JP2010504706A

JP2010504706A - 抵抗によるパルス変調

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Publication number: JP2010504706A
Application number: JP2009529387A
Authority: JP
Inventors: ダブリュ．ラグスデイル，チャールズ
Original assignee: バイオ−ラッドラボラトリーズ，インコーポレイティド
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: WO2008036800A3; EP2064794A4; US7750605B2; WO2008036800A2; JP4838359B2; US20080106238A1; CA2663155A1; CA2663155C; EP2064794A2

Abstract

電気信号をサンプル負荷に送信するためのシステムおよび方法、装置が提供される。コンデンサで生成される電気信号は、サンプル負荷と並列に接続される可変抵抗装置に送信される制御信号を介して制御させる。可変抵抗装置は、抵抗とスイッチを直列に有する。制御信号は、そのスイッチを開閉し、そのことによりスイッチが閉じている時間に基づいて可変抵抗値が供給される。

Description

本発明は、電気信号の制御に関する。より詳細には、エレクトロポレーション・システムにおける電気パルスの形状を制御するシステムおよび方法に関する。

短い期間、一時的に細胞などの生体分子を強い電界にさらすことによって、細胞膜が破壊されることは公知である。この効果は、膜を貫通した電位により引き起こされる絶縁破壊として説明されていて、「エレクトロポレーション」と呼ばれている。エレクトロポレーションを使用する医療のなかに、モノクーロン性の抗体の生産および細胞間融合、細胞組織融合、膜タンパクの挿入、形質転換がある。

細胞または組織は、１パルス以上の直流パルスを与えることにより電界にさらされる。これらのパルスは、一時的な膜不安定化をもたらすが、最小の細胞毒性しか伴わない電気的処置において与えられる。一般的には電気的処置の強度は、印加された電界の電界強度という用語で表される。この電界強度は、電極に印加する電圧を電極間の距離で除したものとして定義される。エレクトロポレーションに使用する電界強度は、通常１０００〜５０００V/cmである。

効率的にエレクトロポレーションを行うためには、電気パルスの形状、例えば時定数を制御する必要がある。例えば、エレクトロポレーション自体は、パルス電圧および継続時間などのパラメータの狭い範囲内で発生し、ここで、パラメータは、感電死とエレクトロポレーションが全くないか、あってもわずかなものとの間の狭い範囲によって示される。継続時間が長過ぎるパルスや電界強度が高過ぎるパルスを使用すると、細胞は、溶解（破壊）してしまう。パルスの継続時間や電界強度が小さ過ぎると、エレクトロポレーション効果は、喪失する。さらに問題なことに、最適な電圧および時定数は、細胞の種類によって異なる。傷つきやすく核酸を導入することが難しい細胞の研究にエレクトロポレーションを使用することにおいて今日強調すべきことは、エレクトロポレーション状態の制御が特に重要であるということである。

エレクトロポレーションのパラメータを選択する際の問題の１つは、エレクトロポレータが課される負荷のなかで、サンプル自体（細胞プラス緩衝剤）が重要な要因であり、また、サンプルが広範囲の抵抗値を有し得ることである。所望の形状を提供するために、コンデンサ（電荷を蓄えてサンプルに与えるために使用する）を選択することにより、時定数を決定することができる。並列抵抗はまた、スイッチを切り替えて、調節の精度を補間できる。しかしながら、切り替え可能な高電圧電力抵抗は、大きくて値段が高い。加えて、抵抗やスイッチ素子の数を減らして達成できる調整の精度は、未だにかなり粗い。

それ故に、より効果的かつ連続的に電気信号の形状を制御するシステムおよび方法の提供が望まれている。

したがって、本発明は、サンプル負荷に送信する電気信号を制御するシステムおよび方法、回路を提供する。コンデンサで生成する電気信号は、サンプル負荷と並列に接続している可変抵抗装置に送信される制御信号を介して制御される。一態様では、可変抵抗装置は、直列に抵抗とスイッチとを含む。制御信号は、スイッチを開閉して、スイッチが閉になる時間に基づき可変抵抗値を提供する。

可変抵抗装置は、電気信号の期間に、一定の抵抗値を有することができる。すなわち、ある期間に亘りスイッチを閉にする時間を一定にする。また、抵抗値は、電気信号の時間周期に亘り変化させることもできる。例えば、制御信号がパルス幅が変調された信号である実施形態では、デューティサイクルは、電気信号の期間中、一定にすることもでき、変化することもできる。

