JP2014501574A - Irreversible electroporation using tissue vasculature to treat abnormal cell populations or generate tissue scaffolds - Google Patents
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Abstract
本発明は、疾患及び障害の医療的治療だけでなく、生体工学分野に関するものである。本発明の実施形態は、組織または臓器内に深く内蔵された腫瘍を治療するか、臓器を脱細胞化させて既存の脈管構造を損なわずに既存の動物組織からスキャフォールドを生成するための器官の脈管構造を通じた不可逆的電気穿孔(Irreversible Electroporation,IRE)の輸送に関するものである。特に、脈管組織及び臓器に位置する腫瘍を治療するための生体内の非熱的不可逆的電気穿孔(IRE)の投与方法を提供する。さらに、本発明の実施形態は、細胞破片を除去し、再細胞化の可能性を最大化させ、異物性免疫反応を最小化するために生体外IREを用いて製造される天然の源からのスキャフォールドと組織を提供する。このような操作された組織は、組織代替または増大が必要な被験者を治療する方法に用いられ得る。 The present invention relates to the field of biotechnology as well as medical treatment of diseases and disorders. Embodiments of the present invention are for treating a tumor deeply embedded in a tissue or organ, or for generating a scaffold from existing animal tissue without deorganizing the organ and damaging the existing vasculature It relates to the transport of irreversible electroporation (IRE) through the vasculature of organs. In particular, an in vivo non-thermal irreversible electroporation (IRE) administration method for treating tumors located in vascular tissues and organs is provided. Furthermore, embodiments of the present invention can be derived from natural sources produced using in vitro IRE to remove cell debris, maximize recellularization potential, and minimize foreign immune responses. Provide scaffolding and organization. Such engineered tissue can be used in a method of treating a subject in need of tissue replacement or augmentation.
Description
本出願は、2008年6月24日付で提出されたU.S.特許仮出願番号第61/075,216号;2008年4月29日付で提出されたU.S.特許仮出願番号第61/125,840号;2009年4月22日付で提出されたU.S.特許仮出願番号第61/171,564号;及び2009年4月9日付で提出されたU.S.特許仮出願番号第61/167,997号の提出日の利点に依存して請求する、2009年6月24日付で提出されたU.S.特許出願番号第12/491,151号の一部継続出願(CIP)であり、本出願は、また2008年4月29日付で提出されたU.S.特許仮出願番号第61/125,840号の提出日の利点に依存して請求する、2009年4月29日付で提出されたU.S.特許出願番号第12/432,295号のCIP出願であり;本出願は、2010年11月23日付で提出されたU.S.特許仮出願番号第61/416,534号の提出日の利点に依存して請求するものである。このような全ての出願の全体記載は、参考文献として本願に取り込まれた。 This application is a U.S. filed on June 24, 2008. S. Patent provisional application No. 61 / 075,216; U.S. filed on April 29, 2008; S. Patent Provisional Application No. 61 / 125,840; U.S. filed on April 22, 2009; S. Patent Provisional Application No. 61 / 171,564; and U.S. filed on Apr. 9, 2009. S. U.S. filed on June 24, 2009, claiming depending on the advantage of the filing date of provisional patent application No. 61 / 167,997. S. No. 12 / 491,151, a continuation-in-part application (CIP), which is a U.S. patent application filed on April 29, 2008. S. U.S. filed on April 29, 2009, claiming depending on the advantage of filing date of provisional patent application No. 61 / 125,840. S. No. 12 / 432,295, a CIP application; this application is a U.S. patent filed on November 23, 2010; S. Claims depend on the advantage of the filing date of provisional application No. 61 / 416,534. The entire description of all such applications has been incorporated herein by reference.
本発明は、疾患及び障害の医療分野だけでなく、生体工学分野に関するものである。本発明の具現例は、組織または臓器内に深く内蔵された腫瘍を治療するか、臓器を脱細胞化させて既存の脈管構造を損なわずにヒト組織のような既存の動物組織からスキャフォールドを生成するための器官の前記脈管構造を通じた不可逆的電気穿孔(Irreversible Electroporation,IRE)の輸送についてのものである。さらに、本発明の具現例は、可逆的電気穿孔を容易にすることにより、治療剤または遺伝子構成物の強化された投与を通じて悪性疾患及び良性疾患の治療に用いられ得る。また、血管の電気導管が、既存の脈管構造を損なわずに身体または器官組織の標的領域への電気エネルギーの輸送に依存する他の療法を行うのに用いられ得る。 The present invention relates to the field of biotechnology as well as the medical field of diseases and disorders. Embodiments of the present invention can be used to treat a tumor that is deeply embedded in a tissue or organ or to scaffold from an existing animal tissue, such as human tissue, without deorganizing the organ and damaging the existing vasculature. For the transport of irreversible electroporation (IRE) through the vasculature of the organ to produce irreversible electroporation (IRE). Furthermore, embodiments of the present invention can be used to treat malignant and benign diseases through enhanced administration of therapeutic agents or gene constructs by facilitating reversible electroporation. Vascular electrical conduits can also be used to perform other therapies that rely on the transport of electrical energy to a target area of body or organ tissue without damaging the existing vasculature.
不必要な軟部組織の除去は、外科的摘出、過量の電離放射線(ionizing radiation)または他の形態のエネルギー(過度な加熱及び冷却)の適用、細胞毒性のある化学物質への暴露、またはこのような手段の組合せを含む多くの手段によりなされる。新生物を破壊するためにこのような手段が一般的に用いられている。本分野における公知の処置には、異常な細胞集団の物理的除去のための外科的処置、異常な細胞集団の細胞を殺すための放射線、毒性化学物質への暴露(即ち、化学療法)、またはこのような技術の組合せを含む。各治療様式は、様々な細胞増殖性疾患にかなり効果的ではあるが、細胞増殖性疾患及び障害の全ての類型を治療するのに非常に効果的な技術は一つもない。 Unnecessary soft tissue removal may include surgical removal, application of excessive amounts of ionizing radiation or other forms of energy (excessive heating and cooling), exposure to cytotoxic chemicals, or such This can be done by a number of means including combinations of these means. Such means are commonly used to destroy neoplasms. Known treatments in the art include surgical procedures for physical removal of abnormal cell populations, radiation to kill cells of abnormal cell populations, exposure to toxic chemicals (ie, chemotherapy), or Including a combination of such techniques. Each treatment modality is quite effective for a variety of cell proliferative diseases, but none of the techniques is very effective in treating all types of cell proliferative diseases and disorders.
外科的処置は、物理的にアプローチ可能であり、持続的な物理的損傷を可能とするか、再生が可能な組織及び臓器上の固形腫瘍の除去に効果的であるが、外科的処置は、アプローチが容易でない腫瘍または再生されない腫瘍に実行することは難しい。このような場合において、外科的処置は、しばしば長い回復時間及び後続治療が要求され、患者に相当な物理的損傷が伴われることがある。またある時は、大規模に成長した前記新生物の除去を防止するが、これは、このような除去の試みにより患者が死亡する可能性もあるからである。同様に、放射線治療は、前記腫瘍周囲の組織に付随的な損傷を引き起こすことがあり、患者の寿命の質を低下させる、長期持続する副作用を引き起こすことがある。化学療法治療は、患者に全身損傷を引き起こすことがあり、長い回復期間を要求する相当な副作用を引き起こしたり、組織及び臓器に永久的な損傷を生じたりすることがある。 Surgical procedures are physically approachable and are effective in the removal of solid tumors on tissues and organs that allow sustained physical damage or can be regenerated, It is difficult to perform on tumors that are not easy to approach or that cannot be regenerated. In such cases, surgical procedures often require long recovery times and subsequent treatments and can be associated with considerable physical damage to the patient. At other times, the removal of the neoplasia that has grown on a large scale is prevented because the removal may also cause the patient to die. Similarly, radiation therapy can cause collateral damage to the tissue surrounding the tumor and can cause long lasting side effects that reduce the quality of life of the patient. Chemotherapy treatment can cause systemic damage to the patient, can cause substantial side effects that require a long recovery period, and can cause permanent damage to tissues and organs.
本発明者等による最近の研究は、不可逆的電気穿孔(IRE)と命名された技術を用いて、過量の電気エネルギーの適用による望まない軟部組織(悪性腫瘍)の除去に焦点を合わせている。軟部組織肉腫及び悪性神経膠腫の成功的な調節及び/又は除去が達成された。不可逆的電気穿孔(IRE)は、標的領域内または近くに電極を位置させて一連の低いエネルギーであるマイクロ秒電気パルスを輸送することを含む。このようなパルスは、標的組織(例えば、腫瘍)の細胞膜を永久的に不安定にして、細胞を殺すことができる。正確に適用されたとき、IREは、周囲組織に有意な損傷を発生させず、主要血管に損傷を与えず、薬物の使用を要求することなく調節可能な方式で新生細胞を非熱的に殺す。 Recent work by the inventors has focused on the removal of unwanted soft tissue (malignant tumors) by applying excessive amounts of electrical energy, using a technique termed irreversible electroporation (IRE). Successful regulation and / or removal of soft tissue sarcomas and malignant gliomas has been achieved. Irreversible electroporation (IRE) involves positioning an electrode in or near a target region to transport a series of low energy microsecond electrical pulses. Such pulses can permanently destabilize the cell membrane of the target tissue (eg, tumor) and kill the cells. When applied correctly, IRE does not cause significant damage to surrounding tissue, does not damage major blood vessels, and kills neoplastic cells non-thermally in an adjustable manner without requiring the use of drugs. .
疾患を治療するための他の方法は、疾患にかかった組織または臓器を交替することを含む。去る20年間、臓器移植は、肝硬変、腎不全等のような末期疾患を有することが診断された患者に対する標準的なケアとなった。1年及び5年後に、それぞれ90%及び75%の生存率を示す、肝移植の驚くべき成功は、移植を待つ患者の数を増加させ続けた。Chan,S.C.et al,A decade of right liver adult−to−adult living donor liver transplantation−The recipient mid−term outcomes.Annals of Surgery 248,41 1−418,doi:10.1097/SLA.0b013e31818584e6(2008)(“Chan 2008”)。 Other methods for treating a disease include altering a diseased tissue or organ. Over the last 20 years, organ transplantation has become the standard care for patients diagnosed with end-stage diseases such as cirrhosis, renal failure and the like. The surprising success of liver transplantation, showing survival rates of 90% and 75% after 1 year and 5 years, respectively, continued to increase the number of patients waiting for transplantation. Chan, S.M. C. et al, A decade of right river advert-to-adult living donor liver translation-The recipient mid-term outcomes. Anals of Surgery 248, 41 1-418, doi: 10.1097 / SLA. 0b013e318181854e6 (2008) ("Chan 2008").
ユナイテッド・ネットワーク・オブ・オーガン・シェアリング(the United Network of Organ Sharing,UNOS)によれば、米国だけで、現在、腎臓、肝臓、心臓、肺等を含む臓器移植を待っている108,000名以上の候補者がいる。それらの候補者のうち、肝移植が直ぐに(1年)必要な16,000名以上の候補者と、臓器移植によって効果が得られる進行した肝疾患を持っている少なくとも100,000名の更なる患者がいる。2009年には、生きているか死亡した提供者からの7,000回未満の肝移植があった。United Network of Organ Sharing,<http://www.unos.org>(2010)。 According to the United Network of Organ Sharing (UNOS), 108,000 people are currently awaiting organ transplantation in the United States alone, including kidney, liver, heart, lung, etc. There are more candidates. Of those candidates, more than 16,000 candidates who need immediate liver transplant (1 year) and at least 100,000 more with advanced liver disease that can benefit from organ transplant There are patients. In 2009, there were less than 7,000 liver transplants from live or dead donors. United Network of Organ Sharing, <http: // www. unos. org> (2010).
米国における標準的な肝移植は、通常、脳死(脳幹死)と判定された提供者から除去された臓器に基づいて行われる。Kootstra,G.,Daemen,J.H.C.& Oomen,A.P.A.Categories of Non−Heart−Beating Donors,Transplant.Proc.27,2893−2894(1995);Rigotti,P.et al.Non−Heart−beating Donors−An Alternative Organ Source in Kidney Transplantation,Transplant.Proc.23,2579−2580(1991);及びBalupuri,S.et al.The trouble with kidneys derived from the non heart−beating donor:A single center 10−year experience.Transplantation 69,842−846(2000)を参照してほしい。 Standard liver transplantation in the United States is usually based on organs removed from a donor determined to be brain death (brain stem death). Kootstra, G.M. Daemen, J .; H. C. & Oomen, A .; P. A. Categories of Non-Heart-Beating Donors, Transplant. Proc. 27, 2893-2894 (1995); Rigotti, P .; et al. Non-Heart-beating Donors-An Alternative Organ Source in Kidney Transplantation, Transplant. Proc. 23, 2579-2580 (1991); and Balupuri, S .; et al. The trouble with kids derived from the non-heart-beating donor: A single center 10-year experience. See Transplantation 69, 842-846 (2000).
移植手術及び一般医学の改善にもかかわらず、臓器移植を待っている患者の数は増加し続けているが、臓器の供給はそうでない。臓器の供給と臨床的な需要との間での差の増加は、人口年齢の増加、肝移植が要求される疾患の増加(肝癌及び肝炎ウイルスへの感染)、提供後の急激な臓器低下(数時間)、組織適合性及びその他の免疫的現象により発生する不一致、臓器と潜在的レシピエント(小児科患者を含む)との間の大きさの不一致を含む種々の因子に起因したものであり、移植は、末期肝疾患(Murray,K.F.& Carithers,R.L.AASLD practice guidelines:Evaluation of the patient for liver transplantation.Hepatology 41,1407−1432,doi:10.1002/hep.20704(2005));非アルコール脂肪肝疾患の増加した発生(Amarapurkar,D.N.et al.How common is non−alcoholic fatty liver disease in the Asia−Pacific region and are there local differences? J.Gastroenterol.Hepatol.22,788−793,doi:10.1111/j.l440−1746.2007.05042.x(2007));及び、新陳代謝または先天性疾患を持っている患者に対する移植の適合性(Miro,J.M.,Laguno,M.,Moreno,A.,Rimola,A.& Hosp Clin,O.L.T.H.I.V.W.G.Management of end stage liver disease(ESLD):What is the current role of orthotopic liver transplantation(OLT)? J.Hepatol.44,S140−S145,doi:10.1016/j.jhep.2005.11.028(2006))を有する患者に対してのみ実施可能な治療である。 Despite improvements in transplant surgery and general medicine, the number of patients waiting for organ transplants continues to increase, but organ supply is not. The increase in the difference between organ supply and clinical demand is due to an increase in population age, an increase in diseases that require liver transplantation (infection with liver cancer and hepatitis virus), and a rapid decrease in organs after provision ( Several hours), due to various factors including mismatches caused by histocompatibility and other immune phenomena, size mismatches between organs and potential recipients (including pediatric patients), Transplantation is performed in end-stage liver disease (Murray, K.F. & Cariters, RL AASLD practice guidelines: Evaluation of the patient for liver transplantation. Hepatology 41, 1407-143. )); Non-alcoholic fatty liver disease (Amaraparkar, DN et al. How common is non-alcoholic fatty live disease in the Asia-Pacific region and area theol. En. 78. J. 78. J. 1111 / j.l440-1746.2007.05042.x (2007)); and the suitability of transplantation for patients with metabolic or congenital diseases (Miro, JM, Laguno, M., Moreno) , A., Rimola, A. & Hosp Clin, OLTHVIVG Management of end stag live disease (ESLD): What is the current role of orthotopic live translation (OLT)? J. Hepatol.44, S140-S145, doi: 10.016 / j.jhep.2005. This is a treatment that can only be performed on patients.
臓器供給は、取得が遅れる障害により遅延する。例えば、脳死(脳幹死)と一致する臓器の除去のための必要条件は、人工生命維持装置で維持する手段を有する病院の使用を必要とする。結果として、集中治療手段が酷使された場合、臓器提供に問題が生じ得る。Fabre.Report of the British Transplantation Society Working Party on Organ Donation.(1995).潜在的臓器提供の保護のための生命維持装置の使用は、倫理的に論争を起こし(Feest,T.G.et al.,Protocol for Increasing Organ Donation After Cerebrovascular Deaths in a District General Hospital,Lancet 335,1133−1135(1990);及びRiad,H.& Nicholls,A.,An Ethical Debate Elective Ventilation of Potential Organ Donors,Br.Med.J.310,714−715(1995)参照)、社会的、文化的及び宗教的な圧迫が臓器調達を制限する地域での提供拒否は一般的である。 Organ supply is delayed due to delays in acquisition. For example, the requirement for removal of organs consistent with brain death (brain stem death) requires the use of a hospital with means to maintain it with an artificial life support device. As a result, problems with organ donation can occur when intensive care is overused. Fabre. Report of the British Transplantation Society Working Party on Organ Donation. (1995). The use of life support devices for the protection of potential organ donations is ethically controversial (Feest, TG et al., Protocol for Incrementing Organic Donation after Cerebrovascular Diets in a Distr. General Hosp. 1133-1135 (1990); and Riad, H. & Nichols, A., An Ethical Debate Electrical Ventilation of Potential Organ Donors, Br. Med. J. 310, 714-715 (1995)), social, cultural. And refusal to provide in areas where religious pressure limits organ procurement is common.
臓器提供と患者への供給との間の増加する差は、代替臓器源に対する関心を増加させた。Perera,M.,Mirza,D.F.& Elias,E.Liver transplantation:Issues for the next 20 years.J.Gastroenterol.Hepatol.24,S124−S131,doi:10.1 1 1 1/j.1440−1746.2009.06081.x(2009).臓器の構造及び機能を複製するための人工物質の開発は、制限された成功を収めた。大容量の低調に組織された細胞及び組織は、酸素、栄養素及び老廃物の初期制限された拡散により移植され得ない。Folkman,J.Self−Regulation of Growth In 3 Dimensions.Journal of Experimental Medicine 338(1973);and Kaufman,D.S.,Hanson,E.T.,Lewis,R.L.,Auerbach,R.& Thomson,J.A.Hematopoietic colony−forming cells derived from human embryonic stem cells.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.98,10716−10721(2001). The increasing difference between organ donation and patient supply has increased interest in alternative organ sources. Perera, M .; , Mirza, D .; F. & Elias, E .; Liver transplantation: Issues for the next 20 years. J. et al. Gastroenterol. Hepatol. 24, S124-S131, doi: 10.1 1 1 1 / j. 1440-1746.2009.06081. x (2009). The development of artificial materials to replicate organ structure and function has had limited success. Large volumes of poorly organized cells and tissues cannot be transplanted due to initially limited diffusion of oxygen, nutrients and waste products. Folkman, J .; Self-Regulation of Growth In 3 Dimensions. Journal of Experimental Medicine 338 (1973); and Kaufman, D. et al. S. Hanson, E .; T.A. Lewis, R .; L. Auerbach, R .; & Thomson, J.M. A. Hematopoietic colony-forming cells, derived from human emblemic stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 98, 10716-10721 (2001).
それにも拘わらず、研究者は、部分的臓器再生に対する一部の進展を示した。例えば、脱細胞化されたコラーゲンマトリックスで成長して無胸腺マウス(athymic mice)内に移植された、マウス腎臓細胞は、8週間後、ネフロン類似構造に発達した。Atala,A.Engineering organs.Curr.Opin.Biotechnol.20,575−592,doi:10.1016/j.copbio.2009.10.003(2009)(“Atala 2009”).さらに、マウス内に移植された後、肝細胞が注入された、5mm厚さの多孔性ポリビニル−アルコール(polyvinyl−alcohol、PVA)構造が、1年の経過の間、肝類似形態に発達した。Kaufmann,P.M.et al.Long−term hepatocyte transplantation using three−dimensional matrices.Transplant.Proc.31,1928−1929(1999)(“Kaufmann 1999”).このようなそれぞれの構造における細胞の生存及び増殖は、栄養源から数mmに制限される。 Nevertheless, researchers have made some progress towards partial organ regeneration. For example, mouse kidney cells grown in a decellularized collagen matrix and transplanted into an athymic mouse developed into a nephron-like structure after 8 weeks. Atala, A .; Engineering organs. Curr. Opin. Biotechnol. 20, 575-592, doi: 10.016 / j. copbio. 2009.10.003 (2009) ("Atala 2009"). In addition, a 5 mm thick porous polyvinyl-alcohol (PVA) structure in which hepatocytes were injected after implantation into mice developed into a liver-like form over the course of one year. Kaufmann, P.A. M.M. et al. Long-term hepatocyte transplantation using three-dimensional matrixes. Transplant. Proc. 31, 1928-1929 (1999) ("Kaufmann 1999"). Cell survival and proliferation in each such structure is limited to a few millimeters from the nutrient source.
ヒト移植に適した完全な臓器の開発及び分化のために、微細血管構造を提供する構造は、組織のあらゆるところに栄養素を輸送することが要求され、細胞構成のための物理的半硬質マトリックス及び定着具が開発されなければならない。Atala 2009;Kaufmann 1999;及びAtala,A.Experimental and clinical experience with tissue engineering techniques for urethral reconstruction.Urologic Clinics of North America 29,485−+(2002)を参照してほしい。伝統的な下向式製造技術は、現在、ヒト臓器において、4桁以上にわたる範囲である、数cmの大きさ(例えば、大静脈)から小さくはわずか数μm(ほとんどの毛細管)の大きさの範囲で階層的血管構造を生産することができない。微細加工技術は、哺乳動物微細脈管構造の複雑な構造のいくつかの特徴を複製することができるが、現在の工程は、マイクロスケールへの拡張には失敗した。複数の長さの範囲にわたり特徴を持つ構造は、現在、生物学的メカニズムを通じてのみ製造され、相対的に新規な分野の生物学的製造術がこのような工程を使用し、調節することを目的として開発されている。 For the development and differentiation of complete organs suitable for human transplantation, structures that provide microvascular structures are required to transport nutrients everywhere in the tissue, with a physical semi-rigid matrix for cellular organization and Fixing tools must be developed. Atala 2009; Kaufmann 1999; and Atala, A .; Experimental and clinical experience with tissue engineering techniques for mutual restructuring. See Urological Clinics of North America 29,485- + (2002). Traditional down-facing manufacturing techniques currently range from several centimeters in size (eg, vena cava) to as small as a few μm (most capillaries) in human organs. It is not possible to produce hierarchical vascular structures in the range. Although microfabrication technology can replicate some features of the complex structure of mammalian microvasculature, current processes have failed to scale to microscale. Structures characterized over a range of lengths are currently produced only through biological mechanisms, and relatively new fields of biological manufacturing are intended to use and regulate such processes. Has been developed as.
生体工学によって作られた組織は、細胞及び支持マトリックスが同時に蒸着されて複合ネットワークを形成する、直接プリンティング及びバイオスプレイング(biospraying)を含む多くの計画を通じて製造された。Mironov,V.et al.Organ printing:Tissue spheroids as building blocks.Biomaterials 30,2164−2174,doi:10.1016/j.biomaterials.2008.12.084(2009);Nakamura,M.et al.Biocompatible inkjet printing technique for designed seeding of individual living cells.Tissue Engineering 11,1658−1666(2005);及びCampbell,P.G.& Weiss,L.E.Tissue engineering with the aid of inkjet printers.Expert Opin.Biol.Ther.7,1123−1127,doi:10.1517/14712598.7.8.1123(2007)を参照してほしい。管状構造が密集して内蔵された細胞ネットワークを持つ架橋されたヒドロゲルを生成するために遠心力が用いられた。Kasyanov,V.A.et al.Rapid biofabrication of tubular tissue constructs by centrifugal casting in a decellularized natural scaffold with laser−machined micropores.J.Mater.Sci.−Mater.Med.20,329−337,doi:10.1007/sl0856−008−3590−3(2009).誘電泳動(dielectrophoretic)(Albrecht,D.R.,Sah,R.L.& Bhatia,S.N.Geometric and material determinants of patterning efficiency by dielectrophoresis.Biophys.J.87,2131−2147,doi:10.1529/biophysj.104.039511(2004))及び磁場(Mironov,V.,Kasyanov,V.& Markwald,R.R.Nanotechnology in vascular tissue engineering:from nanoscaffolding towards rapid vessel biofabrication.Trends Biotechnol.26,338−344,doi:10.1016/j.tibtech.2008.03.001(2008))が合成マトリックス内の細胞の配置を導くために用いられ、バイオ−ポリマー内に内蔵された細胞は、組織構造内に電気紡糸された(Stankus,J.J.,Guan,J.J.,Fujimoto,K.& Wagner,W.R.Micro integrating smooth muscle cells into a biodegradable,elastomeric fiber matrix.Biomaterials 27,735−744,doi:10.1016/j.biomaterials.2005.06.020(2006))。このような技術は、内蔵された細胞が最適な構造内へ再構成することから外れて、適した合成−製造されたネットワーク内で細胞を分布させることを試みるものである。 Bioengineered tissue has been manufactured through many schemes, including direct printing and biospraying, in which cells and support matrix are simultaneously deposited to form a composite network. Mironov, V.M. et al. Organ printing: Tissue spheroids as building blocks. Biomaterials 30, 2164-2174, doi: 10.016 / j. biomaterials. 2008. 12.084 (2009); Nakamura, M .; et al. Biocompatible ink jet printing technique for designed seeding of individual living cells. Tissue Engineering 11, 1658-1666 (2005); and Campbell, P. et al. G. & Weiss, L. E. Tissue engineering with the aid of inkjet printers. Expert Opin. Biol. Ther. 7, 1123-1127, doi: 10.15517 / 147125988.7.1123 (2007). Centrifugal force was used to produce a crosslinked hydrogel with a cellular network of densely packed tubular structures. Kasyanov, V.M. A. et al. Rapid biofabrication of tubular tissue constructs by centrifugal casting in a decoupled natural scaffold with laser-machined micropores. J. et al. Mater. Sci. -Mater. Med. 20, 329-337, doi: 10.1007 / sl0856-008-3590-3 (2009). Dielectrophoretic (Albrecht, D.R., Sah, RL & Bhatia, SN Geometric and material detergents of patterning efficiency by dielectrophoretics. 1529 / biophysj.104.039511 (2004)) and magnetic field (Mironov, V., Kasyanov, V. & Markwald, R. R. Nanotechnology in vascular tissue biology: ation.Trends Biotechnol.26,338-344, doi: 10.016 / j.tibtech.2008.3.0001 (2008)) is used to guide the placement of cells within the synthetic matrix and within the bio-polymer Built-in cells were electrospun into the tissue structure (Stankus, JJ, Guan, JJ, Fujimoto, K. & Wagner, WR Microintegrating smooth cells into a biodegradable biomolecule. fiber matrix.Biomaterials 27,735-744, doi: 10.016 / j.biomaterials.2005.6.020 (2006)). Such techniques attempt to distribute the cells within a suitable synthetic-manufactured network, deviating from the reconstitution of the embedded cells into an optimal structure.
既存組織の脱細胞化は、身体の天然プログラミングの利点を取り機能的血管ネットワークを含む完璧な組職を生成する生物学的な製造のコンセプトを拡張する。ラットの肝細胞外のマトリックス構造は、化学的な脱細胞化及び再接種を用いて生成された。Baptista,P.M.et al.Generation of a Three−Dimensional Liver Bioscaffold with an Intact Vascular Network for Whole Organ Engineering(Wake Forest Institue for Regnerative Medicine Harvard−MIT Division of Health,Science,and Technology Rice University,2009).複数の細胞タイプで再接種された脱細胞化されたラットの心臓は収縮可能で、ポンピング圧力を生成する能力を持つ。Ott,H.C.et al.Perfusion−decellularized matrix:using nature’s platform to engineer a bioartificial heart.Nature Medicine 14,213−221,doi:10.1038/nml684(2008).化学的な脱細胞化技術に対する挑戦は、ECM成分を損傷する洗浄剤に対する可能性、毒性を生成して蒸着させる可能性、及び小さなラットの臓器から大きな臓器へのこのような技術の規模拡大の内在した難しさを含む。このような挑戦は、脱細胞化された臓器が臨床セッティングで成功的に移植され得る前に克服されなければならない。 The decellularization of existing tissue extends the concept of biological manufacturing that takes advantage of the body's natural programming and produces a complete organization that includes a functional vascular network. Rat hepatocyte extracellular matrix structures were generated using chemical decellularization and revaccination. Baptista, P.M. M.M. et al. Generation of a Three-Dimensional Liver Bioscaffold with an Intact Vascular Network for Whole Organ Engineering (Wake Forest Institue for Regnerative Medicine Harvard-MIT Division of Health, Science, and Technology Rice University, 2009). Decellularized rat hearts re-inoculated with multiple cell types are contractible and capable of generating pumping pressure. Ott, H.C. C. et al. Perfusion-decellularized matrix: using nature's platform to engineer a bioartificial heart. Nature Medicine 14, 213-221, doi: 10.1038 / nml684 (2008). Challenges to chemical decellularization techniques are the potential for detergents that damage ECM components, the potential to generate and deposit toxicity, and the scale-up of such techniques from small rat organs to large organs. Including inherent difficulties. Such challenges must be overcome before decellularized organs can be successfully transplanted in a clinical setting.
