JP2012502677A - 高強度レーザー療法による再生医療のための装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
HILTは、特定のピーク強度フルエンス(PIF)により特徴づけられたパルスレーザー放出によって、フォトメカニカル効果、光熱効果、及び、光化学効果を誘発することができる。PIFは、パルスの時間及び空間形状についての十分な情報を供給しない平均出力密度よりも優れたパルス放出特徴を定める。ピーク強度(スポット領域に対するピーク出力の比)によって、3D空間分布のアイデアが与えられるが、パルスのエネルギーの量及びその時間分布に関する情報を提供することはできない。フルエンス(スポットサイズによって割られたエネルギーの量)は、時間における光子密度を示しているが、強度、又は、空間における光子密度は与えない。(例えば、同じフルエンスが、異なるピーク出力及びパルス幅τonを有する無数の異なるパルスに共通であり得る)。
PIFが0.1(J/cm3)2から1.0(J/cm3)2の範囲内に留まる場合、十分なPIFは、受け入れ可能な値の広い範囲内にあるパルスレーザービームのパラメータを変えることによって達成することができる。パラメータの組み合わせによって、異なる方法で表現することができ、例えば、ピーク強度は、ピーク出力及びスポットサイズという観点からも表現することができる。同様に、パルス繰り返し周波数及びデューティサイクルは、パルス幅及びパルス間の時間によって固定される。
本発明は、単一の治療レーザー放射線を生成する第1のレーザー源、レーザーエネルギーをハンドユニットまで運ぶための第1の運搬手段、及び、レーザービームの経路に配置されるレーザービームの焦点をぼかすための光焦点はずし手段を含むレーザー療法のための装置にも関する。
図3A、3B、及び、3Cは、図2に示されたレーザー源1と共に使用するのに適した光チップ300の透視図及び概略図を示している。図3Aに示されているように、チップ300は、円筒形要素306及び曲面304を含む焦点合わせ要素に接続される光ファイバーカプラ302を含む。曲面304は、カプラ302を出る発散ビーム308を集束ビーム310に変換し、その集束の面は、部分的に、曲面の曲率半径によって決定される。
自動又は手動のスキャニング送達システムを使用して、治療領域までパルスレーザービームを効果的及び安全に送達することができる。スキャニングは、レーザーの照射表面積(ハンドピースのスポットサイズ又は光ファイバーの放出面)よりも大きい表面領域を治療するのに有用である。治療領域における各位置での滞留時間等のスキャンパラメータは、所望の線量、パルス期間、及び、パルス繰り返し率によって固定することができる。滞留時間が受け入れ可能な範囲内にあり続ける限り、これらは、過度の加熱又は治療非能率のいかなるリスクであるはずもない。このように、スキャニングも組織温度の制御に寄与する。
レーザービームが通過した組織又はレーザー治療を受けさせる容積を取り囲む組織にダメージを与えることなく、レーザービームの透過深度が治療中の患者の体内に深く配置された位置に到達するよう改善されるように、放出パラメータを選択することができる。レーザー放射の深い透過によって、例えば、体内の比較的深い所に位置した軟骨組織の傷のレーザー治療が、周囲の生物学的組織にダメージを与えることなく可能になる。
本発明の方法の根底にある1つの重要な態様は、高強度で使用される場合にレーザー光が、レーザー光によって治療されている組織及び/又は細胞に対して治療レベルにてフォトメカニカル効果を有し得ることである。フォトメカニカル効果を用いて、レーザー光のエネルギーの少なくとも一部を、レーザー光によって治療されている組織及び/又は細胞に対する1又は複数の形状の機械的力に変えることができる。そのような機械的力は、治療されている組織及び/又は細胞に対して物理的効果を有し、組織及び/又は細胞の形及び/又はサイズを変化させ、細胞代謝、細胞増殖、細胞分化、従って組織再生を刺激する等の効果を生じることができる。
高いピーク出力値(例えば、少なくとも1kWのもの)及び高いピーク強度値(例えば、少なくとも1kW/cm2のもの)は、フォトメカニカル効果が治療目的で利用されることを可能にする。フォトメカニカル効果の例としての上記の「光膨張」及び「光収縮」効果は、パルスのピーク出力、パルスデューティサイクル、及び、パルス周波数が適切に選択された場合に、照射を受ける組織におけるある種の細胞外マッサージを実質的に生じ得る。
上記のように、組織透過は、使用される出力に比例し、その結果、強度(W/cm2)又は出力密度に比例し、その結果、ピーク強度フルエンスに比例する。深い組織まで達するために、高い出力値を採用しなくてはならず、同時に、例えば光熱現象により生じる組織ダメージを回避する。
本発明によるパルス高強度レーザービームは、治療される組織及び/又は細胞に対して光化学効果も有することができる。光化学効果によって、レーザー光内のエネルギーの少なくとも一部が、そのレーザー光により治療されている組織及び/又は細胞によって直接吸収され得る。レーザー光内のエネルギーの直接的な吸収は、治療される組織及び/又は細胞において特定の化学的及び生化学的結果を有することができる。レーザー光で治療されている組織及び/又は細胞によって直接吸収されるエネルギーは、フォトメカニカル効果においてそうであったように機械的力に変えられることはない。
