JP2015535186A - 粘膜繊毛クリアランスを増加させるための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、耳管機能障害、中耳炎、ならびに上気道および/または下気道の疾病などの状態における粘膜繊毛クリアランス(MCC)を予防、処置、または改善するために、対象のMCCを増加させるための非侵襲的な方法および装置を提供する。本明細書に記載するように、本発明の方法および装置は、MCCシステムの機能障害によって引き起こされる上部および下部呼吸器系、耳管、または中耳の疾患を発症するリスクのあるまたは該疾患を有する対象において予防的または治療的に使用するために、非侵襲的な外部運動/外力を対象に加えて、内部機械的振動せん断応力を対象に発生させることによって、MCCを増加させるものである。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2012年10月4日に出願された米国仮特許出願第61/709,806号、2013年1月29日に出願された米国仮特許出願第61/758,125号、および2013年3月12日に出願された米国仮特許出願第61/778,090号の優先権を主張するものであり、これらの開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本出願は、2012年10月4日に出願された米国仮特許出願第61/709,806号、2013年1月29日に出願された米国仮特許出願第61/758,125号、および2013年3月12日に出願された米国仮特許出願第61/778,090号の優先権を主張するものであり、これらの開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
発明の分野
本発明は、耳管(Eustachian tube)機能障害、中耳炎、および上下気道の疾患を処置するために粘膜繊毛クリアランス(mucociliary clearance)を増加させる技術分野に関する。
本発明は、耳管(Eustachian tube)機能障害、中耳炎、および上下気道の疾患を処置するために粘膜繊毛クリアランス(mucociliary clearance)を増加させる技術分野に関する。
発明の背景
呼吸器系は、上部呼吸器系および下部呼吸器系からなり、酸素を含んだ血液を供給し、かつ身体から二酸化炭素を除去する。空気が鼻を通って吸入されると、その空気は鼻腔および副鼻腔により温められ、その後気管に流入し、さらに気管支および細気管支へ、最終的に肺胞へ流下して、そこで空気と血液との間でガス交換が起こる。耳管は、上部呼吸器系に接続されて、鼻咽頭を介した中耳の外気へのアクセスを提供する。耳管は、通常、音波および汚染物質から中耳を保護するために閉じられているが、それは中耳圧を大気圧と等しくさせるために間欠的に開き、かつ中耳内に分泌された粘液の排出のための経路を提供する。
呼吸器系は、上部呼吸器系および下部呼吸器系からなり、酸素を含んだ血液を供給し、かつ身体から二酸化炭素を除去する。空気が鼻を通って吸入されると、その空気は鼻腔および副鼻腔により温められ、その後気管に流入し、さらに気管支および細気管支へ、最終的に肺胞へ流下して、そこで空気と血液との間でガス交換が起こる。耳管は、上部呼吸器系に接続されて、鼻咽頭を介した中耳の外気へのアクセスを提供する。耳管は、通常、音波および汚染物質から中耳を保護するために閉じられているが、それは中耳圧を大気圧と等しくさせるために間欠的に開き、かつ中耳内に分泌された粘液の排出のための経路を提供する。
粘膜繊毛クリアランス(MCC)は、吸入された微生物病原体、生化学的汚染物質および環境汚染物質から呼吸器系、耳管および中耳を保護する生来の防御機構である。MCC機構は3つの主要な構成要素からなる：(1)杯細胞から分泌される糖タンパク質であって、粘液の主成分であるムチン；(2)繊毛周囲液(periciliary liquid)層と粘液層(まとめて気道表面液と呼ばれる)の水和を維持するイオン輸送機構；および(3)協調的に拍動する、粘膜を覆っている繊毛。気道、耳管および中耳は、杯細胞が散在する繊毛上皮細胞で内側が覆われている。繊毛は水様の繊毛周囲液の層に浸かっている。繊毛周囲液より上には、吸入された汚染物質を捕捉する粘弾性の粘液層が存在する。繊毛周囲液は、繊毛上への粘液層の侵入を防ぎ、かつ繊毛が協調的に最適な拍動頻度で拍動するのに必要な潤滑を提供する。拍動する繊毛は、汚染物質を取り込んだ粘液を咽頭に向かって推進させて、消化管へと飲み込まれるように、または口から排出されるようにする。
MCC機構の障害は、上部・下部呼吸器系、耳管、および/または中耳の多くの疾患および疾病の基礎となることが理解されている。MCCシステムの障害は、通常、過剰な粘液分泌を引き起こす炎症から始まる。これは気道表面液の脱水につながり、次いで繊毛を崩壊させ、その結果として粘液蓄積と最終的に感染をもたらす。MCCが回復しない場合、それは炎症、粘液蓄積および感染の再発/悪化エピソードの悪循環をもたらし、これは永久的な細胞損傷に至る可能性がある。MCCの障害は、慢性閉塞性肺疾患(慢性気管支炎および肺気腫を含む)、喘息、嚢胞性線維症、および原発性繊毛運動障害などの破壊的な呼吸器疾患に見出される。それはまた、上部呼吸器疾患、例えば、慢性副鼻腔炎、アレルギー性および非アレルギー性鼻炎、耳管機能障害、ならびに中耳炎にも見出され、これらの場合には生活の質が大きな影響を受ける。こうした疾患および疾病を処置するための装置および方法は存在するが、多くの場合それらは欠点を伴い、MCCを直接回復させるのではなく、現在の処置は、そのほとんどが症状を処置するにすぎない。
例えば、抗炎症剤、粘液溶解薬、気管支拡張薬、抗生物質などを含めた、治療薬および薬物は、呼吸器の疾患および疾病の処置のために一般的に処方されており、かつ/または薬局で手に入れることができる。しかし、これらの治療薬および薬物は、症状を処置するために設計されたものである。これらの治療薬のいずれも、MCCを直接回復させるものではなく、そのため、重度の呼吸器疾患の進行を防止する上で完全に有効というわけではない。気道クリアランスのための装置の選択肢は限られており、かつ下部呼吸器系を標的とする既存の装置は小規模な患者集団による利用に制限されている。このように、現在の処置にしばしば伴う望ましくない副作用および非効率性なしにMCCを直接改善することによって、上部・下部呼吸器系、耳管および中耳の疾患および疾病を処置するための非侵襲的な方法および装置が必要とされている。本発明は、この必要性を満たし、しかも関連する利点をも提供するものである。
本発明は、耳管機能障害、中耳炎、ならびに上気道および/または下気道の疾病などの状態における粘膜繊毛クリアランス(MCC)を予防、処置、または改善するために、対象のMCCを増加させるための非侵襲的な方法および装置を提供する。本明細書に記載するように、本発明の方法および装置は、MCCシステムの機能障害によって引き起こされる上部および下部呼吸器系、耳管、または中耳の疾患を発症するリスクのあるまたは該疾患を有する対象において予防的または治療的に使用するために、非侵襲的な外部運動/外力を対象に加えて、内部機械的振動せん断応力を対象に発生させることによって、MCCを増加させるものである。
一局面において、本発明は、対象の粘膜繊毛クリアランスを増加させる方法を提供し、該方法は、
平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
いくつかの態様では、本発明の方法は、耳管、中耳、副鼻腔、鼻腔、気管、気管支、細気管支、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも1つにおいて粘液をクリアランスする(clear)。
他の態様では、振動横方向運動は対象の各脚の一部に加えられる。特定の例では、振動横方向運動は、対象の各臀部、太腿、腿、膝、下腿、ふくらはぎ、足首、および/または足に加えられる。
いくつかの態様では、振動横方向運動は、約90〜180サイクル/分(CPM)、例えば、約110〜約160CPM、約130〜約150CPM、または約140CPMの頻度で加えられる。他の態様では、振動横方向運動は、約10〜約50分、例えば、約20〜約45分または約25〜約35分の時間にわたって加えられる。
特定の態様では、振動横方向運動は、対象の臀部、胴体、および/または頭部に左右交互のねじれ運動を提供する。他の態様では、振動横方向運動は、対象の額の約5mm〜約20mm(例えば、約8mm〜約14mm)の横方向変位に変換される。さらに他の態様では、振動横方向運動は、対象の額の約0.5mm〜約5mm(例えば、約1mm〜約2mm)の縦方向変位に変換される。
いくつかの態様では、前記方法はさらに、前記時間の終了後に粘膜繊毛クリアランスの量の評価を行うヘルスケアプロバイダ(health care provider)を含む。特定の場合には、粘膜繊毛クリアランスの量はティンパノメータを用いて評価される。
いくつかの態様では、振動横方向運動は、対象の呼吸器系において振動せん断応力(oscillating shear stress)を発生させる。特定の態様では、対象の脚および/または胴体に加えられる振動横方向運動は、上半身に伝達され、上下気道、中耳、および耳管の上皮表面において振動せん断応力を生じさせる。いくつかの例では、振動横方向運動は、約0.01〜約10ダイン/cm2、例えば約0.1〜約5ダイン/cm2の範囲の振動せん断応力を発生させる。
別の局面において、本発明は、上部および下部呼吸器系、耳管、または中耳の疾患を予防または処置するための非侵襲的方法を提供する。疾患の非限定的な例としては、以下が挙げられる：耳管機能障害；中耳炎；原発性繊毛運動障害；嚢胞性線維症；上気道の疾患、例えば、アレルギー性鼻炎、非アレルギー性鼻炎、および副鼻腔炎など；下気道の疾患、例えば、慢性気管支炎、肺気腫、および喘息；ならびにこれらの組み合わせ。
本発明の方法は、本明細書に記載の装置を用いて、または平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に約60〜約200サイクル/分の頻度で振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたり提供することが可能な任意の装置もしくはデバイスを用いて、行うことができる。
本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明および図面から当業者には明らかであろう。
発明の詳細な説明
I. はじめに
本発明は、対象の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を増加させるための非侵襲的な方法および装置を提供する。いくつかの局面において、本発明は、耳管機能障害、中耳炎、ならびに上気道および/または下気道の疾病などの状態におけるMCCを予防、処置、または改善するのに有用である。
I. はじめに
本発明は、対象の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を増加させるための非侵襲的な方法および装置を提供する。いくつかの局面において、本発明は、耳管機能障害、中耳炎、ならびに上気道および/または下気道の疾病などの状態におけるMCCを予防、処置、または改善するのに有用である。
MCCは、吸入された病原体および汚染物質から肺を保護する生来の防御機構である。MCC機構は3つの構成要素からなる：杯細胞から分泌されるムチン；気道表面液(ASL)の十分な水和を維持するイオン輸送機構；および飲み込まれるようにまたは咳をして吐き出されるように粘液を咽頭に向かって移動させるために同期的に拍動する、気道表面を覆っている繊毛。MCCシステムは上皮によって提供され、該上皮は、中耳、耳管、鼻腔および副鼻腔、気管、気管支および細気管支の内側を覆っている、杯細胞が散在する繊毛細胞で構成されている。嚢胞性線維症(CF)、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、慢性鼻炎および中耳炎などの疾病では、MCCが損なわれている。