異種臓器移植、または動物臓器の移植は、未来の臓器不足に対する一つの潜在的な解決策である。Keeffe,E.B.Liver transplantation:Current status and novel approaches to liver replacement.Gastroenterology 120,749−762,doi:10.1053/gast.2001.22583(2001).豚異種移植体は、相当な可能性を示すが、広く承認され、使用されるには至らなかった。豚膵島(pancreatic islets)の移植は、最近、一時的逆糖尿病(reverse diabetes mellitus)を示し(Cardona,K.et al.Long−term survival of neonatal porcine islets in nonhuman primates by targeting costimulation pathways.Nature Medicine 12,304−306,doi:10.1038/nml375(2006);及びHering,B.J.et al.Prolonged diabetes reversal after intraportal xenotransplantation of wild−type porcine islets in immunosuppressed nonhuman primates.Nature Medicine 12,301−303,doi:10.1038/nml369(2006)参照)、T−細胞耐性プロトコルの使用は、非ヒト霊長類において長期間の腎臓移植の可能性を証明した。Yamada,K.et al.Marked prolongation of porcine renal xenograft survival in baboons through the use of alpha 1,3−galactosyltransferase gene−knockout donors and the cotransplantation of vascularized thymic tissue.Nature Medicine 11,32−34,doi:10.1038/nmll72(2005). Xenotransplantation or animal organ transplantation is one potential solution to future organ shortages. Keeffe, E .; B. Liver transplantation: Current status and novel approaches to live replacement. Gastroenterology 120, 749-762, doi: 10.1053 / gast. 2001.22583 (2001). Porcine xenografts show considerable potential but have not been widely approved and used. Pancreatic islet transplantation has recently been shown to reverse reverse diabetes mellitus (Cardona, K. et al. Long-term urine symbiotic populations in the United States of America). , 304-306, doi: 10.1038 / nml375 (2006); and Hering, B. J. et al. Prolonged diabetics reverse after intratransplantation of wild-type porci e islets in immunosuppressed nonhuman primates. Nature Medicine 12, 301-303, doi: 10.1038 / nml369 (2006)), the use of a T-cell resistance protocol is a potential for long-term kidney transplantation in non-human primates Proved. Yamada, K .; et al. Marked promotion of porcine renal xenograph survival in baboons through the use of alpha 1, 3-galactosyltransferase pair gene-knockout. Nature Medicine 11, 32-34, doi: 10.1038 / nml72 (2005).
さらに、豚の肝臓が、アンモニアを除去したヒト血漿の短期間の灌流下にある間、凝固を復旧させる能力があることが証明された。Chari,R.S.et al.Brief Report−Treatment of Hepatic Failure with ex−vivo Pig Liver Perfusion Followed by Liver Transplantation,N.Engl.J.Med.331,234−237(1994);及びMakowka,L.et al,The Use of a Pig Liver Zenograft for Temporary Support of a Patient with Fulminant Hepatic Failure,Transplantation 59,1654−1659(1995).残念ながら、このような移植での移植片の損失及び拒絶のメカニズムは、依然としてよく知られておらず、免疫拒絶は、移植の成功のための最も大きな障害として残っている。Yang,Y.G.& Sykes,M.Xenotransplantation:current status and a perspective on the future.Nat.Rev.Immunol.7,519−531,doi:10.1038/nri2099(2007)。 Furthermore, it has been demonstrated that pig liver is capable of restoring clotting while under short-term perfusion of ammonia-depleted human plasma. Chari, R.A. S. et al. Brief Report-Treatment of Hepatic Failure with ex-vivo Pig River Perfusion Followed by Liver Transplantation, N.M. Engl. J. et al. Med. 331, 234-237 (1994); and Makowka, L .; et al, The Use of a Pig Live Zenograf for Temporary Support of a Patient with Fulminant Hepatic Failure, Transplantation 59, 1654-1659 (95). Unfortunately, the mechanism of graft loss and rejection in such transplants is still not well known, and immune rejection remains the greatest obstacle to successful transplants. Yang, Y. et al. G. & Sykes, M .; Xenotransplantation: current status and a perspective on the future. Nat. Rev. Immunol. 7,519-531, doi: 10.1038 / nri2099 (2007).
人工組織は、今日の最も破壊的な疾患のうち一部を治療するために最も有望視されるものである。人工組織及び臓器代替は実験室で開発され得るので、複数の疾患の段階で潜在的に大規模に輸送され得、この治療法では、患者の待機時間を顕著に減少させる。選択的な細胞移植を用いる人工組織のコンセプトは、膀胱再構成のための人工膀胱組織、膀胱尿管逆流(vesicoureteral reflux)及び尿失禁治療用の注入可能な人工の軟骨細胞及び血管移植片の成功的な使用を含む、様々な障害に実験的かつ臨床的に適用された。ヒト用臨床使用のために、前記工程は、in vitroでの接種及びスキャフォールド上へのヒト細胞の付着を含む。接種されると、前記細胞は増殖してスキャフォールド内に移動し、関連のある特定組織に対して適切な細胞タイプで分化されるが、細胞外マトリックス成分を分泌することは、前記組織を形成することを必要とする。前記スキャフォールドの三次元構造、及び特に前記スキャフォールドの多孔の大きさ及び密度は、重要な組織を生成するために接種された細胞の成功的な増殖及び移動において重要である。それゆえ、スキャフォールドの選択は、所望の形態及び大きさの組織及び臓器を生成するために細胞が必要とされる方式で実行できるように決定する。 Artificial tissue is the most promising for treating some of today's most devastating diseases. Since artificial tissue and organ replacements can be developed in the laboratory, they can potentially be transported on a large scale at multiple disease stages, and this therapy significantly reduces patient waiting time. Artificial tissue concept using selective cell transplantation is the success of artificial bladder tissue for bladder reconstitution, injectable artificial chondrocytes and vascular grafts for the treatment of vesicoureteral reflex and urinary incontinence It has been experimentally and clinically applied to a variety of disorders, including general use. For human clinical use, the process includes in vitro inoculation and deposition of human cells on the scaffold. Once inoculated, the cells proliferate and migrate into the scaffold and are differentiated with the appropriate cell type for the particular tissue involved, but secreting extracellular matrix components forms the tissue You need to do. The three-dimensional structure of the scaffold, and in particular the pore size and density of the scaffold, is important in the successful growth and migration of cells seeded to produce important tissue. Therefore, the choice of scaffold is determined so that the cells can be performed in the manner required to produce the desired morphology and size of tissues and organs.
これまで、人工組織用スキャフォールディング(scaffolding)は、一般に、天然及び合成ポリマーで構成された。ポリマーから人工組織用スキャフォールドを形成するための本分野で公知になった方法は、溶媒−キャスティング、粒子−浸出、ポリマー等のガスフォーミング(gas foaming)、相分離、及び溶液キャスティングを含む。電気紡糸は、人工組織及び臓器のためのスキャフォールドを生成するための他の人気のある方法であるが、広く用いられる技術は、これまでその臨床移植を防止する根本的な製造上の制約を持っている。このような制約は、細胞の成長及び機能を十分に促進するナノ−、マイクロ−、及びミリメートルの大きさの電気紡糸構造を生成できる工程等の確実な不足により引き起こされたものである。 To date, artificial tissue scaffolding has generally consisted of natural and synthetic polymers. Methods known in the art for forming artificial tissue scaffolds from polymers include solvent-casting, particle-leaching, gas forming of polymers, etc., phase separation, and solution casting. Electrospinning is another popular method for generating scaffolds for artificial tissues and organs, but widely used techniques have so far created fundamental manufacturing constraints that prevent clinical transplantation. have. Such constraints are caused by a certain lack of processes that can produce nano-, micro-, and millimeter-sized electrospun structures that sufficiently promote cell growth and function.
ほとんどの人工組織のスキャフォールドに対する根本的な重要性は、ガス及び栄養素の交換である。本来は、これは組織に酸素及び栄養素を提供し、毛細管水準で老廃物を除去する微細循環により果たされる。しかし、ほとんどの人工スキャフォールドにおけるガス交換は、一般に、分散(一般に1mm未満の距離にわたって)により受動的になされるか、特定類型の物質繊維から酸素の溶出により能動的になされる。微細循環は操作しにくいが、これは、特に毛細管の断面寸法がわずか5〜10マイクロメータ(μm;ミクロン)の直径であるためである。未だに、組織スキャフォールドを操作するための製造工程が開発されておらず、血管のネットワークを生成することができない。現在、ガス交換のための構造で設計された循環を有する人工組織のスキャフォールドは公知になっていない。結果として、組織及び臓器のための前記スキャフォールドは、大きさ及び形態が制限される。 Of fundamental importance to most artificial tissue scaffolds is the exchange of gases and nutrients. Essentially, this is accomplished by a microcirculation that provides oxygen and nutrients to the tissue and removes waste products at the capillary level. However, gas exchange in most artificial scaffolds is generally done passively by dispersion (generally over distances of less than 1 mm) or actively by elution of oxygen from certain types of material fibers. Microcirculation is difficult to manipulate, especially because the capillary cross-sectional dimensions are only 5-10 micrometers (μm) in diameter. Still, a manufacturing process for manipulating the tissue scaffold has not been developed and a network of blood vessels cannot be generated. Currently, artificial tissue scaffolds with circulation designed in a structure for gas exchange are not known. As a result, the scaffold for tissues and organs is limited in size and form.
ガス交換以外に、人工組織のスキャフォールドは、交替しようとする本来の組織と類似した機械的特性を示さなければならない。これは、本来の組織に存在する前記細胞が組織の成長及び機能を調節するように作用することができる生理学的気質を感知するため、事実である。ほとんどの天然の硬質組織及び軟質組織は、弾性があるか粘弾性があり、一般の作用条件下で、これらが従属する前記気質を可逆的に回復できる。従って、本来の組織の成熟した細胞外マトリックスとして同様の機械的特性を有する人工組織構造を宿主内に移植する時点で、特に、骨、軟骨または血管のような構造を支持するのに好適である。 In addition to gas exchange, the scaffold of artificial tissue must exhibit mechanical properties similar to the original tissue to be replaced. This is true because the cells present in the native tissue sense a physiological temperament that can act to regulate tissue growth and function. Most natural hard and soft tissues are elastic or viscoelastic and can reversibly recover the temperament they depend on under normal working conditions. Therefore, it is particularly suitable for supporting structures such as bone, cartilage or blood vessels at the time of transplanting an artificial tissue structure having similar mechanical properties as a mature extracellular matrix of the original tissue into a host. .
天然の組織からスキャフォールドを製造するための本分野で公知になった多くの物理的、化学的、及び酵素的方式がある。スキャフォールドを製造するための最も一般的な物理的方法は、スナップ冷却(snap freezing)、機械的な力(例えば、直接圧迫)、及び機械的な攪拌(例えば、超音波処理)である。スキャフォールドを製造するための最も一般的な化学的方法は、アルカリまたは塩基処理、非イオン性、イオン性、または両性イオン性洗浄剤の使用、低張性(hypotonic)または高張性(hypertonic)溶液の使用、及びキレート剤の使用である。スキャフォールドを製造するための一般的な酵素的方法は、トリプシン、エンドヌクレアーゼ、またはエキソヌクレアーゼの使用を含む。現在、スキャフォールドを製造するために組織を十分に脱細胞化するために、二つ以上の前記の言及された方式及び特に他の一般分類(即ち、物理的、化学的、酵素的)からの二つ以上の方式が用いられなければならないことが本分野において認識された。残念ながら、用いられた前記方法は、組織上では相対的に強力で細胞形質成分が完全に除去されることがある。前記の強力な処理は、結果的に生成されたスキャフォールドを不可逆的に分解して脈管構造及び神経構造を破壊する。 There are a number of physical, chemical, and enzymatic methods known in the art for producing scaffolds from natural tissue. The most common physical methods for producing the scaffold are snap freezing, mechanical force (eg, direct compression), and mechanical agitation (eg, sonication). The most common chemical methods for producing scaffolds are alkali or base treatment, use of nonionic, ionic, or zwitterionic detergents, hypotonic or hypertonic solutions And the use of chelating agents. Common enzymatic methods for producing scaffolds include the use of trypsin, endonuclease, or exonuclease. Currently from two or more of the above mentioned methods and especially other general classifications (ie physical, chemical, enzymatic) in order to fully decellularize the tissue to produce the scaffold It has been recognized in the art that more than one scheme must be used. Unfortunately, the method used is relatively powerful on tissue and may completely remove cytoplasmic components. Such powerful processing irreversibly degrades the resulting scaffold to destroy vasculature and nerve structures.
動物予備−臨床実験及びヒト臨床適用のいずれにおいても用いられたほとんどの成功的なスキャフォールドは生物学的(天然)であり、大きな動物(例えば、豚)の臓器を脱細胞化して作られた。一般に、スキャフォールドの製造のための組織または臓器からの細胞の除去は、前記細胞外マトリックス(extracellular matrix、ECM)を構成する構造的及び機能的タンパク質の複合混合物を残さなければならない。ECMが得られる前記組織、起源の前記種(species)、前記脱細胞化方法及びこのような生物学的スキャフォールドに対する末期殺菌方法は非常に多様である。しかし、本願において言及されたように、前記脱細胞化方法は相対的に強力で、前記細胞外スキャフォールドの相当な破壊または分解を引き起こす。前記スキャフォールドが製造されると、ヒト細胞を接種して増殖し、移動し、特定の組織内に分化され得る。ほとんどの脱細胞化工程の目標は、スキャフォールドに起こる崩壊を最小化して前記組織の本来の機械的特性及び生物学的特性を維持することである。しかし、現在までこのような目標は達成されていない。スナップ冷却が、腱組織、靭帯組織及び神経組織の脱細胞化によく利用された。組織の急激な冷却により、細胞内の氷結晶が細胞膜を破壊し、細胞溶解を起こした。ECMの破壊から氷形成を防止するために、温度変化の速度が注意して調節されなければならない。冷却が細胞溶解の効果的な方法ではあるが、前記組織から細胞形質成分を除去する後続工程が引き続かれなければならない。 Animal Preliminary-Most successful scaffolds used in both clinical experiments and human clinical applications are biological (natural) and made by decellularizing large animal (eg, pig) organs . In general, removal of cells from a tissue or organ for the production of the scaffold must leave a complex mixture of structural and functional proteins that constitute the extracellular matrix (ECM). The tissue from which the ECM is obtained, the species of origin, the decellularization method and the terminal sterilization method for such biological scaffolds are very diverse. However, as mentioned in this application, the decellularization method is relatively powerful and causes substantial destruction or degradation of the extracellular scaffold. Once the scaffold is manufactured, it can be seeded with human cells to grow, migrate, and differentiate into specific tissues. The goal of most decellularization processes is to minimize the disruption that occurs in the scaffold and maintain the original mechanical and biological properties of the tissue. However, until now, such a goal has not been achieved. Snap cooling has often been used to decellularize tendon tissue, ligament tissue and nerve tissue. Due to the rapid cooling of the tissue, the ice crystals inside the cells destroyed the cell membrane and caused cell lysis. In order to prevent ice formation from ECM destruction, the rate of temperature change must be carefully adjusted. Although cooling is an effective method of cell lysis, subsequent steps to remove cytoplasmic components from the tissue must be followed.
細胞は、組織に直接圧力を加えて溶離され得るが、この方法は、密接に組織化されたECM(例えば、肝臓、肺)で特徴付けられる組織または臓器に対してのみ効果的である。機械的な力は、また、小腸及び膀胱のような天然切開平面(natural planes of dissections)により特徴付けられる臓器から組織の層を層間分離するのに用いられた。このような方法は効果的であり、このような組織内で前記ECMの三次元構造に対する最小崩壊をもたらす。さらに、機械的攪拌及び超音波処理を化学的処理と同時に用いて細胞溶離及び細胞破片の除去を補助することができる。機械的攪拌は、磁性攪拌プレート、オービタルシェーカー、または低プロファイルローラを用いて適用され得る。細胞の崩壊のための超音波の最適な規模または振動数を決定するための研究はなかったが、標準超音波クリーナーが効果的であると見られた。前記言及した通り、現在用いられる物理学的処理は、完全な脱細胞化を達成するには一般的に不十分であり、二次処理、通常、化学的処理と併行しなければならない。トリプシンのような酵素処理、及びイオン性溶液及び洗浄剤のような化学的処理は、細胞膜と細胞内及び細胞外の連結を可能とする結合を崩壊させる。それゆえ、これらは、機械的手段による全般的な崩壊後に脱細胞化での二次ステップとしてしばしば用いられる。 Although cells can be eluted by applying pressure directly to the tissue, this method is only effective for tissues or organs characterized by closely organized ECM (eg, liver, lung). Mechanical forces were also used to delaminate tissue layers from organs characterized by natural planes of detections such as the small intestine and bladder. Such a method is effective and results in minimal collapse for the three-dimensional structure of the ECM within such tissue. In addition, mechanical agitation and sonication can be used simultaneously with chemical treatment to assist in cell elution and removal of cell debris. Mechanical agitation can be applied using a magnetic agitation plate, an orbital shaker, or a low profile roller. Although there were no studies to determine the optimal magnitude or frequency of ultrasound for cell disruption, a standard ultrasound cleaner appeared to be effective. As mentioned above, the physical treatments currently used are generally insufficient to achieve complete decellularization and must be accompanied by secondary treatments, usually chemical treatments. Enzymatic treatments such as trypsin and chemical treatments such as ionic solutions and detergents disrupt the bonds that allow intracellular and extracellular linkages. They are therefore often used as a secondary step in decellularization after general disruption by mechanical means.
最近、IRE分野での改善がなされ、IREでの腫瘍の処理概念が成立したが、本発明者等は、IREを用いて疾患にかかった組織を除去するための改善された装置及び方法に対する本分野の要求が依然として存在するということを認知した。さらに具体的には、本発明者等は、生理学的電極(“生理学的血管電極(Physiologic Vascular Electrode)”または“PVE”)として組織の血管床(vascular bed)を用いて軟質組織から細胞を選択的に除去した。望まない細胞の除去のためのこの技術の生体外及び生体内適用は、積極的であり、浸透性で限局性の新生物の治療に有用であるだけでなく、組織工学、組織再生、及び生物学的に由来した組織構造を用いた臓器移植においても広く多様に適用され得る。 Recently, improvements have been made in the IRE field and the concept of tumor treatment in IRE has been established, but the inventors have developed a book for improved apparatus and methods for removing diseased tissue using IRE. Recognized that field demand still exists. More specifically, we select cells from soft tissue using a tissue vascular bed as a physiological electrode ("Physiological Vascular Electrode" or "PVE"). Removed. The in vitro and in vivo application of this technique for the removal of unwanted cells is not only active and useful for the treatment of permeable and localized neoplasms, but also in tissue engineering, tissue regeneration, and biological The present invention can also be widely applied to organ transplantation using a tissue structure derived from a science.
本発明は、パルス輸送のための導管として組織内の既存の脈管構造の使用を通じて不可逆的及び可逆的電気穿孔の新規な適用を提供する。このような方法論は、細胞及び組織の非熱焼灼を誘導するのに必須のエネルギーを減少させて脈管化組織構造の開発のための細胞外マトリックスの保存を劇的に改善する、わずか数ミクロンの“電極”の分離を引き起こす。また、電気穿孔の可逆的領域を活用することを含む、生体内の固形腫瘍等の治療及び他の生体内への適用における臨床的影響を与え、ここで、前記電場は、細胞を殺さずに前記細胞の透過性を臨時的に増加させて外因性物質の細胞内輸送を可能とする。 The present invention provides a novel application of irreversible and reversible electroporation through the use of existing vasculature in tissue as a conduit for pulse transport. Such a methodology reduces the energy required to induce non-thermal ablation of cells and tissues and dramatically improves the preservation of extracellular matrix for the development of vascularized tissue structures, only a few microns Cause separation of the "electrodes". It also has clinical implications in the treatment of solid tumors in vivo and other in vivo applications, including utilizing the reversible area of electroporation, where the electric field does not kill cells The permeability of the cells is temporarily increased to allow intracellular transport of exogenous substances.
組織を脱細胞化させるためのIREの使用は、組織または器官の細胞を破壊するための制御された正確な方法を提供し、原組織の血管新生及びその他の全体的な形態学的特性を含む根本的な細胞外マトリックス(extracellular matrix、ECM)の損傷はないものとした。このような前記脱細胞化されたスキャフォールドは、適切な生物の細胞を接種するに適する。 The use of IRE to decellularize tissue provides a controlled and accurate method for destroying cells of tissues or organs, including angiogenesis of the original tissue and other overall morphological characteristics It was assumed that there was no damage to the underlying extracellular matrix (ECM). Such a decellularized scaffold is suitable for inoculating cells of a suitable organism.
前記工程が細胞外で実行されると、前記接種された組織が交替組織として生物の体内に移植されるに適する。スキャフォールドを製造する方法以外に、前記発明は、また、脱細胞化されたスキャフォールド自体だけでなく、このようなスキャフォールドから作られた人工組織及び臓器を製造する方法を提供する。さらに、本発明は、前記人工スキャフォールド用途及びこのようなスキャフォールドから作られた前記人工組織及び臓器を提供する。 When the step is performed extracellularly, the inoculated tissue is suitable for being transplanted into a living body as a replacement tissue. In addition to methods for producing scaffolds, the invention also provides methods for producing not only decellularized scaffolds themselves, but also artificial tissues and organs made from such scaffolds. Furthermore, the present invention provides the artificial scaffold applications and the artificial tissues and organs made from such scaffolds.
さらに具体的には、IREは、微細脈管構造を損傷なしに残し、任意に電場のための経路として臓器脈管構造を用いるIRE投与と併用される、臓器の能動的な灌流(active perfusion)を用いて組織を中心的に除去するのに用いることができる。IREパルス輸送のための経路として脈管構造を用いるこのような画期的な方法論は、組織内に深く内蔵された腫瘍を治療するための(例えば、インサイドアウト(inside out)から治療)または完全な臓器スキャフォールド発生のための有望な解決策である。 More specifically, IRE leaves the fine vasculature intact, and optionally active perfusion of the organ, optionally in combination with IRE administration using the organ vasculature as a path for the electric field. Can be used to centrally remove tissue. Such an innovative methodology that uses the vasculature as a route for IRE pulse transport is suitable for treating tumors deeply embedded in tissue (eg, treatment from inside out) or complete It is a promising solution for the generation of a complex organ scaffold.
プレート電極及び針状電極が組織及び臓器を治療するためにIREを輸送するのに用いられ得る。しかし、いくつかの場合において、プレート電極は、腫瘍を除去するか臓器内の深い臓器を治療するのに好ましい解決策ではないことがある。例えば、プレート電極は、一般的に前記臓器の外部表面上に位置し、腫瘍及び前記臓器の外部表面間に位置した健康な組織に望まない損傷を引き起こす可能性がある。針電極は、実行可能な方法であって、これは、針が前記臓器内に挿入されて前記臓器のさらに内部の部分を治療するためである。輸送治療において最も効果的であると見られる前記針電極は、前記臓器に穴をあけなければならない。さらに、低い熱投与量の必要条件が治療のそれぞれのセッティングのための最大処理領域を制限し、全体臓器を治療するために多数の針穴を一般的に必要とするはずである。しかも、このような穴は、流体のための代案的な経路を提供するため下流の臓器セクションの灌流がまともになされない可能性がある。プレート電極は、このような問題のうち一部を緩和するのに用いられ得るが、これら自体の制約を導入することができる。大きなプレート電極を一つの治療において肝臓の相当する部分の治療に用いることができる。しかし、適用される治療の距離比率に対する電圧が組織の深さの変化に起因するため治療される領域にわたってかなり多様である。このような輸送システムに関連したプロトコルは、一般に、前記臓器の不十分な治療を引き起こすリスクがある。 Plate and needle electrodes can be used to transport IRE to treat tissues and organs. However, in some cases, plate electrodes may not be a preferred solution for removing tumors or treating deep organs within an organ. For example, plate electrodes are typically located on the external surface of the organ and can cause unwanted damage to healthy tissue located between the tumor and the external surface of the organ. A needle electrode is a viable method because a needle is inserted into the organ to treat a further internal portion of the organ. The needle electrode that appears to be most effective in transport therapy must puncture the organ. Furthermore, the low heat dose requirement limits the maximum processing area for each setting of treatment and should generally require a large number of needle holes to treat the entire organ. Moreover, such holes provide an alternative path for fluid and may not allow perfusion of downstream organ sections. Plate electrodes can be used to alleviate some of these problems, but can introduce their own constraints. Large plate electrodes can be used to treat the corresponding part of the liver in one treatment. However, the voltage relative to the distance ratio of the treatment to be applied varies considerably over the area to be treated because of the variation in tissue depth. Protocols associated with such transport systems are generally at risk of causing inadequate treatment of the organ.
プレート及び針状電極の代案として、本発明者等は、バルク組織(例えば、肝組織)での非熱的な細胞の死滅を誘導するために機械的に灌流される臓器の脈管構造を通じて電気パルスを輸送する装置、システム、及び方法を提供する。 As an alternative to plates and needle electrodes, the inventors have used electrosurgery through the vasculature of organs that are mechanically perfused to induce non-thermal cell death in bulk tissue (eg, liver tissue). Apparatus, systems, and methods for delivering pulses are provided.
臓器の脈管構造内にIREを直接投与する代表的な装置を、本発明に係るIRE−機械的灌流連結装置の実施形態の概略図である図1に示した。前記脈管構造及び前記灌流システムへの連結は、ルアーロック(Luer lock)の連結管の使用を通じて行われる。前記装置内部の一方向弁が逆流を予防し、機械的摸倣心臓拍動の間で前記臓器を電気的に分離するのに用いられ得る。従って、このような電気穿孔システムは、血管及び伝導構造(例えば、肝静脈、肝動脈、肝門脈、及び/又は肝臓の胆管)に内部的に連結され、持続的な機械的灌流が遅れないようにすることができる。このような好ましい中心除去システムにおいて、前記プロトコルは、小葉(lobule)単位の細胞外基底膜を保存しながら細胞の95%の細胞死滅を誘導することができる。 A representative device for administering IRE directly into the vasculature of an organ is shown in FIG. 1, which is a schematic diagram of an embodiment of an IRE-mechanical perfusion coupling device according to the present invention. The connection to the vasculature and the perfusion system is made through the use of Luer lock connection tubes. A one-way valve inside the device can be used to prevent backflow and to electrically isolate the organ between mechanically imitating heart beats. Thus, such electroporation systems are internally connected to blood vessels and conduction structures (eg, hepatic veins, hepatic arteries, hepatic portal vein, and / or hepatic bile ducts) and do not delay sustained mechanical perfusion. Can be. In such a preferred center removal system, the protocol is capable of inducing 95% cell death while preserving the extracellular basement membrane of lobule units.
生体外及び生体内組織の血管床を通じる電気エネルギーの適用は、疾患の治療及び有用な生物由来の組織構造の生成のための手段として望まない細胞を除去するのに用いられ得る。さらに、このような技術は、臓器の全体(または特定領域)に電気または熱エネルギーを輸送し、他の現象を可能とするのに用いられ得る。前記脈管構造を通じてまた適用され得る他の治療としては、電気−化学療法、及び電気−遺伝子−療法、高周波アブレーション(radio frequency ablation)、RF誘導温熱及びパルスナノ秒電場(pulsed nanosecond electric fields)のための可逆的電気穿孔を含む。実際に、エネルギーを輸送するための伝導性経路を必要とする全ての療法は、この明細書において記載された発明的原理を適用することにより調整できる。 Application of electrical energy through the vascular bed of in vitro and in vivo tissue can be used to remove unwanted cells as a means for treatment of disease and generation of useful biological tissue structures. In addition, such techniques can be used to transport electrical or thermal energy throughout the organ (or a specific area) and allow other phenomena. Other treatments that can also be applied through the vasculature include electro-chemotherapy, and electro-gene-therapy, radio frequency ablation, RF-induced thermal and pulsed nanosecond electric fields. Reversible electroporation. Indeed, all therapies that require a conductive pathway to transport energy can be tailored by applying the inventive principles described in this document.
本発明の実施形態は、様々な量のエネルギーの適用(可逆的及び不可逆的電気穿孔のいずれも)(例えば、伝導性経路として臓器の脈管構造を使用)が一般及び新生物細胞の選択的除去を含む広範囲な所望する組織の除去に効果を有するように調節され得る方法を提供する。 Embodiments of the present invention apply different amounts of energy (both reversible and irreversible electroporation) (eg, using organ vasculature as a conductive pathway) and are selective for general and neoplastic cells. Methods are provided that can be adjusted to have an effect on the removal of a wide range of desired tissue, including removal.
伝導性経路として前記臓器の前記脈管構造を用いて様々な量のエネルギーを適用することは、他の治療様式(例えば、電気化学療法(electrochemo therapy,ECT)、電気遺伝子療法(electrogenetherapy,EGT)、ナノ秒パルス磁場(nanosecond pulsed electric fields,nsPEF)、高周波不可逆的電気穿孔(High−frequency Irreversible Electroporation,H−FIRE)、高周波アブレーション(radio frequency ablation)、または急性温熱療法(acute hyperthermia))に対して用いられ得、所望の治療効果を達成することができる。 Applying various amounts of energy using the vasculature of the organ as a conducting pathway is another treatment modality (eg, electrochemotherapy, ECT, electrogenetherapy, EGT). , Nanosecond pulsed electric fields (nsPEF), high-frequency irreversible electroporation (H-FIRE), high-frequency ablation (radio-frequency therapy) Can be used to achieve the desired therapeutic effect.
本発明によれば、エネルギー適用(例えば、伝導性経路として臓器の前記脈管構造を使用)の効果は、エネルギーのパルス形態、電圧、アンペア数、期間、繰返し率及び周波数を多様化し/多様化するか、エネルギーシステムの設計及び位置決めにより制御され、調節され得る。 According to the present invention, the effect of energy application (eg using the vasculature of the organ as a conductive pathway) diversifies / diversifies energy pulse form, voltage, amperage, duration, repetition rate and frequency. Alternatively, it can be controlled and adjusted by the design and positioning of the energy system.