全てのレーザーシステムが、治療されている組織及び/又は細胞に対するフォトメカニカル効果を有するために必要とされるエネルギーを送達することができるけれども、高強度レーザーのみが、治療価値のフォトメカニカル効果を及ぼすことができる。高いピーク出力値(例えば、少なくとも1kWのもの等)及び高いピーク強度値(例えば、少なくとも1kW/cm2のもの等)は、治療されている組織及び/又は細胞に対するフォトメカニカル効果も光化学効果もパルスレーザー光が有するのを可能にし、その組み合わせで、並外れた予想外の治療結果を達成することができる。
上記のことを考慮して、HILTは、達成されることになる目的、並びに、前記目的を達成するための作動条件及びパラメータの選択に関してLLLTと比較して区別する。目的が重要である限り、HILTの主な目標は、無痛で非侵襲性の治療システムを用いた非侵襲性再生医療である。HILTの第2の目標は、関節軟骨の傷等の深い傷の治療である。
可能な限り高いピーク出力(例えば、少なくとも1KW);
非常に短いパルス幅τ(例えば、1から300マイクロ秒)によって特徴づけられる非常に長い送達時間T(例えば、0.1から1秒間);従って、非常に低いパルス繰り返し周波数(例えば、1から40Hz)、及び、非常に低いデューティサイクル(例えば、0.01%以下);
光がその通過中に経るいかなる散乱にもかかわらず標的に対する優れた光子の伝達を保証する非常に高いパルス及び優れた平均出力(例えば、何十W)を保証することができる、1パルスあたりの高いエネルギー含有量(例えば、0.03から1ジュール);
大きなレーザースポット直径(例えば、10mm);並びに、
0.1から1.0(J/cm3)2のPIF;
である。
動物モデル及びヒトモデル両方に対するin vitro及びin vivoでのHILTを用いて実行した実験的試みは、ピーク強度フルエンス(PIF)のマップを描くことを可能にした。
LLLT 0.00146
HILT
抗炎症効果(vivo) 0.045
軟骨細胞(vitro) 0.246
HCT8(vitro) 0.776
ニワトリの調査(vivo) 0.553
ヒト(vivo) 0.553
第1のヒツジの調査(vivo) 0.566
ウマ/ヒツジの新たな調査 0.879
中毒量、ニワトリの調査(vivo) 1.688
高強度レーザー療法(HILT)は、in vitroでの細胞増殖を刺激する。
Nd:YAGレーザー放出は、疼痛管理に対して理学療法及びスポーツ医学において広く使用されているが、細胞増殖に対するその効果に関してはほとんど知られていない。低い出力のダイオード(diodic)レーザー放出は、細胞増殖効果を示すが、深刻な変性疾患を治療するよう安全又は効果的に使用することはできない。近年、新たな種類のNd:YAGレーザー放出(HILT、高強度レーザー療法)が考案され、その特徴は、深い所に位置する解剖学的位置まで多量のエネルギーを安全に送達することを可能にする。これは、原則として、変形性関節症のような変性疾患の治療を可能にし得る。この研究の目的は、従って、(a)HILTが細胞増殖効果を有しているかどうかを評価する、(b)どの放出パラメータに対して、この効果を観察することができるか、及び、その効果は観察することができるかどうかを評価する、(c)チロシンキナーゼシグナル経路との相互作用によるものであるかどうかを決定するために評価することであった。
in vitroで培養したHCT8細胞を、種々の放出パラメータにて、HILT放出で照射し、その増殖速度をODアッセイ及び免疫組織化学的試験を介して決定し、最も一般的な有核細胞周期活性化マーカー(Ki67、PCNA、サイクリンD1)のレベル、及び、増殖因子(IGF I)合成のレベルを決定した。同じ実験を、細胞周期活性化を生じるチロシンキナーゼ経路の選択的阻害剤であるゲニステインで処理したHCT8細胞に対して繰り返した。
ピーク強度フルエンス(PIF):0.776;
ピーク強度:2.7kW/cm2;
1パルスあたりのエネルギー:150mジュール;
繰り返し周波数:10Hz;
スポットサイズ直径:5mm;
1パルスあたりのフルエンス:0.759J/cm2;
1回の治療あたりのエネルギー(線量):27−36J;
である。
HILT放出は、所与の放出パラメータでの細胞増殖を誘発することができた。エネルギーの総量及び送達された線量は増殖速度とは相関しなかったけれども、HILTパルス繰り返し周波数、被曝時間、並びに、平均出力は、きわめて重要な役割を果たした。さらに、HILT治療は、ゲニステインによって選択的に阻害された細胞周期マーカーの発現を修復することができた。
HILTは、所与の放出パラメータにて細胞周期の活性化を修復する、及び、細胞増殖を刺激することができる。活性化の機構は、チロシンキナーゼシグナル経路との直接相互作用、又は、おそらくフォトメカニカル細胞刺激によって媒介される別の経路の誘発に依存し得る。アクティブパラメータにて、HILTは、IGF I増殖因子によって媒介された増殖のオートクリン及びパラクリン活性化を刺激する。
序論:
