JP4810425B2 - 電気パルスを発生するための装置および該装置を使用する方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2003年7月18日に出願された米国仮出願第60/487,932号、2003年9月4日に出願された米国仮出願第60/499,921号、および2003年12月4日に出願された米国仮出願第60/526,585号の恩典を主張し、これらの開示は参照により本明細書に組み入れられる。
本発明は、米国空軍科学研究局により授与されたAFOSR MURI助成第F49620-02-1-0320号の下、政府支援を受けて為された。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
医学および生物学における電気/電場の検出および使用は、双方ともに広範囲に及び、よく受け入れられている。心電図記録(EKG)および脳波記録(EEG)はそれぞれ心臓および脳における電気活性を検出するために用いられる。パルス電場の心筋への適用である電気的除細動は、心臓の鼓動を停止、変更、または再開するために日常的に用いられる。低出力電場を骨折に適用して、治癒を促進することもできる。筋電図記録は、筋またはそれらの関連する神経への測定電気パルスの適用であり、筋機能を測定するため、および/または筋損傷の程度を判断するために用いられ得る。生物学では、電場は様々な用途を有し、例えば異なる大きさ(電気泳動)または異なる電荷(等電点電気泳動)の分子を分離するために、および異なる特性を有する細胞を分離する(フローサイトメトリーの間の細胞選別)ために用いられ得る。電場は、電気穿孔と呼ばれる過程を経て、新規なタンパク質または遺伝子を生細胞へ導入するためにも用いられ得る。
本発明は、ナノ秒パルス電場(「nsPEF」)の適用を含む、細胞に薬剤を導入する方法に関する。
本発明の原理の理解を促すため、ここで好ましい態様を参照し、これらを説明するために特定の用語を用いるが、本発明の範囲の制限がそれにより意図されないことは理解されるであろう。本発明の当業者が通常思いつくような、本発明の変更および更なる修飾、ならびに本明細書で説明される本発明の原理のこのような更なる適用は、本明細書においてさらに想定されている。
高周波細胞内効果の適用は、表面膜の帯電時間に匹敵するまたは更に低い時間尺度で大きな細胞内電場を生成するという問題により制限されていた。細胞内膜の電気穿孔(細胞内電気操作、「IEM」)が1 Vのオーダーでこのような膜をわたる電位差を要すると仮定する場合、1μmの特有な寸法を有する細胞内構造の穿孔にkV/cmのオーダーの電場が必要であろう。生体電気実験で用いられてきた単極パルス発生器の大半はマイクロ秒からミリ秒の持続時間のパルスを生じ、立ち上がり時間が非常に遅いため、測定可能な細胞内効果を生成できない。しかしながら、米国特許第6,326,177号に記載されているように、本発明者らは、細胞の懸濁液または組織内でMV/cm近い電場を生成するのに適した電圧振幅を有するナノ秒範囲の電気パルスを発生できる高電圧短持続時間の電気パルスを生成するための技術を開発した(Mankowski, J., Kristiansen, M. A review of Short Pulse Generator Technology. IEEE Trans Plasma Science 28:102-108, 2000)。ナノ秒持続時間のため、これらのパルスにより細胞/組織に転移する平均エネルギーは理論的に無視できる程度であり、熱的効果を伴わずに電気効果をもたらす。
上記のように、細胞を電気透過化した後に、これら細胞をnsPEFへ暴露する実験を実施した。これらの実験は、HL-60細胞において緑色蛍光タンパク質(GFP)レポーター遺伝子の発現の増強をもたらした。図1〜6は、HL-60細胞に及ぼす異なるパルスの影響を示す。
HL-60細胞を増殖培地から取り出し、洗浄し、0.85 mM K2HPO4、0.3 mM K2HPO4(pH 7.2)、および10 mM KCl(22℃で伝導率1.5 mS/cm)を含む低伝導率緩衝液(LCB)に再懸濁した。浸透圧はイノシトールの添加により290 mOsmに調整した。細胞懸濁液(106細胞/ml)を、nsPEFパルス前に、BioRad gene Pulser(登録商標)キュベット(Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA)に充填した。nsPEFパルスを伝送するためにケーブルパルス発生器を使用した。nsPEFは、ケーブルパルス発生器により、0.1、0.2、または0.4 cm離れた平行平板電極を備えたキュベットに懸濁された細胞に伝送された。簡単に述べると、発生器は10Ωのパルス形成ネットワーク(並列接続で5つの50Ωケーブル)およびナノ秒閉鎖スイッチとしての大気中のスパークギャップからなる。パルス後、細胞懸濁液をパルスキュベットから取り出して検定した。
図1に見られるように、nsPEFパルス単独ではGFP蛍光に影響はなかったが、古典的な電気穿孔パルスは幾何平均蛍光で測定して約2.6倍まで単独で蛍光を増加させた。しかしながら、細胞の約3分の1のみがGFPを発現した。連続した両パルスの存在下では、GFP蛍光は33.58であった。これは対照(3.73)より約9倍大きく、古典的な電気穿孔パルス単独(9.67)で観察されるものより約3.5倍大きかった。さらに、長パルスおよび短パルスの組み合わせに暴露された基本的に全ての細胞は、古典的な電気穿孔条件に暴露された細胞より高い蛍光強度を有するGFPを発現した。
Claims (36)
- インビトロにおいて、遺伝子のヌクレオチド配列を含むプラスミドの存在下で、
一つまたは複数の長パルスを細胞に適用する工程と、一つまたは複数のナノ秒パルス電場パルスを該細胞に適用する工程とを含み、
該長パルスが1マイクロ秒から20ミリ秒の持続時間を有し、
該ナノ秒パルス電場パルスが1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有する、細胞における前記遺伝子の発現を増強する方法。 - 0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有する第一パルスを発生するための第一回路;
1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する第二パルスを発生するための第二回路;および
