JP2008532560A - 微弱電界ネットワークを仲介して行う、生体外で細胞内に遺伝子、タンパク質および薬剤を送達する方法および装置 - Google Patents
微弱電界ネットワークを仲介して行う、生体外で細胞内に遺伝子、タンパク質および薬剤を送達する方法および装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】LSEFNを使用して、生体外で、遺伝子、タンパク質または薬剤を大量の細胞、細胞集塊、または組織に送達しやすくする。
【解決手段】微弱LSEFN戦略を使用して、遺伝子、タンパク質または薬剤が、巨視的量の各種タイプの細胞、細胞集塊または組織に生体外で送達され、次いでその生物工学的に処理された細胞および組織を、疾患を治療するため各種の器官または組織に、全身的に注入送達または移植する方法を開示する。LSEFNパルスが加えられる、膜で封入された対向電極アレイの間の注入チャンバー内に、細胞、細胞集塊または組織が十分入る形状と大きさを有するLSEFNチャンバーを使用する。
【選択図】図1b
【解決手段】微弱LSEFN戦略を使用して、遺伝子、タンパク質または薬剤が、巨視的量の各種タイプの細胞、細胞集塊または組織に生体外で送達され、次いでその生物工学的に処理された細胞および組織を、疾患を治療するため各種の器官または組織に、全身的に注入送達または移植する方法を開示する。LSEFNパルスが加えられる、膜で封入された対向電極アレイの間の注入チャンバー内に、細胞、細胞集塊または組織が十分入る形状と大きさを有するLSEFNチャンバーを使用する。
【選択図】図1b
Description
この発明は、各種の細胞もしくは細胞集塊、例えば島(islets)、または各種の組織に、微弱電界ネットワーク(ultra low strength electric field network)を使って、大量の遺伝子、タンパク質または薬剤を生体外で送達しやすくする手法の技術分野のものである。
この出願は、2005年3月19日出願の米国仮特許願第60/663,562号に関連するもので、それをここに援用するとともに、米国特許法第119条に基づいてその優先権を主張する。
電気穿孔法は、細胞または組織に高強度の電界パルスを短時間かけることを含む技術である。その電気刺激によって、膜を不安定にし、その結果ナノメートルサイズの細孔を形成する。このような透過性状態によって、膜は、DNA、酵素、抗体および他の巨大分子を細胞の中へと通過させることができる。電気穿孔法は、遺伝子療法においてのみならず、薬剤の経皮送達および化学療法などの他の分野においても可能性を持っている。
1980年代初期以来、電気穿孔法は、DNA、RNA、タンパク質、他の巨大分子、リポソーム、ラテックスビーズまたはウイルス全体粒子を、生細胞の中へ導入するための研究手段として使用されている。電気穿孔法は、異種遺伝子を生体細胞中に効率的に導入するが、前記電気パルスが一対の針型電極によってキュベット中に加えられるので、この技術の利用は、基礎研究用の細胞系および初代培養物の少量の懸濁液にのみ限定されてきた。治療に使用するために、大量の細胞または細胞集塊、例えば島細胞に、生体外で(ex vivo)低強度電気穿孔法を介して遺伝子、タンパク質または薬剤を送達するためのシステムは、全く確立されていない。
電気穿孔法は、通常、試験管内で(in vitro)遺伝子導入を行うために使われているが、一対の針型またはプレート型の電極をげっ歯動物の腫瘍、肝臓、心筋に使って、生体内で(in vivo)遺伝子導入する限られた研究が報告されている。ごく最近、電気穿孔カテーテルを使用して、ヘパリンをウサギの動脈壁に送達し、薬剤の送達効率を有意に向上させている。ごく最近、この発明の発明者らは、遺伝子、タンパク質および薬剤を、大型動物およびヒトの器官および組織に低強度電気穿孔法を介して生体内で送達するシステムを発明した(米国特許第6,593,130号(2003年)参照)。なお、この特許をここに援用する。その発明では、この発明の発明者らは、遺伝子、タンパク質および薬剤を、大型動物およびヒトの血管内に、低強度電気穿孔法を介して生体外で送達する装置も記述した。
治療用に使用するために、組織または生体工学的に処置された組織培養物に、遺伝子、タンパク質および薬剤を低強度電気穿孔法を介して生体外で(ex vivo)送達するためのシステムは、全く記述されたことがない。一方、高い電界強度を有する電気パルスは、細胞膜を永久的に破壊することがある(細胞崩壊)。現在入手できる最高の知識によれば、キュベットセッティング(cuvette setting)の中のいかなる種類の細胞、全胚または胚心臓に印加される電圧は、200〜1500V/cm程度で高くなければならず、そして針型またはプレート型の電極を使って生体内組織に印加する電圧は、100〜200V/cm程度で高くなければならない。そのような場合の損傷は、重大な問題であるが、十分に解明されていない。
米国特許第6,593,130号明細書
この発明の一目的は、微弱電気穿孔法(ultra low strength electroporation)(この明細書では、低強度電界ネットワーキング(low strength electric field networking)(LSEFN)戦略と定義する)を使って、生体外で(ex vivo)、遺伝子、タンパク質または薬剤を大量の各種の細胞(cells)もしくは細胞集塊(cell clusters)、例えば、島(islet)、または各種組織(tussues)に送達しやすくする技術思想および応用可能な手法を確立することである。この発明の生体電気印加法の機序と性質は、今やっと、従来技術の電気穿孔法と定性的に異なっているというが分かり始めたところである。故に、この発明の生体電気印加法を電気穿孔法と称することは、誤解を招く恐れがあり、また不正確である。したがって、以下この明細書において、および医学分野において、この発明の生体電気印加法を、低強度電界ネットワーキング(LSEFN)と称する。これらの生物工学的に処置された細胞および組織は、次いで、系全体的に(全系的に)注入され(be transfused systemically)、疾患を治療するため各種の器官または組織に送達または移植されることができる。