可変抵抗装置の抵抗は、抵抗の組合せにできる。抵抗とスイッチの他の組合せと同様に、抵抗やスイッチをサンプル負荷と並列に挿入することもできる。抵抗とスイッチの全ての組合せは、同じ制御信号を使用でき、異なる制御信号を使用できる。一実施形態では、スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどのトランジスタである。

本明細書において、電気信号は、方形波や正弦波、三角波、指数関数的に減衰するパルスといった種々の波形形状を各々が有することができる信号およびパルスなどの周期的信号または非周期的信号にできる。一実施形態では、制御信号で調整可能な時定数τを有する電気的な指数関数的に減衰するパルスが、サンプル負荷に与えられる。

図面および特許請求の範囲、付属書類を含む本明細書の他の部分を参照すると、本発明の他の特徴および利点が理解される。さらに本発明の特徴および利点は、本発明の各種の実施形態の構造および動作とともに、添付した図面に関して以下に詳細に述べられる。図面において、同種の参照番号は、同一または機能的に類似な要素を示す。

本発明の実施形態における可変抵抗装置を有するシステムを示す図である。本発明の実施形態における可変抵抗装置を示す図である。本発明の実施形態における制御可能な電子信号を提供する回路を示す図である。本発明の実施形態におけるサンプル負荷に送信する電子信号を制御する方法を示す図である。本発明の実施形態における可変抵抗装置を有するシステムを示す図である。

本発明は、サンプル負荷に送信する電気信号を制御するシステムおよび方法、回路を提供する。実施形態では、コンデンサを利用して、サンプル負荷と接続した可変抵抗装置により制御される電気信号を生成する。実施形態は、エレクトロポレーションにおいて電気信号を生成することを対象としているが、当業者であれば、本実施形態は、電源供給や関数発生器などのコンデンサ本来の性質を有する任意のシステムで使用ことが分かるであろう。

図１は、本発明の実施形態におけるシステム１００を示す図である。システム１００は、サンプル負荷１２０用の電気信号を生成する。充電回路１０５は、コンデンサ１１０と接続して、高電圧（ＨＶ）スイッチなどのスイッチ１１５が開いたときにコンデンサ１１０を充電する。一態様では、充電回路１０５は、電力供給措置などの定電力源である。ＨＶスイッチ１１５は、コンデンサ１１０と、サンプル負荷Ｒ_Ｓ１２０およびＲ_Ｓと並列接続されている可変抵抗Ｒ_Ｖ１２５とを接続する。

充電回路１０５がコンデンサ１１０を所望の電圧に充電するとすぐに、ＨＶスイッチ１１５は、閉じる。ＨＶスイッチ１１５は、パルスの数および持続時間、バーストなどのパラメータをプログラムできる駆動装置とすることもできる。このときに、電気信号は、Ｒ_Ｓ１２０およびＲ_Ｖ１２５に送信される。一態様では、電気信号は、指数関数的に減衰するパルスまたは先端を切り取った指数関数的に減衰するパルス、右肩下がりの方形波信号である。

Ｒ_Ｖ１２５の抵抗値を調整して、電気信号を制御できる。例えば、指数関数的に減衰するパルスでは、Ｒ_Ｖ１２５の抵抗値は、所望の時定数τ＝ＣＲと所望のパルス持続時間とが実質的に等しくなるように自動的に決定してもよい。ここで、Ｒ＝(Ｒ_Ｓ×Ｒ_Ｖ)/(Ｒ_Ｓ＋Ｒ_Ｖ)であり、Ｃはコンデンサ１１０の容量である。

一実施形態では、システム１００は、エレクトロポレータ・システムである。この実施形態では、時定数は、特に細胞などの生体分子に基づいて選択される。細胞は、傷つきやすく核酸を導入し難いが、正確に制御された時定数により、エレクトロポレーションを成功させることができる。

図２は、本発明の実施形態における可変抵抗装置２００を示す図である。抵抗２１０は、スイッチ２２０と接続する１つの端子を有し、スイッチ２２０は、スイッチ駆動装置２４０により制御される。一態様では、抵抗２３０は、スイッチ駆動装置２４０とスイッチ２２０との間に接続されて、安定度を高める。抵抗２２０は、当業者が知っているように、１つの抵抗または任意の組合せの多抵抗から構成することができる。