現在の粘液クリアランス装置は、8〜30ヘルツ(Hz)の非常に高い頻度で振動するせん断応力を利用している。これらの装置のほとんどは、粘着性で粘弾性の粘液を緩めるのに十分に高いせん断応力を発生させることを意図しており、緩くなった粘液はその後、咳によって吐き出される。こうした高頻度装置の一部は、幼児または気道の疾病のため弱っている個人には許容され得ず、そのため、MCCを改善する必要がある一部の個人による使用には適さない。本方法および装置は、あらゆる個体によって十分に許容される、約1〜3ヘルツ、例えば約60〜200サイクル/分(CPM)、のはるかに低い頻度で振動するせん断応力を用いてMCCを増加させることによって、これらの制限を克服しかつ追加の利点をも提供する。例えば、約60〜200CPM(例えば、約140CPM)の非常に低い頻度で振動するせん断応力をもたらす例示的な装置は、中耳炎になった対象の耳管を間欠的に開かせるのに十分であり、中耳圧の平衡および/または粘液の排出を可能にした。
こうして、本発明は、一部には、本明細書に記載の方法および装置により約60〜約200CPM(例えば、約140CPM)の頻度で生じさせた機械的振動せん断応力が、対象の気道および耳管の粘膜を覆っている上皮細胞において細胞外アデノシン三リン酸(ATP)の放出を刺激するとき、MCCが増加される、という驚くべき発見に基づいている。この細胞外ATPの増加は、粘膜を覆っている繊毛の拍動頻度を増加させ、気道表面液の水和を高めるイオン輸送を増加させ、かつムチンの分泌を増加させ、これらは、共同で、捕捉された汚染物質を含む粘弾性の粘液を、消化管に飲み込まれるようにかつ/または口から排出されるように咽頭に向かって推進させるMCCシステムの能力を高める。本発明の方法および装置は、このように、呼吸器系全体への振動せん断応力の機械的送達を介してMCCシステムの3つ全ての構成要素を刺激する。
II. 定義
本明細書で使用する用語「耳管をクリアランスする」とは、中耳内の空気圧を外気の空気圧と等しくさせかつ中耳からの分泌液を排出させるために耳管を短期間開くことを意味する。
本明細書で使用する用語「耳管をクリアランスする」とは、中耳内の空気圧を外気の空気圧と等しくさせかつ中耳からの分泌液を排出させるために耳管を短期間開くことを意味する。
本明細書で使用する用語「各脚の一部」または「脚の一部」とは、対象の脚の個別の部分を指す。該部分には、臀部、太腿または腿、膝、下腿またはふくらはぎ、足首、および足が含まれる。
用語「横方向運動」とは、人体の冠状面または前頭面内での移動を指す。図1は、冠状面を含む、人体の動きを定義するために使用されるさまざまな平面を示す図を提供する。冠状面または前頭面は、人体を長手方向に、前側を後側から分割する平面として当業者には容易に理解される。人体を冠状面で分割したとき、顔は後頭部から、胸は背中から、手のひらは手の甲から、すねはふくらはぎから分離される。本明細書で使用するとき、対象の脚の一部に対する横方向運動とは、冠状面または前頭面内での脚の該部分の左右交互の動きを指す。非限定的な例として、対象の足首の横方向運動は足首の左右交互の動きを指し、対象の膝の横方向運動は膝の左右交互の動きを指す。
本明細書で使用する用語「左右交互のねじれ運動」とは、対象の臀部、胸部および頭部で生じる動きであって、前記の解剖学的部分が冠状面および横断面でのねじれ運動と組み合わさって同時に起こる冠状面または前頭面での左右交互の運動を経験する場合の動きを指す。図1に示すように、横断面は、水平面、軸平面、または体軸横断面としても知られており、人体を上部と下部に分割する仮想平面として当業者には容易に理解される。横断面は冠状面と矢状面に対して垂直である。本明細書に記載するように、「ねじれ運動」は、横断面と冠状面における対象の臀部、胸部、首部および頭部のわずかな回転を指す。
本明細書で使用する用語「横方向変位」とは、冠状面または前頭面内で左右の方向へのその初期静止位置からの身体の解剖学的部分の空間的変位を指す。したがって、脚または額などの対象の身体部分の一部の「横方向変位」は、言及した身体部分の一部が移動する、冠状面または前頭面内の距離を意味する。非限定的な例として、この距離は、身体部分の一部の外表面上の一点の開始位置から、該身体部分の横方向変位から生じる同じ点の最も遠い外側の位置まで、測定され得る。本明細書に記載するように、本発明の方法および装置に従って対象に加えられる振動横方向運動は、所定の距離の対象の額の横方向変位に変換される。
本明細書で使用する用語「縦方向変位」とは、頭からつま先の方向へのその初期静止位置からの身体の解剖学的部分の空間的変位を指す。したがって、脚または額などの対象の身体部分の一部の「縦方向変位」は、言及した身体部分の一部が移動する、頭からつま先の方向における距離を意味する。非限定的な例として、この距離は、対象の身体部分の一部の外表面上の一点の開始位置から、該身体部分の縦方向変位から生じる同じ点の最も遠い外側の位置まで、測定され得る。本明細書に記載するように、本発明の方法および装置に従って対象に加えられる振動横方向運動は、所定の距離の対象の額の縦方向変位に変換される。
用語「対象」、「患者」または「個体」は、典型的にはヒトを指すが、他の動物、例えば、他の霊長類(例：サル)、齧歯類(例：ラット、マウス)、イヌ科(例：イヌ)、ネコ科(例：ネコ)、ウマ科(例：ウマ)、ヒツジ、ブタなどをも指す。
III. 態様の説明
本発明は、耳管機能障害、中耳炎、ならびに上気道および/または下気道の疾病などの状態の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を予防、処置または改善するために、対象のMCCを増加させるための非侵襲的な方法および装置を提供する。いかなる特定の理論にも縛られないが、本発明は、本明細書に記載の方法および装置により生じさせた機械的振動せん断応力が、対象の気道および耳管の粘膜を覆っている上皮細胞において細胞外ATPの放出を刺激する、という発見に基づいている。この細胞外ATPレベルの増加は、粘膜を覆っている繊毛の拍動頻度を増加させ、気道表面液の水和を高めるイオン輸送を増加させ、かつムチンの分泌を増加させ、これらは、共同で、捕捉された汚染物質を含む粘弾性の粘液を、消化管に飲み込まれるようにかつ/または口から排出されるように咽頭に向かって推進させるMCCシステムの能力を高める。このように、本発明の方法および装置は、MCCシステムの機能障害によって引き起こされる上部および下部呼吸器系、耳管、または中耳の疾患を発症するリスクのあるまたは該疾患を有する対象において予防的または治療的に使用するために、非侵襲的な外部運動および/または外力を対象に加えて、内部機械的振動せん断応力を対象に発生させることによって、MCCを増加させる。
本発明は、耳管機能障害、中耳炎、ならびに上気道および/または下気道の疾病などの状態の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を予防、処置または改善するために、対象のMCCを増加させるための非侵襲的な方法および装置を提供する。いかなる特定の理論にも縛られないが、本発明は、本明細書に記載の方法および装置により生じさせた機械的振動せん断応力が、対象の気道および耳管の粘膜を覆っている上皮細胞において細胞外ATPの放出を刺激する、という発見に基づいている。この細胞外ATPレベルの増加は、粘膜を覆っている繊毛の拍動頻度を増加させ、気道表面液の水和を高めるイオン輸送を増加させ、かつムチンの分泌を増加させ、これらは、共同で、捕捉された汚染物質を含む粘弾性の粘液を、消化管に飲み込まれるようにかつ/または口から排出されるように咽頭に向かって推進させるMCCシステムの能力を高める。このように、本発明の方法および装置は、MCCシステムの機能障害によって引き起こされる上部および下部呼吸器系、耳管、または中耳の疾患を発症するリスクのあるまたは該疾患を有する対象において予防的または治療的に使用するために、非侵襲的な外部運動および/または外力を対象に加えて、内部機械的振動せん断応力を対象に発生させることによって、MCCを増加させる。
一局面において、本発明は、対象の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を増加させる方法を提供し、該方法は、
平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
いくつかの態様では、本発明の方法は、耳管、中耳、副鼻腔、鼻腔、気管、気管支、細気管支、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも1つにおいて粘液をクリアランスする。
他の態様では、振動横方向運動は対象の各脚の一部に加えられる。特定の例では、振動横方向運動は対象の各脚の各足首に加えられる。他の例では、振動横方向運動は対象の各脚の各膝に加えられる。さらに他の例では、振動横方向運動は対象の各脚の各ふくらはぎに加えられる。さらなる例では、振動横方向運動は対象の各脚の各腿に加えられる。他の例では、振動横方向運動は対象の臀部に加えられる。さらに他の例では、振動横方向運動は対象の胴体に加えられる。いくつかの例では、振動横方向運動は対象の各脚の1つ以上の部分(例えば、臀部、太腿、腿、膝、下腿、ふくらはぎ、足首、および/または足)に加えられる。他の例では、振動横方向運動は対象の各脚の一部と胴体に加えられる。好ましい態様では、対象はヒト(例えば、子供または大人)である。
いくつかの態様では、振動横方向運動は、約90〜約180サイクル/分(CPM)、例えば、約110〜約160CPM、約120〜約160CPM、約130〜約150CPM、または約60、70、80、90、100、110、120、130、135、140、145、150、160、170、180、190、もしくは200CPMの頻度で加えられる。他の態様では、振動横方向運動は、約10〜約50分、例えば、約20〜約45分、約25〜約35分の時間にわたり、または約2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、もしくは60分間加えられる。
いくつかの態様では、振動横方向運動は、対象の臀部、胴体、および/または頭部に左右交互のねじれ運動を提供する。他の態様では、振動横方向運動は、対象の額の約5mm〜約20mm(例えば、約7.5mm〜約15mm、約8mm〜約14mm、約8mm〜約12mm、約9mm〜約10mm、または約5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、もしくは20mm)の横方向変位に変換される。さらに他の態様では、振動横方向運動は、対象の額の約0.5mm〜約5mm(例えば、約0.5mm〜約3mm、約0.5mm〜約2mm、約1mm〜約2mm、または約0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、もしくは5mm)の縦方向変位に変換される。
いくつかの態様では、前記方法はさらに、前記時間の終了後に粘膜繊毛クリアランスの量の評価を行うヘルスケアプロバイダを含む。特定の場合には、粘膜繊毛クリアランスの量はティンパノメータを用いて評価される。
他の態様では、前記平坦な表面は、床、マットレス、パッド、卓上、マット、敷物などを含む。
いくつかの態様では、振動横方向運動は、対象の呼吸器系において振動せん断応力を発生させる。特定の態様では、対象の脚および/または胴体に加えられる振動横方向運動は、上半身に伝達され、上下気道、中耳、および耳管の上皮表面において振動せん断応力を生じさせる。上述したように、機械的な振動せん断応力は上皮細胞における細胞外ATPの放出を刺激し、これは粘膜繊毛の拍動頻度、気道表面液の水和、およびムチンの分泌を増加させ、これらは共同で粘膜繊毛クリアランスシステムの機能を回復させる。いくつかの例では、振動横方向運動は、約0.01〜約10ダイン/cm2、例えば、約0.05〜約8ダイン/cm2、約0.05〜約5ダイン/cm2、約0.1〜約5ダイン/cm2、約0.5〜約5ダイン/cm2、約0.05〜約2ダイン/cm2の範囲、または約0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、もしくは10ダイン/cm2の振動せん断応力を生じさせる。
別の局面において、本発明は、上部および下部呼吸器系、耳管、または中耳の疾患を予防または処置するための非侵襲的な方法を提供する。疾患の非限定的な例としては、以下が挙げられる：耳管機能障害；中耳炎；原発性繊毛運動障害；嚢胞性線維症；上気道の疾患、例えば、アレルギー性鼻炎、非アレルギー性鼻炎、および副鼻腔炎など；下気道の疾患、例えば、慢性気管支炎、肺気腫、および喘息；ならびにこれらの組み合わせ。