この発明には、以下の三つの要素が含まれている。すなわち、1)微弱電界(超低強度電界)(ultra low strength electric field)を介して行う、各種分離された細胞の中への遺伝子、タンパク質および薬剤の生体外での送達、2)微弱電界によって行う、細胞集塊、例えば、島、または全胚の中への遺伝子、タンパク質および薬剤の生体外での送達、ならびに、3)微弱電界を使って行う、各種培養組織および生物工学的に処置された組織の中への遺伝子、タンパク質および薬剤の生体外での送達、が含まれている。
低電圧LSEFNパルスを印加する、ガス透過性膜で封入された対向電極アレイの間の注入チャンバー内に、細胞、細胞集塊または組織が十分入る形状と大きさを有するLSEFNチャンバーを使用する。ガス透過性膜を通して培養液の中へ導入する一種または複数種のガスを選択して、当該細胞、細胞集塊または組織が必要とする特定の代謝や健康を最適化することができる。細胞死の比率が高いことは、従来技術の電気穿孔法ではざらであるが、この出願では、細胞、細胞集塊または組織に対して低強度電界ネットワークと最適の培養およびガスの環境とを相乗作用的に組み合わせることによって、最小限に抑えられまたは回避さえされる。
したがって、ここに具体的に詳解する発明は、次のように特徴づけられ、かつ利点を有する。すなわち、低電圧の電気で透過性にすることによって、細胞の損傷が少なくなる。動的に電気で透過性にするので、すなわち細胞が静電界中で動きかつ一定流量の緩衝液中で回るので、一定温度が維持されかつ細胞の熱損傷が回避されて、従来技術と比べて長期間のLSEFN処理が実施できる。非常に小さい電極の電気アレイを使用することにより、熱を最小限にし、かつより均一な平均的LSEFN暴露と細胞への注入を行うために放散電界を利用する。そして、小型のチャンバー内で長期間暴露した細胞を使う非キュベットのシステムで、大量の細胞を注入処理し、それを一度に再導入して大きいバッチのプロセスを行う。
したがって、この発明は、その具体的に詳解する実施態様において、細胞、細胞集塊または組織に、生体外で(ex vivo)、LSEFN電界の平均化された電界強度と平均化された電界方向(electrical polarization)でもってLSEFN電界を掛けるステップと、LSEFNを掛けている間に、前記細胞、細胞集塊または組織の中へその系全体的に遺伝子、タンパク質または薬剤物質を注入するステップとを含んでなる、巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を送達する方法、と定義される。
その方法は、さらに、前記注入された細胞、細胞集塊または組織を、生体内で、器官または組織に送達するステップを含んでいる。
上記方法は、さらに、生体外でLSEFN電界を掛けている間に、および遺伝子、タンパク質または薬剤物質を系全体的に注入している間に、培養液を流して、細胞、細胞集塊または組織を浸すステップを含んでなる。その培養液は、細胞、細胞集塊または組織を培養するのに使用してもよい。その流れる培養液は、薬剤、タンパク質または遺伝子と容易に混合して、薬剤、タンパク質または遺伝子が細胞膜と相互に作用し合う機会が増える。
生体外でLSEFN電界を細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップは、所定のバースト繰返し数を有するパルス状DC電界(各バーストは、所定の休止期間で隔てられている)を掛けることを含んでいる。この方法の、生体外でLSEFN電界を細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップは、100V/cmより弱いLSEFN電界を掛けることを含み、好ましくは約10〜1V/cmまたはそれより弱いLSEFN電界を掛けることを含む。LSEFN電界は、数値的に決められた値に拘わらず、細胞、細胞集塊または組織に誘電発熱や生物学的損傷を起こさない大きさに選択される。
流体を流すことによって、流体の温度が実質的に一定に維持されて、LSEFN電界中で細胞、細胞集塊または組織が熱により損傷するのが回避される。
ここに具体的に詳解する、LSEFN電界を生体外で掛ける方法は、細胞、細胞集塊または組織を、間に電界が生じる少なくとも一対の電極の間のLSEFN電界に配置するステップを含んでいる。これらの電極は、その間に縁辺電界(fringing field)を提供するように配置構成され、かつ細胞、細胞集塊または組織が主として縁辺電界に暴露されて、細胞、細胞集塊または組織がLSEFN電界の平均化された電界強度および平均化された電界方向に暴露されるような距離の間隔で隔てられている。正負のグリッドを提供する対の電極のアレイを採用してもよいし、または各種電極エレメントの複数のサブアレイを各種寸法形状の配置で採用してもよい。
細胞、細胞集塊または組織は、それらを入れるチャンバー内に入れる。前記電極アレイは、そのチャンバーの壁の上にまたは中に設置され、その壁は、LSEFN電界を受ける細胞、細胞集塊または組織に十分に適合していて、平均化された電界強度と平均化された電界方向のLSEFN電界を提供する。そのLSNEFN電界は、ぼやけた(pixilated)縁辺電界を発生する複数の小電極の多重アレイを使って発生させるまたは印加される。電極の大きさは、細胞、細胞集塊または組織の大きさに対応して選択されて、その規模でLSEFN電界の実効平均電界強度と平均電界方向を提供する。
LSEFN電界の電界強度と電界方向の平均化は、一実施態様では、細胞、細胞集塊または組織を浸すために流体を流すことによって提供され、それは、細胞、細胞集塊または組織をLSEFN電界中で動かすことを含んでおり、それは、細胞、細胞集塊または組織をLSEFN電界中で並進させ回転させる。その回転は、カオス的であってもよく、LSEFN電界内で細胞、細胞集塊または組織がランダムにタンブリングすることを含んでいる。その流体の流れは、細胞、細胞集塊または組織を細胞と組織の滅菌栄養培養環境に維持しながら、前記電界内で細胞および細胞集塊を電界内で回し続け、均一に分布したLSEFNを受けさせ続ける。