本実施例において実行した研究の目的は、動物モデルを使用したin vivoでの関節軟骨の再成長を刺激するための新たな非侵襲性方法としてHILTを評価することである。主要な目標は、in vivoでのHILTの安全性及び効果を評価することであった。他の目標は、HILTの軟骨の再成長及び抗炎症効果の評価を含んだ。
ヒツジは、試験した全ての動物種の中で、ヒトに最も近い基礎代謝率(BMR)を有したため、この研究の動物モデルとしてヒツジを選んだ(R.K.Porter,“Allometry of mammalian cellular oxygen consumption.”CMLS,Cell.Mol.Life Science.58(2001):815−822)。
ピーク強度フルエンス(PIF):0.566;
ピーク強度:19kW/cm2;
1パルスあたりのエネルギー:2ジュール;
繰り返し周波数:10Hz;
スポットサイズ直径:10mm;
1パルスあたりのフルエンス:2.54J/cm2;
1回の治療あたりのエネルギー(線量):2500J;
モード:スキャニング;
である。
前記欠損領域の巨視的観察は、治療群において、傷の縁から中心部までの新たな組織の進行性の再成長を示した。T1、2、3にて、軟骨細胞増殖の増加及び炎症性因子(IL−1□、MMP−9)の減少を強調することが可能であった。それどころか、未治療群は、深刻な組織炎症を示した。T4及びT5にて、II型コラーゲンの発現の存在に対して、又は、形態的外観に対して硝子様軟骨のいくつかの特徴を有した新たな組織の形成を観察した。Benningoff′s schemeに従って、コラーゲン繊維の空間分布を観察することができた。
炎症性マーカー(例えば、IL 1β及びMMP)の非発現は、HILTが安全で耐容性がよいと立証している。未治療群における炎症性マーカーの過剰発現は、HILTの抗炎症効果の明瞭な証拠である。巨視的画像も微視的画像も、HILTの同化作用効果を明瞭に示している。結果として、HILTは、硝子様軟骨と同じ特徴を有した関節軟骨の生理学的再成長を刺激することができる。
Claims (48)
- 前記パルスのピーク出力が、400Wから50kWである、請求項1に記載の方法。
- 前記パルスの幅が、1マイクロ秒から500マイクロ秒である、請求項1に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームのデューティサイクルが、0.01%から0.5%である、請求項1に記載の方法。
- 前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの直径が、1ミリメートルから20ミリメートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの直径が、2.5ミリメートルから20ミリメートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの面積が、約0.05平方センチメートルから約3.14平方センチメートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記パルスのピーク出力が400Wから50kWであり、前記パルスの幅が1マイクロ秒から500マイクロ秒であり、前記パルスレーザービームのデューティサイクルが0.01%から0.5%であり、前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの直径が1ミリメートルから20ミリメートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームが皮膚を通して適用される、請求項1に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームが経皮的に適用される、請求項1に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームが、前記患者の皮膚を通して挿入された光ファイバーを介して経皮的に適用される、請求項10に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームを適用するステップが、前記患者の皮膚と接触する光チップを介して前記組織まで前記パルスレーザービームを送達するステップを含み、前記光チップが:
光ファイバーカプラ;
該光ファイバーカプラに結合される集束要素;
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記光チップが、前記組織において約0.5cmから約10cmの距離にて前記組織内のスポットに前記パルスレーザービームの焦点を合わせる、請求項12に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームの波長での前記光チップと前記皮膚との光インピーダンスの不一致を減らすために、前記集束要素又は前記皮膚にゲルを適用するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記光チップと前記皮膚との接触の領域を滑らかにするために、前記集束要素又は前記皮膚にゲルを適用するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームの適用中に前記皮膚を冷却するために、前記集束要素又は前記皮膚にゲルを適用するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記光チップを前記皮膚に対して押し付けることによって、前記皮膚と治療される前記組織の間の組織を加圧するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 