本発明の方法は、本明細書に記載の装置を用いて、または平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に約60〜約200サイクル/分の頻度で振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたり提供することが可能な任意の装置もしくはデバイスを用いて、行うことができる。
関連する局面において、本発明の方法および装置は、例えば、呼吸障害を予防または処置するために、非ヒト対象のMCCを増加させるための、イヌまたはネコなどの非ヒト対象における獣医学的使用に適している。
このような局面において、本発明は、非ヒト対象の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を増加させる方法を提供し、該方法は、
平坦な表面上に仰臥位で位置する非ヒト対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
平坦な表面上に仰臥位で位置する非ヒト対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
いくつかの態様では、振動横方向運動は非ヒト対象の胴体または体幹に加えられる。非限定的な例として、イヌまたはネコなどの非ヒト対象は、平坦な表面上にうつぶせまたは横向きで配置される。他の態様では、振動横方向運動は上述した頻度および時間の範囲で加えられる。
別の関連する局面において、本発明の方法および装置は、対象におけるドライアイ(すなわち、乾性角結膜炎)を処置するために使用され、該方法は、
平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、該振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む。
いくつかの態様では、振動横方向運動は、対象が上記のような平坦な表面上に横たわっている間、対象の各脚の一部および/または胴体に加えられる。他の態様では、振動横方向運動は上述した頻度および時間の範囲で加えられる。特定の態様では、本明細書に記載の方法および装置は、その時間内に涙の産生が増加するように、対象の目における涙液産生を刺激するまたは増加させる。
IV. 粘膜繊毛クリアランスシステム
粘膜繊毛クリアランス(MCC)は、吸入された微生物病原体、ならびに生化学的および環境汚染物質から呼吸器系、耳管および中耳を保護する生来の防御機構である。MCC機構は3つの主要な構成要素からなる：(1)杯細胞から分泌される糖タンパク質であって、粘液の主成分であるムチン；(2)繊毛周囲液層と粘液層(まとめて気道表面液と呼ばれる)の水和を維持するイオン輸送機構；および(3)協調的に拍動する、粘膜を覆っている繊毛。気道、耳管および中耳は、杯細胞が散在する繊毛上皮細胞で内側が覆われている。繊毛は水様の繊毛周囲液の層に浸かっている。繊毛周囲液より上には、吸入された汚染物質を捕捉する粘弾性の粘液層が存在する。繊毛周囲液は、繊毛上への粘液層の侵入を防ぎ、かつ繊毛が協調的に最適な拍動頻度で拍動するのに必要な潤滑を提供する。拍動する繊毛は、汚染物質を取り込んだ粘液を咽頭に向かって推進して、消化管に飲み込まれるように、または口から排出されるようにする。
粘膜繊毛クリアランス(MCC)は、吸入された微生物病原体、ならびに生化学的および環境汚染物質から呼吸器系、耳管および中耳を保護する生来の防御機構である。MCC機構は3つの主要な構成要素からなる：(1)杯細胞から分泌される糖タンパク質であって、粘液の主成分であるムチン；(2)繊毛周囲液層と粘液層(まとめて気道表面液と呼ばれる)の水和を維持するイオン輸送機構；および(3)協調的に拍動する、粘膜を覆っている繊毛。気道、耳管および中耳は、杯細胞が散在する繊毛上皮細胞で内側が覆われている。繊毛は水様の繊毛周囲液の層に浸かっている。繊毛周囲液より上には、吸入された汚染物質を捕捉する粘弾性の粘液層が存在する。繊毛周囲液は、繊毛上への粘液層の侵入を防ぎ、かつ繊毛が協調的に最適な拍動頻度で拍動するのに必要な潤滑を提供する。拍動する繊毛は、汚染物質を取り込んだ粘液を咽頭に向かって推進して、消化管に飲み込まれるように、または口から排出されるようにする。
呼吸器系には、鼻、口、咽頭、喉頭、気管、気管支、細気管支、および肺が含まれる。これらの器官はガスの交換に関与している。上気道には、鼻、鼻腔、副鼻腔および咽頭が含まれる。副鼻腔は、頭蓋骨内の空洞が連結された系である。副鼻腔には、上顎洞(頬骨にある)、前頭洞(額にある)、篩骨洞(目と目の間にある)、および蝶形骨洞(鼻腔の背後にある)が含まれる。下気道には、喉頭、気管、気管支、細気管支、および肺の肺胞が含まれる。耳管は、中耳と、咽頭の最上部である鼻咽頭とを連結する。図2は、中耳と耳管の解剖を示す図である。
呼吸器系の機能は、酸素を含んだ血液を供給しかつ二酸化炭素を除去することである。空気が鼻から吸入されると、その空気は鼻腔と副鼻腔により温められ、その後気管に流入し、さらに気管支に流下し、最終的に肺胞へ流れて、そこで空気と血液との間でガス交換が起こる。気道はまた、二酸化炭素を排出するための経路でもある。血液によって運ばれる廃棄副産物である二酸化炭素は、肺胞に放出される。耳管の機能は、外気への中耳のアクセスを提供することであり、それによって、中耳の空気圧を大気圧と等しくさせ、中耳に蓄積する分泌液の排出を提供し、かつ音波および汚染物質から中耳を保護することができる。
図3に示すように、ムチンなどの糖タンパク質(330)を分泌する杯細胞(320)が散在する繊毛細胞(310)からなる上皮(300)は、中耳、耳管、ならびに気管、気管支、細気管支、鼻腔および副鼻腔を含む上下気道の内層を形成する。吸入された粒子および汚染物質(340)は、気道の粘着性粘液層(350)に捕捉される。水様の繊毛周囲液(370)の層に浸かっている、拍動する繊毛(360)は、捕捉された汚染物質を含む粘弾性で粘着性の粘液上層を、消化管に飲み込まれるように、または口から吐き出されるように、咽頭の方へ推進させる。
MCCシステムは、下部および上部呼吸器系、中耳、ならびに耳管を適切に機能させる上で重要な役割を果たしている。MCCの障害は、環境被害、慢性炎症もしくは感染、またはMCC機構の1つ以上の構成要素を正常に機能させない遺伝的な遺伝子変異に起因する可能性がある。例えば、オゾン、二酸化窒素、化学物質(例えば、二酸化硫黄、硫化水素、臭素、塩素、強酸、アンモニア)からのガス、特定の有機溶媒、および粉塵(例えば、炭塵、穀物粉塵)などの職業上または環境上の刺激物への暴露は、繊毛上皮細胞に損傷を与えたり、該細胞を害することがあり、肺疾患および他の疾患状態または病状の発症および/または悪化に寄与し得る。
細胞外ヌクレオチドのアデノシン三リン酸(ATP)およびウリジン三リン酸(UTP)は、体液分泌、粘液水和および繊毛拍動頻度を刺激するそれらの能力のため、粘液クリアランスの重要な調節因子である(B. Button et al., Resp Physiol Neurobiol, 163(1-3), 189-201 (2008))。繊毛周囲液層と粘液層の高さは細胞外ATPによって調節される(Tarran et al., J Biol Chem., 280(42), 35751-59, 2005)。繊毛周囲液の層は、繊毛への粘液層の侵入を防止し、かつ繊毛が正常な繊毛拍動頻度を維持するのに必要な潤滑を提供する。粘液層の脱水および繊毛周囲液層の高さの減少は、繊毛の崩壊、MCCの機能障害、および感染につながる可能性がある(Davis and Lazarowski, Respir Physiol Neurobiol., 163(1-3), 208-213 (2008))。
ATP増加の刺激は、せん断応力に非常に敏感である。Tarran et al., Annu Rev Physiol, 68, 543-61 (2006)に記載されるように、機械的振動せん断または圧縮応力は上皮細胞培養物におけるATP放出を刺激する。培養上皮細胞を用いて行った実験では、0.01ダイン/cm2の位相性(phasic)せん断の小さな増分は、ATPレベルの約100倍増加をもたらすことが示された。0.01ダイン/cm2から6ダイン/cm2への位相性せん断応力のさらなる増加は、ATPレベルの追加の6倍増加を引き起こした。比較のために、正常な呼吸は、気道壁において約0.4〜2ダイン/cm2のせん断応力を生じさせ(Tarran et al., J Biol Chem., 280(42), 35751-59, 2005)、鼻腔では3ダイン/cm2のせん断応力を生じさせる(Elad, J Appl Physiol., 100, 1003-1010, 2006)が、咳は理論的には最大1700ダイン/cm2のせん断応力を発生させることができる(Basser et al., J Biomech Eng., 111(4), 288-97, 1989)。
細胞外ATPの増加はイオン輸送を増加させ、これは気道表面液の水和およびムチンの分泌を増大させる。正常なおよび嚢胞性線維症の上皮細胞培養物が振動応力を受けたとき、繊毛周囲液層と粘液層を合わせた高さは、振動応力を受けていない対照細胞のものより有意に高い。同様に、繊毛拍動頻度も有意に高い(Button et al., J Physiol., 580.2, 577-592 (2007))。このように、気道の繊毛上皮が機械的に振動するせん断応力を受けるとき、該細胞は、分泌を刺激し、水和を増大させ、かつ繊毛拍動頻度を高めることによって応答する。こうした繊毛拍動頻度、水和、およびムチン分泌の増加は、共同で、捕捉された汚染物質を含む粘弾性の粘液を、消化管に飲み込まれるようにまたは口から排出されるように咽頭に向かって推進させるMCCシステムの能力を高める。
MCC機構の障害は、上部・下部呼吸器系、耳管、および中耳の多くの疾患および疾病の基礎となることが理解されている。MCCシステムの障害は、通常、過剰な粘液分泌を引き起こす炎症から始まる。これは気道表面液の脱水につながり、次いで繊毛を崩壊させて、結果的に粘液蓄積と最終的に感染をもたらす。MCCが回復しない場合、それは炎症、粘液蓄積および感染の再発/悪化エピソードの悪循環をもたらし、これは永久的な細胞損傷に至る可能性がある。障害を起こしたMCCは、慢性閉塞性肺疾患(慢性気管支炎および肺気腫を含む)、喘息、嚢胞性線維症、および原発性繊毛運動障害などの破壊的な呼吸器疾患に見出される。それはまた、上部呼吸器系疾患、例えば、慢性副鼻腔炎、アレルギー性および非アレルギー性鼻炎、耳管機能不全、ならびに中耳炎にも見出され、これらの場合には生活の質が大きな影響を受ける。こうした疾患および疾病を処置するための装置および方法は存在するが、多くの場合それらは欠点を伴い、MCCを直接回復させるというよりも、現在の処置は、そのほとんどが症状を処置するにとどまる。
鼻炎および副鼻腔炎は、鼻および副鼻腔の粘膜の炎症であり、これは口呼吸の原因となる。空気が鼻を通って流れるとき、吸入された汚染物質の大部分は鼻および副鼻腔において除去される。口呼吸はこのフィルタリング機構を迂回し、結果的に、より多くの汚染物質が下気道に到達することになる。鼻炎には2つのタイプがあり、アレルギー性鼻炎と非アレルギー性鼻炎である。アレルギー性鼻炎は、身体が、抗体、主に免疫グロブリンE(IgE)の産生を伴って、花粉、カビ、チリダニおよび動物の鱗屑などのアレルゲンに過剰反応するとき起こる。IgEが肥満細胞と相互作用すると、ヒスタミンをはじめとする数種の化学物質が放出される。ヒスタミンは鼻炎の典型的な症状を引き起こす - くしゃみ、目のかゆみ/涙目、鼻水/鼻のかゆみ/鼻づまり。非アレルギー性鼻炎は免疫系に関係なく、IgEは存在しない。症状はアレルギー性鼻炎に類似しているが、原因は不明である。空気中の刺激物、特定の臭気、天候の変化および特定の食品は、非アレルギー性鼻炎の誘因の一部である。副鼻腔の炎症の原因は完全には理解されていない。
生理食塩水洗浄、ならびに抗ヒスタミン薬および充血除去薬などの薬物は、鼻炎および副鼻腔炎の症状を管理するのに役立つ。これらの薬物は、特に誘発物質のレベルが高いとき、全ての症状を完全に緩和するには効果的でない。いくつかの鼻充血除去薬のスプレーの長期使用は、鼻炎を悪化させ、かつ鼻腔の脱水をもたらす。多くの場合、こうした疾病を有する個体には誘発物質の回避が推奨されるが、これは通常、屋外または誘発物質が見つかった場所での活動を制限することを意味している。鼻副鼻腔炎を有する個体の鼻の中では、MCCの低下が見出される。これらの個体においてMCCを増加させることができれば、生体の先天性防御機構を使用して、アレルゲンおよび原因となる汚染物質が鼻腔および副鼻腔の上皮細胞に到達するのを防止することが可能である。