本発明の他の側面は、精巧で正確に調節される血管灌流システムの設計及び使用を通じてエネルギー適用(例えば、伝導性経路として臓器の前記脈管構造を使用)の効果を調節し、制御することを含む。 Another aspect of the present invention is to regulate and control the effects of energy application (eg, using the vasculature of an organ as a conductive pathway) through the design and use of an elaborate and precisely regulated vascular perfusion system. including.
本発明に係る、例えば、パルス電場を通じるエネルギー適用の効果を調節する方法は、精巧で正確に調節される血管灌流システムの生理学的模倣特性を多様化することを含むことができる。 A method for adjusting the effect of energy application through, for example, a pulsed electric field according to the present invention can include diversifying the physiologically mimicking characteristics of a sophisticated and precisely regulated vascular perfusion system.
しかも、例えば、パルス電場を通じるエネルギー適用の効果は、灌流の条件及び生体外臓器及び組織の保存条件を多様化して調節することができる。 Moreover, for example, the effect of energy application through a pulsed electric field can be adjusted by diversifying perfusion conditions and preservation conditions of in vitro organs and tissues.
例えば、パルス電場を通じるIREを用いるエネルギー適用及びその結果として現れる効果は、本発明の実施形態による生体内臓器及び組織の灌流及び保存条件を多様化して調節され得る。 For example, energy application using IRE through a pulsed electric field and the resulting effects can be adjusted by diversifying the perfusion and storage conditions of in vivo organs and tissues according to embodiments of the present invention.
本発明は、また、エネルギー適用システム及びプロトコルの拡張として部分的にまたは全体的に機能する血管内流体の組成を変更して、例えば、伝導性経路として前記臓器の前記脈管構造を用いるエネルギー適用の効果を調節する方法を含む。 The present invention also modifies the composition of the intravascular fluid that functions in part or in whole as an extension of the energy application system and protocol, for example, energy application using the vasculature of the organ as a conductive pathway. Including a method of adjusting the effect of.
さらに具体的には、本発明の実施形態の側面は、下記側面またはその組合せを含む。第1側面において、下記を含む細胞を除去する方法を含む:臓器または組織内、上、または近くに一つ以上の電極を位置させ;灌流液で前記組織または器官を機械的に灌流させ;及び標的細胞の電気穿孔を起こすのに十分な時間の間、十分な電力で前記組織または器官内に電場を投与する。第2側面において、このような方法は、下記を含むことができる:臓器または組織の脈管構造内に前記電極を挿入し;前記脈管構造を通じて灌流液で前記組織または臓器を機械的に灌流させ;及び標的細胞の電気穿孔を起こすのに十分な時間の間、十分な電力で前記脈管構造内に電場を投与する。 More specifically, aspects of embodiments of the present invention include the following aspects or combinations thereof. In a first aspect, comprising a method of removing cells comprising: positioning one or more electrodes in, on or near an organ or tissue; mechanically perfusing said tissue or organ with a perfusate; and An electric field is administered into the tissue or organ with sufficient power for a time sufficient to cause electroporation of the target cell. In a second aspect, such a method can include: inserting the electrode into the vasculature of the organ or tissue; mechanically perfusing the tissue or organ with a perfusate through the vasculature And an electric field is administered into the vasculature with sufficient power for a time sufficient to cause electroporation of the target cells.
第3側面において、このような方法は、前記臓器の動脈内に第1電極を挿入し、前記臓器の静脈内に第2電極を挿入して、前記臓器の脈管構造を通じて前記電極間に組織または細胞を電気穿孔させることを含むことができる。さらに、または代案的に、輸尿管または一般胆管のような他の生理学的経路がエネルギー適用のために用いられ得る。このような方法は、標的細胞の非熱的不可逆的電気穿孔を含むことができる。 In the third aspect, such a method includes inserting a first electrode into an artery of the organ, inserting a second electrode into a vein of the organ, and tissue between the electrodes through the vasculature of the organ. Alternatively, electroporation of the cells can be included. Additionally or alternatively, other physiological pathways such as ureters or common bile ducts can be used for energy applications. Such methods can include non-thermal irreversible electroporation of target cells.
第5側面は、第1側面乃至第4側面のいずれかを含み、機械的灌流、生理学的灌流、または物理的、化学的、または酵素的技術、またはこれらのある組合せにより前記組織または臓器から細胞破片を除去することをさらに含む。 The fifth aspect includes any one of the first to fourth aspects, wherein cells from the tissue or organ by mechanical perfusion, physiological perfusion, or physical, chemical, or enzymatic techniques, or some combination thereof It further includes removing debris.
第6側面において、前記組織の灌流の間に標的細胞に不可逆的電気穿孔を投与することにより天然の組織源から前記標的細胞を除去して形成された組織スキャフォールドが、本発明の実施形態によって提供される。第7側面において、第6側面のこのようなスキャフォールドは、前記組織の脈管構造を通じて投与される電気穿孔を含むことができる。第8側面において、第6側面または第7側面のスキャフォールドは、天然の組織源の細胞外マトリックス及び血管構造を含むことができる。第9側面において、第6側面乃至第8側面のいずれかの前記スキャフォールドは、約1〜8cm、または5〜10cmの少なくとも一つの大きさの厚さを有する前記組織スキャフォールドをもたらすことができる。 In a sixth aspect, a tissue scaffold formed by removing the target cells from a natural tissue source by administering irreversible electroporation to the target cells during perfusion of the tissue according to an embodiment of the present invention. Provided. In the seventh aspect, such a scaffold of the sixth aspect can include electroporation administered through the vasculature of the tissue. In the eighth aspect, the scaffold of the sixth or seventh aspect can include the extracellular matrix and vascular structures of natural tissue sources. In a ninth aspect, the scaffold of any of the sixth to eighth aspects can provide the tissue scaffold having a thickness of at least one size of about 1-8 cm, or 5-10 cm. .
第10側面は、組織の灌流の間、標的細胞に不可逆的電気穿孔を投与して組織スキャフォールドを収得し、前記スキャフォールド上または内に生きている細胞が成長するようにする条件下で、前記生きている細胞を前記スキャフォールドに再接種することにより、天然の組織源から前記標的細胞を除去して形成された人工組織を含む。 In a tenth aspect, under conditions that allow irreversible electroporation to be administered to target cells during tissue perfusion to obtain a tissue scaffold and allow living cells to grow on or in the scaffold, It includes an artificial tissue formed by removing the target cells from a natural tissue source by re-inoculating the scaffold with the living cells.
第11側面において、第10側面の前記人工組織は、前記の天然の組織の脈管構造内に投与された電気穿孔を含むことができる。第12側面において、第10側面または第11側面の前記人工組織のスキャフォールドは、動物(ヒトを含むあらゆる動物)からの組織スキャフォールド及びヒト由来の生きている細胞を含むことができる。第13側面は、第10側面乃至第12側面のいずれかの前記人工スキャフォールドを含み、ここで、前記組織スキャフォールドは、天然の組織源の細胞外マトリックス及び血管構造を含むことができる。第14側面は、第10側面乃至第13側面のいずれかの前記人工組織のスキャフォールドを含み、ここで、前記人工組織のスキャフォールドは、約1〜10cmの少なくとも一つの大きさの厚さを有する。第15側面は、第10側面乃至第14側面のいずれかの前記人工組織のスキャフォールドを含むことができ、これは、心臓、肺、肝臓、腎臓、膵臓、脾臓、消化管、膀胱、前立腺、卵巣、脳、耳、目または肌またはその一部、または他の全ての臓器またはその一部である。 In an eleventh aspect, the artificial tissue of the tenth aspect can include electroporation administered within the vasculature of the natural tissue. In the twelfth aspect, the scaffold of artificial tissue of the tenth aspect or the eleventh aspect can include a tissue scaffold from an animal (any animal including a human) and a living cell derived from a human. A thirteenth aspect includes the artificial scaffold of any of the tenth to twelfth aspects, wherein the tissue scaffold can include an extracellular matrix and a vascular structure of a natural tissue source. A fourteenth side includes the artificial tissue scaffold of any of the tenth to thirteenth side, wherein the artificial tissue scaffold has a thickness of at least one size of about 1-10 cm. Have. The fifteenth aspect can include the scaffold of artificial tissue of any of the tenth to fourteenth aspects, which includes the heart, lung, liver, kidney, pancreas, spleen, gastrointestinal tract, bladder, prostate, It is the ovary, brain, ears, eyes or skin or parts thereof, or all other organs or parts thereof.
本発明の第16側面において、下記を含む組織または臓器の標的細胞を除去するための装置を含む:前記組織または器官脈管構造の動脈から静脈に灌流液を輸送するに適した灌流システム;前記組織または臓器脈管構造の前記動脈及び前記静脈内に各々挿入されるに適した第1電極及び第2電極;及び前記第1及び第2電極間に位置した標的細胞の電気穿孔を行うに十分な時間の間、十分な電圧で灌流の間前記第1及び第2電極間の電圧を適用するために前記電極との疎通を作動させる電圧源。本発明の第17側面において、第16側面の前記装置は、非熱的不可逆的電気穿孔である電気穿孔を含むことができる。本発明の第18側面において、第16側面または第17側面の前記装置は、灌流液(患者の血液内の生体内または合成灌流液内の細胞外のうち一つ)内のアジュバント巨大分子と共に電気穿孔を含んで、前記電気穿孔された細胞の二次効果を促すことができる。 In a sixteenth aspect of the present invention, comprising a device for removing target cells of a tissue or organ comprising: a perfusion system suitable for transporting perfusate from an artery of said tissue or organ vasculature to a vein; A first electrode and a second electrode suitable for insertion into the artery and vein of tissue or organ vasculature, respectively; and sufficient to perform electroporation of a target cell located between the first and second electrodes A voltage source that activates communication with the electrode to apply a voltage between the first and second electrodes during perfusion with sufficient voltage for a long period of time. In the seventeenth aspect of the present invention, the apparatus of the sixteenth aspect can include electroporation that is non-thermal irreversible electroporation. In an eighteenth aspect of the present invention, the device according to the sixteenth aspect or the seventeenth aspect is electrically coupled with an adjuvant macromolecule in a perfusate (either in vivo in a patient's blood or extracellular in a synthetic perfusate). Including perforations, secondary effects of the electroporated cells can be promoted.
第19側面において、前記電極は、第3側面において記載されたように、生きている組織内に挿入され得、ここで、前記標的領域を通じて適用された前記電気エネルギーパラメータは、前記組織の温和な温熱または熱的破壊(高周波アブレーション)のように輸送を誘導する温度での増加を意図的に誘導するように設定される。 In the nineteenth aspect, the electrode can be inserted into living tissue as described in the third aspect, wherein the electrical energy parameter applied through the target region is a mild of the tissue. It is set to intentionally induce an increase in temperature that induces transport, such as thermal or thermal destruction (radio frequency ablation).
本発明の第20側面において、本発明のある側面は、電気パルスが標的細胞に電気穿孔を起こすに十分な時間の間、十分な電力で前記脈管構造を通じて電場を誘導するために投与され、前記標的領域内で発生する疾患を治療するための治療的な遺伝子構成物の導入が可能となるように、機械的灌流下で生きている動物または臓器で実行されるように調整され得る。このような療法は、例えば、インスリンの生産に拍車を掛けるためのI型糖尿病での膵島(islets of pancreas)に対する遺伝子療法を投与することにより役立つだろう(疾患にかかった組織、非がん性)。 In a twentieth aspect of the invention, an aspect of the invention is administered to induce an electric field through the vasculature with sufficient power for a time sufficient for an electrical pulse to cause electroporation in a target cell; It can be adapted to be performed on live animals or organs under mechanical perfusion to allow the introduction of therapeutic gene constructs to treat diseases that occur within the target area. Such therapy would be helpful, for example, by administering gene therapy for islets of pancreas in type I diabetes to spur insulin production (disease tissue, non-cancerous) ).
本発明の第21側面において、本発明のある側面は、全身性疾患を治療するために標的細胞を交替するための遺伝子構成物の導入を可能とするために、標的細胞に電気穿孔を起こすに十分な時間の間、十分な電力で電気パルスが前記脈管構造を通じて電場を誘導するために投与されるように、機械的灌流下で生きている動物または臓器で実行されるように調整され得る。このような療法は、筋肉のような組織内に遺伝子を導入させて所望の抗体(療法において血管として用いられる健康な組織)を生産する免疫調整の脈絡で適用可能である。 In a twenty-first aspect of the invention, an aspect of the invention provides for electroporation of a target cell to allow introduction of a genetic construct to replace the target cell to treat systemic disease. Can be tuned to be performed on a live animal or organ under mechanical perfusion so that for a sufficient amount of time, an electrical pulse is administered with sufficient power to induce an electric field through the vasculature . Such therapy can be applied in the context of immune regulation in which genes are introduced into tissues such as muscles to produce desired antibodies (healthy tissues used as blood vessels in therapy).
本発明の第22側面において、本発明のある側面は、標的領域内または全身性疾患のいずれか一つでの疾患を治療するために、巨大分子の導入を可能とするために、標的細胞に電気穿孔を起こすに十分な時間の間、十分な電力で電気パルスが前記脈管構造を通じて電場を誘導するために投与されるように、機械的灌流下で生きている動物または臓器で実行されるように調整され得る。このような療法は、ある範囲の疾患を治療するための薬物流入を増加させるのに有用であり、がん細胞のみを殺すだけでなく、非がん性疾患を治療することのできる全ての他の薬物も可能である。このような側面は、第20側面及び第21側面と類似しているが、遺伝子の代わりに薬物を用いる。 In a twenty-second aspect of the invention, an aspect of the invention provides for the introduction of a macromolecule to allow the introduction of a macromolecule to treat a disease either within the target region or with a systemic disease. Performed in a live animal or organ under mechanical perfusion so that an electrical pulse is administered to induce an electric field through the vasculature with sufficient power for a time sufficient to cause electroporation Can be adjusted as follows. Such therapies are useful in increasing drug influx to treat a range of diseases, not only killing cancer cells alone, but all others that can treat non-cancerous diseases. Other drugs are also possible. Such an aspect is similar to the twentieth aspect and the twenty-first aspect, but uses a drug instead of a gene.
本発明の第23側面において、本発明のある側面は、前記脈管構造を通じる交差電場の投与が、標的領域または臓器全体の熱焼灼をもたらすように、機械的灌流下で生きている動物または臓器で実行を調整することができる。 In a twenty-third aspect of the invention, an aspect of the invention provides for an animal or a living animal under mechanical perfusion such that administration of a cross electric field through the vasculature results in thermal ablation of the target area or the entire organ. Execution can be coordinated with organs.
第24側面において、第1側面乃至第23側面の方法のいずれかは、電気化学療法(electrochemotherapy,ECT)、電気遺伝子療法(electrogenetherapy,EGT)、ナノ秒パルス電場(nanosecond pulsed electric fields,nsPEF)、高周波不可逆的電気穿孔(High−frequency Irreversible Electroporation,H−FIRE)、高周波アブレーション(radio frequency ablation)、または急性温熱療法(acute hyperthermia)から選択された療法を含むことができる。 In the twenty-fourth aspect, any one of the methods of the first aspect to the twenty-third aspect includes electrochemotherapy (ECT), electrogene therapy (EGT), nanosecond pulsed electric fields (nsPEF), A therapy selected from high-frequency irreversible electroporation (H-FIRE), radio-frequency ablation, or acute hyperthermia.
第25側面は、標的細胞の死滅を起こすに十分な電力で十分な時間の間、前記脈管構造内にエネルギーを投与することを含むかさらに含む、本願に言及されたその他の側面の方法を含む。 A twenty-fifth aspect comprises the method of the other aspects referred to herein, comprising or further comprising administering energy into the vasculature for a sufficient amount of time with sufficient power to cause target cell death. Including.
第26側面は、第1電極が前記臓器の血管内に挿入され、第2電極が前記臓器の他の血管内に挿入され、電気穿孔が前記臓器の脈管構造を通じて前記電極間に投与される、本願に言及されたその他の側面の方法である。 In a twenty-sixth aspect, a first electrode is inserted into a blood vessel of the organ, a second electrode is inserted into another blood vessel of the organ, and electroporation is administered between the electrodes through the vasculature of the organ. Other aspects of the method referred to in this application.
同様に、第27側面は、第1電極が前記臓器の血管内に挿入され、第2電極が前記臓器の流体導管内に挿入され、電気穿孔が前記臓器の脈管構造を通じて前記電極間に投与される、本願に言及されたその他の側面の方法である。 Similarly, the twenty-seventh aspect is that a first electrode is inserted into a blood vessel of the organ, a second electrode is inserted into a fluid conduit of the organ, and electroporation is administered between the electrodes through the vasculature of the organ. And other aspects of the method referred to in this application.
また、本発明の第28側面は、第1電極が前記臓器の血管内に挿入され、第2電極が前記臓器の他の血管内に挿入され、前記臓器の治療領域は第1及び第2血管間に位置し、電気穿孔が前記臓器の脈管構造を通じて前記電極間に投与される、本願に言及されたその他の側面の方法である。 According to a twenty-eighth aspect of the present invention, the first electrode is inserted into a blood vessel of the organ, the second electrode is inserted into another blood vessel of the organ, and the treatment region of the organ is the first and second blood vessels. The method according to other aspects mentioned herein, wherein the electroporation is located between and between the electrodes through the vasculature of the organ.
第29側面は、第1電極が前記臓器の血管内に挿入され、前記臓器外部の第2外部接地パッド、プレート電極または伝導性ゲルが第2電極として用いられ、電気穿孔が前記臓器の脈管構造を通じて前記電極間に投与される、本願に言及されたその他の側面の方法を含む。 In the twenty-ninth aspect, a first electrode is inserted into a blood vessel of the organ, a second external ground pad, a plate electrode, or a conductive gel outside the organ is used as the second electrode, and electroporation is performed on the vessel of the organ. Including the methods of other aspects mentioned herein, administered between the electrodes through a structure.
本発明の側面は、標的細胞の非熱的不可逆的電気穿孔を誘導するために、電気穿孔を含むことができる。本発明のある側面は、機械的灌流、生理学的灌流、または物理的、化学的、または酵素的技術、またはそのある組合せにより前記組織または臓器から細胞破片を除去することを含むように調整され得る。また、本発明のある側面は、電気穿孔を感知するか観察するための電気的測定を通じて観察することをさらに含むために調整され得る。 Aspects of the invention can include electroporation to induce non-thermal irreversible electroporation of target cells. Certain aspects of the invention can be tailored to include removing cellular debris from the tissue or organ by mechanical perfusion, physiological perfusion, or physical, chemical, or enzymatic techniques, or some combination thereof. . Also, certain aspects of the invention can be tailored to further include observing through electrical measurements to sense or observe electroporation.
添付の図面は、本発明の実施形態の一部の明らかな側面を示したものであり、本発明を制限するか規定するために用いられてはならない。記載の叙述と共に図面は、本発明の明確な原理を説明するために提供されたものである。 The accompanying drawings illustrate some obvious aspects of embodiments of the invention and should not be used to limit or define the invention. Together with the written description, the drawings are provided to illustrate the clear principles of the invention.
図1は、本発明に係るIRE−機械的灌流連結装置の一実施形態の概略図である。 FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of an IRE-mechanical perfusion coupling device according to the present invention.
図2は、従来の実験の数値的表現で表された電位及び電場等高線を示したグラフである。 FIG. 2 is a graph showing potential and electric field contours represented by numerical expressions of a conventional experiment.
図3A及び図3Bは、小葉水準詳細物(モデル2)での二つの異なるシミュレーションの数値結果を示すグラフである:(図3A)外部電極が1500V(上部)または接地で設定(下部)のうち一つで充電され、(図3B)各小葉の中央細静脈は1500Vで充電され、外部電極は接地された。 3A and 3B are graphs showing the numerical results of two different simulations with leaflet level detail (model 2): (FIG. 3A) of external electrode set at 1500V (top) or ground (bottom) One was charged (FIG. 3B), the central venule of each leaflet was charged at 1500 V, and the external electrode was grounded.
図4Aは、50V 100マイクロ秒パルスが胆管に投与され、中央細静脈及び門細動脈(portal arteriole)が接地されたとき、単一小葉を伴う模擬電場分布を示した図である。 FIG. 4A shows a simulated electric field distribution with a single leaflet when a 50V 100 microsecond pulse is administered to the bile duct and the central venule and portal arteriole are grounded.
図4Bは、血管の機能的ユニットの複合血管ネットワークを示す肝小葉を図式的に表現したものである(Slieman,T.A.The Digestive System,http://tonyslieman.com/phgy_230_lecture_digestive.htm参照)。 4B is a schematic representation of a hepatic lobule showing a complex vascular network of functional units of blood vessels (see Slieman, TA The Digestive System, http://tonyslieman.com/phyty_230_lecture_digestive.html). .
図5A乃至図5Bは、(図5A)能動的に灌流された肝組織上の電極の位置及び、(図5B)99、100μs、1500V/cmパルスで処理及び4時間の灌流後、結果的に生成された病変を示した写真であり、前記電極の近似値の領域は、黒色輪郭である。 FIGS. 5A-5B show (FIG. 5A) the position of the electrode on actively perfused liver tissue and (FIG. 5B) after treatment with 99, 100 μs, 1500 V / cm pulse and 4 hours of perfusion, resulting in It is the photograph which showed the produced | generated lesion, The area | region of the approximate value of the said electrode is a black outline.
図6A乃至図6Cは、治療マージン内で379±142V/cmの電場を描写する数値結果を伴う、治療電場の閾値を決定するために用いられた数値モデルの概略図である。 6A-6C are schematic diagrams of the numerical model used to determine the therapeutic electric field threshold, with numerical results depicting an electric field of 379 ± 142 V / cm within the therapeutic margin.
図7A乃至図7Bは、パルスが1Hzで適用された後に発生した病変が、0.25及び4Hzの割合で発生する病変よりも統計学的にさらに大きい(α=0.1)ことを示すグラフである。 FIGS. 7A-7B are graphs showing that lesions that occurred after the pulse was applied at 1 Hz were statistically larger (α = 0.1) than lesions that occurred at 0.25 and 4 Hz rates. It is.
図8A乃至図8Bは、結合組織及び血管の保存を示す軽いIRE処理を受けた領域に対する処理されていない肝組織の組織学的比較を示す顕微鏡写真である。 8A-8B are photomicrographs showing a histological comparison of untreated liver tissue against a region that received light IRE treatment showing preservation of connective tissue and blood vessels.
図9A乃至図9Cは顕微鏡写真であり、(図9A)24時間の灌流後、処理されていない肝臓の部分を示している。24時間灌流後、針電極を用いて4Hzで90個の、1500V/cm、100μsパルスで処理された同一の肝臓の部分(図9B)10xの倍率及び(図9C)20xの倍率を示している。 9A-9C are photomicrographs (FIG. 9A) showing the portion of the liver that has not been treated after 24 hours of perfusion. After 24 hours of perfusion, the same liver segment (FIG. 9B) treated with 90 1500 V / cm, 100 μs pulses at 4 Hz using a needle electrode (FIG. 9B) shows 10 × magnification and (FIG. 9C) shows 20 × magnification. .
図10A乃至図10Bは顕微鏡写真であり、(図10A)24時間の灌流後、処理されていない肝臓の部分及び、(図10B)20xの倍率で24時間灌流後、針電極を用いて1Hzで100個の、1500V/cm、100μsパルスで処理された同一の肝臓を示している。 FIGS. 10A-10B are photomicrographs (FIG. 10A) after 24 hours of perfusion, untreated liver portion and (FIG. 10B) after perfusion for 24 hours at 20 × magnification, using a needle electrode at 1 Hz. The same liver treated with 100 1500 V / cm, 100 μs pulses is shown.
図11は、本発明に係る灌流電極の写真である。 FIG. 11 is a photograph of a perfusion electrode according to the present invention.
図12は、原型電極及び腎臓静脈及び動脈による灌流システムを同時に取り付けられた腎臓を示す写真である。 FIG. 12 is a photograph showing a kidney with a prototype electrode and a perfusion system with renal veins and arteries attached simultaneously.
図13は、相当な電気抵抗及び静電容量を示す、パルシング前の腎臓からのインピーダンス測定を示すグラフである。 FIG. 13 is a graph showing impedance measurements from the kidney before pulsing, showing substantial electrical resistance and capacitance.
図14は、1000Vの振幅を有する50マイクロ秒パルスから結果的に生成された波形を示すモニターの写真である。 FIG. 14 is a photograph of a monitor showing the resulting waveform from a 50 microsecond pulse having an amplitude of 1000V.
図15は、100及び2000V間の振幅で輸送されるパルスに対する消滅時間及び輸送される最大電流を示すグラフである。 FIG. 15 is a graph showing the extinction time and maximum transported current for pulses transported with amplitudes between 100 and 2000V.
図16は、パルシング後、30分の腎臓部分を示す写真であって、赤色部分は生きている組織を示したものであり、白色部分はIREパルスにより除去された領域を示したものである。 FIG. 16 is a photograph showing the kidney portion 30 minutes after pulsing, in which the red portion shows the living tissue and the white portion shows the area removed by the IRE pulse.
参考は、本発明の様々な例示的実施形態を詳細にするために現在作られるだろう。例示的実施形態の下記議論は、本発明を制限しようとする意図ではないことが理解されるだろう。むしろ、下記議論は、読者が本発明の明確な側面及び特徴をさらに詳細に理解するように提供される。 Reference will now be made to detail various exemplary embodiments of the invention. It will be understood that the following discussion of exemplary embodiments is not intended to limit the invention. Rather, the following discussion is provided so that the reader will understand the specific aspects and features of the present invention in more detail.
本発明の実施形態によれば、生存可能な脱細胞化された組織スキャフォールドは、持続的な灌流下で臓器上に非熱的不可逆的電気穿孔(non−thermal irreversible electroporation,N−TIRE)を用いることで達成できる。電気穿孔(可逆及び/又は不可逆)は、プレート電極または針電極を含む公知の技術を用いて、または、さらには臓器または組織の脈管構造を通じて電気的電荷を輸送することで組織及び器官に輸送され得る。 According to embodiments of the present invention, a viable decellularized tissue scaffold undergoes non-thermal irreversible electroporation (N-TIRE) on an organ under continuous perfusion. It can be achieved by using it. Electroporation (reversible and / or irreversible) is transported to tissues and organs using known techniques including plate electrodes or needle electrodes, or even by transporting electrical charges through the organ or tissue vasculature. Can be done.
さらに具体的には、電気穿孔は、多くの医学症状を治療するための療法として用いられ得る。非熱的IREを含む不可逆的電気穿孔は、ECM血管、及び神経を保存しながら組織内で電場を用いて望まない細胞を殺す方法である。細胞を横切って適用されたとき、ある電場は、“電気穿孔”と命名される過程を通じて細胞膜を脱細胞化させる能力を有する。電場が細胞は生存させて細胞膜を一時的に透過するとき、前記工程は“不可逆的電気穿孔”であると知られた。可逆的電気穿孔は、生命工学及び医学で重要な道具となってきた。他の電場は、細胞膜が透過された後、細胞が死ぬことを引き起こすことがある。このような壊死工程は“不可逆的電気穿孔”として知られた。非熱的不可逆的電気穿孔は、望まない組織、例えば、腫瘍組織を除去する新規で最小限に侵襲的な手術技術である。前記技術は、適用しやすく、観察して調節でき、局所血流により影響を受けず、アジュバント薬物を必要としない。最小限に侵襲的な過程は、細胞死亡を促進する細胞膜での構造的変化を引き起こす短く集中的な一連のパルスを輸送するために標的領域内にまたは周囲に針状電極を位置させることを含む。前記電圧は、主要血管及びECMをかなり損なう相当なジュール(Joule)加熱を誘導せず組織を電気穿孔させるために適用される。特定組織型及びパルス条件の設定において、不可逆的に電気穿孔された容積を決定するための一次パラメータは、組織内における電場分布である。最近、IRE動物実験は、細胞外マトリックス、主要血管、及びミエリン鞘のような主要構造の保存、瘢痕非形成だけでなく、有益な免疫反応の促進のような非熱的細胞除去の特定モードからもたらされた有益な多くの効果が証明された。 More specifically, electroporation can be used as a therapy to treat many medical conditions. Irreversible electroporation, including non-thermal IRE, is a method of killing unwanted cells using an electric field in tissue while preserving ECM blood vessels and nerves. When applied across cells, certain electric fields have the ability to decellularize cell membranes through a process termed “electroporation”. The process was known to be “irreversible electroporation” when the electric field allowed the cells to survive and temporarily penetrate the cell membrane. Reversible electroporation has become an important tool in biotechnology and medicine. Other electric fields can cause the cell to die after the cell membrane is permeated. Such a necrosis process was known as “irreversible electroporation”. Non-thermal irreversible electroporation is a new and minimally invasive surgical technique that removes unwanted tissue, such as tumor tissue. The technique is easy to apply, can be observed and adjusted, is not affected by local blood flow, and does not require adjuvant drugs. A minimally invasive process involves positioning needle electrodes in or around the target area to transport a series of short and intensive pulses that cause structural changes in the cell membrane that promote cell death . The voltage is applied to electroporate tissue without inducing substantial Joule heating that significantly impairs the main blood vessels and ECM. In setting the specific tissue type and pulse conditions, the primary parameter for determining the irreversibly electroporated volume is the electric field distribution within the tissue. Recently, IRE animal experiments have moved away from specific modes of non-thermal cell removal such as preserving key structures such as extracellular matrix, major blood vessels, and myelin sheath, non-scarring, as well as promoting beneficial immune responses. A number of beneficial effects have been demonstrated.
