12. 前記各微小電極が、１μｍ²〜１００００００００μｍ²の面積になっている、請求項１１記載の測定電極部。
13. 前記微小電極がマトリクス状に配置されている、請求項１２記載の測定電極部。
14. 隣接する微小電極の間隔が、１０〜１００００μｍになっている、請求項１３記載の測定電極部。
15. 前記各微小電極は、フィルム状の基板上に配置されている、請求項１１記載の測定電極部。
16. 前記各微小電極は、それぞれリング状をしており、前記基板に設けられた貫通孔の周縁部にそれぞれ配置されている、請求項１５記載の測定電極部。
17. 前記基板に形成された貫通孔の内径が１００００μｍ以下である、請求項１６記載の測定電極部。
18. 前記微小電極は、前記基板の表面および裏面の同じ位置に配置されており、前記基板の一方の面に設けられた各微小電極は、実験動物が生理的反応を誘起させる電気信号パターンを検出し、他方は、検出した信号と同じ、または異なる信号を印加する、請求項１１に記載の測定電極部。
19. 前記微小電極が、金、白金、ＩＴＯ、チッ化チタン、銅、銀、タングステンのいずれかによって形成されている、請求項１５記載の測定電極部。
20. 前記基板が、生体材料によって構成されている、請求項１５記載の測定電極部。
21. 前記基板が、ポリエチレンテレフタレート、テフロン（登録商標）、シリコンゴム、半導体材料、導電性ゴムのいずれかによって構成されている、請求項１５記載の測定電極部。
22. 前記微小電極は、針状導電線の先端部にそれぞれ形成されており、所定本数の針状導電線が、各微小電極がそれぞれ所定の間隔をあけた状態で束ねられて電極列を構成するとともに、複数の電極列が、所定の間隔をあけて平行に配置されている、請求項１３記載の測定電極部。
23. 前記針状導電線は、直径１μｍ〜１０００μｍになっている、請求項２２記載の測定電極部。
24. 前記針状導電線は、針状の導電材料を、先端部の微小電極を除いて絶縁皮膜によって覆われて構成されている、請求項２２記載の測定電極部。
25. 前記針状導電線の導電材料が、金、白金、ＩＴＯ、チッ化チタン、銅、銀、タングステン、導電性ゴムのいずれかによって構成されている、請求項２４記載の測定電極部。
26. 前記針状導電線の絶縁皮膜が、ポリスチレン、アクリル、ポリカーボネート、ポリイミドのいずれかによって構成されている、請求項２４記載の測定電極部。
27. 前記微小電極は、生体材料によって構成された皮膜によって覆われている、請求項１１記載の測定電極部。
28. 前記針状導電性材料の先端部が生体材料の皮膜によって覆われている、請求項２２記載の測定電極部。
29. 実験動物の嗅粘膜に向けて嗅粘膜刺激化合物を投与する工程と、
    実験動物の嗅粘膜に嗅粘膜刺激化合物が投与された場合に、実験動物の嗅球に生じる電気信号を測定する工程と、
    測定される電気信号のパターンと、該電気信号のパターンによって実験動物に誘起される生理的反応の種類および程度を把握する工程と、
    目的の生理的反応を生じるに十分な電気信号パターンを刺激パターンとして該実験動物の嗅球に与える工程と、
    を包含する、治療方法。
30. 前記目的の生理的反応が血圧降下である、請求項２９に記載の方法。
31. 前記目的の生理的反応が血糖値の低下である、請求項２９に記載の方法。

Images