喘息、ならびに慢性気管支炎および/または肺気腫を含めた慢性閉塞性肺疾患(COPD)などの慢性呼吸器疾患は、毎年世界中で400万人を超える人々を死亡させ、何億人もの人々に影響を及ぼしている。喫煙はCOPDの主な原因であることが知られている。慢性気管支炎は、肺(気管支)の気道内膜が絶えず刺激されて炎症を起こしている慢性疾患である。内膜の炎症は過剰な粘液分泌を引き起こし、持続性の咳をもたらす。慢性気管支炎は、長期的な呼吸器疾患であり、臨床的には、2年連続して毎年3ヶ月以上痰と粘液を伴う、持続的な咳として定義される。これらの破壊的な下部呼吸器疾患、ならびに嚢胞性線維症および原発性繊毛運動障害などの希少疾病を患う人々は、慢性炎症のため粘膜繊毛クリアランスが低下しており、多くの場合、気道における粘液の蓄積および再発性感染のため、息をするのに苦労する。抗炎症剤、気管支拡張薬、粘液溶解薬および抗生物質は、気道をクリアに保つのを助けるために、これらの破壊的な疾病を患う個体に処方される一連の治療薬を構成する。これらの治療薬は、疾病の症状を処置するのに有用であるが、粘膜繊毛クリアランスを回復させるのに完全には有効でない。COPDおよび嚢胞性線維症などの疾患の進行は、息切れおよび咳の増加につながる肺への進行性損傷によって特徴づけられる。
投薬治療に加えて、気道クリアランス装置、例えば、高頻度胸壁振動(high-frequency chest wall oscillation: HFCWO)ベストおよび呼気陽圧(positive expiratory pressure: PEP)デバイス、例えばFlutter(登録商標)バルブおよびAcapella(登録商標)バルブなどは、嚢胞性線維症またはCOPDを有する個人の気道クリアランス日課の一部として使用されることがある。HFCWOベストは、高頻度で胸に片振圧縮(pulsating compression)を送達するために空気の急速バーストを利用する。PEPデバイスは、気道の振動を引き起こす背圧を生じさせるために患者が息を吹き込むデバイスである。HFCWOベストおよびPEPデバイスは、8〜30ヘルツ(Hz)の頻度で動作する。これらのタイプの装置の動作頻度は、上皮に付着した粘液を緩めるために下気道にせん断応力を生じさせることを目的としている；その後、咳をすることで緩くなった粘液を咽頭に移動させ、それを痰として排出したり、吸引によって除去したりすることができる。こうした高頻度装置のいくつかは、幼児または上記の疾病のために弱っている個人には許容され得ない。
嚢胞性線維症(CF)と原発性繊毛運動障害(PCD)は、上気道と下気道の両方ならびに中耳および耳管において粘膜繊毛クリアランスの機能障害を引き起こす遺伝性疾患である。CFの遺伝子変異は、上皮細胞において塩化物イオンの異常な輸送をもたらす。これは気道上皮における繊毛周囲液層と粘液層の脱水を引き起こして、繊毛周囲液層の高さの減少および肺での多量の粘液の蓄積につながる。また、繊毛の機能も影響を受け、その結果、慢性的な炎症と再発性の感染をもたらす不十分なMCCにつながる。嚢胞性線維症を患う人々はまた、鼻腔および副鼻腔内の粘液蓄積が原因で、慢性鼻炎を有する。PCDは、繊毛の超微細構造および機能の遺伝性障害である。PCDを持つ人々は、機能的なMCCシステムを欠き、肺、耳および副鼻腔に持続感染があり、積極的な処置を行わないと、長期にわたって肺、耳および副鼻腔に永久的な損傷を受ける。
MCC障害に関係した疾病状態および/または疾患の他の例は、副鼻腔および耳管に関連するものである。副鼻腔は、頬骨、額、目と目の間、および鼻腔の後ろに位置する、連結された空洞である。正常に機能する場合、MCCは副鼻腔の粘液をクリアに保つ。副鼻腔炎は副鼻腔の炎症であり、感染、鼻炎、PCD、嚢胞性線維症または鼻中隔湾曲症に起因し得る。副鼻腔が炎症を起こしている場合には、MCCが損なわれ、かつ粘液排出の流路がブロックされて、粘液を副鼻腔に蓄積させる。閉じ込められた粘液は細菌増殖のための栄養豊富な環境を提供し、その結果として副鼻腔の感染をもたらす。副鼻腔炎の症状としては、頭痛、顔面痛、発熱、疲労および臭覚の低下が挙げられる。副鼻腔炎は、4週より短期間続く急性、または4週間以上長く続く慢性であり得る。米国では約3000万人が副鼻腔炎と診断されている。副鼻腔炎の処置には、感染症のための抗生物質の使用、生理食塩水による鼻洗浄、ならびにコルチコステロイド、粘液溶解薬および充血除去薬などの薬物の使用が含まれる。副鼻腔炎および鼻炎はしばしば耳管の炎症を引き起こし、結果的に耳管機能障害(ETD)をもたらす。
耳管は、中耳に外気への利用可能な唯一のアクセスを提供する。対象がETDを患っている場合、中耳は、中耳の空気圧と外気のそれとを十分に平衡化することができない。ETDでは、炎症により耳管が十分に開かなくなり、中耳内の負圧、粘液貯留および感染につながることがある。ETDは、その疾患の重症度に応じて、対象に軽度の不快感から極度の痛みを引き起こす可能性がある疾患である。処置せずに放置した場合、長期のETDは中耳内に体液と粘液の蓄積をもたらし、これは細菌感染を培養するための培地を提供する。中耳の感染症である中耳炎を結果的に起こす可能性がある。これは組織損傷および聴力低下または難聴につながり得る。米国には中耳炎患者が600万人いる。
耳管は、咽頭鼓室管(pharyngotympanic tube)としても知られており、中耳と鼻咽頭を連結している。耳管には主に次の3つの機能がある：中耳の外気へのアクセスを提供し、それによって中耳の空気圧を大気圧と等しくさせる；中耳内に蓄積する液体の排出を提供する；および中耳を音波および汚染物質から保護する。
耳管は通常閉じられていて、鼻咽頭内の液体および分泌物が中耳を汚染するのを防止している。適切に機能する場合、耳管は、あくび、嚥下、くしゃみまたは咀嚼などの筋肉の運動によって開口する。この耳管の間欠的な開口は、空気を鼻咽頭から中耳に入らせて、中耳内の圧力を大気圧と等しくする。耳管の開口はまた、液体と粘液を中耳から排出させる。こうした物質が定期的に排出されないと、それらは中耳内に蓄積して、耳の感染症を引き起こすことがある。粘膜繊毛クリアランスは、中耳内の液体および粘液を耳管に向けて押し出すことによって排出を助けている。
感染もしくはアレルギー反応などの免疫応答からの炎症、または物理的閉塞(例えば、肥大した咽頭扁桃腺または腫瘍)は、耳管の開口の頻度と持続時間を、中耳の換気および排出にとって不十分にさせる可能性がある。同様に、粘液の過剰量の蓄積は耳管を閉塞し、それが正常に機能するのを妨げる可能性がある。また、中耳内の粘液蓄積および炎症は、粘膜繊毛クリアランスの活動を低下させる可能性がある。ETDにおける耳管のこの機能的閉塞は、大気圧に対して中耳の負圧をもたらす。
ETDを患う対象は、中耳と大気圧との圧力差が音波に応答して自由に振動する鼓膜の能力を妨げるので、聴覚障害を経験することがある。ETDを患う対象は、耳閉感または耳の痛み、耳鳴り、めまいおよび聴力低下を起こす可能性がある。ETDの対象は、耳がツンとなる(popping)感覚を経験することがある。ETDがより重症になるにつれて、耳管の開口の頻度と持続時間は、大気圧に大きな変化があるときでさえ耳管が開口することができない段階にまで減少する。この段階で、対象は飛行機で旅行するのがつらいと感じるかもしれない。なぜならば、中耳の圧力が上昇中と降下中に平衡を保つことができないからである。圧力差がかなり大きい場合は、鼓膜が破裂する可能性がある。
閉塞した耳管をクリアランスしようとして、さまざまな手動の技法を使用することができる。単純な技法は、例えば、嚥下、あくびまたは咀嚼によって、耳管を取り囲む筋肉を動かすことである。あるいは、手動バルサルバ効果(Valsalva maneuver)は耳管を簡単に開かせるために使用されるが、これは口を閉じた状態で深呼吸して吐き出しながら鼻をつまんで塞ぐ必要がある。しかし、これらの方法の有効性は、しばしば、その疾患の重症度に依存し、各人の解剖学的な違いに左右される可能性がある。耳管の閉塞をしばしば起こしやすい幼児は、一般的に、こうした行動のいくつかを実行するのが困難である。
手動の技法が効果的でない場合に、閉塞した耳管をクリアランスすることに対処する試みにおいて、装置が記載されている。例えば、米国特許第5,885,242号は、所定の速度で空気の連続流を供給するための手持ち式の空気源および先細になった密閉用鼻孔栓を含む、中耳の圧力を等しくするための装置を開示する。先細になった密閉用鼻孔栓はチャネルを有し、それを通って空気の連続流が送達される。対象は先細になった密閉用鼻孔栓で一方の鼻孔を閉じ、他方の鼻孔を手で閉じて、該装置を始動させ、嚥下する。空気の連続流と嚥下の組み合わせは、理論的には、中耳内の圧力を等しくする。しかし、鼻咽頭から加圧空気流をチャネルに通すことは、細菌に満ちた鼻腔と口腔からの液体および粘液を中耳に吹き込むことによって、感染のリスクにさらす。
振動を伝えるための装置および方法もまた、閉塞した耳管をクリアランスすることに対処する試みにおいて記載されている。例えば、米国特許出願公開第2003/0172939号は、亜音速頻度で機械的振動を発生する振動発生器を用いることによって、硬組織の少なくとも1つの領域に隣接する体腔内の充血によって引き起こされる不快感を軽減するための装置および方法を開示する。振動発生器は、体腔の少なくとも一部に硬組織を通じて振動を伝達するために、硬組織との非侵襲性の機械的係合状態にされている。しかし、この装置および方法の有効性は、充血の重症度に依存し、かつ硬組織の適切な領域を見つけて振動させるユーザの能力に左右される。したがって、この装置および方法の有効性にはばらつきがある。
こうした方法は、一時的に中耳圧を大気圧に平衡化することによってETDに伴う不快感を一過性に緩和することができるが、それらは中耳から貯留分泌物を排出する上であまり効果的ではない。治療薬である抗炎症剤または抗ヒスタミン剤は、中耳炎を処置するために、または耳管の閉塞もしくは炎症を予防する目的で、しばしば処方される。しかし、これらの薬剤は通常は有効でなく、一部の薬剤には眠気または疲労ならびに上皮の脱水といった望ましくない副作用がある。
上記の方法が中耳を十分に換気できない場合、再発性の耳感染症または中耳炎が起こる可能性がある。この場合には、鼓膜切開と呼ばれる外科手術が行われる。鼓膜切開は米国で最も一般的に行われる外来手術の一つである。それは、鼓膜に切り込みを入れ、鼓膜を通して中耳の換気を助けるために均圧チューブを挿入することからなる。一度挿入されたら、水がチューブに入って中耳を汚染しないように、水泳または入浴時には注意が必要である。こうした均圧チューブは最終的に抜け落ちるか、6〜12ヶ月で取り出す必要がある。対象が継続的な耳管閉塞が原因で再発性の耳感染症に罹患する場合は、手術を繰り返さなければならない。鼓膜での反復切開は、時に、瘢痕化につながることがある。さらに、該チューブを除去した後で鼓膜の穴が治癒しないことがあり、その穴を修復するためにさらなる手術が必要になる。
上部呼吸器疾患は命を脅かすことはないが、慢性の副鼻腔炎、鼻炎、ETDおよび中耳炎は生活の質に大きな影響を与える。また、鼻腔および副鼻腔における上部感染は肺への感染につながる可能性がある。同様に、喘息の場合、MCCが上気道で損なわれると、より多くの吸入粒子が下気道に移動して、炎症の引き金になり、かつ肺の狭窄を引き起こす。HFCWOベストおよびPEPデバイスなどの装置は、下部呼吸器系においてのみ粘液をクリアランスするように設計されている。上部呼吸器系でMCCを直接改善するための有効な装置、または上部呼吸器系と下部呼吸器系の両方を同時に標的とする装置は存在しない。
例えば、抗炎症剤、粘液溶解薬、気管支拡張薬、抗生物質などを含めた、治療薬および薬物は、呼吸器の疾患、ならびに耳管機能障害および中耳炎などの関連疾患の処置のために一般的に処方されており、かつ/または薬局で手に入れることができる。しかし、これらの治療薬および薬物は、症状のみを処置するように設計されている。これらの治療薬のいずれも、MCCを直接回復させるものではなく、そのため、重度の呼吸器疾患の進行を防止する上で完全に有効というわけではない。気道クリアランスのための装置の選択肢は限られており、かつ下部呼吸器系を標的とする既存の装置は小さな患者集団による利用に限定されている。
したがって、本発明は、ETDの問題に対処するために、ならびに上下気道のさまざまな疾患および疾病を処置するために、上で述べた欠点および望ましくない副作用なしに、対象におけるMCCを増加させるための方法および装置を提供する。