電気穿孔は、恐らく脂質二重層のナノ規模ポアの形成を通じて、細胞の透過度の増加を導くパルス電場が適用される非線形生物理学的工程である。Weaver,J.C,Electroporation of biological membranes from multicellular to nano scales,IEEE Trns.Dielectr.Electr.Insul.10,754−768(2003).前記パルスの長さ及び強度がある基準を超えなければ、このような透過度は可逆的であり、細胞の健康及び機能は維持される。決定的な電場強度閾値を超えると(パルスパラメータの通常のセッティングでおよそ500〜700V/cm)、細胞膜は回復が不可能であり、細胞死が生じることとなる。Garcia,P.et al.Intracranial nonthermal irreversible electroporation:in vivo analysis.J Membr Biol 236,127−136(2010);Sel,D.et al.Sequential finite element model of tissue electropermeabilization.Ieee Transactions on Biomedical Engineering 52,816−827,doi:10.1109/tbme.2005.845212(2005);and Lee,E.W.et al.Advanced Hepatic Ablation Technique for Creating Complete Cell Death:Irreversible Electroporation.Radiology 255,426−433,doi:10.1148/radiol.10090337(2010)(“Lee 2010”)を参照してほしい。 Electroporation is a non-linear biophysical process where a pulsed electric field is applied that leads to an increase in cell permeability, possibly through the formation of a lipid bilayer nanoscale pore. Weaver, J. et al. C, Electroporation of biological membranes from multicellular to nanoscales, IEEE Trns. Dieletr. Electr. Insul. 10, 754-768 (2003). If the pulse length and intensity do not exceed certain criteria, such permeability is reversible and cell health and function are maintained. When the critical electric field strength threshold is exceeded (approximately 500-700 V / cm with normal settings of pulse parameters), the cell membrane cannot be recovered and cell death will occur. Garcia, P .; et al. Intracranial non-irreversible electroporation: in vivo analysis. J Membr Biol 236, 127-136 (2010); et al. Sequential finite element model of tissue electropermeabilization. Iee Transactions on Biomedical Engineering 52, 816-827, doi: 10.1109 / tbme. 2005.8455212 (2005); and Lee, E .; W. et al. Advanced Hepatic Ablation Technology for Creating Complete Cell Death: Irreversible Electroporation. Radiology 255, 426-433, doi: 10.1148 / radiol. See 10090337 (2010) ("Lee 2010").
サブミリメートル解像度を持つ正確で調節可能な方式で壊死を誘導する、細胞の膜を永久的に不安定にするパルスの適用(Edd,J.F.,Horowitz,L.,Davalos,R.V.,Mir,L.M.& Rubinsky,B.In vivo results of a new focal tissue ablation technique:Irreversible electroporation.Ieee Transactions on Biomedical Engineering 53,1409−1415,doi:10.1109/tmbe.2006.873745(2006))は、非熱的不可逆電気穿孔(non−thermal irreversible electroporation,N−TIRE)でも言及される工程である(Davalos,R.V.,Mir,L.M.& Rubinsky,B.Tissue ablation with irreversible electroporation.Annals of Biomedical Engineering 33,223−231,doi:10.1007/s 10439−005−8981−8(2005)(“Davalos 2005”))。前記技術は、熱メカニズム(Davalos 2005)に依存せず、下にある細胞外マトリックスの構造を保存するものと見られる。研究は、神経導管及び胆管が除去領域内で損傷を受けないことを示す。Maor,E.,Ivorra,A.,Leor,J.& Rubinsky,B.The effect of irreversible electroporation on blood vessels.Technology in Cancer Research & Treatment 6,307−312(2007)。さらに、生体内の肝切開領域は、小血管で最小限の損傷及び最小限の脈管炎を示した(Lee 2010)。 Application of pulses that permanently destabilize cell membranes, inducing necrosis in an accurate and adjustable manner with submillimeter resolution (Edd, JF, Horowitz, L., Davalos, RV. , Mir, L.M. & Rubinsky, B. In vivo results of a new focal tissue abduction technique: Irreversible electronation. )) Is a non-thermal irreversible electroporation. n, N-TIRE) (Davalos, RV, Mir, LM & Rubinsky, B. Tissue ablation with reversible electroporation. 10.1007 / s 10439-005-8981-8 (2005) ("Davalos 2005")). Said technique does not rely on a thermal mechanism (Davalos 2005) and appears to preserve the structure of the underlying extracellular matrix. Studies show that nerve conduits and bile ducts are not damaged within the removal area. Maor, E .; , Ivorra, A .; Leor, J .; & Rubinsky, B.M. The effect of irreversible electroporation on blood vessels. Technology in Cancer Research & Treatment 6,307-312 (2007). In addition, in vivo hepatotomy areas showed minimal damage and minimal vasculitis in small blood vessels (Lee 2010).
低温酸素化灌流(hypothermic oxygenated perfusion,HOPE)は、生理学的な温度以下で全体臓器に酸素化された、栄養素が豊富な血液代替物を機械的に輸送する全体臓器保存方法である。Dutkowski,P.,de Rougemont,O.& Clavien,P.A.Machine perfusion for ‘Marginal’liver grafts.Am.J.Transplant.8,917−924,doi:10.1111/j.1600−6143.2008.02165.x(2008);及びMonbaliu,D.& Brassil,J.Machine p
erfusion of the liver:past,present and future.Curr.Opin.Organ Transpl.15,160−166,doi:10.1097/MOT.0b013e328337342b(2010)を参照してほしい。この方法は、72時間の保存時間に達するために行われた研究(Yamamoto,N.et al.72−Hour Preservation of Porcine Liver by Continuous Hypothermic Perfusion with UW Solution in Comparison with Simple Cold Storage,Journal of Surgical Research 51,288−292(1991)であり、温虚血(warm ischemia)を持って腎臓の保存質及び移植成功率を改善することが成功的に証明された{Olschewski,P.et al.The influence of storage temperature during machine perfusion on preservation quality of marginal donor livers.Cryobiology 60,337−343,doi:10.1016/j.cryobiol.2010.03.005(2010);及びStegemann,J.,Hirner,A.,Rauen,U.& Minor,T.Use of a New Modified HTK Solution for Machine Preservation of Marginal Liver Grafts.Journal of Surgical Research 160,155−162,doi::10.1016/j.jss.2008.10.021(2010)参照}。Schon et al.及びBrockmann et al.は、灌流流体が生理学的な温度またはその近くで維持される正常温度の灌流を用いて臓器質を延ばす能力を証明した。Schon,M.R.et al.Liver transplantation after organ preservation with normothermic extracorporeal perfusion.Annals of Surgery 233,114−123(2001);及びBrockmann,J.et al.Normothermic Perfusion A New Paradigm for Organ Preservation.Annals of Surgery 250,1−6,doi:10.1097/SLA.0b013e3181a63cl0(2009)を参照してほしい。
Cryogenic oxygen perfusion (HOPE) is a whole organ preservation method that mechanically transports a nutrient-rich blood substitute that is oxygenated to the whole organ below physiological temperatures. Dutkowski, P.A. , De Rougemont, O. & Clavien, P.A. A. Machine perfusion for 'Marginal' river graphs. Am. J. et al. Transplant. 8, 917-924, doi: 10.1111 / j. 1600-6143.2008.02165. x (2008); and Monbaliu, D .; & Brassil, J.A. Machine p
erfusion of the liver: past, present and future. Curr. Opin. Organ Transpl. 15, 160-166, doi: 10.1097 / MOT. Please refer to 0b013e328383342b (2010). This method is based on a study conducted to reach a storage time of 72 hours (Yamamoto, N. et al. 72-Hour Preservation of Porcine Liver Continuous Conjugation of the United States of America and the United States). 51,288-292 (1991) and has been successfully demonstrated to improve renal preservation quality and transplant success rates with warm ischemia {Olschewski, P. et al. The influenza. of storage temperature burning machine perfu sion on preservation quality of marginal donors. Cryobiology 60, 337-343, doi: 10.016 / j. cryobiol. & Minor, T. Use of a New Modified HTK Solution for Machine Preservation of Marginal Live Grafts.Journal of Surgical Research 160, 150.1.01.200. } Schoon et al. And Blockmann e. al. demonstrated the ability of the perfusion fluid to extend organ quality using normal temperature perfusion maintained at or near physiological temperatures.Schoon, MR et al. Liver translation after organ preservation with normotherm. extracorporal perfusion.Annals of Surgery 233,114-123 (2001); and Blockmann, J. et al. Please refer to 0b013e3181a63cl0 (2009).
このような臓器保存方法は、死後(post mortem)組織の生体内及び自然分解で観察される免疫反応からN−TIRE組織除去効果を分離するのに用いられ得る。最近は、細胞外マトリックスを破壊せずに細胞を破壊するN−TIREの能力を活用して(Davalos,R.V.Irreversible Electroporation to Create Tissue Scaffolds.United States patent(2009);及びPhillips,M.,Maor,E.& Rubinsky,B.Non−Thermal Irreversible Electroporation for Tissue Decellularization.J.Biomech.Eng,doi:10.1115/1.4001882(2010))N−TIREを臓器脱細胞化によるスキャフォールド形成のための実行可能な手段にすることが変形実験室モデルの使用を通じて決定された。 Such organ preservation methods can be used to separate the N-TIRE tissue removal effect from the immune response observed in vivo and spontaneous degradation of post mortem tissue. Recently, taking advantage of N-TIRE's ability to destroy cells without destroying the extracellular matrix (Davalos, R. V. Irreversible Electro- mation to Create Tissue Scaffolds. United States patent (2009); and Phillips, M .; , Maor, E. & Rubinsky, B. Non-Thermal Irreversible Electrophoresis for Tissue Decellularization. Making the use of deformation laboratory models to be a viable means for Flip was determined.
N−TIRE処理の結果は、臨床的に意味があり、組織工学に広く用いられ得る、多くのモデリング組織除去/脱細胞化を通じて予想され得る。Davalos,R.V.& Rubinsky,B.Temperature considerations during irreversible electroporation.International Journal of Heat and Mass Transfer 51,5617−5622,doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.04.046(2008);Edd,J.F.& Davalos,R.V.Mathematical Modeling of irreversible Electroporation for treatment planning.Technology in Cancer Research & Treatment 6,275−286(2007);及びNeal,R.E.,II & Davalos,R.V.,The Feasibility of Irreversible Electroporation for the Treatment of Breast Cancer and Other Heterogeneous Systems.Annals of Biomedical Engineering 37,doi::10.1007/sl0439−009−9796−9(2009)を参照してほしい。 The results of N-TIRE treatment are clinically meaningful and can be expected through many modeling tissue removal / decellularizations that can be widely used in tissue engineering. Davalos, R.A. V. & Rubinsky, B.M. Temperature condensations burning irreversible electroporation. International Journal of Heat and Mass Transfer 51, 5617-5622, doi: 10.016 / j. ijheatmasstranfer. 2008.4.0046 (2008); F. & Davalos, R.A. V. Mathematical Modeling of Irreversible Electroporation for Treatment Planning. Technology in Cancer Research & Treatment 6, 275-286 (2007); and Neal, R. et al. E. , II & Davalos, R .; V. The Feasibility of Irreversible Electrophoresis for the Treatment of Breast Cancer and Other Heterogeneous Systems. See Anals of Biomedical Engineering 37, doi :: 10.1007 / sl 0439-009-9796-9 (2009).
人工スキャフォールドはレシピエントの細胞で再接種され、機能的臓器構造をもたらす。このような臓器再生方法は、移植用臓器の供給不足を減少させるのに用いられるだろう。 The artificial scaffold is replated with the recipient's cells, resulting in a functional organ structure. Such an organ regeneration method would be used to reduce the supply shortage of transplanted organs.
本発明の実施形態は、臓器の脈管構造を通じる不可逆的電気穿孔(IRE)の輸送方法、システム及び装置に関するものである。生体外または生体内にこのような方法で投与されるIREは、血管化された臓器内に深く内在した腫瘍を治療するのに用いられ得る。本発明の実施形態の適用は、また、臓器を脱細胞化し、細胞外マトリックスを損なわずに細胞破片は除去された既存の組織からスキャフォールドを生成するために、組織及び臓器の脈管構造を通じてIREを用いることを含む。 Embodiments of the present invention relate to a method, system and apparatus for irreversible electroporation (IRE) transport through the vasculature of an organ. IREs administered in this way in vitro or in vivo can be used to treat tumors that are deeply embedded in vascularized organs. The application of embodiments of the present invention also allows for decellularization of organs and through the vasculature of tissues and organs to generate scaffolds from existing tissue from which cellular debris has been removed without damaging the extracellular matrix. Including using IRE.
一般に、除去過程は、標的組織に一連の低エネルギー(集中的であるが短い)電気パルスを輸送することを含む。このようなパルスは、前記標的組織の細胞膜を回復できないくらい不安定にして、電場により影響を受ける細胞を殺す。前記治療は非熱的であり、本質的に前記標的組織の前記細胞膜にのみ影響を及ぼし、治療された組織内で神経または血管には影響を及ぼさない。 In general, the removal process involves delivering a series of low energy (intensive but short) electrical pulses to the target tissue. Such a pulse renders the target tissue cell membrane unrecoverable enough to kill cells affected by the electric field. The treatment is non-thermal and essentially only affects the cell membrane of the target tissue and does not affect nerves or blood vessels within the treated tissue.
本発明は、非熱的−不可逆的電気穿孔(IRE)を用いて形成され得る脱細胞化されたスキャフォールドを提供する。前記臓器または組織は、医学分野において一般的な技術である前記過程中に及び/又は後に灌流され得る。 The present invention provides a decellularized scaffold that can be formed using non-thermal-irreversible electroporation (IRE). The organ or tissue can be perfused during and / or after the process, which is a common technique in the medical field.
スキャフォールドを製造した後、組織工学は、スキャフォールドへのヒト細胞の生体外接種及び付着を含むことができる。これまで、組織工学用に最も成功的なスキャフォールドは天然のものであり、大きな動物(例えば、豚)の臓器を化学的及び/又は機械的脱細胞化して作られた。 After manufacturing the scaffold, tissue engineering can include in vitro inoculation and attachment of human cells to the scaffold. To date, the most successful scaffolds for tissue engineering have been natural and have been created by chemically and / or mechanically decellularizing large animal (eg, pig) organs.
本発明の実施形態は、脱細胞化された組織スキャフォールドを製造する方法を提供する。一般に、細胞及びその下のスキャフォールドを含む組織は、前記組織の細胞を殺すに十分な期間の間、電力の電場で生体内または生体外で処理され得る。前記電場は、前記臓器の前記脈管構造内に直接的に投与される。前記電場は、血管システムの壁により前記臓器の脈管構造を通じて誘導される。好ましくは、前記電気パルスは、下にあるスキャフォールド及び前記臓器または組織の脈管構造に崩壊を避ける方式で投与される。 Embodiments of the present invention provide a method for producing a decellularized tissue scaffold. In general, a tissue containing cells and the underlying scaffold can be treated in vivo or in vitro with an electric field of power for a period sufficient to kill the cells of the tissue. The electric field is administered directly into the vasculature of the organ. The electric field is induced through the vasculature of the organ by the walls of the vascular system. Preferably, the electrical pulse is administered in a manner that avoids disruption to the underlying scaffold and the vasculature of the organ or tissue.
前記方法は、人工組織で用いるための組織スキャフォールドを製造するに適している。組織の源は制限されないが、例示的な実施形態において、前記組織は、豚、牛、馬、猿、または類人猿のような、相対的に大きな動物または(重要な組織において)ヒトと類似した解剖学構造を有するものと認知される動物に由来する。実施形態において、前記組織の源はヒトであり、これは、前記スキャフォールドに基づく人工組織の拒絶の可能性を減少させるための用途である。 The method is suitable for manufacturing a tissue scaffold for use with artificial tissue. Although the source of tissue is not limited, in an exemplary embodiment, the tissue is a anatomy similar to a relatively large animal or human (in important tissues), such as a pig, cow, horse, monkey, or ape. It is derived from an animal recognized as having a scientific structure. In an embodiment, the tissue source is a human, which is an application for reducing the likelihood of rejection of the scaffold-based artificial tissue.
好ましい実施形態において、前記方法は、毛細管のような血管構造を損傷しない。実施形態において、前記方法は、前記電場で処理する前に、前記組織内に存在する神経管を損傷しない。本願において用いられたように、用語“損なわれていない”は、要素が相当な規模でその本来の機能を行えるようにする状態を意味する。それゆえ、例えば、損なわれていない毛細管は、血液を運搬可能な毛細管であり、損なわれていない神経管は、ニューロンを収容可能な神経管である。実施形態において、血管系及び神経系だけでなく胆管または乳管のような例を含む他の腺状構造の細胞は、損なわれずに残っている。このような実施形態において、前記細胞は、前記スキャフォールド及び人工組織の一部として残ることがあるか、または適切な処理技術またはスキャフォールド上に接種された細胞または前記人工組織を収容する身体の細胞により除去され得る。 In a preferred embodiment, the method does not damage vascular structures such as capillaries. In an embodiment, the method does not damage a neural tube present in the tissue prior to treatment with the electric field. As used herein, the term “untouched” means a condition that allows an element to perform its original function on a substantial scale. Thus, for example, an intact capillary is a capillary that can carry blood, and an intact neural tube is a neural tube that can accommodate neurons. In embodiments, cells of other glandular structures remain intact, including not only the vasculature and nervous system, but also examples such as bile ducts or milk ducts. In such embodiments, the cells may remain as part of the scaffold and prosthetic tissue, or suitable treatment techniques or cells seeded on the scaffold or of the body containing the prosthetic tissue Can be removed by cells.
本発明の実施形態によれば、組織は、前記組織の細胞の壊死を引き起こすには時間及び電力で十分な、しかし、細胞が存在するスキャフォールドを有意に破壊するには不十分な電場に露出する。しかも、好ましい実施形態において、前記電場は、前記組織の加熱の結果として不可逆的組織損傷を発生させない。このような電場を提供する様々な方式が可能である。典型的な実施形態において、一つ以上の電気パルスが適用されて電気の結果として細胞膜破壊を発生させ、熱の結果としてはほとんど発生させない。二つ以上のパルスが用いられると、前記パルスは、他のものの中で、前記組織が冷却されるようにする時間の期間により分離されて、熱損傷が相当な規模で起こらないようにした。例えば、一つ以上の電気パルスは、約5マイクロ秒(μs)から約200秒の範囲の間、関連する組織に適用され得、パルスは、1〜24時間の間の期間にわたってさらに低い繰返し率で適用され得る。便宜上、短期間の処理が望まれる。このように、好ましい実施形態において、約1〜10000μsの期間の間、電気パルスが適用される。また、組織に輸送されるパルスの数に対する制限はないが、好ましい実施形態において、約1〜約100個のパルスが前記組織に適用される。例えば、例示的な実施形態において、期間内にそれぞれ100μsの約10〜1000個のパルスが細胞性の除去のために前記組織に適用される。 According to an embodiment of the invention, the tissue is exposed to an electric field that is sufficient in time and power to cause cell necrosis of the tissue, but insufficient to significantly destroy the scaffold in which the cells are present. To do. Moreover, in a preferred embodiment, the electric field does not cause irreversible tissue damage as a result of heating of the tissue. Various schemes for providing such an electric field are possible. In an exemplary embodiment, one or more electrical pulses are applied to cause cell membrane disruption as a result of electricity and little as a result of heat. When more than one pulse was used, the pulses, among others, were separated by a period of time that allowed the tissue to cool, preventing thermal damage from occurring on a significant scale. For example, one or more electrical pulses can be applied to the associated tissue for a range of about 5 microseconds (μs) to about 200 seconds, with the pulses being at a lower repetition rate over a period of 1 to 24 hours. Can be applied at. For convenience, short-term processing is desired. Thus, in a preferred embodiment, electrical pulses are applied for a period of about 1 to 10,000 μs. Also, although there is no limit on the number of pulses delivered to the tissue, in a preferred embodiment, about 1 to about 100 pulses are applied to the tissue. For example, in an exemplary embodiment, about 10 to 1000 pulses of 100 μs each in a period are applied to the tissue for cellular removal.
しかる後、臓器は、細胞破片を除去するために灌流パラメータを調節することで脱細胞化スキャフォールドを形成するために処理され得る。細胞破片の機械的浄化は、前記破片の除去の所望の結果を達成するために必須なある程度の時間の間、例えば、4、12、24、48、または72時間の期間にわたって実行され得る。心臓収縮圧力、心臓拡張圧力、及び温度を含む灌流パラメータは、細胞破片の除去効率を改善するために調節され得る。また、細胞破片の除去を増加させるか促進させることが必須な場合、マイルドな洗浄剤が加えられ得る。好ましい実施形態は、99%の細胞破片及びDNA構造の除去をもたらす灌流プロトコルを提供する。 Thereafter, the organ can be processed to form a decellularized scaffold by adjusting perfusion parameters to remove cell debris. Mechanical decontamination of cell debris may be performed for a period of time that is essential to achieve the desired result of removal of the debris, for example, a period of 4, 12, 24, 48, or 72 hours. Perfusion parameters including cardiac contraction pressure, diastolic pressure, and temperature can be adjusted to improve cell debris removal efficiency. A mild detergent may also be added if it is essential to increase or facilitate the removal of cell debris. Preferred embodiments provide a perfusion protocol that results in the removal of 99% cell debris and DNA structure.
本発明の実施形態は、エネルギー量を変更して適用(可逆及び不可逆的電気穿孔のいずれも)することは、一般細胞及び新生物細胞の選択的な除去を含む広範囲な好ましい組織除去効果を生成するために調節され得る方法を提供する。 Embodiments of the present invention apply varying amounts of energy (both reversible and irreversible electroporation) to produce a wide range of favorable tissue removal effects, including selective removal of general and neoplastic cells Provide a method that can be adjusted to do.
本発明によれば、エネルギー適用の前記効果は、例えば、下記を含む多数のパラメータを変更して調節され、調整され得る:エネルギーの電圧、アンペア数、期間及び周波数;エネルギー供給システムの設計及び位置調整;精巧で、精密に調節された血管灌流システムの設計及び使用;精巧で、精密に調節された血管灌流システムの生理学的模倣特性;生体外臓器及び組織の灌流及び保存条件;生体内臓器及び組織の灌流及び保存条件;及び/又は前記エネルギー適用システム及びプロトコルの拡張として部分的にまたは全体的に作用する血管内流体の組成。 According to the present invention, the effects of energy application can be adjusted and adjusted by changing a number of parameters including, for example: energy voltage, amperage, duration and frequency; energy supply system design and location Adjustment; Design and use of sophisticated and precisely regulated vascular perfusion systems; Physiological mimicking characteristics of sophisticated and precisely regulated vascular perfusion systems; Perfusion and storage conditions for ex vivo organs and tissues; In vivo organs and Tissue perfusion and storage conditions; and / or composition of intravascular fluid that acts in part or in whole as an extension of the energy application system and protocol.
このような努力で、組織スキャフォールドの製造、または生体内または生体外腫瘍の治療、または疾患にかかったか他の方式で標的化された組織内での適した巨大分子の生体輸送の保障のために非熱的IREの使用で観察されるか調節され得る種々のパラメータがある。例えば、本発明の実施形態は、インスリン生成を刺激するI型糖尿病での膵島の遺伝子療法、即ち、非がん性疾患組織がある状況で用いられ得る。本発明は、また、所望の抗体を生成するために筋肉のような組織内に遺伝子を導入させ、即ち、療法のための導管として健康な組織を用いて、免疫調節にも適用され得る。特定適用のために変更され得るパラメータは、電圧勾配を含む。実施形態において、前記パルスは、約10volt/cm〜約10,000volt/cmの範囲で電圧勾配を生成する。電圧勾配(磁場)は、組織サンプル、組織特性及びその他の因子に依存して変更される、電極及び電極幾何学の間の距離の関数である。いくつかの実施形態において、二つの電極が用いられ、この電極を約5mm〜10cmの間隔で位置させた。典型的な電極直径は、0.25〜1.5mmの範囲であり、通常、2個または4個の電極が用いられる。実施形態において、一つの双極電極が用いられる。また、前記“電極”は、絶縁される部分(非伝導性被覆の使用を含む)及び伝導性部分(例えば、端部)を含むことができ、電気電流の適した適用を保障し、前記組織の一部における過度な熱の生成を最小化することができる。 Such efforts to ensure the production of tissue scaffolds, or treatment of in vivo or in vitro tumors, or the biotransport of suitable macromolecules in diseased or otherwise targeted tissues. There are various parameters that can be observed or adjusted with the use of a non-thermal IRE. For example, embodiments of the present invention may be used in the context of islet gene therapy with type I diabetes that stimulates insulin production, ie, non-cancerous diseased tissue. The present invention can also be applied to immunomodulation by introducing genes into tissue such as muscle to produce the desired antibody, ie, using healthy tissue as a conduit for therapy. Parameters that can be changed for a particular application include voltage gradient. In an embodiment, the pulse generates a voltage gradient in the range of about 10 vol / cm to about 10,000 vol / cm. The voltage gradient (magnetic field) is a function of the distance between the electrode and electrode geometry, which is modified depending on the tissue sample, tissue characteristics and other factors. In some embodiments, two electrodes were used and the electrodes were positioned at a spacing of about 5 mm to 10 cm. Typical electrode diameters are in the range of 0.25 to 1.5 mm, and usually 2 or 4 electrodes are used. In an embodiment, one bipolar electrode is used. The “electrode” can also include an insulated portion (including the use of a non-conductive coating) and a conductive portion (eg, an end) to ensure proper application of electrical current and the tissue The generation of excessive heat in a part of can be minimized.
適した電場及び露出期間は、腫瘍の除去のための医学治療に適したものとして文献で報告されたものである。例示的な露出パラメータは、次を含む:1Hzまたは4Hzの周波数での1.5kV/cmで90個の90マイクロ秒(μs)パルス;1Hzまたは4Hzの周波数での2.5kV/cmで80個の100μsパルス;400V/cmで1個の200ミリ秒パルス;1秒当たり10個のパルスの周波数で3800V/cmでの10個の100μsパルス;約1Hzまたは4Hzの周波数で1000〜1667V/cmの範囲の90個の100μsパルス;及び1Hzまたは4Hzで1000〜3000V/cmの範囲の80個の100μsのパルス。一般に、パルシングの前記周波数は、パルス幅の半分程度に低くてもよく、かなり遠い間隔であってもよい。前記組織に相当な熱損傷なしに電気穿孔を可能とする、ある適した周波数も許容可能である。電流は、DCまたはACのいずれかに適用され得る。実際に、特定の所望の結果を達成するために適用可能なこのようなパラメータを調整することは、本分野の技術に属する。ある数のパルス、例えば1〜1000個のパルスが投与され得る。前記パルスは、1マイクロ秒〜1秒のような、ある時間量の期間を有することができる。前記電圧は、所望の効果によって可逆または不可逆的電気穿孔を達成するためのある量となることができ、例えば500V/cm〜5000V/cm、例えば1500V/cmを含むことができる。実際に、毛細管床でIREを達成するために、遥かに少ない電圧、例えば、約1V/cmから約1000V/cmまでの順序で要求され得る。 Suitable electric fields and durations of exposure are those reported in the literature as suitable for medical treatment for tumor removal. Exemplary exposure parameters include: 90 90 microsecond (μs) pulses at 1.5 kV / cm at a frequency of 1 Hz or 4 Hz; 80 at 2.5 kV / cm at a frequency of 1 Hz or 4 Hz 100 μs pulses; one 200 ms pulse at 400 V / cm; 10 100 μs pulses at 3800 V / cm at a frequency of 10 pulses per second; 1000-1667 V / cm at a frequency of about 1 Hz or 4 Hz 90 100 μs pulses in the range; and 80 100 μs pulses in the range 1000-3000 V / cm at 1 Hz or 4 Hz. In general, the frequency of pulsing may be as low as half of the pulse width or may be spaced far away. Any suitable frequency that allows electroporation without significant thermal damage to the tissue is also acceptable. The current can be applied to either DC or AC. Indeed, it is within the skill of the art to adjust such parameters applicable to achieve a particular desired result. A certain number of pulses can be administered, for example 1-1000 pulses. The pulse can have a period of time, such as 1 microsecond to 1 second. The voltage can be an amount to achieve reversible or irreversible electroporation depending on the desired effect, and can include, for example, 500 V / cm to 5000 V / cm, such as 1500 V / cm. In fact, to achieve IRE with a capillary bed, much less voltage may be required, for example, in the order of about 1 V / cm to about 1000 V / cm.