素子２００の一端２０１は、他端２０９よりも高い電位にある。したがって、電流は、スイッチ２２０が閉じたときに上部から下部へ流れる。しかしながら、スイッチ２２０が開いているときは、電流は流れない。スイッチ駆動装置２４０は１つ以上の制御信号をスイッチ２２０に送信して、スイッチ２２０の開閉を制御する。電流が抵抗２１０を流れるときを制御することにより、抵抗２１０の実効抵抗を制御できる。

例えば、抵抗２１０が、ハイスループットなエレクトロポレーションに一般的に理想的な抵抗である５０オームであるとすると、デューティサイクル１００％では、５０オームの抵抗値となる。デューティサイクル１００％では、スイッチ２２０が常に閉じていることになり、また、抵抗２１０は、連続的にスイッチが入っている。しかしながら、時間の１０パーセント、抵抗２１０をスイッチで入れるデューティサイクル１０％では、１０×５０＝５００オームの抵抗になる。実効抵抗における一般の公式では、１００／（デューティサイクルの百分率）×（実際の抵抗値）となる。抵抗の接続を制御するスイッチ素子は、オンかオフなので、素子の損失は小さい上にアナログ制御素子の機能を果たす必要がない。

一実施形態では、スイッチ駆動装置２４０からの制御信号は、パルス幅を調整される。一態様では、スイッチ２２０は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの適当なトランジスタである。抵抗２３０は、トランジスタのゲートと接続できる。他の態様では、スイッチ２２０は、シリコン制御整流器である。

図３は、本発明の実施形態における回路３００を示す図である。回路３００は、可変抵抗装置３２５を用いてコンデンサ３００からの電気信号を制御する。一態様では、装置２００が装置３２５として使用される。コンデンサ３１０は、お互いに直列または／および並列などの任意の適切な配置の多コンデンサからなる。

一実施形態では、電気信号は、指数関数的に減衰するパルスであり、スイッチ３３５のデューティサイクルは、所望の時定数を実現するように調整される。例えば、時定数を７ｍｓｅｃにするときの、装置３２５に必要な抵抗値を算出できる。Ｃ＝５０ｕＦとすると、合成抵抗Ｒ＝７ｍｓｅｃ／５０ｕＦ＝１４０Ωとなる。Ｒ_Ｓを２００Ωとすると、Ｒ_Ｖは４６７Ωとなる。抵抗３３０の抵抗値５０Ωから４６７Ωを得るためには、（デューティサイクル）＝１００×５０／４６７となり、デューティサイクルは１０．７％となる。

他の実施形態では、スイッチ駆動装置５４５からの制御信号のデューティサイクルは、時間と共に変化する。例えば、デューティサイクルは、電気信号の開始時点でより小さくして、電気パルスの電圧が、比較的遅い割合で低下または減少するようにできる。ある時間が経過したのちに、抵抗３３０を流れる電流を増加するようにデューティサイクルを増加して、電気パルスの電圧低下の割合を増加することができる。あるデューティサイクルを変えた種々の組合せがなされて、種々の形状の波形および信号、パルスが得られる。

図４は、本発明の実施形態におけるサンプル負荷に送信する電子信号を制御する方法を示す図である。ステップ４１０において、コンデンサは、電力供給装置などの充電回路から充電される。ステップ４２０において、コンデンサは、サンプル負荷および素子３２５のような可変抵抗装置と接続される。この接続は、ＨＶスイッチで行う。

ステップ４３０において、電気信号は、コンデンサからサンプルおよび可変抵抗装置に送信される。一態様では、電気信号は、任意の波形形状のものであり、その形状は、少なくとも部分的にはＨＶスイッチにより決定される。ステップ４４０において、電気信号は、可変抵抗装置の抵抗値を決定する制御信号により制御される。一態様では、制御信号が可変抵抗の抵抗値を高くするほど、電気信号の電圧の低下が遅くなる。