目の結膜組織においてイオン輸送を刺激する受容体アゴニストは、気道上皮に見られるものと類似している。結膜組織内のATPレベルの増加もまた、涙液分泌の増加をもたらすイオン輸送を刺激することが示された(Murakami et al., Current Eye Res., 21(4), 782-7 (2000)を参照されたい)。したがって、本方法および装置は、ドライアイ症候群(すなわち、乾性角結膜炎)を処置するために、結膜でのATP分泌を刺激するために使用することができる。
V. 装置
本発明の方法は、本明細書に記載の装置を用いて、または平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に約60〜約200サイクル/分の頻度で振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたり提供することが可能な任意の装置もしくはデバイスを用いて、行うことができる。
本発明の方法は、本明細書に記載の装置を用いて、または平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に約60〜約200サイクル/分の頻度で振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたり提供することが可能な任意の装置もしくはデバイスを用いて、行うことができる。
いくつかの局面において、本発明は、対象の粘膜繊毛クリアランス(MCC)を増加させるための装置(またはデバイス)を提供し、該装置は、
対象の各脚の一部(または胴体などの他の身体部分)を受容するための支持体；
地面から垂直軸に沿って該支持体の高さを調整するための垂直高さ調整機構であって、該高さが約100mm〜約500mmの測定を有する、垂直高さ調整機構；および
該支持体と係合しており、該支持体を横方向に約20mm〜約100mmの横方向変位を有する往復運動にて約60〜約200サイクル/分の頻度で往復移動するように構成された運動発生器
を含む。
対象の各脚の一部(または胴体などの他の身体部分)を受容するための支持体；
地面から垂直軸に沿って該支持体の高さを調整するための垂直高さ調整機構であって、該高さが約100mm〜約500mmの測定を有する、垂直高さ調整機構；および
該支持体と係合しており、該支持体を横方向に約20mm〜約100mmの横方向変位を有する往復運動にて約60〜約200サイクル/分の頻度で往復移動するように構成された運動発生器
を含む。
図4は、例示的な装置(400)を示しており、ここでは、対象(410)が該装置の上に仰臥位で横たわっており、該装置は、対象の各脚の一部を受容するための支持体(420)、地面から垂直軸に沿って該支持体の高さを調整するための垂直高さ調整機構(430)、および該支持体と係合した、任意でケースに収納された、運動発生器(440)を含む。
図5A〜Cは、本発明の例示的な装置の他の実施形態を示す。図5Aは、例示的な装置の側面図を示しており、ここでは、対象(500)が該装置の上に仰臥位で横たわっており、該装置は、対象の各脚の一部を受容するための支持体(510)、地面から垂直軸に沿って該支持体の高さを調整するための垂直高さ調整機構(520)(すなわち、「高さ制御」)、および該支持体と係合した、任意でケースに収納された、運動発生器(530)を含む。図5Bは、例示的な該装置の三次元図を示しており、ここで、矢印は振動横方向運動の方向を示す。図5Cは、対象の各脚の一部を保持する支持体の鞍型構造を示している例示的な該装置の図であり、ここで、矢印は振動横方向運動の方向を示す。
特定の態様では、往復運動は、約60〜約200サイクル/分(CPM)、例えば、約90〜約180CPM、約110〜約160CPM、約120〜約160CPM、約130〜約150CPM、または約60、70、80、90、100、110、120、130、135、140、145、150、160、170、180、190、もしくは200CPMの頻度で加えられる振動横方向運動を含む。他の態様では、横方向変位は、約20mm〜約80mm、約20mm〜約50mm、約25mm〜約75mm、約30mm〜約70mm、約50mm〜約100mm、または約20、30、40、50、60、70、80、90、もしくは100mmである。
他の態様では、地面から垂直軸に沿った支持体の高さは、約150mm〜約450mm、約200mm〜約500mm、約200mm〜約400mm、約100mm〜約300mm、約300mm〜約500mm、または約100、150、200、250、300、350、400、450、もしくは500mmの測定を有する。
いくつかの態様では、運動発生器は、
モータ；
該モータに接続された減速ギア；
該減速ギアに接続されたクランクアーム；
該クランクアームに接続されたスライディング部材；および
該スライディング部材に接続された支持体
を含む。
モータ；
該モータに接続された減速ギア；
該減速ギアに接続されたクランクアーム；
該クランクアームに接続されたスライディング部材；および
該スライディング部材に接続された支持体
を含む。
他の態様では、前記装置はさらに、水平面に対して支持体の角度を調整するための傾斜調整機構を含む。
特定の態様では、前記装置は、対象の耳管、中耳、および/または気道(例えば、上気道および/または下気道)におけるMCCを増加させる。
特定の態様では、対象の各脚の一部は、臀部、太腿、腿、膝、下腿、ふくらはぎ、足首、足、およびこれらの組み合わせから選択される。他の特定の態様では、往復運動は、三角波、鋸歯状波、方形波、正弦波、およびこれらの任意の組み合わせから選択される1つ以上の波形を含む。
いくつかの態様では、前記装置はさらに、
該装置をオンにすること、該装置をオフにすること、往復運動の頻度を調整すること、往復運動の横方向変位を調整すること、往復運動の波形を調整すること、往復運動の持続時間を調整すること、支持体の垂直方向の高さを調整すること、水平面に対して支持体の角度を調整すること、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される1つ以上の機能を実施するように構成された遠隔操作モジュール
を含む。
該装置をオンにすること、該装置をオフにすること、往復運動の頻度を調整すること、往復運動の横方向変位を調整すること、往復運動の波形を調整すること、往復運動の持続時間を調整すること、支持体の垂直方向の高さを調整すること、水平面に対して支持体の角度を調整すること、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される1つ以上の機能を実施するように構成された遠隔操作モジュール
を含む。
他の態様では、前記装置はさらに、
該装置をオンにすること、該装置をオフにすること、往復運動の頻度を調整すること、往復運動の横方向変位を調整すること、往復運動の波形を調整すること、往復運動の持続時間を調整すること、支持体の垂直方向の高さを調整すること、水平面に対して支持体の角度を調整すること、対象に関連した身体的および生理学的情報を受信すること、対象に関連した身体的および生理学的情報を保存すること、対象に関連した身体的および生理学的情報を引き出すこと、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される1つ以上の機能を実施するように構成されたマイクロプロセッサ
を含む。
該装置をオンにすること、該装置をオフにすること、往復運動の頻度を調整すること、往復運動の横方向変位を調整すること、往復運動の波形を調整すること、往復運動の持続時間を調整すること、支持体の垂直方向の高さを調整すること、水平面に対して支持体の角度を調整すること、対象に関連した身体的および生理学的情報を受信すること、対象に関連した身体的および生理学的情報を保存すること、対象に関連した身体的および生理学的情報を引き出すこと、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される1つ以上の機能を実施するように構成されたマイクロプロセッサ
を含む。
さらに他の態様では、前記装置はさらに、対象に関連した1つ以上の身体的および生理学的パラメータに少なくとも部分的に基づいて、該装置の1つ以上の操作変数を調整するように構成されたマイクロプロセッサを含む。
特定の例において、前記装置の1つ以上の操作変数は、往復運動の頻度、往復運動の横方向変位、往復運動の波形、往復運動の持続時間、支持体の垂直方向の高さ、水平面に対する支持体の角度、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される。
他の特定の例では、対象に関連した1つ以上の生理学的パラメータは、対象の呼吸数、対象の心拍数、対象の血中酸素濃度、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される。
さらなる例において、マイクロプロセッサは、往復運動の頻度、往復運動の横方向変位、往復運動の波形、往復運動の持続時間、支持体の垂直方向の高さ、水平面に対する支持体の角度、対象の呼吸数、対象の心拍数、対象の血中酸素濃度、およびこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される情報を保存しかつ引き出す。
特定の例示的な一態様では、本発明は、対象の耳管、中耳、副鼻腔および鼻腔、気管、気管支および細気管支におけるMCCを増加させるための装置を提供し、該装置は、対象の各脚の一部を受容するための支持体であって、垂直高さ調整機構および傾斜調整機構を有する支持体；モータ、該モータに接続された減速ギア、および該減速ギアに接続されたクランクアームを有し、かつ該支持体を横方向に往復運動で動かすクランクアームに該支持体を接続させる運動発生器；該運動発生器が取り付けられたケーシングを含んでなり、該支持体は、該ケーシングの底部の上約100〜約500mmの高さに位置付けられ、約20mm〜約100mmの横方向変位でかつ約60〜約200サイクル/分の頻度で往復運動をする。
本発明はまた、ETD；原発性繊毛運動障害(PCD)；嚢胞性線維症；アレルギー性鼻炎、非アレルギー性鼻炎、副鼻腔炎などの上気道の疾患；および慢性気管支炎、肺気腫、喘息などの下気道の疾患を処置するための非侵襲的な装置を提供する。一態様では、上記の1つ以上の処置を必要とする対象は、平坦な表面(例えば、床、マットレス、パッド、卓上など)上に仰臥位になり、対象の上下気道、中耳、および耳管において振動せん断応力を誘導することが可能な装置を利用することによって、前記方法を採用することができる。前記装置は、対象の脚の一部(例えば、足首、腿、ふくらはぎまたは膝の裏)の下に配置され、各脚の該部分に振動横方向運動を伝え、それが上半身に伝達される。
特定の態様では、対象の各脚の一部への横方向運動は、約2〜約60分の間、例えば、約10〜約50分、約20〜約45分、約25〜約35分、または約2、5、10、20、30、40、50、もしくは60分間である。
他の態様では、対象の各脚の一部への横方向運動は、対象の臀部、胴体、および/または頭部に左右交互のねじれ運動を約60〜約200サイクル/分の頻度で提供する。いくつかの態様では、前記脚の一部は、臀部、太腿、腿、膝、下腿、ふくらはぎ、足首、および/または足を含む。
特定の態様では、前記装置は、対象に振動横方向運動を提供し、例えば、対象の脚の一部を受容するための支持体、快適で効果的な高さと角度に該支持体を上げる、下げるおよび傾けるように構成された垂直および傾斜調整機構、ならびに該支持体を往復運動で横方向に往復移動するように構成された運動発生器を含む。
特定の態様では、前記装置は、平坦な表面上に仰臥位で位置する対象の各脚の一部に振動横方向運動を提供する。横方向運動は、該装置に接触している脚の一部から対象の頭に移動する正弦波の形で、対象の身体に運動を生じさせる。正弦波が対象の臀部に到達すると、その波は、対象の身体に左右交互のねじれ運動を与える。なぜならば、臀部と、背骨に沿って、後頭部を中心とする対象の体重が、身体の横方向への動きを妨げるからである。左右交互のねじれ運動は、対象の臀部から胸部へ、頭部まで続く。胸部のこの左右交互のねじれ運動は、対象に適した頻度で一定時間持続した場合、気管、気管支および細気管支の内膜に沿って振動せん断応力を生じさせ、これは下気道におけるMCCを増加させる。対象の頭部の左右交互のねじれ運動もまた、対象に適した頻度で一定時間持続した場合、中耳、耳管、副鼻腔および鼻腔の内膜に沿って振動せん断応力を生じさせ、これは上気道におけるMCCを増加させる。本発明の一局面において、振動横方向運動は、約0.01〜約10ダイン/cm2、例えば、約0.1〜約5ダイン/cm2または約0.2〜約2ダイン/cm2の範囲のせん断応力を発生させる。