前記電極の形態及び大きさは、本発明の実施において重要でない。本分野の当業者は、前記組織内に所望の電場を伝送するに適した如何なる形態及び大きさでも選択できる。例えば、前記電極は、プレート型、ワイヤ型、または針型であってもよく、円形、楕円形、四角形、矩形、ダイヤモンド形、六角形、八角形等の形態であってもよい。ワイヤ型電極において、前記電極が脈管構造を閉塞しないようにするために、ワイヤが挿入される脈管構造よりも小さい直径が好ましい。いくつかの設計及び兆候において、臓器または組織の循環の一部の分離を提供する閉塞装置の一部である電極の使用が好ましい。同様に、前記電極の表面領域は、本発明の実施において重要でない。それゆえ、例えば、前記表面領域は、約0.5cm2、約1cm2またはそれ以上であってもよい。臓器または組織の脈管構造に直接挿入される電極において、好ましくは、前記電極は、前記脈管構造内で適した距離の電極を提供するために十分な長さの長いワイヤ型電極である。前記ワイヤ型電極の直径は、また、好ましくは、前記電極と前記脈管構造の内壁との接触を避けるか最小化させ得るように、臓器脈管構造の様々な類型内に挿入するために調整され得る。いくつかの実施形態において、前記電極及び前記脈管構造の壁の間が少なくとも一部分離されている。ワイヤ型電極において、前記電極間の標的領域の境界(bounds)を越えて移動する結合されたエネルギー損失及び電流の電位を減少させるために前記標的領域の血管の“アップストリーム”及び“ダウンストリーム”を一時的に閉塞させることが可能である。生体内で実行されるこのような実施形態は、標的領域及びある“ダウンストリーム”領域に許容されない虚血効果を誘導しない時間期間内で前記パルスを輸送するだろう。さらに具体的には、このような技術は、前記標的臓器または組織の上下の前記血管をクランピング(clamping)して、前記血管の残りが電流を伝導しないようにする(絶縁された血管壁を有するクランピングは、回路を“開放”するだろう)。これは、細胞を殺すことを目的としない遺伝子または薬物輸送の適用にさらに適切で、前記組織の損傷なしにこれを行うことができる適したウィンドウが存在しなければならない。本発明のこのような方法は、例えば、プラークの除去に用いられ得、例えば、約10分間頸動脈を閉塞させて頸動脈からプラークを除去する。 The shape and size of the electrodes are not critical in the practice of the present invention. One skilled in the art can select any form and size suitable for transmitting the desired electric field within the tissue. For example, the electrode may be a plate type, a wire type, or a needle type, and may be a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a rectangular shape, a diamond shape, a hexagonal shape, an octagonal shape, or the like. In a wire-type electrode, a diameter smaller than the vascular structure into which the wire is inserted is preferable so that the electrode does not block the vascular structure. In some designs and indications, the use of electrodes that are part of an occlusive device that provides separation of part of the circulation of an organ or tissue is preferred. Similarly, the surface area of the electrode is not critical in the practice of the invention. Thus, for example, the surface region may be about 0.5 cm 2 , about 1 cm 2 or more. In an electrode that is inserted directly into the vasculature of an organ or tissue, preferably the electrode is a long wire electrode that is long enough to provide a suitable distance electrode within the vasculature. The diameter of the wire-type electrode is also preferably adjusted for insertion into various types of organ vasculature so that contact between the electrode and the inner wall of the vasculature can be avoided or minimized Can be done. In some embodiments, there is at least a partial separation between the electrode and the walls of the vasculature. In wire-type electrodes, the target region blood vessels “upstream” and “downstream” to reduce the potential of the combined energy loss and current moving across the target region bounds between the electrodes. Can be temporarily blocked. Such an embodiment performed in vivo would deliver the pulse within a time period that does not induce unacceptable ischemic effects in the target area and certain “downstream” areas. More specifically, such a technique clamps the blood vessels above and below the target organ or tissue so that the rest of the blood vessels do not conduct current (insulated blood vessel walls). Having clamping will "open" the circuit). This is more appropriate for gene or drug delivery applications that are not aimed at killing cells, and there must be a suitable window in which this can be done without damaging the tissue. Such a method of the invention can be used, for example, for plaque removal, for example, occlusion of the carotid artery for about 10 minutes to remove plaque from the carotid artery.
いくつかの状況において電場に組織を露出させると熱が発生する。熱による組織の損傷を避けるために、前記組織に移送されるエネルギーの量を単位時間当たり閾値水準未満にセッティングした。時間及び温度パラメータは、IREに対して本分野において公知になっており、如何なる適切な組合せも用いられ得る。例えば、前記組織の温度は、除去のための処理の間観察され得、電気パルスは、100℃以下、例えば、60℃以下、または体温に前記温度が維持されるように調節する。実施形態において、前記温度は、特定臓器または被検者に正常な生理学的温度に維持され得る。いくつかの実施形態において、前記温度は50℃以下に維持される。 In some situations, heat is generated when tissue is exposed to an electric field. In order to avoid tissue damage due to heat, the amount of energy transferred to the tissue was set below a threshold level per unit time. Time and temperature parameters are known in the art for IRE, and any suitable combination can be used. For example, the temperature of the tissue can be observed during the process for removal, and the electrical pulse is adjusted to maintain the temperature at 100 ° C. or lower, such as 60 ° C. or lower, or body temperature. In an embodiment, the temperature may be maintained at a normal physiological temperature for a particular organ or subject. In some embodiments, the temperature is maintained at 50 ° C. or lower.
いくつかの実施形態において、前記方法は、前記組織の生物細胞にわたって平均の不可逆的電気穿孔を得るために適用された電圧、パルスの長さ、及び/又はパルスの数を調節して、非標的組織での損傷を最小化する水準で前記組織内の前記生物細胞の不可逆的電気穿孔を達成することを含む。プロトコルは、電気電荷の投与を通じて同一または変更されたパラメータを含むことができる。同様に、いくつかの実施形態において、前記適用される電圧の期間は、確認された標的細胞の不可逆的電気穿孔を達成するために、電圧に対する電流の割合によって調節され、これによって、細胞膜が細胞死滅を引き起こす方式で崩壊される。さらなる例示パラメータを下記に記載した。 In some embodiments, the method adjusts the voltage, pulse length, and / or number of pulses applied to obtain an average irreversible electroporation across the biological cells of the tissue to produce a non-target Achieving irreversible electroporation of the biological cells within the tissue at a level that minimizes damage to the tissue. The protocol can include parameters that are the same or changed through the administration of electrical charge. Similarly, in some embodiments, the duration of the applied voltage is adjusted by the ratio of current to voltage to achieve irreversible electroporation of the identified target cell, thereby allowing the cell membrane to Collapsed in a way that causes death. Additional exemplary parameters are listed below.
実施例1−マルチフィジックス・モデリング Example 1-Multiphysics modeling
電気パルスの輸送のための経路として血管系を用いることの実現可能性を確立するために、予備マルチフィジックス・モデリングが実施された。細胞膜における多孔(可逆的または不可逆的)の発達のための主要因子である電場分布は、有限要素法(finite element method)を用いてモデリングされた。3つの肝組織モデルが細部の異なるレベルで肝臓構造を示すように開発された。コムソル・マルチフィジックス(Comsol Multiphysics)がラプラスの方程式に従い、電気電位(Φ)を計算するために用いられた: Preliminary multiphysics modeling was performed to establish the feasibility of using the vasculature as a route for the transport of electrical pulses. The electric field distribution, which is the main factor for the development of porosity (reversible or irreversible) in the cell membrane, was modeled using the finite element method. Three liver tissue models have been developed to show liver structure at different levels of detail. Comsol Multiphysics was used to calculate the electrical potential (Φ) according to Laplace's equation:
ここで、σは、電気伝導度である。 Here, σ is electrical conductivity.
モデル1:先ず、前記組織の側面のうち一つに1cm直径のプレート電極を有する2cm厚さの均質構造を、前記肝臓をモデルとして形成した。このようなモデルを電場強度に対して実験的病変を関連させるために用いた。単一10マイクロ秒1500V/cmパルスを上部電極に輸送し、下部電極は接地された。図2に示されたように、このモデルの結果は、用いられた電気パラメータに対して、約400V/cmのシミュレーションされた電場強度が実験結果と同程度の幅の病変を生成するために要求されることを示した。 Model 1 : First, a 2 cm thick homogeneous structure having a 1 cm diameter plate electrode on one of the side surfaces of the tissue was formed using the liver as a model. Such a model was used to relate experimental lesions to electric field strength. A single 10 microsecond 1500 V / cm pulse was delivered to the upper electrode and the lower electrode was grounded. As shown in FIG. 2, the results of this model require that, for the electrical parameters used, a simulated electric field strength of about 400 V / cm produces lesions that are as wide as the experimental results. Showed that.
モデル2:肝臓は、脈管構造、リンパ及び胆管の多くのセットが存在する複合的な器官である。肝臓の門静脈(hepatic portal vein)及び肝臓の動脈の分枝は、血液をろ過し、バクテリアを除去し、胆汁を生成するために構造的に機能する、基本機能単位である小葉に血液を輸送する。小葉を通じて輸送された血液は、結局、肝静脈内に流れて循環系に血液を戻す大きな中央細静脈に届く。灌流下において、灌流液は、前記脈管構造を通じて移送される流体として血液を代替する。しかし、胆汁の生産が24時間まで持続することが見出されたことが言及された。二つの異なる様相の電圧適用が用いられたとき、前記の複合的な脈管構造がどのように電場分布に影響を及ぼすかを理解するために秒(second)多重−規模モデルを製造した。第一の様相は、前記組織の外部に位置した典型的な電極を用い、第二の様相は、電圧源として中央細静脈を用い、接地として外部電極を用いた。小葉を、豚組織学と一致するように、5ミクロンの結合組織層及び200ミクロン直径の中央細静脈で囲まれた1mmの等価半径を持つ六角形のモデルに形成した。単一10マイクロ秒1500V/cmパルスで再び刺激した。 Model 2 : The liver is a complex organ with many sets of vasculature, lymph and bile ducts. The hepatic portal vein and the arterial branches of the liver transport blood to the lobule, the basic functional unit that functions structurally to filter blood, remove bacteria, and produce bile. To do. The blood transported through the leaflets eventually reaches the large central venule that flows into the hepatic vein and returns it to the circulatory system. Under perfusion, perfusate replaces blood as the fluid transported through the vasculature. However, it was mentioned that bile production was found to last up to 24 hours. To understand how the complex vasculature affects the electric field distribution when two different modes of voltage application were used, a second multi-scale model was fabricated. The first aspect used a typical electrode located outside the tissue, the second aspect used a central venule as a voltage source and an external electrode as ground. The leaflets were formed into a hexagonal model with an equivalent radius of 1 mm surrounded by a 5 micron connective tissue layer and a 200 micron diameter central venule, consistent with porcine histology. Stimulation was again with a single 10 microsecond 1500 V / cm pulse.
前記組織内の前記電場分布は、外部電極が用いられたとき、前記小葉の上皮層により発生するさらなる不均質性に有意に変化しなかった。ほとんどの有意な変化は、さらに高い伝導性の中央細静脈に近接して現れた。各小葉の前記中央細静脈は1500Vで充電され、かなり異なった電場分布が形成された。不可逆的に電気穿孔されるに十分な電場に達した組織領域は、前記組織内にわずかにおよそ0.5cm広がった。電場適用のこのような様相は全体の脱細胞化に十分ではないが、高度に血管化された臓器の表面に近い腫瘍を治療するには効果的な手段となり得る。図3Aに示したモデルは、1500V(上部)または接地設定(下部)のいずれか一つで充電された外部電極を示すものであり、このような様相を用いる前記電場分布が添加された不均質性とともに有意に変化しないことを立証した。図3Bに示されたモデルは、1500Vで充電された各小葉の中央細静脈を示し、外部電極は接地された。図3A−Bに示したモデルは、流体が前記小葉を通じて門細動脈(portal arterioles)及び門細静脈(portal venules)から前記中央細静脈に容易に流れるので、完全に生理学的に精密でないことが言及された。 The electric field distribution within the tissue did not change significantly to the additional heterogeneity generated by the lobular epithelial layer when an external electrode was used. Most significant changes appeared in close proximity to the higher conductivity central venules. The central venule of each leaflet was charged at 1500 V, and a very different electric field distribution was formed. The tissue region that reached an electric field sufficient to be irreversibly electroporated spread only approximately 0.5 cm into the tissue. Although this aspect of electric field application is not sufficient for overall decellularization, it can be an effective means of treating tumors close to the surface of highly vascularized organs. The model shown in FIG. 3A shows an external electrode charged at either 1500 V (upper part) or ground setting (lower part), and the electric field distribution using such an aspect is added to the inhomogeneity. It was proved that there was no significant change with sex. The model shown in FIG. 3B shows the central venule of each leaflet charged at 1500 V, with the external electrode grounded. The model shown in FIGS. 3A-B may not be completely physiologically accurate because fluid flows easily from the portal arterioles and portal veins through the leaflets to the central venule. Was mentioned.
モデル3:モデル3は、単一小葉の頂点に門細動脈、門細静脈、及び胆管を含む。中央静脈は、バルク肝組織により囲まれている。適用された10マイクロ秒パルスの規模は、バルク肝組織で見られる範囲で電場分布が発達するまで変更された。 Model 3 : Model 3 includes portal arterioles, portal venules, and bile ducts at the apex of a single leaflet. The central vein is surrounded by bulk liver tissue. The magnitude of the applied 10 microsecond pulse was varied until the electric field distribution developed in the range seen in bulk liver tissue.
このようなシミュレーションからの結果を図4Aに示した。このようなシミュレーションからの結果は、単一小葉内で電場を誘導するIREの発達が、前記臓器の脈管構造を用いて可能なものであることを示す。さらに、50VパルスがIRE誘導水準に対して前記電場を増加させるに非常に十分であることが見出された。これは、電場が全体組織構造にわたって適用されたとき、IREを誘導するために必須な1500Vパルスよりもかなり少ない。前記中央静脈から門細動脈及び細静脈に接触する複合的な微細脈管構造ネットワークがあることが、図4B及び組織学的試料から見られる。.前記脈管構造の間に胆管に胆汁を分泌する肝細胞がある。モデル1及び2は、このような微細脈管構造ネットワークが電流の流れに対して相当な抵抗を示し、前記小葉の内部構造が不均質組織としてモデリングされ得ることを推定する。これは、赤血球(生体内)または上皮細胞が電場により損なわれた場合に、どこで血管閉塞が生じ得るかの適当な推定である。 The results from such a simulation are shown in FIG. 4A. Results from such simulations indicate that IRE development that induces an electric field within a single leaflet is possible using the vasculature of the organ. Furthermore, it has been found that 50V pulses are very sufficient to increase the electric field relative to the IRE induction level. This is significantly less than the 1500V pulse that is essential to induce IRE when an electric field is applied across the entire tissue structure. It can be seen from FIG. 4B and the histological sample that there is a complex microvasculature network that contacts the portal arterioles and venules from the central vein. . Between the vasculature are hepatocytes that secrete bile into the bile ducts. Models 1 and 2 assume that such a microvasculature network exhibits considerable resistance to current flow and that the internal structure of the leaflets can be modeled as a heterogeneous tissue. This is a reasonable estimate of where vascular occlusion can occur if red blood cells (in vivo) or epithelial cells are damaged by an electric field.
脈管構造及び微細脈管構造の抵抗(R)の近似値は、関係式を解いて前記流体伝導度(ρ)が知られた場合、容易に得られる: An approximation of the resistance (R) of the vasculature and microvasculature is easily obtained when the fluid conductivity (ρ) is known by solving the relational equation:
ここで、L及びAは、それぞれ前記血管の長さ及び前記血管の断面積である。表2で表される結果は、血管がリン酸塩緩衝溶液で満たされたとき、直径が10μm直径及び長さが100μmの血管は、抵抗が90kΩと同じくらい高くなり得る。非常に著しいが、この抵抗は、微細脈管構造を通じる電流の流れを防止するほど十分に高くはない。さらに、前記臓器のあらゆるところで平行に連結された多大な数の微細血管は、全体電気抵抗を急激に減少させるだろう。 Here, L and A are the length of the blood vessel and the cross-sectional area of the blood vessel, respectively. The results presented in Table 2 show that when a blood vessel is filled with a phosphate buffer solution, a vessel with a diameter of 10 μm and a length of 100 μm can have a resistance as high as 90 kΩ. Although very striking, this resistance is not high enough to prevent current flow through the microvasculature. Furthermore, the large number of microvessels connected in parallel everywhere in the organ will drastically reduce the overall electrical resistance.
本発明の一実施形態は、前記臓器または組織の能動的な灌流(active perfusion)の間にIREを投与することにより、スキャフォールドを調整することである。電極は、標的領域を通じて前記細胞の不可逆的(または可逆的)電気穿孔を発生させる電気パルスの適用を伴う前記組織の近傍内にまたは近くに位置できる。前記電気パルスを投与する一つの方式は、前記臓器自体の前記脈管構造を通じるものである。前記電極の位置は、処理される領域を規定する;それゆえ、前記治療される領域は、開始物質として用いられる全体組織または器官の単に一部分であってよい。前記電気パルスは、治療される細胞の膜を不可逆的にまたは可逆的に通過して(不可逆的な場合)細胞死滅を起こす。前記電気パルスの時間の長さ、適用された前記電圧、及び結果的に生成された膜透過性は、規定された範囲内で全て調節される。細胞死滅を引き起こす電気パルスの適用は、前記臓器、好ましくは、微細循環(microcirculation)及びマクロ循環(macrocirculation)に関連した臓器の脈管構造の一部または全部を依然として保護することができる。いくつかの実施形態において、微細循環構造は、部分的または全体的に損なわれ得るが、さらに大きい構造は維持された。 One embodiment of the invention is to adjust the scaffold by administering IRE during active perfusion of the organ or tissue. Electrodes can be located in or near the tissue with application of electrical pulses that generate irreversible (or reversible) electroporation of the cells through the target area. One way to administer the electrical pulse is through the vasculature of the organ itself. The position of the electrode defines the area to be treated; therefore, the area to be treated may be just a part of the whole tissue or organ used as the starting material. The electrical pulses pass irreversibly or reversibly (if irreversible) through the membrane of the cell to be treated and cause cell death. The length of time of the electrical pulse, the applied voltage, and the resulting membrane permeability are all adjusted within a specified range. Application of electrical pulses that cause cell death can still protect some or all of the organ, preferably the vasculature of the organ associated with microcirculation and macrocirculation. In some embodiments, the microcirculation structure can be partially or totally compromised, but a larger structure was maintained.
本発明のin vitro及びex vivoの実施例において、細胞内物質を除去するための二次技術が用いられ得る。例えば、公知の全ての物理的、化学的または酵素的技術を、前記不可逆的に透過された細胞から細胞破片を除去するのに用いることができる。同様に、前記人工組織は、前記人工組織を通じて液状組成物(例えば、洗浄剤含有液状組成物)をポンピングできる人工灌流システムに付着され得、前記スキャフォールドから細胞破片を除去できる。このような二次処理が細胞破片の除去を可能とするが、前記スキャフォールディング構造(血管及び神経構造を含む)の残留も可能とする相対的に穏やかな条件下で適用され得ることが重要である。非熱的IREの使用は、このような穏やかな工程を可能とし、非熱的IREに依存しない工程に比べて、最終的に製造されるスキャフォールドを改善する。 In the in vitro and ex vivo embodiments of the present invention, secondary techniques for removing intracellular material can be used. For example, all known physical, chemical or enzymatic techniques can be used to remove cell debris from the irreversibly permeabilized cells. Similarly, the artificial tissue can be attached to an artificial perfusion system that can pump a liquid composition (eg, a detergent-containing liquid composition) through the artificial tissue, and can remove cell debris from the scaffold. It is important that such secondary treatments can be applied under relatively mild conditions that allow removal of cell debris but also allow the scaffolding structure (including blood vessels and neural structures) to remain. is there. The use of a non-thermal IRE allows such a mild process and improves the final manufactured scaffold compared to a process that does not rely on a non-thermal IRE.
前記in vitroの実施例の方法において、前記不可逆的透過された細胞から残っている前記破片は、in situで残っていることがあり、身体の自体循環及び免疫システムのような自然的な工程を通じて除去され得る。 In the method of the in vitro embodiment, the debris remaining from the irreversibly permeabilized cells may remain in situ and through natural processes such as the body's own circulation and immune system. Can be removed.
組織を脱細胞化させる不可逆的電気穿孔の概念は、本分野において用いられる他の形態の脱細胞化と異なる。不可逆的電気穿孔は細胞を死滅するために電気を用いるため、化学的及び物理的方法または浸透圧不均衡を用いる細胞溶解と異なる。不可逆的電気穿孔は、前記標的された組織内の細胞の細胞膜だけを破壊し、その下にある細胞外マトリックス(ECM)には損傷を与えないため、より穏やかな方法である。逆に、化学的及び物理的方法は、ECM、血管、及び神経のような必須構造を損なうことがある。本願において記述されるタイプIREは、特定の手段、即ち、細胞膜の致命的な崩壊により細胞死滅を誘導するための有効手段として提供するために電気パルスを用いる。 The concept of irreversible electroporation to decellularize tissue is different from other forms of decellularization used in the field. Irreversible electroporation differs from cell lysis using chemical and physical methods or osmotic imbalances because it uses electricity to kill cells. Irreversible electroporation is a more gentle method because it only destroys the cell membrane of cells in the targeted tissue and does not damage the underlying extracellular matrix (ECM). Conversely, chemical and physical methods can damage essential structures such as ECM, blood vessels, and nerves. The type IRE described in this application uses electrical pulses to provide a specific means, ie, an effective means to induce cell death by lethal disruption of the cell membrane.
不可逆的電気穿孔は、前記ECMに実質的に影響を与えないか、影響を及ぼさない最小限に侵襲的な過程で組織を脱細胞化するのに用いられ得る。脱細胞化の非選択的モードは、組織工学分野において許容可能であり、浸透圧不均衡、冷却、または化学的脱細胞化を誘導するいくつかの方式は、超音波処理に相当するという結果を提供する。 Irreversible electroporation can be used to decellularize tissue in a minimally invasive process that does not substantially affect or affect the ECM. Non-selective modes of decellularization are acceptable in the tissue engineering field, and some methods of inducing osmotic imbalance, cooling, or chemical decellularization result in sonication. provide.
本発明の例示的な一実施形態は、前記臓器または組織の能動的な灌流(active perfusion)の間、非常に正確に決定された長さのパルス及び電圧を適用することにより組織の細胞が不可逆的に電気穿孔される方法を含む。これは、熱損傷なしに不可逆細胞損傷を得るためにリアルタイムで電気的インピーダンスでの変化を測定及び/又は観察し、電気穿孔の開始で減少に注目し、リアルタイムで電流を調節して実施され得る。そのため、前記方法は、電気処理の効果を観察するためのコンピュータ装置及びセンサを含むことができる。電圧が適用される実施形態において、前記インピーダンスの観察は、使用者に多孔の存在及び欠如に対する情報を提供する。このような測定により、多孔形成の進展を示し、細胞の死滅を導く不可逆的多孔形成が発生したかが示される。 One exemplary embodiment of the present invention is that the cells of a tissue are irreversible by applying a pulse and voltage of a very precisely determined length during active perfusion of the organ or tissue. A method of electroporation. This can be done by measuring and / or observing changes in electrical impedance in real time to obtain irreversible cell damage without thermal damage, noting the decrease at the start of electroporation and adjusting the current in real time . Therefore, the method can include a computer device and a sensor for observing the effect of electrical processing. In embodiments where voltage is applied, the observation of the impedance provides the user with information about the presence and absence of porosity. Such measurements show the progress of pore formation and indicate whether irreversible pore formation has occurred leading to cell death.
他の実施形態は、組織中の細胞の電気穿孔の開始及び規模が、前記組織の電気インピーダンス(本願においては、電流に対する電圧を意味するために用いられた)での変化に相互に関連し得る方法を提供する。与えられた地点で、前記電気穿孔が不可逆的となる。生物細胞のグループの耐性での減少は、前記細胞の膜が多孔形成により透過性となったときに生じる。組織中の生物細胞のインピーダンスを観察して、細胞の多孔形成が発生する平均的な時間だけでなく、前記多孔形成に起因した細胞膜透過性の相対的な程度を検出できる。与えられた組織内で電圧を段階的に増加させて細胞を試験することにより、不可逆的電気穿孔が生じる地点を決定できる。しかる後、このような情報を前記組織の前記細胞に不可逆的電気穿孔が経たことの確立に用いることができる。このような情報は、また、前記電圧の大きさの選択を決定することにより前記電気穿孔の工程を調節するために用いることができる。他のイメージ技術を、領域がどれだけ処理されたかを観察するために用いることができる(例えば、超音波、MRI、CT等)。 In other embodiments, the onset and magnitude of electroporation of cells in tissue may be correlated to changes in the electrical impedance of the tissue (used herein to mean voltage versus current). Provide a method. At a given point, the electroporation becomes irreversible. A decrease in the resistance of a group of biological cells occurs when the membrane of the cell becomes permeable due to pore formation. By observing the impedance of the biological cells in the tissue, it is possible to detect not only the average time at which porous formation of cells occurs, but also the relative degree of cell membrane permeability resulting from the porous formation. By testing cells in a given tissue with a step-wise increase in voltage, the point at which irreversible electroporation occurs can be determined. Thereafter, such information can be used to establish that the cells of the tissue have undergone irreversible electroporation. Such information can also be used to adjust the electroporation process by determining the selection of the voltage magnitude. Other image techniques can be used to observe how much the region has been processed (eg, ultrasound, MRI, CT, etc.).
本発明は、電気穿孔の実際発生の直接誘導及び多数の細胞で平均程度の電気穿孔の誘導を提供する多数の細胞に同時に起こる不可逆的電気穿孔を提供する。このような発見は、同様の理由から、生物組織(隣接する膜を有する生物細胞の塊)の不可逆的電気穿孔において同様に有用である。このような工程の利点は、電気穿孔の開始点に対する高水準の統制を含む。 The present invention provides irreversible electroporation that occurs simultaneously on multiple cells providing direct induction of the actual occurrence of electroporation and an average degree of electroporation induction on multiple cells. Such a discovery is equally useful in irreversible electroporation of biological tissue (a mass of biological cells with adjacent membranes) for similar reasons. The advantages of such a process include a high level of control over the starting point of electroporation.
本発明の実施形態の一特性は、前記組織の電気穿孔の間、電流の大きさが電気穿孔の程度に依存するようになるにつれ電流及びパルス長さが所定の範囲に調節されて、細胞及び組織周囲の細胞損傷を最小化する前記組織の標的細胞の不可逆的電気穿孔を得ることである。本発明の実施形態の他の特性は、パルスの長さ及び電流が、細胞の死滅を引き起こす細胞内の電気調節よりもさらに高く、そして、周辺組織に熱的損傷をもたらし得るものよりも低いる範囲内で正確に調節されることである。本発明の実施形態の他の特性は、回路を通じて電流(リアルタイム)を測定することが、前記組織中の前記細胞が達成する電気穿孔の平均的な全体としての程度の測定値を与えることである。 One feature of embodiments of the present invention is that during electroporation of the tissue, the current and pulse length are adjusted to a predetermined range as the magnitude of the current depends on the degree of electroporation, so that the cells and Obtaining irreversible electroporation of target cells of the tissue that minimizes cell damage around the tissue. Other characteristics of embodiments of the present invention are that the pulse length and current are higher than the intracellular electrical regulation that causes cell death and lower than can cause thermal damage to the surrounding tissue. It is to be adjusted precisely within the range. Another characteristic of embodiments of the present invention is that measuring current (real time) through a circuit gives an average overall measure of electroporation achieved by the cells in the tissue. .
実施形態のまた他の特徴は、前記組織の正確な電気抵抗が、プローブ電極への交差時間の電圧測定及び電気穿孔の電極に付着された回路を用いた交差電流の測定から計算され得ることを含む;前記組織の正確な電気抵抗が、プローブ電極への交差時間の電圧測定及び電気穿孔の電極に付着された回路を用いた交差電流の測定から計算されることを含む;前記組織の電気測定は、前記組織の電気穿孔分布をマッピングするのに用いられ得る。不可逆的電気穿孔において、実際に不可逆的であることを立証するために、前記電気穿孔後に実質的な時間(数分またはそれ以上)で電流またはEITの測定を実行することが可能であるか、ひいては好ましい。 Another feature of the embodiment is that the exact electrical resistance of the tissue can be calculated from a voltage measurement of the crossing time to the probe electrode and a measurement of the crossing current using a circuit attached to the electrode of the electroporation. Including: calculating an accurate electrical resistance of the tissue from a voltage measurement of the crossing time to the probe electrode and a measurement of the crossing current using a circuit attached to the electrode of the electroporation; Can be used to map the electroporation distribution of the tissue. In irreversible electroporation it is possible to carry out current or EIT measurements in substantial time (several minutes or more) after said electroporation to prove that it is actually irreversible, As a result, it is preferable.