予め冷却した光チップを用いて前記皮膚を冷却するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記パルスレーザービームを適用した後に前記光チップを処分するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 患者の組織を治療するための装置であって:
0.1(J/cm3)2から1.0(J/cm3)2のピーク強度フルエンスを有したパルスレーザービームを生じるパルスレーザー源であり、前記ピーク強度フルエンスは、
前記パルスレーザービームを前記患者の組織に適用するための適用ユニット;
を含む装置。 - 前記パルスのピーク出力が、400Wから50kWである、請求項20に記載の装置。
- 前記パルスの幅が、1マイクロ秒から500マイクロ秒である、請求項20に記載の装置。
- 前記パルスレーザービームのデューティサイクルが、0.01%から0.5%である、請求項20に記載の装置。
- 前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの直径が、1ミリメートルから20ミリメートルである、請求項20に記載の装置。
- 前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの直径が、2.5ミリメートルから20ミリメートルである、請求項20に記載の装置。
- 前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの面積が、約0.05平方センチメートルから約3.14平方センチメートルである、請求項20に記載の装置。
- 前記パルスのピーク出力が400Wから50kWであり、前記パルスの幅が1マイクロ秒から500マイクロ秒であり、前記パルスレーザービームのデューティサイクルが0.01%から0.5%であり、前記組織上の前記パルスレーザービームによって形成されるスポットの直径が1ミリメートルから20ミリメートルである、請求項20に記載の装置。
- 前記適用ユニットが、皮膚を通して前記パルスレーザービームを適用するよう構成される、請求項20に記載の装置。
- 前記適用ユニットが、前記パルスレーザービームを経皮的に適用するよう構成される、請求項20に記載の装置。
- 前記患者の皮膚を通して挿入されるよう構成された光ファイバーをさらに含む、請求項27に記載の装置。
- 光チップをさらに含み、前記光チップが:
光ファイバーカプラ;
該光ファイバーカプラに結合される集束要素;
を含む、請求項20に記載の装置。 - 前記光チップが、前記組織において約0.5cmから約10cmの距離にて前記組織内のスポットに前記パルスレーザービームの焦点を合わせる、請求項31に記載の装置。
- 前記集束要素が、円筒形要素及び曲面を含む、請求項31に記載の装置。
- 前記円筒形要素が、約3cm長から約4cm長であり、約1.5cmから約2.5cmの直径を有する、請求項33に記載の装置。
- 前記曲面が、約1.5cmから約2.5cmの直径、及び、約10mmから約100mmの曲率半径を有する、請求項33に記載の装置。
- 前記集束要素を少なくとも部分的に覆うゲルをさらに含む、請求項31に記載の装置。
- 前記ゲルが、前記皮膚と前記光チップとの光インピーダンスの不一致を減らす、請求項36に記載の装置。
- 前記光チップが予め冷却される、請求項31に記載の装置。
- 前記光チップがプレキシグラスを含む、請求項31に記載の装置。
- 前記光チップが使い捨てである、請求項31に記載の装置。
- レーザー療法のための使い捨てのチップであって:
光ファイバーカプラ;
該光ファイバーカプラに結合される集束要素;
を含み、該集束要素がゲルにおいて少なくとも部分的に覆われている、使い捨てのチップ。 - 前記集束要素が、組織において約0.5cmから約10cmの焦点距離を有する、請求項41に記載の使い捨てのチップ。
- 前記集束要素が、円筒形要素及び曲面を含む、請求項41に記載の使い捨てのチップ。
- 前記円筒形要素が、約3cm長から約4cm長であり、約1.5cmから約2.5cmの直径を有する、請求項43に記載の使い捨てのチップ。
- 前記曲面が、約1.5cmから約2.5cmの直径、及び、約10mmから約100mmの曲率半径を有する、請求項43に記載の使い捨てのチップ。
- 前記集束要素がプレキシグラスを含む、請求項41に記載の使い捨てのチップ。
- 前記ゲルが、前記皮膚と当該使い捨てのチップとの光インピーダンスの不一致を減らす、請求項41に記載の使い捨てのチップ。
- 当該使い捨てチップの少なくとも一部を囲むシールパッケージと組み合わせた請求項41に記載の使い捨てのチップ。
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