左右交互のねじれ運動の頻度と振幅は、前記装置の支持体から対象の脚の一部に付与された横方向変位の頻度と振幅によって調節される。いくつかの態様では、振動横方向運動は、対象の額の約5mm〜約20mm(例えば、約8mm〜約14mm)の横方向変位に変換される。他の態様では、振動横方向運動は、対象の額の約0.5mm〜約5mm(例えば、約1mm〜約2mm)の縦方向変位に変換される。
対象の頭部に付与された左右交互のねじれ運動は、耳管、中耳、副鼻腔および鼻腔をクリアランスするという望ましい結果をもたらすのに十分であるべきであるが、対象に不快感を与えたり、けがを負わせたりするほど激しくしてはならない。運動発生器によって発生された振動横方向運動の波形は、三角波、鋸歯状波、方形波、正弦波、またはこれらの任意の組み合わせであってよい。
いくつかの態様では、前記装置は、モータ、減速ギア、クランクアームおよびスライディング部材を含むアセンブリで構成された運動発生器を含む。モータは減速ギアに接続され、減速ギアはクランクアームに接続され、クランクアームはスライディング部材に接続される。スライディング部材が支持体と係合すると、運動発生器が支持体に振動横方向運動をもたらす。
他の態様では、前記装置は、該装置の支持体の垂直高さを上昇または降下させる垂直高さ調整機構を含む。垂直高さ調整機構は、手動操作の機械装置、例えば、対象が回すことができる、該装置の支持体の外側からアクセスできるノブまたはクランクであり得る。ノブまたはクランクはギアネジに固定され、該ギアネジは少なくとも1つの追加のセットのギアに係合される。これは、ギアネジの回転運動を、垂直方向に配向された係合ネジに伝えて、その係合が支持体の垂直高さの増加または減少をもたらす。あるいは、垂直高さ調整機構は、電動式の装置、例えば、対象によって操作され得るサーボまたはモータであり得る。さらに別の態様では、高さ機構は、膨らんだ状態で、脚の一部をしっかりとつかみ、かつ必要な高さ調整をも提供する、支持体を裏打ちする空気袋のセットにより提供されてもよい。さらに別の態様では、高さ機構は、異なる高さを与えるように構成された、取り外し可能な付属品によって調整されてもよい。
いくつかの態様では、前記装置の脚伝達(tranduction)モジュールは、該装置の支持体の角度を縦方向に調整することを可能にする傾斜調整機構を含む。垂直高さ調整機構と同様に、傾斜調整機構は手動または電気的に操作することができる。特定の態様では、ノブまたはクランクがギアネジに固定され、該ギアネジは少なくとも1つの追加のセットのギアに係合される。これらのギアは、ギアネジの回転運動を、水平方向に配向された係合ネジに伝えて、その係合が水平面に対する支持体の傾きの縦方向での増加または減少をもたらす。ノブまたはクランクを回すことで、対象は支持体の傾きを調整することができる。別の態様では、傾斜調整機構は、電動式の装置、例えば、対象によって操作され得るサーボまたはモータであり得る。さらに別の態様では、傾斜機構は、膨らんだ状態で、脚の一部をしっかりとつかみ、かつ必要な傾斜調整をも提供する、空気袋のセットにより提供されてもよい。さらに別の態様では、傾斜機構は、異なる傾斜角をもつように構成された、取り外し可能な付属品によって調整されてもよい。
他の態様では、前記装置は、マシンを電気的にオンまたはオフにし、かつ往復運動の頻度と横方向変位を調整するオプションの遠隔制御ユニットを含む。この態様での遠隔制御ユニットは、往復運動の波形をも調整することができる。別の態様では、前記装置は、処置セッションの持続時間、支持体の垂直方向の高さ、および支持体の傾斜角度を電気的に調整する遠隔制御ユニットを含む。
さらなる態様では、前記装置は、対象のさまざまな身体的および生理学的パラメータをモニタし、かつ対象のモニタしたパラメータに応じて、往復運動の頻度、波形、横方向変位、および持続時間などの種々の装置操作変数を調整するマイクロプロセッサを含む。この装置は、対象の呼吸数、血中酸素濃度および脈拍、ならびにセッションの頻度、横方向変位、持続時間、進行状況およびこれらの任意の組み合わせをモニタするためのセンサを装備し得る。こうしたセンサからの信号は、対象に対する処置効果および快適性を最適化するために、該装置の往復運動の頻度、波形および持続時間を調整するマイクロプロセッサにフィードバックすることができる。さらに別の態様では、マイクロプロセッサは、自動的に調整して所定の対象のための装置を構成するように、例えば、支持体の垂直方向の高さ、支持体の傾斜角度、ならびに往復運動の持続時間、頻度、波形および横方向変位などの、さまざまな対象の記録データを保存し、保存された記録データを取り出せるようにする。
特定の局面において、本発明の方法で用いる装置およびデバイスは、約60〜200CPM(例えば、約90〜150CPM)の頻度で振動運動を発生させることができる市販の治療用マッサージ器または有酸素運動器具である。これらのタイプの装置およびデバイスは、典型的には、足首のための隆起した受け台で構成され、横になった状態の対象によって使用される。受け台は左右に振動して、気道に軽度のせん断応力を与えるために足首から頭部に移動する正弦波を発生させる。治療用マッサージ器および有酸素運動器具の非限定的な例としては、HsinTen社から販売される「Chi Machine」、米国特許第5,107,822号に記載されて、US Jaclean社から販売される「Chi Vitalizer」などが挙げられる。
VI. 実施例
以下の実施例は、本発明をさらに説明するものであるが、いかなる場合にもその範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
以下の実施例は、本発明をさらに説明するものであるが、いかなる場合にもその範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
実施例1
以前のインビトロ研究は、正常な呼吸によって誘発される気道上皮上での機械的振動せん断応力が管腔ATP放出、気道表面の高さおよび繊毛の拍動頻度を大幅に増加させることを実証した。正常な呼吸は約28サイクル/分(CPM)の頻度を有し、14の吸息と14の呼息である。粘液クリアランスを促進するために呼吸よりも著しく高い頻度で、すなわち、8〜30Hzまたは480〜1800CPMで、振動するせん断応力の原理を使用する既存の器具はいくつか存在している。本研究は本発明の方法に従って実施され、この場合には、70および140CPMの頻度で振動するせん断応力がヒト気道培養物に加えられた。この研究では、ATP、気道表面液の高さ、および繊毛拍動頻度に対する効果を28CPM(すなわち、呼吸数)と比較して評価した。ATP濃度、気道表面液の高さ、および繊毛拍動頻度は全て、28CPMの頻度と比較して、細胞を70および140CPMの頻度でのせん断応力に供したときに、有意に高いことが見出された。これら3つの要因の増加は粘膜繊毛クリアランスを増加させるための鍵となるので、本研究は、本発明の方法が粘膜繊毛クリアランスを改善するために約60〜約200CPM(例えば、70〜140CPM)の頻度で機械的に発生させた振動を提供するのに特に有用であることを実証している。
以前のインビトロ研究は、正常な呼吸によって誘発される気道上皮上での機械的振動せん断応力が管腔ATP放出、気道表面の高さおよび繊毛の拍動頻度を大幅に増加させることを実証した。正常な呼吸は約28サイクル/分(CPM)の頻度を有し、14の吸息と14の呼息である。粘液クリアランスを促進するために呼吸よりも著しく高い頻度で、すなわち、8〜30Hzまたは480〜1800CPMで、振動するせん断応力の原理を使用する既存の器具はいくつか存在している。本研究は本発明の方法に従って実施され、この場合には、70および140CPMの頻度で振動するせん断応力がヒト気道培養物に加えられた。この研究では、ATP、気道表面液の高さ、および繊毛拍動頻度に対する効果を28CPM(すなわち、呼吸数)と比較して評価した。ATP濃度、気道表面液の高さ、および繊毛拍動頻度は全て、28CPMの頻度と比較して、細胞を70および140CPMの頻度でのせん断応力に供したときに、有意に高いことが見出された。これら3つの要因の増加は粘膜繊毛クリアランスを増加させるための鍵となるので、本研究は、本発明の方法が粘膜繊毛クリアランスを改善するために約60〜約200CPM(例えば、70〜140CPM)の頻度で機械的に発生させた振動を提供するのに特に有用であることを実証している。
気道の内側を覆う液体の体積の制御は、肺の防御にとって極めて重要である。正常な気道上皮は、気道表面液(ASL)を、粘液輸送のために効率的な高さに「自己制御」している。最近の研究からは、正常な気道において生理学的に適切な高さのASLの制御は、対抗するイオン輸送系、すなわちNa+の吸収とCl-の分泌、のバランスに関連づけられることが実証される。しかし、嚢胞性線維症(CF)およびCOPDなどの疾患では、粘液の産生および濃度の増加が、結果的に、気道における粘液クリアランスの低下および持続的な細菌感染をもたらす。イオン輸送、すなわち塩の吸収または分泌、の正味の比率を調整する重要なシグナル伝達分子は、ASLに含まれるアデノシン三リン酸(ATP)などのプリンヌクレオチドおよびヌクレオシドである。気道の細胞は管腔にATPを構成的に放出しており、これは、その代謝産物と共に、オートクリン/パラクリン様式で作用して管腔P2-およびP1-プリノセプターを活性化し、Na+とCl-の両輸送を制御し、それゆえにASLの高さおよび粘膜繊毛クリアランスを刺激する。以前の研究は、28CPMでの呼吸を模倣する振動性の機械的応力による気道細胞の機械的刺激が、気道内腔へのATPの放出を刺激し、適切なMCCにとって十分なレベルにまでASLの高さを回復させ、かつ繊毛拍動頻度(CBF)を増加させるのに十分であることを示した(Tarran et al., J Biol Chem 280(42), 35751-59, 2005; Button et al., Resp Physiol Neurobiol. 163(1-3), 189-201 , 2008)。
この実施例は、本発明の方法が、ATP放出を増加させることによって、それゆえにASLの高さおよびCBFを増加させることによって、患者の粘膜繊毛クリアランスを改善するために、約60〜200CPMの振動を機械的に発生させる装置を用いて行うことができることを実証する。インビトロ研究は、十分に分化したヒト気道培養モデル系を使用して、ATP放出、気道表面の水和およびCBFに対する28、70および140CPMでの振動せん断応力の影響を評価するために設計された。70および140CPMの頻度は、本発明の方法に従って気道の振動運動を模倣するために選択されており、一方28CPMは正常な呼吸の振動運動を表している。
方法
ヒト気道細胞培養物の培養： この研究では、初代培養ヒト気管支上皮(HBE)細胞を利用した。これらの細胞は、ノースカロライナ大学(UNC)のCF組織培養コアから、その治験審査委員会(IRB)により承認されたプロトコルの下に入手した細胞であって、肺移植時に得られたドナー肺および切除したレシピエント肺からの余分な組織に由来していた。切除した気管支標本からの細胞は、プロテアーゼ消化を利用して、十分に確立されたプロトコルによって分離した。これらの研究のために、ヒト胎盤コラーゲンをプレコートした12-mmの透過性支持体(Transwell-Clear; Costar社)に継代2の細胞を106細胞/cm2で播種した。細胞を気液条件下で維持し、48〜72時間ごとに洗浄して蓄積された粘液を除去し、完全に分化した培養物(＞200Ω・cm2の経上皮抵抗を有する3〜4週培養物)として研究した。全てのインキュベーションは、十分に加湿した(＞95％)37℃の組織培養インキュベータ(5％CO2)内で行った。