図５は、本発明の実施形態におけるシステム５００を示す図である。充電回路５０５は、コンデンサ５１０の電圧を監視することができるコンピュータシステム５５０から指示を受ける。この指示には、コンデンサ５１０を充電し続けるか否かについての指示、またはどのレベルにコンデンサ５１０を充電するかについての指示を含むことができる。一実施形態では、コンデンサ５１０の電圧が十分な値に達したときに、コンピュータシステム５５０は、ＨＶ駆動装置５１５に対してコンデンサ５１０と負荷サンプルＲ_Ｓ５２０および可変抵抗装置５２５とを接続するように信号を送る。コンピュータシステム５５０は、１つ以上のプロセッサおよび、ＲＡＭなどの記憶装置、ユーザーインターフェイス、ＣＤやＤＶＤなどの外部記憶素子と接続する結合ポートを有することができる。

可変抵抗装置５２５は、２つのＩＧＢＴトランジスタのような２つのスイッチ５３５ａおよび５３５ｂを有する。各スイッチ５３５はそれぞれ、エレクトロポレータの出力にすることができる、直列接続されたパワートランジスタ５３０ａと５３０ｂの対を駆動する。一実施形態では、５３０aおよび５３０bは１００Ωであり、５４０ａおよび５４０ｂは１０Ωである。一態様では、スイッチ５３５は、可変抵抗装置５２５の所望の実効抵抗値により決まるデューティサイクルを有し、スイッチ駆動装置５４５によって１０kＨｚの速度で駆動される。これから、５０〜１５００Ωの実効抵抗値が得られる。一態様では、この範囲は約４インチ（約１０センチメートル）平方の基板面積とおよそ１５ドル未満の部品だけで実現される。

コンピュータシステム５５０は、スイッチ駆動装置５４５をプログラムして、適切な速度およびデューティサイクルでスイッチ５３５を駆動できる。一態様では、スイッチ駆動装置５４５は、要求される、適切なデューティサイクルあるいは一連のデューティサイクルを算出できるプロセッサを有する。他の態様では、コンピュータシステム５５０は、スイッチ５３５を駆動する駆動装置を含むことができる。

一実施形態では、指数関数的に減衰するパルスの所望の時定数は、ほぼ連続的に調整できる機能により得ることができ、非常に高い精度で時定数を選択することができる。一態様では、コンデンサ５１０は、電気的に選択可能な容量を含み、これにより、ほぼ連続した範囲の時定数が容易に得られる。方形波における正電圧の低下レベルも、同様な方法で制御できる。

一態様では、電子的にパルスを受ける負荷は、短いパルスの間だけオン状態になるので、いずれの干渉も最小限となる。また、他の態様では、コンデンサは大きく、かつ高周波数にできるので、出力波形のリップルは低い。

本発明は、一例としてかつ特定の実施形態の観点から説明されているが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではないと理解すべきである。それとは反対に、本発明は、当業者には明らかな各種の改良や同様な配置を包含するものである。したがって、添付した特許請求の範囲には、このような修正や配置は包含されるように最も広範な解釈が認められるべきである。