この方法は、細胞、細胞集塊または組織が移動する延長された暴露経路にわたって、一回の暴露期間中に、大量の細胞、細胞集塊または組織を量産またはバッチ生産するように容易に改変されて、電界を介して処理された細胞、細胞集塊または組織の大量生産がなされる。
LSEFN電界を掛けている間に細胞、細胞集塊または組織の中へ遺伝子、タンパク質または薬剤を系全体的に注入する状況は、後の遺伝子、タンパク質または薬剤を送達のために、細胞、細胞集塊または組織の能力に関して、LSEFN電界処理中に細胞、細胞集塊または組織の変化を顕微鏡で観察し、検査し、試験して、把握する。
この発明は、さらに、上記やり方のいずれか一つによって、巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤物質を送達する装置を含む。
この発明の装置および方法は、文法的な流暢さのために作用的説明でもって記述してきたし、また記述していくが、各請求項は、米国特許法第112条でことさらに規定されていない限り、いかなる形でも「手段」または「ステップ」の限定解釈により必然的に限定して解釈されるべきでないこと、各請求項により規定される定義の意味および均等の全範囲が司法上の均等論の下に与えられるべきであること、そして各請求項が米国特許法第112条の下で明言的に規定されている場合は、米国特許法第112条の下で全法定均等物が与えられるべきであることを、まさにその旨理解されたい。ここで図面に移ることにより、この発明はよりよく思い描くことができ、そこでは同じ要素は同じ番号で参照されている。
次に、各請求項に定義されるこの発明の具体的な詳解例として提示する好適な実施態様についての以下の詳細な説明に移ることにより、この発明およびその種々の実施態様をよりよく理解することができよう。各請求項により定義される発明は、以下に記述する具体的に詳解された実施態様よりも範囲が広くあり得ると、ここで正にそのように理解されたい。
この発明の具体的に詳解された実施態様では、微弱電界強度(ultra low electric field strengths)の短いパルス幅で長いバーストパルス幅の電界を使用して、遺伝子、タンパク質および薬剤のターゲティングを行う際に利用する、大量の分離された細胞および培養された組織を生体外で電気で透過性にする方法および装置が開示されている。分離された細胞、細胞集塊および培養された組織に、遺伝子、タンパク質および薬剤を高度に効率的に送達するため微弱電界を掛けることができるように、この発明の発明者らは、遺伝子、タンパク質および薬剤の新規な送達システムの三種の異なる実施態様も設計した。しかしながら、その具体的に詳解した実施態様は、請求項の範囲内に入ることを意図している実施態様の範囲を網羅するものではないことを、篤と理解すべきである。
これらの実施態様には、分離された細胞に生体外で微弱電界を介して遺伝子、タンパク質および薬剤を送達するために微弱電界を掛ける装置11が含まれている。装置11は、図1aに平面図で、断面側面図で図1bに、一部分解斜視図で図2bに、および組立て状態の平面図で図2cに図式的に示してある。このシステムでは、電極アレイ12が、二つの対向するガス透過性でかつ透明の可撓性膜16aと16bの間に密封されている。なお、これらの膜を合わせて参照番号16で表すが、約70μm厚である。膜16は、可撓性である必要はないが、可撓性であると、装置11をその二次元的広がりを損なうことなく、よりコンパクトな容積に折り畳むかまたは形成することができる。対向する膜16aと16bは、それらの間の緩衝液中を流れる細胞をタンブルさせるのに十分な距離で隔てられているが、細胞にLSEFNを掛けるため採用される以下に考察する微弱電圧の電界に密接に暴露するのに十分短い距離をおいて配置されている。膜16は、対向する一対の可撓性側部17によって結合されて、密封された長方形フレーム15を形成している。膜16は、ポリスチレンで構成され、O2 およびCO2 に対して選択的にガス透過性である。そこに具体的に詳解された実施態様では、各膜は、厚さが約75μmであり、両方の膜の間でO2 とCO2 を効率的に交換させることができるが、細胞の環境を周囲の大気から遮断している。このことによって、成長中の細胞に最適な酸素投与を行うことができ、かつバランスのとれたpH媒体が提供される。
膜16は、図2aに分解図で最も良好に示されているように、電極のアレイ12をカプセル封入するように製作されるが、その場合、電極シート12が膜シート16aと16bの間にサンドイッチされ、次いでこれらシートが結合されて封入された電極アセンブリ13が形成される。
膜16は、好ましくは、細胞18を顕微鏡で観察できるように透明であり、そして対向する封入電極アセンブリ13の間に画成されるチャンバー20内で細胞18の培養を可能にかつ容易にするように、ガス透過性である。二つの対向する電極と膜のアセンブリ13を使って、図2bに最もよく示されているような、端部プレート22、可撓性の頂部と底部の膜パネル19および可撓性の側部パネル21で構成されている長方形プラスティックフレーム15の中に、滅菌密閉チャンバー20が形成される。フレーム15のパネル19と21は、二つの対向する端部プレート22の間でチャンバー20の直線長さの延長を可能としながら、装置11をコンパクトな三次元の形状に構成できるように、可撓性である。二本の灌流針24が、チャンバー20の対向する端部プレート22に取り付けられかつ貫通して延びていて、流体の注入および放出を可能とし、かつチャンバー20中を通る緩衝液の流れを維持している。
この発明の方法の好ましい実施態様では、大量の分離された細胞18が、一方の灌流針24を通って、培養チャンバー20の中へ注入されて、その細胞がチャンバー20に充填される。チャンバーの容量は、約10〜1000mlまたはそれより大きいが、最終用途に適合させられるように変更することができる。選択された遺伝子、タンパク質または薬剤の物質の一種もしくは複数種を含む培地または緩衝液が、約10ml/hの流量でチャンバー20を通って連続的に灌流されていて、細胞18を動かしつづけかつ膜16a、16bに付着させないで保ち、そして37℃の温度に維持されている。緩衝液の種類、緩衝液の温度、流量その他の培養パラメータは、通常の培養基準に従って、目下のLSEFN、細胞、遺伝子、タンパク質または薬剤物質の数、タイプおよび種類に応じて変更できるものである、ということをもちろん理解されたい。