前記方法の実施形態において、非熱的IREへの一次細胞破壊後に脱細胞化されたスキャフォールディングから細胞破片を除去することが好ましい。このような実施形態において、公知の全ての物理的、化学的、及び/又は酵素的方法を含む、このようにするための全ての公知技術が用いられ得る。例示的な一実施形態において、細胞物質の除去は、残っている無償の脈管構造を通じる一般的な拡散、移送またはこの両方の混合を用いて、適切な剤(例えば、水、pH調節された水、一つ以上のキレート剤の水溶液等)と共に組織スキャフォールディングの灌流を通じて少なくとも部分的になされ得る。 In embodiments of the method, it is preferred to remove cell debris from the decellularized scaffold after primary cell disruption to a non-thermal IRE. In such embodiments, all known techniques for doing so can be used, including all known physical, chemical, and / or enzymatic methods. In one exemplary embodiment, removal of cellular material is performed using a suitable agent (e.g., water, pH adjusted) using general diffusion, transport or a mixture of both through the remaining free vasculature. Or at least partially through perfusion of tissue scaffolding with aqueous solutions of one or more chelating agents).
in vitroの方法において、前記スキャフォールドを殺菌することが好ましく、特に宿主内に移植するために処理された組織及び臓器を製造するためにスキャフォールドを用いる場合、殺菌することが好ましい。患者の拒絶リスク(例えば、DNA断片に起因する)を低下するために、脱細胞化後の殺菌及び/又は破片の除去が、移植物として用いられるスキャフォールドに対して一般的になされる。スキャフォールドがいくつかのタイプの殺菌を必要とするとき、スキャフォールドの殺菌のために、文献において公開された方法を用いることができる。 In an in vitro method, it is preferable to sterilize the scaffold, particularly when the scaffold is used to produce tissues and organs that have been treated for transplantation into a host. In order to reduce the patient's risk of rejection (eg due to DNA fragments), sterilization and / or debris removal after decellularization is commonly done for scaffolds used as implants. When the scaffold requires several types of sterilization, methods published in the literature can be used for sterilization of the scaffold.
in vitroの方法において、脱細胞化された組織スキャフォールドを製造する前記方法は、その自然環境から単離された脱細胞化された組織スキャフォールドをもたらす。in vivoの方法において、脱細胞化された組織スキャフォールドを製造する前記方法は、通常の細胞形質成分のない組織スキャフォールドをもたらす。そのため、本発明の側面において、前記人工組織のスキャフォールドが提供される。前記処理された組織スキャフォールドは、その自然環境から除去されたか/細胞形質成分が除去された天然のスキャフォールドを含む。本発明の前記人工組織のスキャフォールドは、その天然状態における前記組織内に存在する前記血管構造(即ち、動脈、静脈、毛細管)及び伝導性の構造(即ち、導管)の少なくとも一部、好ましくはほとんど、及びさらに好ましくは実質的に全部または全部を含む。実施形態において、前記組織スキャフォールドは、その天然状態において前記組織に存在する神経構造の少なくとも一部、好ましくはほとんど、及びさらに好ましくは実質的に全部または全部を含む。実施形態において、前記スキャフォールドは、このような血管構造及び/又はこのような神経構造を構成する前記細胞をさらに含む。好ましくは、前記人工組織のスキャフォールドは、前記スキャフォールドに自然的に存在する減少した数の前記細胞を含む。起源となる細胞のほとんど、さらに好ましくは、前記起源となる細胞の実質的に全部、及び最も好ましくは、前記起源となる細胞の全部は、前記人工スキャフォールドに見られない。実施形態において、残っている細胞は、血管または神経構造を含む細胞である。
好ましい実施形態において、前記細胞からの一部、ほとんど、または全部の細胞破片は、前記人工組織のスキャフォールドに見られない。同様に、実施形態において、前記組織スキャフォールドは、前記組織中に元から存在するニューロンの一部または全体を含む。しかし、実施形態において、前記ニューロンは破壊されるが、前記ニューロンが存在する神経管は損なわれずに残っている。
In an in vitro method, the method of producing a decellularized tissue scaffold results in a decellularized tissue scaffold isolated from its natural environment. In an in vivo method, the method of producing a decellularized tissue scaffold results in a tissue scaffold that is free of the usual cytoplasmic components. Therefore, in the aspect of the present invention, a scaffold for the artificial tissue is provided. The treated tissue scaffold comprises a natural scaffold that has been removed from its natural environment / cell trait components have been removed. The artificial tissue scaffold of the present invention preferably comprises at least a portion of the vasculature (ie, arteries, veins, capillaries) and conductive structures (ie, conduits) present in the tissue in its native state, preferably Most, and more preferably substantially all or all. In embodiments, the tissue scaffold comprises at least a portion, preferably most, and more preferably substantially all or all of the neural structures present in the tissue in its native state. In embodiments, the scaffold further comprises such cells that make up such vascular structures and / or such neural structures. Preferably, the artificial tissue scaffold comprises a reduced number of the cells naturally present in the scaffold. Most of the cells of origin, more preferably substantially all of the cells of origin, and most preferably all of the cells of origin are not found in the artificial scaffold. In embodiments, the remaining cells are cells that contain blood vessels or neural structures.
In a preferred embodiment, some, most or all cell debris from the cell is not found in the scaffold of the artificial tissue. Similarly, in an embodiment, the tissue scaffold includes some or all of the neurons originally present in the tissue. However, in an embodiment, the neuron is destroyed, but the neural tube in which the neuron is present remains intact.
いくつかの実施形態において、前記人工スキャフォールドは、前記スキャフォールドに元から(即ち、自然的に)存在する細胞からの細胞破片を含む。前記議論されたように、このような実施形態において、前記細胞破片は、公知の手段を利用して除去され得る。あるいは、前記細胞破片の一部または全部が前記スキャフォールド内及び上に残ってもよい。細胞破片が前記スキャフォールド上に残っている実施形態において、前記スキャフォールド上に接種される新たな細胞の作用によって、及び/又は新たな細胞の接種、浸透、及び成長工程の間に後ほど除去され得る。例えば、新たな細胞が細胞破片を含むスキャフォールド上に接種されると、前記新たな細胞の浸透及び成長の活動のみで、または前記の新たな細胞の付与及び支持のための灌流手段との組合せで前記細胞破片の除去をもたらし得る。 In some embodiments, the artificial scaffold includes cell debris from cells that are originally (ie, naturally) in the scaffold. As discussed above, in such embodiments, the cell debris can be removed using known means. Alternatively, some or all of the cell debris may remain in and on the scaffold. In embodiments where cell debris remains on the scaffold, it is removed later by the action of new cells seeded on the scaffold and / or during the new cell inoculation, infiltration, and growth steps. obtain. For example, when new cells are seeded on a scaffold containing cell debris, only the new cell penetration and growth activity, or a combination with the perfusion means for the application and support of the new cells Can result in removal of the cell debris.
本発明は、前記スキャフォールド上及び内で細胞が成長するための栄養素及びガスを提供する機能を果たす血管構造を含む人工組織のスキャフォールドを提供する。前記人工スキャフォールドを生成するための非熱的IREの使用は、このような重要な構造の維持を許容し、医学、獣医学及び研究活動での使用のための改善されたスキャフォールドを提供する。そのため、本発明は、相対的に大きな寸法を有し得る人工スキャフォールドを提供する。即ち、独創的なスキャフォールド内で成長する再接種した細胞が栄養素及びガスを得るために外部表面に近接(即ち、1mm以内)する必要がないため、前記人工スキャフォールドは、本分野において既に公知のスキャフォールドよりもさらに厚いことがある。人工スキャフォールドは、脱細胞化をもたらすために十分な電場を生成する能力があることを唯一の制限として、どのような望ましい範囲の厚さをも有し得る。しかし、このような制限は、有意な物理学的制限ではなく、これは、IREに影響を及ぼす電極の位置が本発明の実行者の要求によって容易に調節され、調整されるためである。 The present invention provides an artificial tissue scaffold comprising a vascular structure that functions to provide nutrients and gas for cells to grow on and within the scaffold. The use of a non-thermal IRE to generate the artificial scaffold allows maintenance of such critical structures and provides an improved scaffold for use in medical, veterinary and research activities. . As such, the present invention provides an artificial scaffold that can have relatively large dimensions. That is, the artificial scaffold is already known in the art because re-inoculated cells growing in the original scaffold do not need to be close (ie within 1 mm) to the external surface to obtain nutrients and gases. It may be thicker than other scaffolds. The artificial scaffold can have any desired range of thicknesses, with the only limitation being the ability to generate sufficient electric fields to effect decellularization. However, such a limitation is not a significant physical limitation, because the position of the electrode that affects the IRE is easily adjusted and adjusted according to the requirements of the practitioner of the present invention.
本発明の人工スキャフォールドは、これらが由来とする前記組織及び臓器の厚さに近接するか類似した厚さを有してもよい。例示的な厚さは、相対的に薄い(即ち、1mm以下)厚さから中間の厚さ(即ち、約5mm〜1cm)及び相対的に厚い厚さ(即ち、5cm以上、例えば、10〜20cm以上)の範囲である。 The artificial scaffolds of the present invention may have a thickness that is close to or similar to the thickness of the tissues and organs from which they are derived. Exemplary thicknesses are relatively thin (ie, 1 mm or less) to intermediate thickness (ie, about 5 mm to 1 cm) and relatively thick (ie, 5 cm or more, eg, 10-20 cm). Range).
本発明の前記方法による能動的な灌流(active perfusion)の間、組織のIREから人工スキャフォールドを提供する実施例を下記に提供した。理想的にex vivoで実行されたIREが行われなければならないが、これは、前記組織がバイオリアクター内で灌流されるためである。バイオリアクター内の組織の灌流は文献に公開されており、前記文献に記載されたパラメータは、一般的に本文脈内で適用され得る。IREは、主要血管、結合組織、神経、及び周囲の組織に損傷を与えずに、前記標的領域で前記細胞を殺すことができるため、スキャフォールドを製造するために完全に適した細胞除去のための特定モードである。通常、穏やかな酵素または化学物質(非イオン性洗浄剤、両性洗浄剤、キレート剤、酵素方法)が、脱細胞化後のDNA断片の除去を可能とするために用いられ得る(in vivoのIREにおいて、細胞の前記除去は、身体の自然なシステムにより達成され得る)。 Provided below is an example of providing an artificial scaffold from a tissue IRE during active perfusion by the method of the present invention. Ideally an IRE performed ex vivo must be performed because the tissue is perfused in the bioreactor. The perfusion of tissue within a bioreactor has been published in the literature, and the parameters described in the literature can generally be applied within this context. IRE is able to kill the cells in the target area without damaging major blood vessels, connective tissue, nerves and surrounding tissues, and therefore for cell removal that is perfectly suitable for manufacturing scaffolds. This is a specific mode. Generally, mild enzymes or chemicals (non-ionic detergents, amphoteric detergents, chelating agents, enzymatic methods) can be used to allow removal of DNA fragments after decellularization (in vivo IRE The removal of cells can be accomplished by the body's natural system).
バイオリアクター灌流システムでex vivoのIREを実行する一つのアプローチは、下記を含む:(a)新鮮な切断した臓器をバイオリアクター灌流システムに取り付け、生理学的環境を維持するか特定の結果をなすために他の温度条件下で維持し;(b)前記臓器の前記脈管構造内のような標的領域内に電極を挿入し;(c)前記臓器を生理食塩水または他の適切な灌流液で灌流させ;及び(d)一つ以上の電極を通じて電気的パルスを投与し、前記脈管構造を通じて可逆的または不可逆的電気穿孔を投与する。一旦望まない細胞が除去されたら、化学的(例えば、非イオン性洗浄剤)または物理的技術を用いて細胞破片を除去し、細胞成分/破片(特に、細胞外の場合)を除去する。しかる後、前記スキャフォールドは、前記標的とされた/処理された領域内に接種細胞を接種できる。前記臓器のさらなる灌流は、前記接種された細胞に栄養素及び/又は成長培地を投与し得て(IREの間の灌流の実施、Edd et al,2006)、前記バイオリアクター灌流システムは、細胞成長のための最適な条件(37℃)で維持され得る。一つ以上のこのような方法のあるステップを実行することができ、好ましい容積の人工組織を得るためにも実行できる。例えば、臓器の多数の領域を処理するか臓器の全体を処理するために、電気穿孔が臓器のさらに小さい多数の領域に繰り返され、前記臓器から細胞破片を洗い流せるようにする実質的な間欠的休止期またはIREなしに一定期間の灌流をIRE実行後に実施することができる。同様に、プレートまたは針状電極を用いる場合、前記電極を位置させるか挿入する前に灌流を実施することができ、前記脈管構造内に位置したワイヤ型電極を持って、適切に前記電極を位置させた後、能動的な灌流(active perfusion)を開始することが好ましい。実際、一つ以上のこのようなあるステップは、省略されるか、変更されるか、他のステップと再編成されるか、または適切に他のステップに交替され得る。 One approach to performing an ex vivo IRE in a bioreactor perfusion system includes: (a) Attaching a freshly cut organ to the bioreactor perfusion system to maintain a physiological environment or to achieve specific results Maintained under other temperature conditions; (b) inserting an electrode into a target area, such as within the vasculature of the organ; (c) the organ with saline or other suitable perfusate And (d) administering an electrical pulse through one or more electrodes and administering reversible or irreversible electroporation through the vasculature. Once the unwanted cells are removed, the cellular debris is removed using chemical (eg, non-ionic detergent) or physical techniques to remove cellular components / debris (especially when extracellular). Thereafter, the scaffold can inoculate inoculated cells within the targeted / treated area. Further perfusion of the organ can be administered nutrients and / or growth media to the inoculated cells (Perfusion during IRE, Edd et al, 2006) and the bioreactor perfusion system Can be maintained at optimum conditions (37 ° C.). One or more of the steps of such a method can be performed and can also be performed to obtain a preferred volume of artificial tissue. For example, to process multiple areas of the organ or to process the entire organ, electroporation is repeated on multiple smaller areas of the organ, allowing a substantial intermittent pause that allows cell debris to be washed away from the organ. A period of perfusion can be performed after the IRE is performed without a period or IRE. Similarly, if a plate or needle electrode is used, perfusion can be performed prior to positioning or insertion of the electrode, with a wire-type electrode positioned within the vasculature, and properly positioning the electrode. After positioning, it is preferable to initiate active perfusion. Indeed, one or more such steps may be omitted, changed, rearranged with other steps, or appropriately replaced with other steps.
実施例II−能動的な灌流の間のIREExample II-IRE during active perfusion
交雑種の飼育された子豚にバルビツール酸塩を過多投与してと殺した。肝臓を採って死亡後15分以内に氷上に位置させた。灌流システムを伴う血管吻合装置(vascular anastomosis)を門静脈(portal vein)、肝動脈及び主要肝静脈内にルアーロック式注射器の連結管を挿入して形成し、ジップタイ(zip ties)で固定した。前記灌流システム上に置く前に、前記肝臓を乳酸リンゲル液(lactated Ringer’s solution,LRS)で洗い流して血液/凝固物を除去した。 A cross-bred piglet was killed by overdose of barbiturate. The liver was removed and placed on ice within 15 minutes after death. A vascular anastomosis device with a perfusion system was formed by inserting a connecting tube of a Luer-lock type syringe into the portal vein, hepatic artery and main hepatic vein, and fixed with zip ties. Prior to placing on the perfusion system, the liver was rinsed with lactated Ringer's solution (LRS) to remove blood / coagulum.
VasoWave(登録商標) Perfusion System(Smart Perfusion,Denver,NC)を用いて肝臓を4時間及び24時間の間灌流させた。このシステムは、心臓摸倣パルス波を生じて前記臓器内で生理学的心臓収縮及び心臓拡張圧力及び流速を発生させた。このシステムは、生理学的な標準以上及び未満に前記灌流液の酸素含量を調節できる。変形されたLRSで構成された灌流液は、門静脈(portal vein)及び肝動脈に輸送され、肝静脈を通じてシステムに戻り再使用された。全ての肝臓を死後1時間以内に能動的に機械灌流させた。 The liver was perfused for 4 and 24 hours using a VasoWave® Perfusion System (Smart Perfusion, Denver, NC). This system generated cardiac imitation pulse waves to generate physiological cardiac contractions and diastole pressures and flow rates within the organ. This system can adjust the oxygen content of the perfusate above and below physiological standards. The perfusate composed of the modified LRS was transported to the portal vein and hepatic artery and returned to the system through the hepatic vein for reuse. All livers were actively mechanically perfused within 1 hour after death.
灌流下で、ECM 830 Square Wave BTX Electroporation System(Harvard Apparatus,Cambridge,MA)を用いて前記肝組織に低エネルギーパルスを輸送した。2cm直径の二つの金属プレート電極を、ベルクロを用いる一対のラチェッティング・バイス・グリップ(ratcheting vice grips)(38mm、Irwin Quick−Grips)に取り付けた。BTXユニットに前記電極を連結するのに高電圧ワイヤを用いた。前記電極を前記肝臓に静かにクランプで固定し、前記電極の中心間距離(center−to− center distance)を測定した。BTXユニットでの前記電圧出力を、近似値の適用電場が1000V/cmとなるように調整した。 Under perfusion, a low energy pulse was delivered to the liver tissue using an ECM 830 Square Wave BTX Electrophoresis System (Harvar Apparatus, Cambridge, Mass.). Two metal plate electrodes of 2 cm diameter were attached to a pair of ratcheting vice grips (38 mm, Irwin Quick-Grips) using Velcro. A high voltage wire was used to connect the electrode to the BTX unit. The electrode was gently clamped to the liver and the center-to-center distance of the electrode was measured. The voltage output at the BTX unit was adjusted so that the applied electric field of the approximate value was 1000 V / cm.
99個の個別100μsスクエアパルスを0.25、0.5、1.0及び4.0Hzの繰返し率で投与した。繰返し率の試験は、任意に実行され、最小3回繰り返した。如何なるパルスも輸送せず、前記組織上に前記電極を位置させる虚偽対照を実施した。2回の追加試験を1Hz及び4Hzの割合で1500V/cmの電圧対距離の割合を用いて0.5cmの間隔で位置された針電極を用いて実施した。このようなプロトコルのための設定は、図5Aから見られる。全てのN−TIRE処理を死後2時間以内に完了した。各処理部位で発生する表面病変を24時間の灌流期間の末期に測定した。 99 individual 100 μs square pulses were administered at repetition rates of 0.25, 0.5, 1.0 and 4.0 Hz. The repetition rate test was performed arbitrarily and repeated a minimum of 3 times. A false control was performed in which no pulse was delivered and the electrode was positioned on the tissue. Two additional tests were performed with needle electrodes positioned at 0.5 cm intervals using a voltage to distance ratio of 1500 V / cm at a rate of 1 Hz and 4 Hz. The settings for such a protocol can be seen from FIG. 5A. All N-TIRE treatments were completed within 2 hours after death. Surface lesions occurring at each treatment site were measured at the end of the 24 hour perfusion period.
N−TIRE処理及び機械灌流後に、肝臓をVasoWave(登録商標) systemから分離し、病変を保存するために区画化し、組織を10%の天然緩衝ホルマリン溶液内に含浸させて固定した。固定後、組織を手入れし、通常のパラフィン包埋(paraffin embedding)で処理した後、4マイクロメータで区画化し、ヘマトキシリン−エオシン(hematoxylin−eosin,H&E)及びトリクロム着色剤(trichrome stains)で染色した。前記N−TIRE処理パラメータについて知らない獣医病理学者が組織区画を評価した。 After N-TIRE treatment and mechanical perfusion, the liver was separated from the VasoWave® system, sectioned to preserve the lesions, and the tissue was fixed by impregnation in 10% natural buffered formalin solution. After fixation, the tissue was cared for, treated with normal paraffin embedding, compartmentalized with 4 micrometers, and stained with hematoxylin-eosin (H & E) and trichrome stains. . A veterinary pathologist who was unaware of the N-TIRE processing parameters evaluated the tissue compartment.
電場分布を予想して、組織での前記N−TIRE処理領域に対する洞察を提供するために数値モデリングを用いることができる。Edd,J.F.& Davalos,R.V.Mathematical modeling of irreversible electroporation for treatment planning.Technology in Cancer Research and Treatment 6,275−286(2007)(“Edd 2007”)。これは、前記肝臓で発生する病変に対する効果的な電場閾値を有する病変容積に関連性がある方法として選択されたものである。N−TIRE領域を予想するための方法は、Edd及びDavalosの文献(Edd 2007)により記載されたものと類似している。前記肝臓内にN−TIREを誘導するための効果的な電場閾値を理解するために、有限要素シミュレーション(finite element simulations)を、Comsol Multiphysics 3.5a(Comsol,Stockholm,Sweden)を用いて実施した。前記数値モデルを、前記組織の上及び下に位置されたそれぞれ1mmの厚さの2cmの直径のプレートを用いて構成した。前記モデルをGarcia et al.(Garcia,P.et al.Intracranial nonthermal irreversible electroporation:in vivo analysis.J Membr Biol 236,127−136(2010))により規定されたように解いた。前記電場分布は、ラプラスの方程式(Laplace equation)を解いて得られた。 Numerical modeling can be used to predict the electric field distribution and provide insight into the N-TIRE processing region in the tissue. Ed, J. et al. F. & Davalos, R.A. V. Mathematical modeling of irreversible electroporation for treatment planning. Technology in Cancer Research and Treatment 6, 275-286 (2007) ("Edd 2007"). This was chosen as a method related to lesion volume with an effective electric field threshold for lesions occurring in the liver. The method for predicting the N-TIRE region is similar to that described by Ed and Davalos (Edd 2007). In order to understand the effective electric field threshold for inducing N-TIRE in the liver, finite element simulations were performed using Comsol Multiphysics 3.5a (Comsol, Stockholm, Sweden). . The numerical model was constructed using 2 cm diameter plates, each 1 mm thick, located above and below the tissue. The model is described in Garcia et al. (Garcia, P. et al. Intracranial non-irreversible electroporation: in vivo analysis. J Membr Biol 236, 127-136 (2010)). The electric field distribution was obtained by solving Laplace's equation.
ここで、σは、前記組織の電気伝導度であり、ψは電位である。 Here, σ is the electrical conductivity of the tissue, and ψ is a potential.
前記エネルギー化された電極と接触した前記組織による前記電気的境界(electrical boundary)条件は、ψ=Voである。他の電極の接点での電気的境界条件は、ψ=0である。分析された領域が電極と接触していない前記境界は、電気絶縁として処理されたものである。前記エネルギー化された電極と接触した前記組織による前記電気的境界(electrical boundary)条件は、ψ=Voである。他の電極の接点での電気的境界条件は、ψ=0である。分析された領域が電極と接触していない前記境界は、電気的に絶縁されるように処理されたものである。 The electrical boundary condition by the tissue in contact with the energized electrode is ψ = V o . The electrical boundary condition at the contact point of the other electrode is ψ = 0. The boundary where the analyzed region is not in contact with the electrode has been treated as electrical insulation. The electrical boundary condition by the tissue in contact with the energized electrode is ψ = V o . The electrical boundary condition at the contact point of the other electrode is ψ = 0. The boundary where the analyzed region is not in contact with the electrode has been treated to be electrically isolated.
電気穿孔及び温度に起因した伝導率変化は、下記式によって動的伝導度を計算してモデリングされた: The conductivity change due to electroporation and temperature was modeled by calculating the dynamic conductivity according to the following formula:
(Boone,K.,Barber,D.& Brown,B.Review−Imaging with electricity:report of the European Concerted Action on Impedance Tomography.J.Med.Eng.Technol.21,201−232(1997);Sel,D.,Lebar,A.M.& Miklavcic,D.Feasibility of employing model−based optimization of pulse amplitude and electrode distance for effective tumor electropermeabilization.IEEE Trans Biomed Eng 54,773−781(2007);Sel,D.et al.Sequential finite element model of tissue electropermeabilization.IEEE Trans Biomed Eng 52,816−827,doi:10.1 109/TBME.2005.845212(2005);及びPavselj,N.et al.The course of tissue permeabilization studied on a mathematical model of a subcutaneous tumor in small animals.IEEE Trans Biomed Eng 52,1373−1381(2005)参照)。 (Boone, K., Barber, D. & Brown, B. Review-Imaging with electricity: report of the European Concerned Action on Impedance Tom. E.n.E. D., Lebar, A.M. & Miklavic, D. Feasibility of Employing Model-based optimized of Efficient and Efficient Efficient Efficient 3-781 (2007); Sel, D. et al. Sequential fine element element of tissue electropermeabilization.IEEE Trans Biomed Eng 52, 816-827, doi: 10.1 109 / TB52.200. , N. et al., The Course of Tissue Permeabilization studyed on a mathematical model of a subtumorous tumor in small animal.
前記組織が露出された電場のシミュレーションを得るために、前記肝臓に用いられた前記パルスパラメータに対して、このような数値モデルを計算した。しかる後、前記N−TIRE電場閾値を、病変の面積を測定し、前記モデルでのこのような領域における電場数値を決定して見出した。 In order to obtain a simulation of the electric field with which the tissue was exposed, such a numerical model was calculated for the pulse parameters used in the liver. Thereafter, the N-TIRE electric field threshold was found by measuring the area of the lesion and determining the electric field value in such a region in the model.
処理を始めてから30分以内の灌流の間に表面病変が現れた。プレート電極により生成された前記肝表面の病変の領域は、針電極からの領域よりもさらに大きかったが、同一のタイプであった。図5Bにおいて、処理4時間後に収得され、1500Vの適用電圧から生成された3.3cmの表面病変が見られる。数値的にモデリングされたこのような病変の大きさは、379±142V/cmまたはそれ以上の電場が適用された組織の領域内で生成されたものである。このような試験に対する数値モデルの結果は、図6A〜6Cから見られる。 Surface lesions appeared during perfusion within 30 minutes of starting treatment. The area of the liver surface lesion generated by the plate electrode was the same type, although larger than the area from the needle electrode. In FIG. 5B, a 3.3 cm surface lesion obtained after 4 hours of treatment and generated from an applied voltage of 1500 V is seen. The numerically modeled size of such lesions is that generated within the region of tissue to which an electric field of 379 ± 142 V / cm or higher is applied. The results of the numerical model for such a test can be seen from FIGS.
周波数試験において、プレート間の距離に対する適用電圧の平均は、962V/cmであった。このような試験からの病変は、死後22時間にわたって発生し、平均的に2.5cmの直径を有していた(125%の電極直径);これは、0.25Hz及び936V/cmで発生した2cmの最小病変、及び1.0Hz及び950V/cmで発生した3.2cmの最大病変を有する。著しく重要ではないが、前記結果は、病変の大きさが1Hzで最も大きな平均であり、周波数が増加するか減少するにつれて減少することを提案する。0.25及び4Hzで適用される処理後に発生した病変は、1Hzで適用された処理に対して発生した病変よりも統計的に小さい(α=0.1)(図7A〜7B)。 In the frequency test, the average applied voltage with respect to the distance between the plates was 962 V / cm. Lesions from such trials occurred over 22 hours after death and had an average diameter of 2.5 cm (125% electrode diameter); this occurred at 0.25 Hz and 936 V / cm It has a minimum lesion of 2 cm and a maximum lesion of 3.2 cm that occurred at 1.0 Hz and 950 V / cm. Although not significantly significant, the results suggest that the lesion size is the largest average at 1 Hz and decreases as the frequency increases or decreases. Lesions that occur after treatment applied at 0.25 and 4 Hz are statistically smaller (α = 0.1) than lesions that occur for treatment applied at 1 Hz (FIGS. 7A-7B).
前記の処理された組織の分析は、前記組織を通じて円筒状に延びる均一な処理領域を示す。これは、0.628cm及び0.792cmの相応する組織厚さに対する1.97cm3及び6.37cm3間の計算された処理容積を算出した。 The analysis of the processed tissue shows a uniform processing region that extends cylindrically through the tissue. It was calculated the calculated processing volume of between 1.97Cm 3 and 6.37Cm 3 to the tissue thickness which corresponding 0.628cm and 0.792cm.
処理後24時間からの組織学的実験において、前記の処理された領域は、対照(図8A)に比べて細胞の死滅(図8B)を示している。さらに具体的には、図8A〜8Bは、穏やかにIRE処理した領域における結合組織及び血管の維持に対し、非処理の肝組織の領域における組織学的な比較を示している。非処理の試料をH&Eで染色したもの(図8A)及び10xの倍率で、24時間の心臓摸倣灌流のプレート電極を用いて99個の100μs、1000V/cmパルスを投与した試料をH&Eで染色したもの(図8B)である。 In histological experiments from 24 hours after treatment, the treated area shows cell death (FIG. 8B) compared to the control (FIG. 8A). More specifically, FIGS. 8A-8B show a histological comparison in the area of untreated liver tissue versus the maintenance of connective tissue and blood vessels in the gently IRE treated area. Untreated sample stained with H & E (FIG. 8A) and 99 100 μs, 1000 V / cm pulses administered with H & E at 10 × magnification using plate electrodes for 24 hours cardiac imitation perfusion (FIG. 8B).
豚での肝小葉(Hepatic acini)は、血管及び胆汁構造を含む結合組織によりさらに広くなり、肝細静脈で終結する重要なコード構造(cord architecture)を有する。エネルギー輸送に隣接した領域において、肝細胞コードは、若干の液胞が形成された肝細胞(24時間のex vivoの機械灌流サイクルで予想された発見)を伴い、よく保存された。非処理領域での類洞構造(sinusoidal structure)は開放され、肝動脈/門静脈(portal vein)及び肝静脈間の灌流液の流れを反映する。N−TIRE処理は、肝細胞索(hepatic cords)を崩壊させ、細胞分解を誘導する(図8B)。さらに広い結合組織及び血管を含む主要肝小葉の保存が見られる。N−TIRE処理の領域において、細胞コードは明確でなく、類洞内膜は、程度を多様化して分画された。 The hepatic lobule in pigs is further widened by connective tissue, including blood vessels and bile structures, and has an important cord architecture that terminates in hepatic venules. In the region adjacent to energy transport, the hepatocyte code was well conserved with some vacuolar hepatocytes (discovery expected in a 24 hour ex vivo mechanical perfusion cycle). The sinusoidal structure in the untreated area is opened, reflecting the flow of perfusate between the hepatic artery / portal vein and hepatic vein. N-TIRE treatment disrupts hepatic cords and induces cell degradation (FIG. 8B). There is also preservation of the main liver lobule, including broader connective tissue and blood vessels. In the region of N-TIRE treatment, the cell code was not clear, and the sinusoidal intima was fractionated with varying degrees.
