JP2009504346A - 組織内での動作のための超広帯域アンテナ - Google Patents
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Abstract
Description
別の好適な実施形態では、システムまたは装置は、例えばパラボラアンテナを使用して遠い距離でエネルギーを放出する。
好適な実施形態では、パルス持続時間は1ナノ秒未満である。電場は1.5MV/cmほど高い場合がある。
(定義)
本発明に従って、及び本願で使用されているように、以下の用語は、明示的に別段の定めをした場合を除き以下の意味で定義される。
(装置/システム)
細胞内電子操作は、10nsのパルスがシングルショット操作とマルチショット操作に適用されるときに、ほぼ10kV/cmから300kV/cmの電場を必要とする。電場強度の範囲が、影響の範囲を反映する。つまり、低電場の場合、カルシウム放出に基づく非致命的な影響を観測し、高電場の場合は、アポトーシスが達成された。これはシングルショット操作のケースである。10nsでのマルチショット操作の場合、アポトーシスが依然として観察される状態で、電場は100kV/cm未満の値まで削減できるであろう。電場に加えて、パルス持続時間も重要な役割を果たす。実験結果に基づき、細胞内影響はパルス持続時間と電場強度の積に対応すると考えられる。つまり、パルス持続時間の減少は、電場の増強によって補償される必要がある。1nsのパルスの場合、マルチショット状態を仮定すると、アポトーシスは1MV/cmに近い電場を必要とするであろう。例えば、(同様に血小板活性化、神経性刺激等の多くの副次的硬化を有するであろう)カルシウム放出のような非致命的な影響の場合、必要とされる電場はさらに低くなるであろうが、おそらく依然として数百kV/cmの範囲内にあるであろう。これらの推定値は、生物学的効果が原形質膜とオルガネラ膜の電気的な充電によって決定されるという仮定に基づいている。しかしながら、細胞構造及び機能とのパルス電場相互作用の新しい領域は、膜充電がわずかになるような値までパルス持続時間が、削減されるときに開ける。哺乳類の細胞の場合、これは1ナノ秒以下のパルス持続時間、持続する。エレクトロポレーションにつながる膜充電の代わりに、またはナノポレーションまでの超短パルスのケースでは、細胞の多様な部分との複素誘電率により決定される強度での直接的な電場相互作用が支配する。電場−細胞の相互作用という新しい領域に入ることに加えて、この新しい手法は、最終的には侵襲性の電極送達のない、代わりにアンテナを使用するパルス電場の適用を可能にする。
好適な実施形態では、本発明は、高圧(最高2MV)nsパルス発生器と、二重同軸アンテナを設計し、構築することと、2つの同軸電波の間の位相シフトに応じて組織内での電場の分布をモデル化することと、カー効果を使用して水中での電場の分布を測定することとを備える。
(用途)
好適な実施形態では、癌を患っている患者は本発明の装置を用いて治療される。装置は電場パルス発生器を備え、及び/または電気パルスラジエータ(エミッタ)は電極、アンテナ、ケーブル、同軸ケーブル、プレート、及び放射フィンを備える。全身治療のため、患者はMRI等に類似したシリンダの中で電場にさらされる。場は、リフレクタ及び/または集束レンズを使用して患者が充実性腫瘍を有する特定の領域で集中できるまたは焦点を合わせることができる。電気パルスの広い視野の分散は、要すれば集束レンズと組み合わされる、パラボラリフレクタ及びまたはパラボラリフレクタと楕円リフレクタの組み合わせを使用して達成される。
別の好適な実施形態では、装置は、ホルモンの不均衡を調整するため、代謝性障害の治療、神経伝達物質の放出、痛みの治療等のために電場を発生させる。電場パルスは、例えば、多くの細胞機能を調整することが知られているカルシウム放出に影響を及ぼすと見られてきた。
以下の例は制限としてではなく、例として提供されている。特定の例が示されてきたが、前記説明は例示的であり、制限的ではない。前述された実施形態の特長の任意の1つまたは複数は、本発明の任意の他の実施形態の1つまたは複数の特長と何らかの方法で結合可能である。さらに、本発明の多くの変形は明細書を検討すると当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明の範囲は、前記説明に関してではなく決定されるべきであるが、代わりに同等物のその完全な範囲とともに添付請求項を参照して決定されるべきである。(前記説明に関してではなく、代わりに同等物のその完全な範囲とともに添付請求項を参照して決定されるべきである)。