ヒト気道細胞培養物の培養： この研究では、初代培養ヒト気管支上皮(HBE)細胞を利用した。これらの細胞は、ノースカロライナ大学(UNC)のCF組織培養コアから、その治験審査委員会(IRB)により承認されたプロトコルの下に入手した細胞であって、肺移植時に得られたドナー肺および切除したレシピエント肺からの余分な組織に由来していた。切除した気管支標本からの細胞は、プロテアーゼ消化を利用して、十分に確立されたプロトコルによって分離した。これらの研究のために、ヒト胎盤コラーゲンをプレコートした12-mmの透過性支持体(Transwell-Clear; Costar社)に継代2の細胞を106細胞/cm2で播種した。細胞を気液条件下で維持し、48〜72時間ごとに洗浄して蓄積された粘液を除去し、完全に分化した培養物(＞200Ω・cm2の経上皮抵抗を有する3〜4週培養物)として研究した。全てのインキュベーションは、十分に加湿した(＞95％)37℃の組織培養インキュベータ(5％CO2)内で行った。
振動せん断応力の適用： 気道培養物を明確に規定されたせん断応力にさらすため、Button et al., J. Physiol. 580(2), 577-592 (2007)に記載されたシステムを利用した。このシステムは、振動開始-停止運動を使用しており、所望の頻度、加速度/減速度、および最大変位を誘導するようにプログラムされた。十分に分化した気道培養物を、その後の分析のために取り出す前に、0.2〜0.6ダイン/cm2のせん断応力に30分間供した。偽対照培養物を同様の支持体に配置したが、せん断応力にさらさなかった。
管腔ATP測定： 20μlの生理食塩水を、振動せん断応力にさらす直前にHBE培養物の管腔表面に加えた。せん断応力装置から取り出した後直ちに、10μlのアリコートを注意深く取り出した。該アリコートの2〜5μlサンプルを試験管に加えて、その容量をHPLCグレードの水で300μlに調整した。該サンプルに、100μlのルシフェリン-ルシフェラーゼ反応混合物(300μMルシフェリン、5μg/mlルシフェラーゼ、6.25mM MgCl2、0.63mM EDTA、75mMジチオスレイトール、1mg/mlウシ血清アルブミン、25mM HEPES、pH7.8)を加えた。発光を光電子増倍管で検出し、10秒間にわたって積分した。各サンプルから記録された任意(arbitrary)カウント数を二つ組で数え、並列に実施されたATP標準曲線と比較した。発光は0.1〜1000nM ATPの間で直線的であった。
気道表面の水和ダイナミクスの測定： 新たに洗浄した細胞を10μMカルセイン-AMへの15分間の暴露により事前染色して気道上皮細胞を可視化した。気道表面液(ASL)を可視化するために、0.2％v/vテキサスレッド-デキストラン(70kDa、Invitrogen社)を含有する等張生理食塩水を培養物の内腔に短時間噴霧した。生理食塩水のこの容量は、研究前の約10μmの全厚に対して、ASL高さの約3μmのわずかな増加をもたらしたにすぎなかった。30分の振動応力(または偽対照)後に、細胞およびASL層の連続画像を、適切なフィルタ(テキサスレッドとカルセインの場合、それぞれ540nm励起/630nm発光および488nm励起/530nm発光)を使用して、レーザ走査共焦点顕微鏡(モデルSP5; Leica社)により30秒毎に取得した。せん断応力装置より取り出してから最大2時間にわたり30分ごとに画像を取得した。
繊毛拍動頻度(CBF)の測定： 実験手順の開始前に、新たに洗浄した培養物を顕微鏡のステージ上で10分間、37℃の温度に平衡化した。20X対物レンズを用いた倒立位相差顕微鏡(TE 2000; Nikon)で繊毛の画像を記録した。高速(125Hz)ビデオ画像は8ビットb/wカメラ(GS-310 Turbo, Megaplus)で撮った。アナログ信号はアナログ・デジタル変換ボード(A/D; National Instruments社)を介してデジタル化した。デジタルコンピュータ化されたCBF分析システムは、Sisson-Ammonsビデオ分析(Ammons Engineering社)に基づく特殊なソフトウェアを使用して、取得したビデオ画像を分析するために使用された。CBF測定値は、せん断応力装置から培養物を取り出す前と、取り出した後60分までのさまざまな時点で、CBFの時間経過を提供するために、リアルタイムで取得した。
統計分析： 全ての研究において、得られたデータは、一元配置分散分析(one-way ANOVA)とこれに続くHolm-Sidak法を用いた対応のあるワイズ多重比較(paired wise multiple comparisons)により評価した。
結果
気道表面水和に及ぼす影響： 振動せん断応力を受けた全てのグループは、偽と比べてASLの高さに大きな変化があった。図6Aは、せん断前とせん断応力装置から取り出した直後との間のASL高さの絶対差(Δμm)を示す。偽(応力なし)グループではASL高さのわずかな減少が観察されたが、振動応力の頻度に依存したASL高さの有意な増加が認められ、70および140CPMのグループは、呼吸(すなわち、28CPM)のみとは統計的に異なっていた。ASL高さの変化の大きさは、せん断応力の頻度に依存していた(図6A)。140CPMおよび70CPMのグループのASL高さの増加は、28CPM(正常な呼吸)のグループで観察されたものに対して、それぞれ3倍および2倍高かった。せん断応力から取り出した後、ASLの高さは、過剰な液体の再吸収のため、120分で徐々にベースラインに戻った(図6B)。
気道表面水和に及ぼす影響： 振動せん断応力を受けた全てのグループは、偽と比べてASLの高さに大きな変化があった。図6Aは、せん断前とせん断応力装置から取り出した直後との間のASL高さの絶対差(Δμm)を示す。偽(応力なし)グループではASL高さのわずかな減少が観察されたが、振動応力の頻度に依存したASL高さの有意な増加が認められ、70および140CPMのグループは、呼吸(すなわち、28CPM)のみとは統計的に異なっていた。ASL高さの変化の大きさは、せん断応力の頻度に依存していた(図6A)。140CPMおよび70CPMのグループのASL高さの増加は、28CPM(正常な呼吸)のグループで観察されたものに対して、それぞれ3倍および2倍高かった。せん断応力から取り出した後、ASLの高さは、過剰な液体の再吸収のため、120分で徐々にベースラインに戻った(図6B)。
ATP濃度に及ぼす影響： ATPの放出はせん断応力の頻度に依存していた(図7)。140CPMで加えたせん断応力は、70CPMのときよりも約50％高い定常状態ATP濃度の増加をもたらした。70CPMグループでのATP放出は、偽培養物よりも統計的に高かった28CPM(正常な呼吸)グループよりも100％高かった。
繊毛拍動頻度に及ぼす影響： 図8Aに示したように、3つ全ての頻度での振動せん断応力は、偽と比較して、せん断前の値を超えるCBFの有意な増加をもたらした。CBFの変化の大きさは、140CPMグループで最も高く、28CPM(正常な呼吸)グループでの変化と比較して約2倍であった。70CPMグループにおけるCBFの変化は、28CPMグループでの変化よりも1.6倍高かった。図8Bに示したように、28および70CPMの場合に上昇したCBFは、せん断応力の除去後60分までにベースラインに低下した。しかし、140CPMグループでのCBFは、60分の時点でベースラインを上回ったままである。
まとめると、この実施例から、気道上皮を70〜140CPMの範囲での振動せん断応力にさらすことは、正常な呼吸に典型的な28CPMでの応力を受けた細胞と比較して、ATP放出、ASL高さ、およびCBFの有意な増加をもたらしたことが実証される。ATP、ASL高さ、およびCBFの増加は粘液クリアランスを高める上で鍵となる要因であるので、この頻度範囲内で気道上皮に振動せん断応力を発生させることができる装置は、耳管または中耳の疾患ならびに粘膜繊毛クリアランスが損なわれる上部および下部呼吸器疾患を予防または処置するための本発明の方法において有用である。
統計分析
ASLデータの統計分析
一元配置分散分析
ベースライン/せん断前からのASL高さの変化
α＝0.050で実行された検定の検出力：1.000
全てのペアワイズ多重比較手順(Holm-Sidak法)：
全体の有意水準＝0.05
要因の比較：
ASLデータの統計分析
一元配置分散分析
ベースライン/せん断前からのASL高さの変化
全てのペアワイズ多重比較手順(Holm-Sidak法)：
全体の有意水準＝0.05
要因の比較：
ATPデータの統計分析
一元配置分散分析
α＝0.050で実行された検定の検出力：1.000
全てのペアワイズ多重比較手順(Holm-Sidak法)：
全体の有意水準＝0.05
要因の比較：
一元配置分散分析
全てのペアワイズ多重比較手順(Holm-Sidak法)：
全体の有意水準＝0.05
要因の比較：
繊毛拍動頻度(CBF)データの統計分析
一元配置分散分析
ベースライン/せん断前からのCBFの変化
α＝0.050で実行された検定の検出力：1.000
全てのペアワイズ多重比較手順(Holm-Sidak法)：
全体の有意水準＝0.05
要因の比較：
一元配置分散分析
ベースライン/せん断前からのCBFの変化
全てのペアワイズ多重比較手順(Holm-Sidak法)：
全体の有意水準＝0.05
要因の比較：
実施例2
粘膜繊毛クリアランスシステムは、3つの構成要素、すなわち、ムチンの分泌、気道の水和を維持するためのイオン輸送機構、および同期的な繊毛活動から成っている。インビトロ研究は、気道上皮への振動せん断応力が管腔アデノシン三リン酸の放出を刺激し、それがプリノセプターを介して気道水和および繊毛拍動頻度の増加を誘導することを示した。現在の粘液クリアランス装置は、8〜30Hzの非常に高い頻度で振動するせん断応力を利用している。この実施例では、約1〜3Hz(例えば、60〜200CPM)のはるかに低い頻度での振動運動を使用することが、粘膜繊毛クリアランスを改善するのに有効であることを実証する。これは、例示的な装置を使用して外部振動運動を加え、中耳炎を患う個人の上気道において振動せん断応力を誘導したとき実証された。約60〜200CPMのはるかに低い頻度での振動せん断応力は、MCCを十分に増加させて耳管を間欠的に開かせ、中耳圧の平衡を可能にした。
粘膜繊毛クリアランスシステムは、3つの構成要素、すなわち、ムチンの分泌、気道の水和を維持するためのイオン輸送機構、および同期的な繊毛活動から成っている。インビトロ研究は、気道上皮への振動せん断応力が管腔アデノシン三リン酸の放出を刺激し、それがプリノセプターを介して気道水和および繊毛拍動頻度の増加を誘導することを示した。現在の粘液クリアランス装置は、8〜30Hzの非常に高い頻度で振動するせん断応力を利用している。この実施例では、約1〜3Hz(例えば、60〜200CPM)のはるかに低い頻度での振動運動を使用することが、粘膜繊毛クリアランスを改善するのに有効であることを実証する。これは、例示的な装置を使用して外部振動運動を加え、中耳炎を患う個人の上気道において振動せん断応力を誘導したとき実証された。約60〜200CPMのはるかに低い頻度での振動せん断応力は、MCCを十分に増加させて耳管を間欠的に開かせ、中耳圧の平衡を可能にした。
粘膜繊毛クリアランス(MCC)は、吸入された病原体および汚染物質から肺を保護する生来の防御機構である。MCC機構は3つの構成要素、すなわち、杯細胞によるムチンの分泌、気道表面液(ASL)の十分な水和を維持するイオン輸送機構、および飲み込まれるようにまたは咳をして吐き出されるように粘液を咽頭に向かって移動させるために同期的に拍動する、気道表面を覆っている繊毛から成っている。中耳、耳管、鼻腔および副鼻腔、気管、気管支ならびに細気管支の内側を覆っている、繊毛細胞と杯細胞からなる上皮は、MCCシステムを形成する。嚢胞性線維症(CF)、慢性閉塞性肺閉塞(COPD)、慢性鼻炎および中耳炎などの疾患では、MCCが損なわれる。
以前の研究では、28サイクル/分(CPM)での呼吸を模倣する、機械的振動応力による気道細胞の機械的刺激は、管腔アデノシン三リン酸ATPの放出を刺激することにより、MCCを増加させることが実証された(Tarran et al., J Biol Chem 280(42), 35751-59, 2005; Button et al., Resp Physiol Neurobiol. 163(1-3), 189-201, 2008)。管腔ATPの増加は、粘液クリアランスの増強をもたらす、ASL高さおよび繊毛拍動頻度(CBF)の増加を誘導する。この研究では、本発明の方法が、正常な呼吸よりも良好に粘液クリアランスを改善するために、正常な呼吸よりもわずかに高い頻度で対象の上下気道において振動せん断応力を機械的に発生させ得ることを実証する。8〜30Hzで動作する高頻度胸壁振動ベストおよび呼気陽圧デバイスなどの既存の装置とは違って、本発明は、約1〜3Hz、例えば約60〜200CPMで動作する方法および装置を提供する。さらに、下部呼吸器系にのみ向けられた既存の方法および装置とは異なり、本発明は、上気道と下気道の両方に同時に動作するように設計された方法および装置を提供する。