この発明を実行し得る簡単な実験室の装置を図式的に図8に示す。図1aおよび1bに関連して図示し記述したようなストリップチャンバー58が、パルス発生器14に接続されて、顕微鏡62の顕微鏡ステージ60に載せられおり、LSEFNプロセス中に、顕微鏡観察を行うことができるようになっている。生産装置では、顕微鏡観察は、必要でないかもしれないし、またはストリップチャンバー58を実現するときにその性質に適合した手段で実施することもできるであろう。ストリップチャンバー58は、手で動かせるようにもできるし、またはジョイスティックその他の手段で制御される電動のステージまたは機構(図示せず)で動かせるようにもでき、その結果、どの領域でも選択して観察することができて、緩衝液の動き、緩衝液中の細胞および物質、ならびにそれらの電気穿孔の状態を確認することができる。ストリップチャンバー58を静止させておいて代わりに顕微鏡62を移動させてもよいことは、もちろん意図している。ストリップチャンバー58は、そのチャンバー58を通ってまたはその中で緩衝液が流れその内容物が移動するのを維持する灌流ポンプ64に連結されている。その緩衝液は、細胞、遺伝子、タンパク質、薬剤または培養緩衝剤溶液を、弁付きポート66を通して注入することによって、充填することができる。
最適化された電気パルスが、パルス発生器14から電極アレイ12の両側に加えられ、そのアレイは、先に図1aおよび1bに記載したように平面のアレイまたはグリッドであり、一方のアレイ12が正のDC電圧に接続され、他方が負のDC電圧に接続されている。このアレイ12の細部は、電磁気的設計原理およびストリップチャンバー58内に放散電界または縁辺電界(はみ出し電界)を提供する目的に従って選択されるスクリーンその他の配置構成としてもよい。パルス形状の最適化は、在来の原理または試行錯誤法で決めてもよい。アレイ12にそして緩衝液を跨いで加えられるLSEFNパルスは、現在知られまたは今後案出されるいかなるパルスプロフィール、繰返し数およびパルス形状を呈してもよい。使用されるパルスプロフィールは、従来のやり方の範囲内にある通常のよく知られているものであり、目下の各特定の用途向けに調節される。例えば、米国特許第6,593,130号(2003年)に開示されているどのパルスプロフィールを採用してもよく、さらに、そのパルスプロフィールは、十分に理解されている生物物理学的原理に従って、この発明の教示と矛盾せずまたはそれに適合するように変更してもよい。
電極アレイ12の対向する二つの側を隔てる距離は、具体的に詳解した実施態様では約5mmである。チャンバー20を跨いで(両端間に)加えられる電界の強度は、灌流している間、約5V/cmである。この電界強度は、従来のキュベットセッティングの場合の200〜1500V/cmよりはるかに低く、この明細書および請求項のために微弱電界強度(ultra low electrical field strength)と定義する。その処理は、僅かに約20〜60分間続ける必要がある。しかしながら、チャンバー20は、長期培養にも使用することができる。細胞18は、長期培養のために、インキュベーター内に入れることができるチャンバー20内に入っているままで、顕微鏡下で観察することができる。その処置は、必要に応じて繰り返すことができる。
図1bは、細胞18がチャンバー20内で縁辺電界または放散電界に暴露されていることを図解している。さらに、細胞18は、緩衝液とともにチャンバー20の長手軸線下流方向に流れるにつれて、タンブルしたり回転したりしして、さらに細胞膜が暴露される電界の大きさと方向の両者が平均化される。その結果、静止緩衝液の場合よりもより均一に電気穿孔されて注入された細胞または標的が得られる。
典型的なパルスプロフィールをより詳細に図7に示し、それは、約20分間の全暴露期間にわたって間隔を置いて位置する複数のパルスグループで構成されている。その暴露期間は、より長いまたはより短い全暴露期間にわたって、この発明の教示に矛盾しない要領で変更することができる。実効的な電界暴露がないまたは実質的にない約2分間の停止期間すなわち零期間56が、各パルスグループ50間に設けられている。同様に、この停止期間すなわち零期間56も、目下の用途に応じて、より長くしたりまたはより短くしたりすることができる。パルスグループ50は、図7に示されているが、図解されているように、各々15msの零電界の間隔54で隔てられている複数の5msパルスで構成されている。グループ50のバーストの時間長は、この発明の教示に従って可変であり、かつ各場合に経験的に最適化することができる。
図3a〜3bおよび図4に示す第二の実施態様では、この発明の発明者らは、細胞、および島などの細胞集塊中に、生体外で、微弱電界を介して、遺伝子、タンパク質および薬剤を送達する装置11を提供する。円柱形のまたは管形の培養チャンバー26に、図1aおよび図2bに示したのと類似の電極アレイ12が設けられており、発生器14から細胞集塊28に電界を掛けるのに使用される。図3bの断面図に最もよく示されているように、チャンバー26には、同心膜16の間に封入された電極12が設けられており、その電極12bは負端子40に接続され、そして電極12aは正端子42に接続されている。電極12aと12bは、所望のいかなる幾何学的配置で設けてもよいが、好ましい実施態様は図3bに示してあり、この場合、負電極12bと正電極12aは、チャンバー26の中へ、したがって細胞集塊28へと延びる縁辺電界を最大にするために、幾何学的に交互に配置されている。電極の数は、図式的に図3bに示してあり、電極の数とその形状は、設計上の問題であり、この発明の教示に合致した要領で多様に変更できると解さなければならない。