ヒトと同様に、豚も門脈三管(portal triads)間につながる繊維状の結合組織の薄いバンドにより肝小葉が実質的に分離される。このような微細構造は、電気穿孔により誘導される病変の分布に影響を及ぼす。病変は、前記電気穿孔フィールドの縁で病変を持つ小葉か、通常であるか、ほとんど通常の小葉である構造的小葉内に局限される。そのため、電気穿孔で中心肝病変を処理するか、それに続く組織の処理のために損なわれていない結合組織/導管/血管マトリックスを発達させる工程を考慮するとき、結合組織のバンドが電気パルシングのための絶縁体として作用することは重要な発見である。 Like humans, pigs have liver lobes substantially separated by a thin band of fibrous connective tissue that connects between portal triads. Such microstructure affects the distribution of lesions induced by electroporation. Lesions are confined within structural lobules that are lesions at the edges of the electroporation field or are normal or almost normal. Thus, when considering the process of developing a central liver lesion with electroporation or the subsequent development of an intact connective tissue / conduit / vascular matrix for tissue processing, the band of connective tissue is due to electropulsing. Acting as an insulator is an important discovery.
図9A〜図9Cは顕微鏡写真であり、(図9A)24時間の灌流後、処理されていない肝臓の部分を示している。24時間灌流後、針電極を用いて4Hzで90個の、1500V/cm、100μsパルスで処理された同一の肝臓の部分(図9B)10xの倍率及び(図9C)20xの倍率を示している。 9A-9C are photomicrographs (FIG. 9A) showing the portion of the liver that was not treated after 24 hours of perfusion. After 24 hours of perfusion, the same liver segment (FIG. 9B) treated with 90 1500 V / cm, 100 μs pulses at 4 Hz using a needle electrode (FIG. 9B) shows 10 × magnification and (FIG. 9C) shows 20 × magnification. .
図9Aは、門脈管(portal tracts)から中央静脈まで整列した一般的な類洞細胞コードを有する非処理の豚の肝臓の部分を示す。細胞の形態はよく保存されている。赤血球細胞を有するいくつかの血管充血が見られ、また、軽微な小葉中心性の胆汁うっ滞(centrilobular biliary stasis)もある。若干損なわれた豚小葉がプレート電気穿孔をした領域で観察された(図9B)。前記小葉の中心は、コード構造の崩壊及び一部の細胞の変質及び群集が現れる。
この領域のさらに高い解像度の写真は図9Cから見られ、細胞性変化がさらに容易にわかる。このような処理領域は、肝細胞コード分布及びコード基底板から層間分離される細胞で構成される軽微な病変を示す。軽微な胆汁うっ滞が見られる(暗い色素)。
FIG. 9A shows a portion of an untreated porcine liver with a general sinusoidal cell code aligned from portal tracts to the central vein. Cell morphology is well preserved. Some vascular hyperemia with red blood cells is seen, and there is also a minor centrilobular biliary stasis. Slightly damaged porcine leaflets were observed in the area where plate electroporation was performed (FIG. 9B). In the center of the leaflet, the destruction of the code structure and the alteration and community of some cells appear.
A higher resolution photograph of this region can be seen from FIG. 9C, and cellular changes are more easily seen. Such treated areas show minor lesions composed of cells separated from the hepatocyte code distribution and code basement plate. Minor cholestasis is seen (dark pigment).
針電極またはプレート電極のいずれか一つを有するN−TIRE処理の投与は、区別されるいくつかの肝小葉での病変を生成した。各小葉内の病変の深刻度は、軽微な程度から適当に深刻な程度までの範囲である。軽微な病変は、基底膜から分離された肝細胞の小さな群集からなる。このような細胞は、微細細胞内構造の組織及び細胞質/細胞器官の群集の損失を示す(図9A〜9C)。 Administration of N-TIRE treatment with either a needle electrode or a plate electrode produced several distinct liver lobe lesions. The severity of lesions in each leaflet ranges from a minor level to a moderately serious level. Minor lesions consist of a small population of hepatocytes isolated from the basement membrane. Such cells exhibit a loss of tissue and cytoplasm / organ organ communities in fine intracellular structures (FIGS. 9A-9C).
適度に深刻な病変は容易に把握される(図10A〜10B)。N−TIRE処理により影響を受けた細胞は、様々な程度の細胞膨張及び核融解を示す(図10B)。個別の小葉内において、ほとんどの細胞が影響を受ける。いくつかの小葉において、基底膜から分離される高色素細胞(hyperchromic cells)の小さな群集を伴うフランク核濃縮症(frank nuclear pyknosis)及び細胞変質が見られる。一部の小葉において、末梢類洞空間で胆汁色素の凝集を伴う小葉中心性胆汁うっ滞が見られる。全ての場合において、言及されたように、結合組織の架橋バンドが、無傷の胆管及び血管構造で観察され、相当なN−TIREによって誘導された組織の損傷を有する小葉がさらに広がって現れた。 A moderately serious lesion is easily grasped (FIGS. 10A to 10B). Cells affected by N-TIRE treatment show varying degrees of cell swelling and nucleolysis (FIG. 10B). Within individual leaflets, most cells are affected. In some lobules, there is a flank nuclear pycnosis with a small population of hyperchromic cells isolated from the basement membrane and cellular alterations. In some lobules, centrilobular cholestasis with bile pigment aggregation is seen in the peripheral sinus space. In all cases, as mentioned, connective tissue bridging bands were observed in intact bile ducts and vasculature, and lobes with substantial N-TIRE-induced tissue damage appeared even more spread.
この試験は、臓器移植用の脱細胞化された組織スキャフォールドの作製において、この使用のために能動的に灌流された臓器における非熱的不可逆的電気穿孔の効果を報告する。本願において報告された前記結果は、単一のN−TIRE処理において6.37cm3まで組織の容積を局限させた。これは、部分及び全体の肝移植に対する脱細胞化構造を生成する目標で多重処理を行うことによりさらに大きな容積に容易に拡大することができる。24時間灌流後に、前記組織構造内に多量の細胞破片が一般的に残っている。このような破片の除去は、レシピエントの免疫反応を最小化するのに必須であり、さらに長くさらに効果的な灌流プロトコルを通じて及び/又は身体自体のメカニズムによる灌流を利用して、細胞成分の除去を最大化することで達成され得る。 This study reports the effect of non-thermal irreversible electroporation in actively perfused organs for this use in making a decellularized tissue scaffold for organ transplantation. The results reported in this application localized tissue volume to 6.37 cm 3 in a single N-TIRE process. This can be easily expanded to a larger volume by performing multiple treatments with the goal of generating decellularized structures for partial and whole liver transplants. After 24 hours of perfusion, a large amount of cell debris generally remains in the tissue structure. Removal of such debris is essential to minimize the immune response of the recipient and remove cellular components through longer and more effective perfusion protocols and / or using perfusion by the body's own mechanisms. Can be achieved by maximizing.
脱細胞化された組織スキャフォールドの製造以外に、このような方法は、パルス長さ、繰返し率、及び全体臓器構造でのフィールド強度のようなパルスパラメータの効果を研究するための理想的な足場を提供する。さらに、前記灌流液の電気特性に対する直接的な調節があるので、独特な電気的または物理的特性を持つ疾患にかかった臓器または癌にかかった臓器でのN−TIREの効果を試験するためのモデルとして提供され得る。本発明の方法を、疾患にかかった組織または臓器の部分を治療するか、不必要であるか疾患にかかった組織を除去するのに適用することができ、しかる後、前記臓器または組織の再接種が行われ得る。例えば、脈管構造を通じて肝臓の損なわれた領域だけを対象とし、身体が脱細胞化させることができ、再接種されるようにして肝疾患を持つ患者を治療することができる。 Besides the production of decellularized tissue scaffolds, such a method is an ideal scaffold for studying the effects of pulse parameters such as pulse length, repetition rate, and field intensity on the whole organ structure. I will provide a. Furthermore, since there is a direct regulation on the electrical properties of the perfusate, to test the effects of N-TIRE in diseased organs or cancerous organs with unique electrical or physical properties Can be provided as a model. The method of the invention can be applied to treat a diseased tissue or part of an organ, or to remove unnecessary or diseased tissue, after which the organ or tissue is regenerated. An inoculation can be made. For example, patients with liver disease can be treated by targeting only damaged areas of the liver through the vasculature, allowing the body to be decellularized and re-inoculated.
灌流を伴うN−TIREから結果的に生成されたスキャフォールドは、非血管構造で存在する栄養素の分散制限よりも遥かに大きい構造内への灌流のために必須な脈管構造を維持する。用いられた灌流液の温度が4℃だけ低いことがあるので、ジュール加熱に関連した熱的側面は、無視してもよい程である。これは、熱損傷の効果から分離された電場の細胞及び組織での効果を評価するための理想的な足場を提供する。さらに、in vivoの適用に比べて前記臓器の低い温度は熱損傷を誘導せず、さらに厚い構造を脱細胞化するための適切な電場を獲得するためにさらに高い電圧を適用することを可能とする。これは、ヒトの肝臓の厚さが一部の領域で10cmを超えることがあるので重要である。 The resulting scaffold from N-TIRE with perfusion maintains the vasculature essential for perfusion into structures that are much larger than the nutrient dispersion limitations present in non-vascular structures. Since the temperature of the perfusate used may be as low as 4 ° C., the thermal aspects associated with Joule heating are negligible. This provides an ideal scaffold for evaluating the effects on cells and tissues of the electric field separated from the effects of thermal damage. Furthermore, the lower temperature of the organ compared to in vivo application does not induce thermal damage, allowing higher voltages to be applied to obtain an appropriate electric field to decellularize thicker structures. To do. This is important because the thickness of the human liver can exceed 10 cm in some areas.
本願において示されて記述されているように、能動的な灌流(active perfusion)を実行した組織及び臓器を脱細胞化しようとする計画であるとき、脱細胞化された組織の処理領域は、数値モデリングを通じて予想され得る。本願において用いられた病変の大きさ及び数値モデルから、移植可能なスキャフォールドに対して全体臓器を脱細胞化するとき、前記プロトコルは、379±142V/cmの電場に前記組織の全体を露出するはずである。これは、所望の細胞をスキャフォールドに包括的に再接種してレシピエントの拒絶効果を最小化させることを可能とする、完全な細胞の死滅を保障するだろう。本願において見出された前記閾値は、従来の研究における閾値よりももう少し低く、これは、灌流下にあるときに用いられた独特なパルスパラメータまたは前記パルスに対する前記細胞の固有の感受性が増加した結果であり得ることが言及された。 As shown and described herein, when planning to decellularize tissues and organs that have undergone active perfusion, the treatment area of the decellularized tissue is a numerical value. Can be predicted through modeling. From the lesion size and numerical model used in this application, the protocol exposes the entire tissue to an electric field of 379 ± 142 V / cm when decellularizing the whole organ for an implantable scaffold It should be. This will ensure complete cell killing, allowing the desired cells to be globally re-inoculated into the scaffold to minimize the rejection effect of the recipient. The threshold found in this application is a little lower than the threshold in previous studies, as a result of the increased unique sensitivity of the cells to the unique pulse parameters used when under perfusion or the pulse. It was mentioned that could be.
前記脱細胞化工程における持続的で能動的な機械灌流は、また、再細胞化(recellularization)にも有用である。前記脱細胞化工程が完了すると、前記灌流システムから新たに生成されたスキャフォールドの除去を伴う損傷のリスクなしに前記スキャフォールドを再接種することが可能である。前記動脈及び静脈供給を個別的に扱うことができるため、複数の細胞タイプを前記臓器の他の領域に同時に輸送できる。同様に、前記胆汁システムを通じた逆行する灌流が、前記再接種工程で肝細胞を輸送する理想的な経路となり得る。 Sustained and active mechanical perfusion in the decellularization process is also useful for recellularization. Once the decellularization step is complete, the scaffold can be re-inoculated without risk of damage with removal of the newly generated scaffold from the perfusion system. Since the arterial and venous supply can be handled individually, multiple cell types can be transported simultaneously to other areas of the organ. Similarly, retrograde perfusion through the bile system can be an ideal route for transporting hepatocytes in the revaccination process.
微視的に見られる病変は、電気穿孔を用いる細胞ストリッピング(cellular stripping)のためのメカニズム及び形態学を明らかに示す。さらには24時間で、本願に記載の前記電気穿孔パラメータを用いたとき、小葉構造の普通程度の損失だけがあるということは非常に興味深い。エネルギー輸送のさらに厳しい条件がこれを変えられると予想されるが、重要な結合組織及び血管構造に損傷を誘導する。前記灌流流体内にアジュバント細胞毒性製剤、酵素、及び洗浄剤を添加することで、また、細胞ストリッピングの厳格性及び臨時的な性質を調節し得る。論理的に、細胞及び基質を急速に除去するよりは、組織工学的な目標のために重要な構造を保存する、穏やかな条件を立てることがさらに良い。心臓摸倣システムを伴う灌流期間及び灌流条件を処理する能力が、肝臓の脱細胞化及び究極的な再細胞化に対するこのような段階的かつ漸進的なアプローチに有用なことが明らかである。 The microscopically visible lesions clearly demonstrate the mechanism and morphology for cellular stripping using electroporation. Furthermore, it is very interesting that at 24 hours there is only a modest loss of leaflet structure when using the electroporation parameters described herein. More severe conditions of energy transport are expected to change this, but induce damage to important connective tissue and vascular structures. By adding adjuvant cytotoxic agents, enzymes, and detergents into the perfusion fluid, the stringency and occasional nature of cell stripping can also be adjusted. Logically, it is better to create mild conditions that preserve critical structures for tissue engineering goals than to rapidly remove cells and matrix. It is clear that the ability to handle perfusion periods and perfusion conditions with a cardiac imitation system is useful for such a gradual and progressive approach to liver decellularization and ultimate recellularization.
実施例III−能動的な灌流(active perfusion)を伴う脈管構造が管理するIREExample III—IRE managed by vasculature with active perfusion
死後の豚から正常腎臓を標準的で印加された方式を通じて得た。収得したとき、前記腎臓の腎臓動脈及び静脈を分離し、心臓血管摸倣システム(cardiovascular emulation system,CVES)(VasoWave 2.3TM,Smart Perfusion LLC,Denver,NC)への吻合(anastomosis)が可能となるように適するように連結させた。前記臓器をCVESに連結させ、前記腎臓を1.5リットルのKrebs−Hensleit/グルタチオン生理溶液で5分間洗浄した。 Normal kidneys were obtained from post-mortem pigs through standard and applied methods. When obtained, the renal arteries and veins of the kidney are separated and can be anastomosed to a cardiovascular emulation system (CVES) (VasoWave 2.3 ™ , Smart Perfusion LLC, Denver, NC) It was connected so as to be suitable. The organ was connected to CVES and the kidney was washed with 1.5 liters of Krebs-Hensleit / glutathione physiological solution for 5 minutes.
その後、前記腎臓をCVESへの前記動脈及び血管コネクタに吻合させて灌流を始めた(1分当たり60回の拍動で輸送される生理学的パルス列(pulse train)を有する、動脈の心臓収縮圧力:110mmHg、心臓拡張圧力60mmHg)。灌流を25℃で行った。前記腎臓静脈を連結させずに残すが、管組織の端は低い背圧(これは、およそ1mmHgである)を生成するために高くした。灌流を15分間隔で安定化させた。前記Krebs溶液伝導度を0.72S/mで測定した。 The kidney was then anastomosed to the arterial and vascular connector to the CVES to initiate perfusion (arterial systolic pressure with a physiological train of pulses delivered at 60 beats per minute): 110 mmHg, cardiac expansion pressure 60 mmHg). Perfusion was performed at 25 ° C. The renal veins were left unconnected, but the end of the vascular tissue was raised to produce a low back pressure (which is approximately 1 mmHg). Perfusion was stabilized at 15 minute intervals. The Krebs solution conductivity was measured at 0.72 S / m.
図11から見られるように、注文製作されるエネルギー適用電極が特定適用のために製造され得る。この実施例において、中央点近くの折り畳み可能な配管の小さな分画を貫通して穴を通じて露出された端部(例えば、露出された端部を有するむき出しのワイヤまたはエナメルコーティングワイヤの一部分)を有する絶縁ワイヤを挿入して接着し、サイトを封止することにより電極を生成した。前記ワイヤの末端のエナメルは、前記配管内で電気的な連結を生成するために除去され、外部的に安全のために前記ワイヤのほとんどを絶縁コーティングした。さらに、縮められた包装された配管がさらなる電気絶縁のために前記配管の長さによって適用された。しかる後、ルアーロックの連結管を前記配管の末端内に挿入し、灌流システムへの連結を可能とした。このような電極は、パルス生成システム及び灌流流体間の1ohm未満の電気抵抗を示す。図11から見られるように、小径のワイヤは配管内に位置し、外部からアプローチ可能であり、灌流と同時にパルスが輸送されることを許容する。 As can be seen from FIG. 11, custom-made energy application electrodes can be manufactured for specific applications. In this embodiment, it has an end exposed through a hole through a small fraction of a foldable pipe near the center point (eg, a bare wire or a portion of an enamel coated wire with an exposed end). An electrode was generated by inserting and bonding an insulated wire and sealing the site. The enamel at the end of the wire was removed to create an electrical connection within the tubing and most of the wire was insulatively coated for safety externally. In addition, a shortened packaged pipe was applied depending on the length of the pipe for further electrical insulation. After that, a luer lock connecting tube was inserted into the end of the pipe to enable connection to the perfusion system. Such electrodes exhibit an electrical resistance of less than 1 ohm between the pulse generation system and the perfusion fluid. As can be seen from FIG. 11, the small diameter wire is located in the pipe and can be approached from the outside, allowing pulses to be transported simultaneously with perfusion.
図12は、腎臓静脈及び動脈により原型の電極及び灌流システムに同時に取り付けられる腎臓を示すグラフである。一つの電極がCVESからの動脈供給及び前記腎臓血管コネクタ間に一直線で位置した。静脈電極の一末端を腎臓静脈血管コネクタに連結し、電極配管の他の末端を注射器で支えて前記背圧を形成した。これは、また、前記CVESを通じた前記灌流液の逆流を通じた最小の抵抗の経路を発見すること、または前記システム及び前記腎臓を通じて部分的に電流を送ることにより前記電気的電流を防止した。 FIG. 12 is a graph showing a kidney attached simultaneously to a prototype electrode and perfusion system by a renal vein and artery. One electrode was positioned in line between the arterial supply from CVES and the renal vascular connector. One end of the venous electrode was connected to a renal venous vascular connector, and the other end of the electrode piping was supported by a syringe to form the back pressure. This also prevented the electrical current by finding a path of minimal resistance through the perfusion fluid backflow through the CVES, or by sending current partially through the system and the kidney.
前記血管ネットワークの前記抵抗及び静電容量をLCRメータで測定した。低い周波数(100Hz)において前記抵抗及び静電容量の数値は、それぞれ372.6k Ohms及び0.248nano−Faradsであった。これは、92.4マイクロ秒のRC時間定数及びおよそ462マイクロ秒の完全な消滅時間(5*RC)を算出する。 The resistance and capacitance of the vascular network were measured with an LCR meter. The resistance and capacitance values at low frequency (100 Hz) were 372.6 k Ohms and 0.248 nano-Farads, respectively. This calculates an RC time constant of 92.4 microseconds and a complete extinction time (5 * RC) of approximately 462 microseconds.
パルシング前に前記腎臓からのインピーダンス測定を提供する図13から示されるように、前記臓器は、相当な電気抵抗及び静電容量を示した。100及び10,000Hz間で観察される動向(図13)は、大きな直流DC成分を有する矩形波パルス(square wave pulses)を示し、前記RC時間定数はさらに大きいはずであった。単一50マイクロ秒パルスをBTXパルス再生機(Harvard Apparatus)を用いて、100、500、750、1000、1500、及び2000Vの電圧で前記脈管構造を通じて輸送した。輸送された電流及び前記パルスの消滅時間を記録した。全ての場合において、前記消滅時間は、予想されたものより少なかった。 The organ exhibited substantial electrical resistance and capacitance, as shown in FIG. 13, which provides impedance measurements from the kidney prior to pulsing. The trend observed between 100 and 10,000 Hz (FIG. 13) showed square wave pulses with a large DC component, and the RC time constant should have been even greater. Single 50 microsecond pulses were transported through the vasculature using BTX pulse regenerators (Harvar Apparatus) at voltages of 100, 500, 750, 1000, 1500, and 2000V. The transported current and the extinction time of the pulse were recorded. In all cases, the extinction time was less than expected.
結果的に生成された波形を図14に示した。さらに具体的には、図14は、1000Vの振幅を有する50マイクロ秒パルスから結果的に生成された波形を提供する。パルスの消滅は、抵抗及び静電容量成分を両方とも有する組織の特性である。代表的なパルス電圧及び電流プロットが図14から見られる。前記消滅時間は、100V及び500V間でかなり減少し、500及び2000V間の電圧で相対的に一定に維持された。全ての場合において、前記輸送された電流は、循環を根拠として予想されたものよりさらに大きかった(23〜53%)。 The resulting waveform is shown in FIG. More specifically, FIG. 14 provides the resulting waveform from a 50 microsecond pulse having an amplitude of 1000V. The disappearance of a pulse is a characteristic of tissue that has both a resistance and a capacitance component. A representative pulse voltage and current plot can be seen from FIG. The annihilation time decreased significantly between 100V and 500V and remained relatively constant at a voltage between 500 and 2000V. In all cases, the transported current was even greater (23-53%) than expected based on circulation.
図15は、輸送される最大電流及び100及び2000V間の振幅で輸送されるパルスに対する消滅時間を示したグラフである。動向は、500V及びそれ以上のパルスに対して、前記組織の前記抵抗が電気穿孔に起因して減少することを示す。その後、前記臓器に毎秒ごとに一つのパルスの繰返し率を有する、1000Vでの200個のパルスを適用させた。 FIG. 15 is a graph showing the extinction time for a maximum current transported and a pulse transported with an amplitude between 100 and 2000V. Trends show that for 500 V and higher pulses, the resistance of the tissue decreases due to electroporation. Thereafter, 200 pulses at 1000V, with a repetition rate of one pulse every second, were applied to the organ.
TTC着色剤(Krebs溶液の2%)をパルシングが完了した後、15分間灌流により投与し、前記臓器をさらに30分間前記灌流システム上に維持した。前記TTC着色剤は、組織デヒドロゲナーゼの活性を通じて発色した反応産物(レッド・ホルマザン)の形成により生存組織及び非生存組織を示すのに用いられる。酸素呼吸が可能な生存組織を赤色で染色し;非生存組織または虚血性組織は、比較したとき、薄い色である。図16から見られるように、パルシング後30分で腎臓分画は生きている組織は赤色領域で、IREパルスにより除去された領域は白色領域で示される。分画された臓器を固定及び組織学的検査のためにホルマリン内に固定した。腎臓の大容積に不可逆的電気穿孔が適用されたことがこの図面から明白である。脈管構造内の血栓は、電気穿孔の適用から全体臓器を保護することができる。このような問題は、手術摘出後に直ちに前記臓器の脈管構造を洗浄することによって解決できる。 TTC colorant (2% of Krebs solution) was administered by perfusion for 15 minutes after pulsing was complete, and the organ was maintained on the perfusion system for an additional 30 minutes. The TTC colorant is used to indicate viable and non-viable tissue by forming a reaction product (red formazan) that develops color through the activity of tissue dehydrogenase. Viable tissue capable of oxygen breathing is stained in red; non-viable tissue or ischemic tissue is a pale color when compared. As can be seen from FIG. 16, at 30 minutes after pulsing, the kidney fraction is shown as a red area in the living tissue and a white area as removed by the IRE pulse. Fractionated organs were fixed in formalin for fixation and histological examination. It is clear from this figure that irreversible electroporation was applied to the large volume of the kidney. Thrombus in the vasculature can protect the entire organ from the application of electroporation. Such a problem can be solved by washing the vasculature of the organ immediately after surgical removal.
前記臓器の前記脈管構造及び微小脈管構造を、短いが強い電気パルスをバルク組織に輸送するのに用いて、その下の細胞外マトリックスの構造と機能は維持する非熱的な細胞の死滅を引き起こすことができる。組織学的染色を前記組織の全体的な健康状態(H&E)、内皮細胞の損傷及び除去(vWF)、及び前記細胞外マトリックスの構造(トリクロム)及びこのような予備実験の結果として生成された脱細胞化を評価するために用いることができる。4時間の総灌流プロトコルを、脱細胞化プロトコルのためのベースラインとして用いることができ、血管新生された臓器の内部に深く内在する固形腫瘍を治療するなど、組織の構築を超えて拡張される。 The vasculature and microvasculature of the organ is used to transport short but intense electrical pulses to bulk tissue, maintaining the structure and function of the underlying extracellular matrix, and non-thermal cell death Can cause. Histological staining was performed on the overall health of the tissue (H & E), endothelial cell damage and removal (vWF), and the structure of the extracellular matrix (trichrome) and de-generation generated as a result of such preliminary experiments. It can be used to assess cellularization. The 4 hour total perfusion protocol can be used as a baseline for the decellularization protocol and extends beyond tissue construction, such as treating solid tumors deep inside vascularized organs .
人工スキャフォールドが製造されれば、前記スキャフォールドをさらに生体内で再生するように構築するか、生体内への移植に適した組織及び臓器に構築できる。人工組織を製造する方法は、下記を含むことができる:重要な細胞を本発明に係る人工スキャフォールドに接種し、及び接種されたスキャフォールドを、接種された細胞が前記スキャフォールドマトリックスに浸透して成長できる条件に露出させる。前記スキャフォールドの接種は、本分野において公知の全ての技術によりなされ得る。同様に、前記接種されたスキャフォールドを、接種された細胞が前記スキャフォールドに浸透して成長できる条件に露出させることは、前記結果を達成するために本分野において公知の全ての技術を用いてなされ得る。例えば、市販の成長培地内で前記接種されたスキャフォールドを約37℃の市販のインキュベータ内でin vitroの条件で恒温することを含むことができ、必要であれば、前記成長培地に適した成長因子、抗生剤等を補充することができる。本分野の当業者は、本願の詳細な記載なしにも適切な接種及び増殖技術及びパラメータを適宜選別できる。言い換えれば、細胞の接種及び成長に関して、本発明の前記スキャフォールドは本分野において公知の他の天然スキャフォールドと同様に一般的に挙動する。本発明のスキャフォールドは他のスキャフォールドが有しない有益な特徴を有しているが、このような特徴は、細胞の接種及び成長には有意な影響を及ぼさない。 If an artificial scaffold is manufactured, the scaffold can be constructed so as to be regenerated further in vivo, or can be constructed in a tissue and an organ suitable for transplantation into the living body. A method for producing an artificial tissue can include: inoculating important cells into an artificial scaffold according to the present invention, and inoculating the inoculated scaffold with the inoculated cells penetrating the scaffold matrix. Exposed to conditions that allow it to grow. Inoculation of the scaffold can be done by any technique known in the art. Similarly, exposing the inoculated scaffold to conditions where the inoculated cells can penetrate and grow the scaffold using all techniques known in the art to achieve the results. Can be made. For example, incubating the inoculated scaffold in a commercial growth medium in a commercial incubator at about 37 ° C. under in vitro conditions, and if necessary, growth suitable for the growth medium Factors, antibiotics, etc. can be supplemented. Those skilled in the art can appropriately select appropriate inoculation and propagation techniques and parameters without a detailed description of the present application. In other words, with respect to cell inoculation and growth, the scaffold of the present invention generally behaves like other natural scaffolds known in the art. Although the scaffolds of the present invention have beneficial features that other scaffolds do not have, such features do not significantly affect cell seeding and growth.
人工組織は、傷ついたか、疾患にかかったか、他の方式で欠陥のある組織に対する交替物として開発された。組織工学の分野の重要な目標は、ヒトの健康における医学/治療学的用途を発達させることである。スキャフォールドの源としてヒト組織を使用することを取り巻く難しさ及び倫理的問題の観点から、大動物からの組織が天然スキャフォールドのための源として通常用いられる。しかる後、ヒトでのin vivoでの使用のために異種型(xenotypic)スキャフォールドにヒト細胞を接種する。現在記載の人工組織は動物スキャフォールドを基礎とするヒト組織に制限されているが、人工組織の一次構成を形成することが構想されている。そのため、実施形態において、本発明の前記人工組織は、ヒト組織以外の動物組織に由来したスキャフォールド上及び内にヒト細胞を含む組織である。 Artificial tissue has been developed as a replacement for tissue that is damaged, diseased, or otherwise defective. An important goal in the field of tissue engineering is to develop medical / therapeutic applications in human health. In view of the difficulty and ethical issues surrounding the use of human tissue as a source of scaffolds, tissue from large animals is usually used as a source for natural scaffolds. Thereafter, the xenotypic scaffold is inoculated with human cells for in vivo use in humans. Although the presently described artificial tissues are limited to human tissues based on animal scaffolds, it is envisaged to form the primary component of artificial tissues. Therefore, in an embodiment, the artificial tissue of the present invention is a tissue containing human cells on and in a scaffold derived from animal tissue other than human tissue.