非常に短いパルスの場合、媒質の抵抗特性よりむしろ誘電特性が電場の分布を決定する。その結果、単一胴式の細胞のための同等な回路は誘電特性だけで決定される。細胞質インピーダンスにおける抵抗期間が容量性期間に比較して無視できるという条件は、パルス持続時間が細胞質の誘電緩和時間に比較して(εcp/σcp)短いことを必要とする。表1に示されているデータに基づいて、これは、パルス持続時間がほぼ1ナノ秒である、あるいは1ナノ秒未満である場合にだけ当てはまる。その結果、細胞の多様な部分の電場は、電束密度の連続性によって定められる。相対的な誘電率が8である膜の場合、膜の電場は、80という誘電率を有する隣接する細胞質内の電場よりも10倍高い。次に電場は、膜の充電を引き起こすよりむしろ、直接的に分子に作用し、十分に強力な場合、電圧ゲート制御等の直接的且つ瞬時の構造変化を引き起こすことがある。
システムは350kVの振幅の0.8nsの電圧パルスを50Ωの負荷の中に発生できる。高インピーダンス負荷で測定される電圧は700kVという値に達する。4.25mmという隙間距離の場合、これは1.5MV/cmという電場に相当する。電圧と電流のパルス形状は図6に示されている。この極端に大きな場にも関わらず、電気的破壊は観測されなかった。これは、水用の破壊電界がピン−プレート電極構成でこれらの値に達した、200nsと400nsのパルスで得られた結果に一致している。パルス持続時間が、水の破壊実験で使用されたものと比較して2桁、削減された状態では、サブナノ秒範囲内の複数MV/cm場でさえ破壊につながらない。
細胞内の電子操作は、10nsのパルスがシングルショット操作に適用されるときにほぼ10kV/cmから300kV/cmの電場を必要とする。電場強度の範囲は、効果の範囲を反映する。つまり低電場の場合、発明者らはカルシウム放出に基づいた非致命的な影響を観測し、高電場の場合、アポトーシスが達成された。これはシングルショット操作のケースである。10nsでのマルチショットの動作では、アポトーシスが依然として観測される状態で、電場は100kV/cm未満の値に削減できるであろう。電場に加えて、パルス持続時間が重要な役割を果たす。実験の結果に基づき、細胞内の影響はパルス持続時間と電場強度の積に対応すると考えられる。つまり、パルス持続時間の減少は電場の増強で補償される必要がある。1nsパルスの場合、マルチショット状態を仮定すると、アポトーシスは1MV/cmに近い電場を必要とするであろう。例えば(同様に血小板活性化、神経性刺激等の多くの副次的効果を有するであろう)カルシウム放出のような非致命的な影響の場合、必要とされる電場はさらに低くなるであろうが、おそらく依然として数百kV/cmの範囲内にあるであろう。
200kVの1nsのパルサがすでに入手可能である。同じMarx−bank概念は、さらに高電圧のシステムを構築するために使用される。重畳原則を使用するために、必要とされる場合に最高の場を達成するために2つの電波が位相シフトできる、二重同軸アンテナが使用できる。既存のコード「MAGIC(登録商標)」を使用するモデル化の結果は、この手法が成功したことを示す。組織の電気特性に似た水中での電場分布の測定はカー効果によって実行される。マッハツェンダー干渉計が利用可能であり、排水を評価する際に試験されてきた。
実施例3:ナノ秒パルス電場により黒色腫が自滅する
複数の異なる種類の癌治療で電場が利用されてきた。これらのいくつかは、温熱療法を介して腫瘍を43℃以上に加熱し、細胞を殺す高周波装置またはマイクロ波装置を必要とする。他は、腫瘍細胞を透過化し、毒性のある薬またはDNAの導入を可能にするためにパルス電場を使用する。発明者らは、超短波電気パルスが温熱療法または薬物を使用せずに腫瘍を殺す純粋に電気的な癌治療として使用できることを発見した。この実験室の以前の研究から、10個の300nsのパルスで、インビボで治療された線維肉腫の腫瘍が同じ動物内の対照腫瘍に比較して削減された成長率を示したことがわかっている(S.J.Beebeら、プラズマ科学に関するIEEE会議記録(2002年)286から292)。ここで、発明者らは、黒色腫腫瘍が4百個のこれらのパルスで治療されると、腫瘍が2週間以内に90%縮小し、その後の治療が完全な寛解を生じさせることがあることを報告する。
(他の実施形態)
本発明がその詳細な説明とともに説明されてきたが、前記説明は、添付請求項の範囲により明示される本発明の範囲を示すことを目的とし、本発明の範囲を制限することを目的としていないことが理解されるべきである。他の態様、優位点及び変型は、以下の請求項の範囲内にある。
参照
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Claims (34)
- 電場パルス発生器と、
電気パルスラジエータと、
電磁波のための集束リフレクタまたは集束レンズとを備える装置。 - 前記電場パルス発生器及び電気パルスラジエータ(エミッタ)の少なくとも一方が、電極、アンテナ、ケーブル、同軸ケーブル、プレート、及び放熱フィンを備える請求項1に記載の装置。
- 前記アンテナが楕円リフレクタを備える請求項2に記載の装置。
- 前記アンテナがパラボラリフレクタを備える請求項2に記載の装置。
- 前記アンテナが集束レンズを備える請求項2に記載の装置。
- 前記電気パルス発生器が、約0.1ピコ秒の電圧パルスの間で、最高900ナノ秒(ns)の電圧パルスを発生させる請求項1に記載の装置。