図4は、円柱チャンバー26が、展開されると図3aに示すように直線的な形になるが、螺旋形にコイル巻きして三次元のよりコンパクトなシステムを形成できることを、示している。図3bの垂直断面図に最もよく見られるように、チャンバーの寸法が細胞集塊自体の大きさに殆ど近づけてあるので、このチャンバー26内では、電極アレイ12は、第一の実施態様の場合より細胞集塊28に近接している。したがって、LSEFNの電圧は、さらに下げることができる。例えば、チャンバー26を跨いで約1V/cmの電界を採用することができ、この価もまた微弱電界強度の定義の範囲内に含まれる。
図5および6に示す第三の実施態様では、この発明の発明者らは、組織32中に、生体外で、微弱電界を介して、遺伝子、タンパク質および薬剤を送達する別の装置11を提供する。この実施態様では、チャンバーの大きさと形状は、各種形状の培養組織または生物工学的に処理されたスカホールド(scaffold)32に合うように改変することができる。密閉された膜16の中の二つの対向する電極アレイ12は、チャンバー30の中に、図1〜4と類似の要領で培養組織32の両側に設置されている。しかし、フレーム22の大きさと形状およびその中に画成されているチャンバー30は、処理されている組織の特定の形状に対してカスタマイズされる。例えば、皮膚移植組織または角膜の断片が処理される組織であることがあるが、その場合、フレーム22とチャンバー30は、皮膚移植組織の断片に合った輪郭を有し、その結果、低強度電界LSEFNを、灌流中に、前記断片に効果的に掛けることができる。
ここで、分離された細胞のために、この発明をどのように使って、遺伝子、タンパク質および薬剤による治療法を提供するかを検討する。リンパ球、単球、骨髄、筋芽細胞、幹細胞などの生体細胞は、いずれも人体から分離することができる。次いで、これら細胞に、微弱電界を使用して、生体外で、遺伝子、タンパク質または薬剤を送達したものを、治療を目的として、患者に全身的に(systemically)または局所的に注入または注射する。例えば、癌を治療する場合、単球を患者から分離し、次に、その細胞の中へCXCR3遺伝子を生体外で送達したものを、肺に注射して肺癌の免疫治療を行うことができる。幹細胞を移植する場合は、ある種の抗アポトーシス遺伝子を当該幹細胞に導入した後、標的器官に移植することができる。
同様に、細胞集塊のために、この発明をどのように使って、遺伝子、タンパク質および薬剤による治療法を提供するかを検討する。例えば、島細胞の集塊を移植する場合、同種異系または外因性の島細胞集塊に、拒絶反応を防止するための免疫抑制遺伝子を、生体外で送達することができる。
また、この発明は、培養組織および遺伝子工学的に処理された組織のために、遺伝子、タンパク質および薬剤による治療法を行うのに使われる。例えば、遺伝子工学的に処理された組織の場合、培養中の組織にPETレポーター遺伝子を送達することができる。
図9a、9b、9c、10aおよび10bは、この発明を予備的に使用した結果をグラフで示している。図9aは、ヒトプラスミドの構造を示す模式図である。ヒトプラスミドのIL−10cDNAは、カチオンリポソーム(Gap:DLRIE)を介して行うhIL−10遺伝子の輸送および微弱LSEFNを介して行うhIL−10遺伝子の輸送に使用される。図9bは、アデノウイルスを介して行う遺伝子の輸送に使用されるアデノウイルス・ヒトプラスミドIL−10cDNAの構造を図解する。図9cは、アデノウイルス(Adv、n=5)、リポソーム(Lip、n=5)または微弱(10V/cm)LSEFN(Ele、n=5)を介して行う、ヒト末梢リンパ球内のヒトIL−10遺伝子の試験管内(in vitro)の輸送の効率を図解する棒グラフである。この遺伝子輸送の効率を測定するため、hIL−10 mRNAのアンチセンスおよびセンスのジゴキシゲニン標識のリボプローブ(Boehringer Mannheim)を合成して、先に述べたように、パラフィン切片上に原位置でハイブリッド形成させるために使用した。この遺伝子輸送の効率は、一切片当たり、10個の高倍率顕微鏡視界(倍率、×400)でカウントした、全リンパ球中の青色染色で陽性の細胞の百分率として測定した。微弱LSEFNで仲介して行った試験管内での遺伝子輸送の効率は、リポソーム仲介による遺伝子輸送の5倍と高く、かつアデノウイルス仲介による遺伝子輸送より僅かに高かった。
図10aは、競合RT−PCR定量分析法で検出したヒトIL−10導入遺伝子発現の代表的データを示す重合せゲル図解(superimposed gel illustration)である。導入遺伝子の発現は、LSEFNなしでヒトIL−10ベクターのみで導入されたリンパ球(レーン1)にも、灌流なしの10V/cmのLSEFNでベクターを使って処理したリンパ球(レーン2)にも、検出されなかった。導入遺伝子の発現レベルは、ヒトIL−10遺伝子と10V/cmのLSEFNで処理されたリンパ球(レーン4)の方が、5V/cmのLSEFNで処理されたリンパ球(レーン3)に比べて有意に高かった。
図10bは、微弱LSEFNを介して試験管内でヒトIL−10で導入した遺伝子の、ヒトリンパ球中での発現比率に対する、電界強度の効果をプロットした棒グラフである。導入遺伝子の発現は、競合RT−PCR定量分析法で検出した。データは、IL−10/GAPDH RT−cDNAレベルの比で示してある。nは、各データ点で3〜5である。導入遺伝子の発現レベルは、10V/cmの電界強度を掛けたとき最高であった。P値は、対照(0V/cm)の値と比べて0.01より小さかった。
上記の実施例は、生体外で、遺伝子、タンパク質および薬剤を送達する治療に、低強度電界LSEFNを使用することができ、その結果、ヒトまたは動物の介入、治療および疾患の予防のために使用することができるという、非常に多くの用途を、決して網羅している訳ではない。この発明は、既存の常法を超える多くの利点または改良点を有している。この発明は、大型動物とヒトの疾患の予防と治療を行うための、遺伝子、タンパク質および薬剤のターゲティングに新しい時代を開くものである。この発明より前には、ヒトに適用できる既存の技術は全くなかった。上記に開示した微弱電圧LSEFNの技術思想と技術は、ウイルスベクターを使用せずに遺伝子を輸送する強力なツールを我々に提供してくれる。ウイルスベクターを使用することは、ウイルス中の他の遺伝物質およびそれ自体の自己複製性のために、必ずしも理想的な送達法ではないことが、その後、明らかになってきている。