特定のin vivoでの用途のために、動物組織を非熱的IREに生体内適用させ、前記処理組織は、宿主動物の身体により細胞破片が除去された。そのため、特定のin vivoでの実施形態において、宿主動物の身体自体でこのような除去(このようなコンセプトは、同様にヒトにおいてスキャフォールドのin vivoでの構築に適用される)が可能であるので、二次細胞破片除去ステップは不要である。その後、処理組織を、例えばヒト細胞で生体内接種し、前記接種された細胞が前記スキャフォールドを浸透して成長するようにする。適切な浸透及び成長によって、再生された組織を除去し、好ましくは、可能な汚染宿主細胞を洗浄し、受容動物、例えば、ヒトに移植する。このような状況において、前記宿主動物は、外部細胞として前記接種された細胞を認識できないか、よく認識できない損なわれた免疫システムを有することが好ましい。例えば、損なわれた免疫システムを有する遺伝学的に変異した動物が宿主動物として用いられ得る。代案的として、例えば、前記宿主動物に免疫抑制剤を与えて、前記接種された細胞に対する前記動物の免疫反応を減少させるか除去できる。 For certain in vivo applications, animal tissue was applied in vivo to a non-thermal IRE, and the treated tissue had cell debris removed by the host animal body. Thus, in certain in vivo embodiments, such removal is possible in the host animal's body itself (such a concept applies to the in vivo construction of the scaffold in humans as well). Therefore, the secondary cell debris removal step is unnecessary. Thereafter, the treated tissue is inoculated in vivo with, for example, human cells, so that the inoculated cells penetrate the scaffold and grow. Regenerated tissue is removed by appropriate infiltration and growth, and preferably contaminated host cells are washed and transplanted into a recipient animal, eg, a human. In such a situation, it is preferred that the host animal has a compromised immune system that cannot recognize or well recognize the inoculated cells as external cells. For example, genetically mutated animals with a compromised immune system can be used as host animals. Alternatively, for example, the host animal can be given an immunosuppressant to reduce or eliminate the animal's immune response to the inoculated cells.
レシピエントまたは宿主動物は、ヒト、コンパニオン・アニマル(即ち、犬または猫のようなペット)、家畜(例えば、牛、豚、羊)、またはスポーツ用動物(例えば、馬)を含むあらゆる動物であってよい。そのため、本発明は、ヒト及び動物の健康管理及び研究分野のいずれにも適用可能である。 The recipient or host animal can be any animal, including humans, companion animals (ie, pets such as dogs or cats), livestock (eg, cattle, pigs, sheep), or sport animals (eg, horses). It's okay. Therefore, the present invention is applicable to both human and animal health care and research fields.
体内(in vivo)または体外(in vitro)または生体外(ex vivo)において接種する細胞の選択が実施者に残っている。多くの細胞タイプが収得され得、組織工学分野の熟練者であれば、組織の接種のために用いる細胞のタイプを容易に決定することができる。例えば、線維芽細胞、軟骨細胞、または肝細胞を用いることができる。実施形態において、胚性幹細胞、生体幹細胞のような間葉幹細胞が前記スキャフォールドに接種するための細胞として用いられる。接種された細胞の源は、特に制限されない。そのため、前記接種された細胞は、自家組織、同類(syngenic)または同質(isogenic)、同種(allogenic)、または異種(xenogenic)であってよい。本発明の特徴は、免疫原性が低減した(本分野において現在公知のスキャフォールド及び組織と比較して)スキャフォールド及び組織を生成することであるため、前記接種された細胞が自家組織(前記人工組織のレシピエントと関連する)であることが好ましい。
特定の実施形態においては、前記接種された細胞が、幹細胞または重要な組織から適切な細胞タイプに分化できる他の細胞であることが好ましい。
The practitioner still has the choice of cells to inoculate in vivo or in vitro or ex vivo. Many cell types can be obtained, and one skilled in the tissue engineering field can easily determine the type of cells used for tissue inoculation. For example, fibroblasts, chondrocytes, or hepatocytes can be used. In an embodiment, mesenchymal stem cells such as embryonic stem cells and living stem cells are used as cells for inoculating the scaffold. The source of the seeded cells is not particularly limited. Thus, the seeded cells may be autologous tissue, syngeneic or isogenic, allogenic, or xenogenic. A feature of the present invention is that it produces scaffolds and tissues with reduced immunogenicity (compared to scaffolds and tissues currently known in the art), so that the inoculated cells are autologous (see above). Preferably associated with the recipient of the artificial tissue).
In certain embodiments, it is preferred that the inoculated cells are stem cells or other cells that are capable of differentiating from an important tissue to an appropriate cell type.
またはさらに、スキャフォールドを生成するin vivoの方法及び人工組織を生成するin vivoの方法は、不可逆的電気穿孔を伴う非熱的IREによる処理細胞の近くで組織を処理することを含むことができる。前記不可逆的電気穿孔の一部として、一つ以上の遺伝要素、タンパク質または他の物質(例えば、薬物)が前記処理された細胞に挿入され得る。前記遺伝要素は、コーディング領域、または、いつ発現するか、前記接種された細胞と前記細胞の相互作用を減少させるか、他の方法で抗炎症あるいは他の抗炎症物質を製造するかに対するその他の情報を含むことができる。このような遺伝要素の短期間の発現は、損傷または拒絶なしにin vivoにおいて人工組織を成長させる能力を増強することができる。タンパク質及びその他の物質は、不可逆的に電気穿孔された細胞内に、または電気穿孔後に前記細胞から分泌された産物として直接的に影響を与えることができる。 Alternatively or in addition, the in vivo method of generating a scaffold and the in vivo method of generating an artificial tissue can include processing tissue in the vicinity of a non-thermal IRE-treated cell with irreversible electroporation. . As part of the irreversible electroporation, one or more genetic elements, proteins or other substances (eg, drugs) can be inserted into the treated cells. The genetic element may be a coding region or other when it is expressed, reduces the interaction of the seeded cell with the cell, or otherwise produces an anti-inflammatory or other anti-inflammatory substance. Information can be included. Short term expression of such genetic elements can enhance the ability to grow artificial tissue in vivo without damage or rejection. Proteins and other substances can affect irreversibly electroporated cells or directly as products secreted from the cells after electroporation.
本発明の特定の実施形態は、ヒトの人工組織の製造に用いるためのヒトスキャフォールドの用途に関するものである。他の人工組織と共に、このような人工組織をin vitro、in vivo、または部分的にin vitro及び部分的にin vivoで構築することができる。例えば、組織提供者は、非熱的IREが適用された組織の一部または全部を有し、レシピエントの細胞の移植のための組織工学用スキャフォールドを構築した後、これらの細胞を成長させることができる。前記移植された細胞の浸透及び成長によって、前記組織を除去し、その必要に応じてレシピエントに移植することができる。もちろん、倫理的な懸念として、前記提供者の組織は、提供者の生命及び健康に致命的でない組織でなければならない。例えば、前記組織は、肝臓の一部であってよい。前記人工組織は、前記宿主からの除去及び前記レシピエントでの移植によって、完全に機能する肝臓に再生でき、宿主の肝臓に残っている部分は、除去された部分を再生することができる。 Certain embodiments of the invention relate to the use of a human scaffold for use in the production of human artificial tissue. Together with other artificial tissues, such artificial tissues can be constructed in vitro, in vivo, or partially in vitro and partially in vivo. For example, a tissue donor has part or all of a tissue to which a non-thermal IRE has been applied and after constructing a tissue engineering scaffold for transplantation of recipient cells, these cells are grown be able to. By penetration and growth of the transplanted cells, the tissue can be removed and transplanted into a recipient as needed. Of course, as an ethical concern, the provider's organization must be an organization that is not fatal to the donor's life and health. For example, the tissue may be part of the liver. The artificial tissue can be regenerated to a fully functioning liver by removal from the host and transplantation by the recipient, and the remaining part of the host liver can regenerate the removed part.
このような点によって、本発明は、人工組織のスキャフォールド、人工組織、及びこれらを製造する方法について記載された。同様に、本発明が、人工臓器及びこれらを製造する方法を含むことが言及されたことが重要である。これは、一般に、臓器が前記動物の別個の機能または機能のセットを実行する多細胞動物の部分を意味するものと見なされる。これは、また、一般に臓器が組織で作られ、複数のタイプの組織で作られるものと見なされる。本発明は一般に組織及び臓器のいずれにも適用され得るものであり、前記両方の区分が本発明の実施を理解するのに決定的なものではないので、前記用語の“組織”及び“臓器”は、本願において互いに交替可能に使われ、両方を区別しようとする意図はない。 In this respect, the present invention has been described with respect to scaffolds for artificial tissues, artificial tissues, and methods for producing them. Similarly, it is important to note that the present invention includes artificial organs and methods of making them. This is generally taken to mean the part of a multicellular animal whose organs perform a distinct function or set of functions of said animal. It is also considered that organs are generally made of tissue and made of multiple types of tissue. Since the present invention can be applied to both tissues and organs in general and both of these categories are not critical to understanding the practice of the present invention, the terms “tissue” and “organ” Are used interchangeably in this application and are not intended to distinguish both.
本発明に含まれる多くの概念は、人工組織に関連した種々の例示的な概念で作られて言及され得る。例えば、人工臓器の構築において、初期の臓器は、再接種前に不可逆電気穿孔を用いて細胞が完全に除去され得る(これは、特に1mm未満の少なくとも一つの大きさを有する臓器に係る);前記臓器は、分画において不可逆的に電気穿孔され、再接種されて、ヒト細胞が一度に小さな分画を浸透することができる;前記臓器は、ステップにおいて前記細胞を誘導する増加スライス(incremental slices)で不可逆的に電気穿孔して生存ヒト細胞が、置換する生存動物細胞と接触しないようにする;前記臓器を全体でまたは分画で不可逆的に電気穿孔し、前記ヒト細胞を前記臓器内の標的位置内に注入できる;前記全体臓器を不可逆的に電気穿孔して、動物細胞を殺した後、ヒト細胞が前記臓器の上部に移植されて前記スキャフォールドに浸透し、他の細胞と交替することができる(前記動物細胞が死ぬことで、前記ヒト細胞が内部を満たし、置換して新たな臓器を生成する)。 Many of the concepts included in the present invention may be referred to made with various exemplary concepts related to artificial tissue. For example, in the construction of an artificial organ, the initial organ can be completely depleted of cells using irreversible electroporation before re-inoculation (this relates in particular to organs having at least one size of less than 1 mm); The organ is irreversibly electroporated in fractions and re-inoculated so that human cells can penetrate a small fraction at a time; the organs are incremental slices that induce the cells in steps. Irreversibly electroporated in order to prevent viable human cells from coming into contact with the surviving animal cells to be replaced; the organ is electroreversibly electroporated in whole or in fractions and the human cells in the organ The whole organ can be irreversibly electroporated to kill the animal cells, and then human cells are transplanted on top of the organ and Permeates the Yaforudo, it can be replaced with other cells (by the animal cells die, the human cells fills the interior, to produce a new organ substituted).
提供された分離された人工組織及び臓器により、これらを用いる方法を提供することができる。本発明は、in vitro及びin vivoのいずれの設定においても前記人工組織の用途を考慮する。そのため、本発明は、研究目的及び治療または医学/獣医学的目的のための前記人工組織の用途を提供する。研究的な設定において、多大な数の実用化技術が存在する。このような適用の一例は、研究室において様々な除去技術(例えば、放射線処理、化学療法処理、または組合せを含む)の効能を試験し、病気の患者の使用を避けて治療方法を最適化するためのものである、ex vivoの癌モデルにおける前記人工組織の使用である。例えば、最近除去された肝臓(例えば、豚の肝臓)をバイオリアクターまたはスキャフォールドに付着し、組織を除去して肝臓を治療することができる。さらに、相当数の免疫細胞の欠如によって、自発的手段(発癌物質)または前記組織内への腫瘍形成細胞株の導入のいずれか一つにより、前記除去された器官に腫瘍を成長させることができる。その後、このような腫瘍をの知識を得るために増加させ、生理学的に関連する同所(orthotopic)設定での治療技術の最適化を促進するために治療することができる。in vivoでの使用のその他の例は、人工組織のためのものである。 The provided isolated artificial tissues and organs can provide a method of using them. The present invention takes into account the use of the artificial tissue in both in vitro and in vivo settings. Thus, the present invention provides the use of said artificial tissue for research purposes and therapeutic or medical / veterinary purposes. There are a large number of practical technologies in research settings. An example of such an application is testing the efficacy of various removal techniques (including radiation treatment, chemotherapy treatment, or combinations) in the laboratory and optimizing treatment methods avoiding the use of sick patients The use of said artificial tissue in an ex vivo cancer model. For example, a recently removed liver (eg, porcine liver) can be attached to a bioreactor or scaffold and the tissue removed to treat the liver. Furthermore, due to the lack of a significant number of immune cells, tumors can be grown in the removed organs either by spontaneous means (carcinogens) or by introduction of tumorigenic cell lines into the tissue. . Such tumors can then be increased to gain knowledge and treated to facilitate optimization of treatment techniques in a physiologically relevant orthotopic setting. Another example of in vivo use is for artificial tissue.
本発明の前記人工組織は、in vivoの用途を有する。様々な用途のうち、被検者(本願においては“患者”を互いに交替可能な用語として使用し、ヒト及び動物をいずれも含む)のin vivoの治療の方法が言及され得る。特定の実施形態に対して、一般に、被検者を治療する方法は、被検者の表面内部または上に本発明に係る人工組織を移植することを含み、前記組織の移植は、前記被検者の検出可能な変化を引き起こす。前記検出可能な変化は、自然的な感覚または人工の装置を用いて検出可能なあらゆる変化であってよい。どのタイプの治療でも本発明により構想され(疾患または障害、皮膚の傷の美容治療等)、多くの実施形態において、前記治療は、疾患、障害または被検者の他の苦痛の治療学的治療であるだろう。そのため、検出可能な変化は、変化、例えば、被検者が影響を受けている疾患または障害の少なくとも一つの臨床症状での改善の検出であってよい。例示的なin vivoの治療方法は、腫瘍治療後の臓器の再生、医療装備の移植のための手術部位の準備、皮膚移植、及び疾患または障害により損傷または破壊されたような組職または臓器(例えば、肝臓)の一部または全部の交替を含む。例示的な臓器または組織は、下記を含む:心臓、肺、肝臓、腎臓、膀胱、脾臓、膵臓、卵巣、脳、耳、目、または肌。被検者がヒトまたは動物であるという事実を勘案して、本発明は、医学及び獣医学の適用のいずれであってもよい。 The artificial tissue of the present invention has an in vivo use. Among various uses, mention may be made of methods of in vivo treatment of a subject (in this application “patient” is used interchangeably and includes both humans and animals). For certain embodiments, in general, a method of treating a subject includes implanting a prosthetic tissue according to the present invention within or on the surface of the subject, wherein the implanting of the tissue comprises the subject. Cause a detectable change in the person. The detectable change may be any change that is detectable using natural sensations or artificial devices. Any type of treatment is envisioned by the present invention (disease or disorder, cosmetic treatment of skin wounds, etc.), and in many embodiments the treatment is a therapeutic treatment of the disease, disorder or other pain of the subject. Would be. Thus, the detectable change may be detection of a change, eg, an improvement in at least one clinical symptom of the disease or disorder that the subject is affected. Exemplary in vivo treatment methods include organ regeneration after tumor treatment, preparation of a surgical site for implantation of a medical device, skin transplantation, and a tissue or organ that has been damaged or destroyed by a disease or disorder ( For example, the replacement of a part or all of the liver) is included. Exemplary organs or tissues include: heart, lung, liver, kidney, bladder, spleen, pancreas, ovary, brain, ear, eye, or skin. In view of the fact that the subject is a human or an animal, the present invention may be either medical or veterinary.
例えば、前記治療方法は、被検者の疾患に係る機能不全した組織を再生する方法であってよい。前記方法は、非熱的IREに組織を暴露させて処理された組織の細胞を殺し、組織スキャフォールドを生成することができる。前記方法は、前記組織スキャフォールドに前記被検者の外部からの細胞を接種し、前記接種された細胞が前記組織スキャフォールド内及び上で増殖するようにすることをさらに含むことができる。前記細胞の増殖は、健康で機能的な細胞を含む再生された組織を産生する。このような方法は、前記被検者から前記組織スキャフォールドの除去を必要としない。むしろ、前記スキャフォールドは、元来の組織から構築され、健康で機能的な細胞を再接種されたものである。スキャフォールドの生成、人工組織の生成及び被検者の治療の全体工程は、接種される細胞の拡張をできる限り除いてin vivoで実施され、仮に必要であれば、in vitroで実行され得る。 For example, the treatment method may be a method of regenerating a malfunctioning tissue related to a subject's disease. The method can expose a tissue to a non-thermal IRE to kill treated tissue cells and generate a tissue scaffold. The method can further include inoculating the tissue scaffold with cells from outside the subject such that the inoculated cells grow in and on the tissue scaffold. The proliferation of the cells produces a regenerated tissue that contains healthy and functional cells. Such a method does not require removal of the tissue scaffold from the subject. Rather, the scaffold is constructed from the original tissue and re-inoculated with healthy and functional cells. The entire process of scaffold generation, artificial tissue generation and subject treatment can be performed in vivo with the exception of expansion of the seeded cells as much as possible, and can be performed in vitro if necessary.
また他の例示的な実施形態において、組織スキャフォールドを、非熱的IREを用いてドナー動物での組織を除去することで構築した。前記人工組織は、提供者の身体内に残り、前記組織スキャフォールドから細胞破片がないようにする。適当な時間後に、前記人工組織を提供者の身体から除去してレシピエントの身体内に移植する。移植されたスキャフォールドは、外部細胞で再接種されない。むしろ、前記スキャフォールドは、レシピエントの身体により自然に再接種されて機能的組織を生成する。 In yet another exemplary embodiment, a tissue scaffold was constructed by removing tissue in the donor animal using a non-thermal IRE. The artificial tissue remains in the donor's body so that there are no cell debris from the tissue scaffold. After an appropriate time, the artificial tissue is removed from the donor's body and transplanted into the recipient's body. Transplanted scaffolds are not replated with external cells. Rather, the scaffold is naturally re-inoculated by the recipient's body to produce functional tissue.
本発明のまた他の実施形態において、前記ワイヤ電極を、パルス電場または持続的な電場を可能とするのに用いてin vivoまたはex vivoのいずれか一つに標的領域に不可逆電気穿孔または熱損傷を誘導することができる。不可逆的電気穿孔が、能動的な灌流(active perfusion)が適用される前記臓器のほとんどに可能なことがこのような例において示される場合、前記組織に電気パルスを輸送するに十分な電気導管として組織/臓器の天然の脈管構造を提供することが証明された。不可逆的電気穿孔が、不可逆的電気穿孔よりも低いエネルギーパルスパラメータを示す現象である場合、前記脈管構造を通じて不可逆的な電気穿孔がまた可能なことが明白である。このような技術は、実施者が標的領域は除去しないが、前記標的領域に遺伝子または薬物のような治療的な巨大分子を導入することを希望する場合、非常に有用である。用いられた前記巨大分子及び希望する治療的効果は、前記実施者に一任される。さらに、高周波アブレーションは、連続的な交差磁場を用いて組織を加熱する一般に用いられる熱を中心とする熱アブレーションであって、医学での使用が増加し、本発明において記載された血管電極技術を導入することにより浸湿性が減少する。 In yet another embodiment of the present invention, the wire electrode is used to allow a pulsed electric field or a continuous electric field to be used for irreversible electroporation or thermal damage to the target region, either in vivo or ex vivo. Can be induced. When irreversible electroporation is shown in such an example that it is possible in most of the organs to which active perfusion is applied, as an electrical conduit sufficient to transport an electrical pulse to the tissue It has been demonstrated to provide the natural vasculature of tissues / organs. If irreversible electroporation is a phenomenon that exhibits lower energy pulse parameters than irreversible electroporation, it is clear that irreversible electroporation is also possible through the vasculature. Such a technique is very useful if the practitioner does not remove the target region but wishes to introduce a therapeutic macromolecule such as a gene or drug into the target region. The macromolecule used and the desired therapeutic effect are left to the practitioner. In addition, radiofrequency ablation is a commonly used heat ablation that heats tissue using a continuous crossed magnetic field, and its use in medicine has increased, and the vascular electrode technique described in the present invention has been increased. Introducing it reduces the wettability.
本発明は、移植によって現在発生するほとんどの問題のうち一部を解消する。提供者の臓器から残っている唯一の細胞が血管及び神経を形成するのに関連した細胞であるため、本願に記載の方法は、拒絶のリスクを低減させる(伝統的な臓器移植に比べて)。同時に、血管、神経、及び腺構造が維持される。本発明は、実質的に天然の構造及び機能を有し、低い免疫原性を有する人工組織を生産するための相対的に早く、効果的で簡単な方式を提供する。そのため、本発明の前記人工組織が相対的に低い拒絶の可能性を有しており、治療的及び美容的な用途に非常に適している。ヒト臓器がスキャフォールドの源として用いられる(例えば、生体提供者または死体から)実施形態においては、拒絶のリスクが非常に少ない。 The present invention eliminates some of the most problems that currently arise from transplantation. The method described herein reduces the risk of rejection (as compared to traditional organ transplantation) because the only cells remaining from the donor organ are those associated with the formation of blood vessels and nerves. . At the same time, blood vessel, nerve and glandular structures are maintained. The present invention provides a relatively fast, effective and simple way to produce artificial tissue with substantially natural structure and function and low immunogenicity. Therefore, the artificial tissue of the present invention has a relatively low possibility of rejection and is very suitable for therapeutic and cosmetic applications. In embodiments where a human organ is used as the source of the scaffold (eg, from a living donor or cadaver), the risk of rejection is very low.
要約すれば、本発明者は、細胞、組織及び臓器を含む望まない軟質組織の高度で選択的な除去に用いられ得る、新たに製造された道具(電極及び灌流システム)を用いる、新規なプロセスを確立した。特別な実施形態は、管組織、または血管床内で含まれる流体内にパルス電気エネルギーの適用、灌流流体の含量及び流れパラメータの調節、パルスエネルギー輸送のスキーム、及び治療学的効果を局限させて規定するための他の調整の使用を含む。損傷を受けていない組織からの細胞除去が可能で、様々な用途のための新規な組織マトリックスの生成に有用であることがさらに確認された。本願に示されたこのような結果は、ex vivoで実行される実験に基づいたものである。しかし、灌流される流体は、組成及び伝導度が血液と類似している。これは、このような実験結果がin vivoで見られる反応を示すものであることを示す。 In summary, the inventor has developed a new process using newly manufactured tools (electrodes and perfusion system) that can be used for advanced and selective removal of unwanted soft tissue including cells, tissues and organs. Established. Special embodiments focus on the application of pulsed electrical energy, regulation of perfusion fluid content and flow parameters, pulse energy transport schemes, and therapeutic effects within the fluid contained within the vascular tissue or vascular bed. Including the use of other adjustments to prescribe. It was further confirmed that cell removal from intact tissue is possible and useful for the generation of new tissue matrices for various applications. Such results presented in this application are based on experiments performed ex vivo. However, the fluid to be perfused is similar in composition and conductivity to blood. This indicates that such experimental results are indicative of the reaction seen in vivo.
例えば、器官の脈管構造を通じて直接輸送する、本明細書において記載のエネルギー輸送方法は、また他の治療学的反応を誘導するのに用いられ得る。致死量に近い電気パルス(不可逆的電気穿孔)は、遺伝子または薬物を特定臓器または臓器の領域内に導入して局所疾患を治療するのに用いられ得る。同様に、高周波アブレーション技術は、前記脈管構造を用いて無線周波数エネルギーを輸送し、急性温熱療法を通じて疾患にかかった組織または腫瘍を破壊することができる。このような方法は、このような効果を増加させるために他の電気特性と共に生理学的に許容可能な流体(共同−灌流により)を輸送して改善され得る。 For example, the energy transport methods described herein that transport directly through the vasculature of the organ can also be used to induce other therapeutic responses. Near-lethal doses of electrical pulses (irreversible electroporation) can be used to treat local diseases by introducing genes or drugs into specific organs or areas of organs. Similarly, radiofrequency ablation techniques can use the vasculature to transport radio frequency energy and destroy diseased tissues or tumors through acute hyperthermia. Such a method can be improved by transporting a physiologically acceptable fluid (by co-perfusion) along with other electrical properties to increase such effects.
このエネルギーは、前記脈管構造を通じて適用されるため、調節可能な大規模な治療容積を達成することができる。前記エネルギーが針電極により輸送されず、臓器に穴が不要であるので、臓器の全体構造が破壊されない。さらに、理論的に予想され、実験的に証明されたように、前記輸送されたエネルギーは、バルク組織を横切るよりは前記血管床または毛細管床を直接的に横切って消滅する。針またはプレート電極を用いる通常の治療は、同様の電圧を用いて、1Ampを超える電流を輸送し、少ない容積にのみ影響を及ぼす。これとは逆に、腎臓の血管ネットワークを用いるエネルギー輸送は、およそ50mA(200倍未満の電力)の電流を引き起こし、さらに一層大きな容積を治療することができる。 Because this energy is applied through the vasculature, an adjustable large treatment volume can be achieved. Since the energy is not transported by the needle electrode and no hole is required in the organ, the entire structure of the organ is not destroyed. Furthermore, as theoretically expected and experimentally proven, the transported energy disappears directly across the vascular bed or capillary bed rather than across bulk tissue. Conventional therapy using a needle or plate electrode uses a similar voltage to carry a current in excess of 1 Amp and only affects a small volume. In contrast, energy transport using the renal vascular network causes a current of approximately 50 mA (less than 200 times the power) and can treat even larger volumes.
本発明は、様々な特徴を有する特定の実施形態を参照として記載された。本発明の範囲及び精神から外れずに本発明の実施において様々な変更及び変異が行われることは本分野の当業者に自明であるだろう。本分野の当業者は、与えられた適用または設計の必要条件及び明細書に基づいて、単独でまたはある組合せでこのような特徴が用いられ得ることを認識するだろう。本発明の他の実施形態は、本発明の明細書及び実施を考慮して本分野の当業者に自明になるだろう。数値範囲が本明細書に提供された場合、この範囲の上限及び下限間の各数値は、また特定に記載された。このようなさらに小さな範囲の上限及び下限は、同様に独立して前記範囲に含まれたか、排除された。本明細書において言及されたように、単数形である“一つ(a、an)”及び“前記(the)”は、他に明確に描写されない限り、複数の対象を含む。そのため、例えば、“一つのパルス(a pulse)”の言及は、このようなパルスの複数を含み、“前記試料(the sample)”の言及は、一つ以上の試料及び本分野の当業者に公知のその等価物を含む。本明細書及び実施例は、事実上、例示として見なされるものを意図し、本発明の本質から外れない変形は、本分野の範囲内に含まれるものと意図される。また、本記載において言及された参考文献は、全体が本願に参考文献として取り込まれたものである。
The invention has been described with reference to specific embodiments having various features. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the practice of the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. Those skilled in the art will recognize that such features may be used alone or in some combination based on the given application or design requirements and specification. Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the invention. Where numerical ranges are provided herein, each numerical value between the upper and lower limits of this range is also specifically described. Such lower and upper limits of the range were similarly included or excluded from the range independently as well. As referred to herein, the singular forms “a” and “the” include plural referents unless the content clearly dictates otherwise. Thus, for example, reference to “a pulse” includes a plurality of such pulses, and reference to “the sample” refers to one or more samples and those skilled in the art. Including its known equivalents. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary in nature, and modifications that do not depart from the essence of the invention are intended to be included within the scope of the art. In addition, all the references mentioned in the present description are incorporated herein as references.
Claims (28)
臓器または組織の脈管構造内に一つ以上の電極を挿入し;
前記脈管構造を通じて灌流液で前記組織または臓器を機械的に灌流させ;及び
標的細胞の電気穿孔を生じるに十分な時間の間、十分な電力で前記脈管構造内に電場を与える。 A method of removing cells from a tissue or organ, including:
Inserting one or more electrodes into the vasculature of an organ or tissue;
The tissue or organ is mechanically perfused with perfusate through the vasculature; and an electric field is applied within the vasculature with sufficient power for a time sufficient to cause electroporation of the target cells.
臓器または組織内に、臓器または組織上に、または臓器又は組織の近くに一つ以上の電極を置き;
灌流液で前記組織または臓器を機械的に灌流させ;及び
標的細胞の電気穿孔を生じるに十分な時間の間、十分な電力で前記組織または臓器内に電場を与える。 Methods for removing cells from tissues or organs including:
Placing one or more electrodes in, on or near the organ or tissue;
The tissue or organ is mechanically perfused with a perfusate; and an electric field is applied in the tissue or organ with sufficient power for a time sufficient to cause electroporation of the target cell.
前記組織または臓器脈管構造の動脈から静脈まで灌流液を輸送するに適した灌流システム;
前記組織または臓器脈管構造の前記動脈及び前記静脈内に各々挿入されるに適した第1電極及び第2電極;及び
前記第1電極及び第2電極間における標的細胞の電気穿孔を実行するに十分な時間の間、十分な電圧で灌流の間前記第1電極及び第2電極間に電圧を印加するために前記電極との疎通を作動させる電圧源。 A device for removing target cells of a tissue or organ, including:
A perfusion system suitable for transporting perfusate from an artery to a vein of said tissue or organ vasculature;
A first electrode and a second electrode suitable for insertion into the artery and vein of the tissue or organ vasculature, respectively; and to perform electroporation of a target cell between the first electrode and the second electrode A voltage source that activates communication with the electrode to apply a voltage between the first electrode and the second electrode during perfusion with a sufficient voltage for a sufficient time.
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