- 前記電場発生器が最高5MV/cmの電場を発生させる請求項1に記載の装置。
- 前記電場発生器が最高10MV/cmの電場を発生させる請求項1に記載の装置。
- 前記電場発生器が10kV/cmから800kV/cmの電場を発生させる請求項1に記載の装置。
- 前記電気パルス発生器が、1ナノ秒(ns)未満または1ナノ秒(ns)に等しいパルス持続時間、つまり1MV未満または1MVに等しい電圧を生じさせる請求項1に記載の装置。
- 振幅が約10kVから1MV、及びパルス持続時間(半期)が約10psから5nsの単極性パルス、両極性パルス、及び発振高電圧パルスが発生する請求項1に記載の装置。
- 前記電気パルスのエネルギーが細胞培養、組織及び器官(楕円アンテナ)の中の明確な体積の中に、あるいは大きな距離(パラボラアンテナ)に集束される請求項1に記載の装置。
- 前記電気エネルギーが、単一同軸ケーブルまたは複数同軸ケーブル、あるいは他の導波管を通して組織内のターゲットに送達される請求項1に記載の装置。
- 前記超短パルスにさらされる細胞を備える1つまたは複数のレセプタクル、
絶縁体、
同軸ケーブル、
超広帯域暴露細胞、
電流プローブ、
コンデンサ型分圧器、
オシロスコープとトリガとを備えるスクリーンルーム、
加圧された格納容器の中に約20から30段のあるMarx−Bank、
パルス形成回路網、および
テールカットスイッチをさらに備える請求項1に記載の装置。 - 細胞及び組織の中でアポトーシスを引き起こす方法であって、
前記細胞または組織を電場にさらす工程と、
前記電場を、治療を必要とする細胞または組織に集束させる工程と、
細胞及び組織内でアポトーシスを引き起こす工程とを備える方法。 - 前記電場が異常細胞または組織の上に集束され、正常な細胞に影響を及ぼさない請求項15に記載の方法。
- 前記電場がアンテナ、電極、ケーブル、同軸ケーブル、プレート、平行平板、針、及び放熱フィンによって集束される請求項15に記載の方法。
- 前記電場がアンテナ及びリフレクタまたはレンズで集束される請求項15に記載の方法。
- 前記細胞が少なくとも約10個のパルスから約10000個のパルスに、少なくとも1日に1度さらされる請求項15に記載の方法。
- 癌を患う患者を治療する方法であって、
前記患者を電場にさらす工程と、
前記電場を、癌細胞または癌細胞を備える組織の上に集束させる工程と、
癌を患う患者を治療する工程とを備える方法。 - 前記電場が異常細胞または異常細胞を備える組織の上に集束され、正常な細胞に影響を及ぼさない請求項20に記載の方法。
- 前記電場がアンテナ、電極、ケーブル、同軸ケーブル、プレート、平行平板、針及び放熱フィンによって集束される請求項20に記載の方法。
- 前記電場がアンテナ及びリフレクタまたはレンズで集束される請求項20に記載の方法。
- 前記癌細胞または癌を備える組織が、少なくとも約10個から約10000個のパルスに、少なくとも1日に1度さらされる請求項20に記載の方法。
- 感染性の病原体に感染している細胞及び組織を治療する方法であって、
前記細胞または組織を電場にさらす工程と、
治療を必要とする細胞または組織の上に該電場を集束させる工程と、
感染性の病原体に感染している細胞及び組織を治療する工程とを備える方法。 - 前記電場が異常細胞または組織の上に集束され、正常な細胞に影響を及ぼさない請求項25に記載の方法。
- 前記電場が、アンテナ、電極、ケーブル、同軸ケーブル、プレート、平行平板、針及び放熱フィンによって集束される請求項25に記載の方法。
- 前記電場がアンテナ及びリフレクタによって集束される請求項25に記載の方法。
- 前記細胞が少なくとも約50個から約1000個のパルスに、少なくとも1日に1度さらされる請求項25に記載の方法。
- 細胞内でカルシウム放出を引き起こす方法であって、
前記細胞または組織を電場にさらす工程と、
前記電場を、治療を必要とする細胞または組織に集束させる工程と、
細胞内でカルシウム放出を引き起こす工程とを備える方法。 - 細胞の構造及び機能を改良する方法であって、
前記細胞または組織を電場にさらす工程と、
前記電場を、治療を必要とする細胞または組織に集束させる工程と、
細胞構造及び機能を改良する工程とを備える方法。 - 前記細胞構造が細胞内及び細胞外である請求項31に記載の方法。
- 前記細胞構造が、ミトコンドリア、小胞体、細胞核、核小体、ゴルジ体、DNA、RNA、メッセンジャーRNA、蛋白質、DNA−蛋白質相互作用、RNA−蛋白質相互作用、蛋白質間相互作用、アミノ酸、脂質、脂質ラフト、膜受容体及びイオンチャネルを備える請求項31に記載の方法。
- 前記細胞の機能が、新陳代謝、転写、翻訳、遺伝子発現、分泌、神経伝達物質放出、イオンチャネル開閉、アポトーシス、細胞周期の調節、二次メッセージャー生成、酵素活性、活性酸素種産生、酸化反応/還元反応を備える請求項31に記載の方法。
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