中耳炎を患う対象は、通常は炎症によって引き起こされる耳管の閉塞または部分的閉塞に起因する負の中耳圧を有する。この研究では、本発明の方法が、耳管を開かせ、したがって、中耳圧を周囲圧力へと平衡化させて、ティンパノメトリで測定して中耳圧の検出可能な増加につながるように、十分に中耳と耳管におけるMCCを増加させることを実証する。中耳圧は、初期の負中耳圧を有する対象において治療用マッサージ器などの例示的な装置を用いて、処置前と処置後に測定された。中耳圧の改善は、気道におけるMCCが改善されたことの反映であった。というのは、気道上皮が処置中に同じ振動せん断応力条件にさらされるからである。
方法
負耳圧を有する3人の対象を、治療用マッサージ器を用いて処置した。対象AおよびBはHsinTen社から販売されるSun Ancon「Chi Machine」で処置し、対象CはUS Jaclean社から販売される「Chi Vitalizer」USJ106で処置した。両方のマシンは、140CPMで振動しかつ同様の変位を有するように設定された。ティンパノメトリピーク圧(Tympanometric Peak Pressure: TPP)で示される中耳圧は、Micro Audiometrics社製のEarscan音響インピーダンス計測器を用いて処置前と処置後に測定した。3人の対象についてのデータを数日にわたって収集した。
負耳圧を有する3人の対象を、治療用マッサージ器を用いて処置した。対象AおよびBはHsinTen社から販売されるSun Ancon「Chi Machine」で処置し、対象CはUS Jaclean社から販売される「Chi Vitalizer」USJ106で処置した。両方のマシンは、140CPMで振動しかつ同様の変位を有するように設定された。ティンパノメトリピーク圧(Tympanometric Peak Pressure: TPP)で示される中耳圧は、Micro Audiometrics社製のEarscan音響インピーダンス計測器を用いて処置前と処置後に測定した。3人の対象についてのデータを数日にわたって収集した。
第1の対象(対象A)は、身長5フィート11インチ、体重220ポンドの49歳男性であり、右耳に慢性中耳炎を有する。この対象には左耳に滲出性中耳炎があり、そのため左耳はティンパノメトリ圧力測定値を登録しなかった。右耳のTPPを7日間にわたって5日測定した。これら5日間の各日に、対象Aを140CPMに設定した治療用マッサージ器で30分間処置した。
第2の対象(対象B)は、身長5フィート3インチ、体重125ポンドの49歳女性であり、慢性鼻炎と両耳に中耳炎を有する。TPPデータを8日間にわたって4日測定した。これら4日間の各日に、対象Bを140CPMに設定した治療用マッサージ器で30分間処置した。
第3の対象(対象C)は、身長5フィート、体重125ポンドの53歳女性であり、風邪のため一時的な鼻づまりと両耳に中耳炎を経験していた。TPPを8日間にわたって4日測定した。これら4日間の各日に、対象Cを140CPMに設定した治療用マッサージ器で15分間処置した。
各対象について、対応のあるt検定を用いて中耳圧を分析した。
上気道における典型的な運動度を評価するために、第4の対象を「Chi Vitalizer」治療用マッサージ器を使いながらビデオテープに録画し、その後、冠状面で身体全体に沿って額の変位を示すために映像をデジタル化した。この第4の対象は、身長が5フィート6インチで、体重が約110ポンドである。
結果
図9〜11に示すように、TPPで示される中耳圧は、3人全ての対象において処置後に増加した。処置後の中耳圧は、対象A、BおよびCについて、それぞれ、0.007、0.007および0.001のp値を示し、処置前の値よりも有意に高かった。各対象についての処置前および処置後の平均TPPを図12に示す。全ての場合に、対象は、処置中に耳での「ツンとなる」感覚または「さっと抜ける」(slight movement)感覚を報告し、いくつかの場合には、処置が完了した後何時間および何日間もそうした感覚を報告した。
図9〜11に示すように、TPPで示される中耳圧は、3人全ての対象において処置後に増加した。処置後の中耳圧は、対象A、BおよびCについて、それぞれ、0.007、0.007および0.001のp値を示し、処置前の値よりも有意に高かった。各対象についての処置前および処置後の平均TPPを図12に示す。全ての場合に、対象は、処置中に耳での「ツンとなる」感覚または「さっと抜ける」(slight movement)感覚を報告し、いくつかの場合には、処置が完了した後何時間および何日間もそうした感覚を報告した。
処置後のTPPの増加は、上気道域に発生させた軽度の振動せん断応力が耳管を間欠的に開かせるのに十分MCCを増加させたことを実証した。気道上皮全体が同じ振動せん断応力にさらされるので、この中耳におけるMCCの改善は、気道全体に沿って増強されたMCCを反映している。
図13は、横たわっている間に対象の身体の下肢に振動運動を加えることによって、その振動運動が頭に伝達され、それによって、気道全体に沿って振動せん断応力が生じることを示している。この場合には、この対象に対して「Chi Vitalizer」などの例示的な装置またはデバイスにより発生された変位が冠状面に沿って2つの方向で観察された。例えば、約9〜10mmの変位は左右に、すなわち耳-耳方向に観察され、1〜2mmの変位は縦方向に、すなわち頭-つま先方向に観察された。このように、本明細書に記載の方法および装置は、CF、COPD、アレルギー性および非アレルギー性鼻炎、慢性副鼻腔炎、中耳炎、ならびに粘膜繊毛クリアランスを改善する必要がある他の疾患などの疾病を予防または処置する上で有用性がある。
統計分析
ティンパノメトリピーク圧の統計分析：
結果：対象Aについて
対応のあるt検定およびCI：処置後、処置前
処置後-処置前の対応のあるt
平均差の95％CI：(34.1, 119.1)
平均差＝0(対＝0でない)のt検定：t値＝5.01 p値＝0.007
結果：対象Bについて
対応のあるt検定およびCI：処置後、処置前
処置後-処置前の対応のあるt
平均差の95％CI：(10.77, 46.23)
平均差＝0(対＝0でない)のt検定：t値＝3.80 p値＝0.007
結果：対象Cについて
対応のあるt検定およびCI：処置後、処置前
処置後-処置前の対応のあるt
平均差の95％CI：(21.48, 52.02)
平均差＝0(対＝0でない)のt検定：t値＝5.69 p値＝0.001
ティンパノメトリピーク圧の統計分析：
結果：対象Aについて
対応のあるt検定およびCI：処置後、処置前
処置後-処置前の対応のあるt
平均差＝0(対＝0でない)のt検定：t値＝5.01 p値＝0.007
結果：対象Bについて
対応のあるt検定およびCI：処置後、処置前
処置後-処置前の対応のあるt
平均差＝0(対＝0でない)のt検定：t値＝3.80 p値＝0.007
結果：対象Cについて
対応のあるt検定およびCI：処置後、処置前
処置後-処置前の対応のあるt
平均差＝0(対＝0でない)のt検定：t値＝5.69 p値＝0.001
理解を明確にするために、図面および実施例によって前述の本発明をかなり詳しく説明してきたが、当業者は、特定の変更および改変が添付の特許請求の範囲内で実施され得ることを理解するであろう。さらに、本明細書に提供された各参考文献は、各文献が個々に参照により組み入れられたのと同じ程度に、その全体が参照により組み入れられる。
Claims (27)
- 平坦な表面上に仰臥位で位置する対象に振動横方向運動を提供する段階であって、振動横方向運動が約60〜約200サイクル/分の頻度で加えられる、段階；および
前記振動横方向運動を約2〜約60分の時間にわたって提供する段階
を含む、対象の粘膜繊毛クリアランスを増加させる方法。 - 耳管、中耳、副鼻腔、鼻腔、気管、気管支、および細気管支からなる群より選択される少なくとも1つにおいて粘液をクリアランスする(clear)、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の各脚の一部に加えられる、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の各脚の各足首に加えられる、請求項3記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の各脚の各膝に加えられる、請求項3記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の各脚の各ふくらはぎに加えられる、請求項3記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の各脚の各腿に加えられる、請求項3記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の各脚の各臀部に加えられる、請求項3記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の胴体に加えられる、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約90〜約180サイクル/分の頻度である、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約110〜約160サイクル/分の頻度である、請求項10記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約130〜約150サイクル/分の頻度である、請求項10記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約140サイクル/分の頻度である、請求項10記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約10〜約50分の時間にわたって加えられる、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約20〜約45分の時間にわたって加えられる、請求項14記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約25〜約35分の時間にわたって加えられる、請求項14記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の臀部に左右交互のねじれ運動を提供する、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の胴体に左右交互のねじれ運動を提供する、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の頭部に左右交互のねじれ運動を提供する、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の額の約5mm〜約20mmの横方向変位に変換される、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の額の約8mm〜約14mmの横方向変位に変換される、請求項20記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の額の約0.5mm〜約5mmの縦方向変位に変換される、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の額の約1mm〜約2mmの縦方向変位に変換される、請求項22記載の方法。
- 前記時間の終了後に粘膜繊毛クリアランスの量の評価を行うヘルスケアプロバイダ(health care provider)をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が前記対象の呼吸器系において振動せん断応力を発生させる、請求項1記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約0.01〜約10ダイン/cm2の範囲の振動せん断応力を発生させる、請求項25記載の方法。
- 前記振動横方向運動が約0.1〜約5ダイン/cm2の範囲の振動せん断応力を発生させる、請求項25記載の方法。
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