多くの変更や修正が、この発明の精神および範囲を逸脱することなしに、当業者によってなしうるであろう。
したがって、ここに具体的に詳解した実施態様は、単に例示の目的で記載されたものであり、前掲の各請求項により定義される発明を限定するものと受け取ってはいけないと理解されなければならない。例えば、ある請求項の複数要素が特定の組合せで記載されているという事実に拘わらず、この発明は、より少ない要素、より多い要素、または異なる要素での他の組合せをも、たとえそのような組合せが当初請求されていなくても、ここに開示されているものは含むものであるということを、篤と理解しなければならない。
この発明およびその各種実施態様を記述するためにこの明細書で使用された語は、その一般的に定義された意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、その一般的に定義されている意味の範囲を超えた構造、材料または働きを含むと理解すべきである。したがって、一つの要素がこの明細書の文脈の中で二つ以上の意味を包含すると理解できる場合には、請求項でのその使用は、この明細書およびその語自体により裏付けられる全ての可能な意味について包括的であると理解しなければならない。
したがって、前掲の各請求項の語または要素の定義は、この明細書において、文言どおりに記載された要素の組合せだけでなく、実質的に同一の要領で実質的に同一の作用をして実質的に同一の結果を得る全ての均等な構造、材料または働きを包含するものとして、定義されている。したがって、この意味で、前掲の各請求項におけるどの一つの要素を二つ以上の要素で等価的に置換してもよいこと、または請求項における二つ以上の要素を単一の要素で置き換えてもよいことを、筆者は意図している。複数の要素が特定の組合せで働くように上述され、そのように当初請求されているかもしれないが、請求された組合せからの一つまたは複数の要素は、場合によっては、その組合せから外すことができ、また請求された組合せは部分的組合せにまたは部分的組合せの変形に向けられてもよいことを、篤と理解されたい。
当業者から見て、請求された主題からの非現実的な変更は、現在知られているものでも今後案出されるものでも、各請求項の範囲内の均等物であると意識的に意図している。したがって、当業者にとって現在知られておりまたは今後知られる自明な置換は、定義された要素の範囲内であるものと定義されている。
したがって、各請求項は、上記に具体的に図解および記述されたもの、概念的に均等なもの、自明に置き換えできるもの、およびこの発明の必須の思想を本質的に取り込んでいるものをも包含していると理解されるべきである。
11 … 送達装置
12 … 電極アレイ
13 … 電極アセンブリ
14 … パルス発生器
15 … フレーム
16 … 可撓性膜
17 … 可撓性側部
18 … 細胞
19 … 膜パネル
20 … チャンバー
21 … 側部パネル
22 … 端部プレート
24 … 灌流針
12 … 電極アレイ
13 … 電極アセンブリ
14 … パルス発生器
15 … フレーム
16 … 可撓性膜
17 … 可撓性側部
18 … 細胞
19 … 膜パネル
20 … チャンバー
21 … 側部パネル
22 … 端部プレート
24 … 灌流針
Claims (39)
- 巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を送達する方法であって、
細胞、細胞集塊または組織に、生体外で、低強度電界ネットワーキング(LSEFN)を、そのLSEFN電界の平均化された電界強度と平均化された電界方向でもって掛けるステップと、
LSEFN電界を掛けている間に、前記細胞、細胞集塊または組織の中へその系全体的に前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を注入するステップと、
を含んでなる方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
生体外でLSEFN電界を掛けている間に、および前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を系全体的に注入している間に、流体を流して前記細胞、細胞集塊または組織を浸すステップを含む
ことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法であって、さらに、
前記流体を流して前記細胞、細胞集塊または組織を培養するステップを含む
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
流体を流して前記細胞、細胞集塊または組織を培養するステップを含む
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
前記注入された細胞、細胞集塊または組織を、生体内で、器官または組織に送達するステップを含む
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップが、所定のバースト繰返し数を有するパルス状DC電界を掛けることを含んでおり、その各バーストが所定の休止期間で隔てられている