Claims

サンプル負荷に送信する電気信号を制御する方法であって、
コンデンサを充電するステップと、
前記コンデンサに、前記サンプル負荷と前記サンプル負荷に並列に接続された可変抵抗装置とを接続するステップであって、前記可変抵抗装置は、第１の抵抗と、前記第１の抵抗と直列に接続した第１のスイッチと、を含み、前記第１のスイッチは、第１の制御信号により開閉される、ステップと、
電気信号を前記コンデンサから前記サンプル負荷と前記可変抵抗装置とに送信するステップと、
前記電気信号を前記第１の制御信号で制御するステップと、
を含む方法。
前記第１の制御信号は、前記電気信号が送信されている間、前記可変抵抗装置が一定の抵抗値を有するように前記第１のスイッチを開閉する請求項１に記載の方法。
前記一定の抵抗値は、ユーザーにより特定される請求項２に記載の方法。
前記第１の制御信号は、パルス幅が変調された信号である請求項１に記載の方法。
前記第１の制御信号は、前記電気信号が送信されている間、前記可変抵抗装置の前記抵抗値が変化するように前記第１のスイッチを開閉する請求項１に記載の方法。
前記第１の制御信号は、パルス幅が変調された信号であり、
前記パルス幅は、前記電気信号が送信されている間、前記可変抵抗装置の前記抵抗値の変化に応じて変化する、
請求項５に記載の方法。
前記電気信号は、指数関数的に減衰するパルスであり、前記第１の制御信号は、前記指数関数的な減衰の時定数τを決定する請求項１に記載の方法。
前記電気信号は、方形波である請求項１に記載の方法。
前記可変抵抗装置は、前記第１の抵抗と直列に１つ以上の他の抵抗をさらに有する請求項１に記載の方法。
前記可変抵抗装置は、
前記第１の抵抗と並列に接続された第２の抵抗と、
前記第２の抵抗と直列に接続され、前記第１の制御信号により開閉される第２のスイッチと、
をさらに有する請求項１に記載の方法。
前記可変抵抗装置は、
前記第１の抵抗と、前記第２の抵抗と、他の追加された抵抗とそれぞれ並列に接続された１つ以上の追加された抵抗と、
前記追加された抵抗の１つとそれぞれ直列に接続された１つ以上の追加されたスイッチと、
をさらに有する請求項１０に記載の方法。
前記サンプル負荷は、前記電気信号によりエレクトロポレーションされる生体分子を含む請求項１に記載の方法。
制御可能な電気信号をサンプル負荷に供給するように構成される回路であって、
前記サンプル負荷と選択的に接続されるコンデンサと、
前記サンプル負荷と並列に接続される可変抵抗装置であって、
第１の抵抗と、
前記第１の抵抗と直列の第１のスイッチであって、前記第１のスイッチは、
第１の制御信号により開閉される第１のスイッチと、
を有する前記可変抵抗装置を備え、
前記コンデンサが、充電され、前記サンプル負荷と接続するように選択されたときに、電気信号は、前記コンデンサから前記サンプル負荷と前記可変抵抗装置とに送信され、前記第１の制御信号により制御される回路。
前記コンデンサは、サンプル負荷と並列に接続される請求項１３に記載の回路。
前記第１の制御信号は、パルス幅が変調された信号である請求項１３に記載の回路。
前記第１の制御信号は、前記電気信号が送信されている間、前記可変抵抗装置の前記抵抗値が変化するように前記第１のスイッチを開閉する請求項１３に記載の回路。
前記第１の制御信号は、パルス幅が変調された信号であり、
前記パルス幅は、前記電気信号が送信されている間、前記可変抵抗装置の前記抵抗値の変化に応じて変化する、
請求項１３に記載の回路。
前記電気信号は、指数関数的に減衰するパルスであり、前記第１の制御信号は、前記指数関数的な減衰の時定数τを決定する請求項１３に記載の回路。
前記可変抵抗装置は、前記第１の抵抗と直列に１つ以上の他の抵抗をさらに有する請求項１３に記載の回路。
前記可変抵抗装置は、
前記第１の抵抗と並列に接続された第２の抵抗と、
前記第２の抵抗と直列に接続され、前記第１の制御信号により開閉される第２のスイッチと、
をさらに有する請求項１３に記載の回路。
前記可変抵抗装置は、
前記第１の抵抗と、前記第２の抵抗と、他の追加された抵抗とそれぞれ並列に接続された１つ以上の追加された抵抗と、
前記追加された抵抗の１つとそれぞれ直列に接続された１つ以上の追加されたスイッチと、
をさらに有する請求項２０に記載の回路。
制御可能な電気信号をサンプル負荷に供給するエレクトロポレータ・システムであって、
前記サンプル負荷と選択的に接続されるコンデンサと、
前記サンプル負荷と並列に接続される可変抵抗装置であって、
第１の抵抗と、
前記第１の抵抗と直列の第１のスイッチであって、第１の制御信号により開閉される第１のスイッチと、
を有する前記可変抵抗装置を備え、
前記コンデンサが、充電され、前記サンプル負荷と接続するように選択されたときに、電気信号は、前記コンデンサから前記サンプル負荷と前記可変抵抗装置とに送信され、前記第１の制御信号により制御される、
エレクトロポレータ・システム。
前記コンデンサを特定の電圧に充電する充電回路をさらに有する請求項２２に記載のエレクトロポレータ・システム。
前記第１のスイッチを開閉することにより前記可変抵抗装置の前記抵抗値を決定する前記第１の制御信号を供給するスイッチ駆動装置をさらに有する請求項２２に記載のエレクトロポレータ・システム。
前記コンデンサと前記サンプル負荷とを選択的に接続する高電圧駆動装置をさらに有する請求項２４に記載のエレクトロポレータ・システム。