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップが、100V/cmより弱いLSEFN電界を掛けることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップが、約10V/cm以下のLSEFN電界を掛けることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップが、約1V/cm以下のLSEFN電界を掛けることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップが、前記細胞、細胞集塊または組織に、誘電発熱と生体損傷を起こす決まった値より弱いLSEFN電界を掛けることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップが、間にLSEFN電界が生じる少なくとも一対の電極の間のLSEFN電界に前記細胞、細胞集塊または組織を配置することを含んでおり、それら電極は、その間に縁辺電界を提供するように配置構成され、かつ前記細胞、細胞集塊または組織が前記縁辺電界に主として暴露されて、前記細胞、細胞集塊または組織が前記LSEFN電界の平均化された電界強度と平均化された電界方向に暴露されるような距離をおいて隔てられている
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
生体外でLSEFN電界を前記細胞、細胞集塊または組織に掛けるステップは、前記LSEFN電界を発生する電極アレイが中にまたは上に配置されている壁であってLSEFN電界を受ける前記細胞、細胞集塊または組織に十分適合している壁を有するチャンバー内に前記細胞、細胞集塊または組織を入れることを含んでおり、それにより前記LSEFN電界の平均化された電界強度と平均化された電界方向を提供する
ことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法において、
流体を流して前記細胞、細胞集塊または組織を浸すステップが、前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSEFN電界内で動かすことを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において,
前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSNEFN電界内で動かすことが、前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSEFN電界内で回すことを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項14に記載の方法において、
前記細胞、細胞集塊または組織を電界内で回すことが、前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSEFN電界内でタンブルさせることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法において、
流体を流して前記細胞、細胞集塊または組織を浸すステップが、前記流体の温度を実質的に一定に保持して、前記細胞、細胞集塊または組織が前記LSEFN電界中で、熱によって損傷するのを避けるステップをさらに含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記細胞、細胞集塊または組織に、生体外で、LSEFN電界を、そのLSEFN電界の平均化された電界強度と平均化された電界方向でもって掛けるステップが、複数の小電極の多重アレイを使用して前記LSEFN電界を掛け、ぼやけた縁辺電界を発生させることを含んでいる
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記細胞、細胞集塊または組織に前記LSEFN電界を掛けるステップが、一バッチの多数の細胞、細胞集塊または組織に、それら細胞、細胞集塊または組織が移動する延長された暴露経路にわたって、一回の暴露期間中に、前記LSEFN電界を掛けて、前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を系全体的に注入することを含んでなり、その結果、仲介された細胞、細胞集塊または組織の大量生産がなされる
ことを特徴とする方法。 - 巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を送達する方法であって、
細胞、細胞集塊または組織に十分適合したガス透過性の組織培養チャンバーの中に、細胞、細胞集塊または組織を入れて、それに生体外で動的LSEFN電界を掛けるステップと、
LSEFN電界を掛けている間に、前記細胞、細胞集塊または組織の中へその系全体的に前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を注入するのを顕微鏡で観察するステップと、
を含んでなる方法。 - 巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を送達する方法であって、
細胞、細胞集塊または組織に十分適合したガス透過性の組織培養チャンバーの中に、細胞、細胞集塊または組織を入れて、それに生体外で動的LSEFN電界を掛けるステップと、
LSEFN電界を掛けている間に、前記細胞、細胞集塊または組織の中へその系全体的に前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を注入するステップと、
LSEFN電界を掛けている間に、その後の遺伝子、タンパク質または薬剤の送達のために、前記細胞、細胞集塊または組織の能力に関して、前記細胞、細胞集塊または組織の変化を顕微鏡で観察、検査または試験するステップと、
を含んでなる方法。 - 巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を送達する装置であって、
暴露容積に平均化された電界強度と平均化された電界方向を提供するLSEFN電界の提供源と、
LSEFN電界を掛けている間に、細胞、細胞集塊または組織の中へその系全体的に遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を注入する注入源と、
を備えてなる装置。 - 請求項21に記載の装置であって、さらに、
生体外でLSEFN電界を掛け、かつ前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を系全体的に注入している間に、前記細胞、細胞集塊または組織を中で処理する流動流体の浴を備えてなる
ことを特徴とする装置。 - 請求項22に記載の装置において、
前記浴が培養浴である
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、所定のバースト繰返し数を有しかつ各バーストが所定の休止期間で隔てられているパルス状DC電界の提供源を含んでいる
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、50W/cmより弱いLSEFN電界を発生する提供源を含んでいる
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、約10V/cm以下のLSEFN電界を発生する提供源を含んでいる
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、約1V/cm以下のLSEFN電界を発生する提供源を含んでいる
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、前記細胞、細胞集塊または組織に誘電発熱および生体損傷を起こす決まった値より低い弱いLSEFN電界を発生する提供源を含んでいる
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、電界を掛ける少なくとも一対の電極を有し、それら電極は、その間に縁辺電界を提供するように配置構成され、かつ前記細胞、細胞集塊または組織が主として前記縁辺電界に暴露されて、前記LSEFN電界の平均化された電界強度および平均化された電界方向に暴露されるような距離をおいて隔てられている
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、電極アレイ、および前記LSEFN電界を発生する電極アレイが中にまたは上に配置されている壁であってLSEFNを受ける前記細胞、細胞集塊または組織に十分適合している壁を有するチャンバーを含んでおり、それにより前記LSEFN電界の平均化された電界強度と平均化された電界方向を提供する
ことを特徴とする装置。 - 請求項22に記載の装置において、
前記浴が、流動流体を提供して、前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSEFN電界内で動かす
ことを特徴とする装置。 - 請求項31に記載の装置において、
前記浴が、流動流体を提供して、前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSEFN電界内で回す
ことを特徴とする装置。 - 請求項32に記載の装置において、
前記浴が、流動流体を提供して、前記細胞、細胞集塊または組織を前記LSEFN電界内でタンブルさせる
ことを特徴とする装置。 - 請求項22に記載の装置において、
前記浴が、流動流体を提供して、その流体の温度を実質的に一定に維持して前記細胞、細胞集塊または組織が前記LSEFN電界内で熱によって損傷するのを回避する
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
前記LSEFN電界の提供源が、ぼやけた縁辺電界を発生する複数の小電極からなる多重アレイを含んでいる
ことを特徴とする装置。 - 請求項21に記載の装置において、
LSEFN電界の前記提供源および系全体的に注入する前記注入源が、前記細胞、細胞集塊または組織が移動する延長された暴露経路にわたって、一回の暴露期間中に、一バッチの多数の細胞、細胞集塊または組織を収容するように配置構成されており、その結果、仲介された細胞、細胞集塊または組織の大量生産がなされる
ことを特徴とする装置。 - 請求項36に記載の装置において、
前記提供源および供給源は、延長された暴露経路を提供するものでありながら、小容積に折りたたまれるものである
ことを特徴とする装置。 - 巨視的量の細胞、細胞集塊または組織に、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を送達する装置であって、
細胞、細胞集塊または組織に生体外で暴露するための動的微弱電界電気穿孔を行う電界提供源と、
LSEFN電界を掛けている間に、前記細胞、細胞集塊または組織の中へその系全体的に前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を注入する手段と、
前記細胞、細胞集塊または組織に十分適合しているガス透過性の組織培養チャンバーと、
LSEFN電界を掛けている間に、前記細胞、細胞集塊または組織の中へ系全体的に前記遺伝子、タンパク質または薬剤の物質が注入されていることを確認する顕微鏡と、
を備えてなる装置。 - 請求項38に記載の装置において、
動的微弱電界穿孔を行う電界供給源が、弱電界LSEFNパルスの発生器およびその発生器に連結された対向電極のアレイを有し、
前記ガス透過性の組織培養チャンバーが、LSEFNを規定する対向電極のアレイを封入する膜で形成された壁を有するチャンバー、および前記アレイの前記対向電極の間に画成された注入チャンバーを有し、前記注入チャンバーは、膜で封入された対向電極のアレイの間に前記細胞、細胞集塊または組織が十分に入る形状と大きさを有し、その電極アレイの両端にLSEFNパルスが、遺伝子、タンパク質または薬剤の物質を所定の期間そのチャンバーを通して流しながら、加えられ、そして
さらに、この装置は、前記ガス透過性組織培養チャンバーに連通された、密閉された滅菌されかつ温度制御されている循環培養緩衝液潅流システムを備えてなり、そのシステムにより、前記細胞、細胞集塊および組織を滅菌した栄養性の細胞および細胞集塊の培養環境中に維持しながら、前記細胞および細胞集塊を前記電界中で回し続けかつ均一に分布したLSEFNを受けさせ続ける
ことを特徴とする装置。
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