該第一パルスおよび該第二パルスをそれぞれ発生するために該第一回路および該第二回路のタイミングを制御するための制御回路
を含み、
前記第一回路が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結されたコンデンサ;および
該コンデンサの該ロードへの放電を制御するためのトランジスタ
を含み;
前記第二回路が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;および
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結された伝送線を含み、該伝送線がロードへ放電することを含む;
細胞に導入される遺伝子の発現増強用の、電気パルスを発生するためのパルス発生器。 - 制御回路が第一パルスと第二パルスとの間に1ミリ秒から5時間の間隔を許容する、請求項2記載のパルス発生器。
- 制御回路が第一パルスと第二パルスとの間に1ミリ秒から24時間の間隔を許容する、請求項2記載のパルス発生器。
- 第一パルスおよび第二パルスをロードに伝送するための伝送装置をさらに含む、請求項2〜4のいずれかに記載のパルス発生器。
- 伝送装置が一対の電極を含む、請求項5記載のパルス発生器。
- ロードが懸濁細胞および生体組織の少なくとも一つを含む、請求項5記載のパルス発生器。
- トランジスタが、コンデンサの放電を制御するために制御回路からの少なくとも一つのコマンドに応答する、請求項2〜7のいずれかに記載のパルス発生器。
- トランジスタが、熱損傷を被ることなく持続大電流に対処するために低い順電圧を有する、請求項2〜7のいずれかに記載のパルス発生器。
- トランジスタが絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタである、請求項2〜7のいずれかに記載のパルス発生器。
- 制御回路に連結され制御される第一スイッチをさらに含み、該第一スイッチがロードから第一回路を連結および分離するよう機能可能である、請求項2〜10のいずれかに記載のパルス発生器。
- 第一スイッチが機械スイッチおよび真空スイッチの少なくとも一つである、請求項11記載のパルス発生器。
- 第一スイッチが磁気スイッチである、請求項11記載のパルス発生器。
- 制御回路からの第一コマンドに応答する第一スイッチを作動するために該制御回路に連結された第一トリガーユニットをさらに含む、請求項11〜13のいずれかに記載のパルス発生器。
- 伝送線がブルムレイン機器構成の伝送線である、請求項2〜14のいずれかに記載のパルス発生器。
- 制御回路に連結され制御される第二スイッチをさらに含み、該第二スイッチが伝送線を放電するよう機能可能である、請求項2〜15のいずれかに記載のパルス発生器。
- 第二スイッチがスパーク・ギャップ・スイッチである、請求項16記載のパルス発生器。
- 制御回路からの第二コマンドに応答する第二スイッチを作動するために該制御回路に連結された第二トリガーユニットをさらに含む、請求項16記載のパルス発生器。
- 0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有する第一パルスを発生するための第一発生器手段;
1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する第二パルスを発生するための第二発生器手段;および
該第一発生器手段および該第二発生器手段により発生するパルスのタイミングを制御するための制御手段
を含み、
前記第一発生器手段が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結されたコンデンサ;および
該コンデンサの該ロードへの放電を制御するためのトランジスタ
を含み;
前記第二発生器手段が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;および
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結された伝送線を含み、該伝送線がロードへ放電することを含む;
細胞に導入される遺伝子の発現増強用の、電気パルスを発生するためのパルス発生器。 - 制御回路が第一パルスと第二パルスとの間に1ミリ秒から5時間の間隔を許容する、請求項19記載のパルス発生器。
- 制御回路が第一パルスと第二パルスとの間に1ミリ秒から24時間の間隔を許容する、請求項19記載のパルス発生器。
- 第一パルスおよび第二パルスをロードに伝送するための伝送手段をさらに含む、請求項19〜21のいずれかに記載のパルス発生器。
- ロードが懸濁細胞および生体組織の少なくとも一つを含む、請求項22記載のパルス発生器。
- インビトロにおいて、遺伝子のヌクレオチド配列を含むプラスミドの存在下で、
パルス発生器の第一回路から0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有する第一パルスを誘発する工程;
第一パルスを少なくとも一つの細胞に伝送して、該少なくとも一つの細胞の原形質膜で電気穿孔を惹起する工程;
パルス発生器の第二回路から1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する第二パルスを誘発する工程;および
第二パルスを該少なくとも一つの細胞に伝送して、該少なくとも一つの細胞の核膜で電気穿孔を惹起する工程
の連続工程、不連続工程、および順序に依存しない工程を含む、請求項2〜18のいずれかに記載のパルス発生器を用いて細胞における前記遺伝子の発現を増強する方法。 - 第一パルスを誘発する工程が、
コンデンサを充電する工程;および
コンデンサに蓄積された電荷の放電を開始するよう高圧大電流トランジスタを作動させる工程をさらに含み、
該電荷は少なくとも一つの細胞に伝送される第一パルスである、
請求項24記載の方法。 - コンデンサの放電を停止するようトランジスタを作動させる工程をさらに含む、請求項25記載の方法。
- 第二パルスを誘発する工程が、
伝送線を充電する工程;および
伝送線に蓄積された電荷の放電を開始するよう高圧スイッチを作動させる工程をさらに含み、
該電荷は少なくとも一つの細胞に伝送される第二パルスである、
請求項24〜26のいずれかに記載の方法。 - 伝送線の放電を停止するよう高圧スイッチを作動させる工程をさらに含む、請求項27記載の方法。
- 第二パルスを伝送する前に所定の間隔を待機する工程をさらに含む、請求項24〜28のいずれかに記載の方法。
- 所定の間隔が少なくとも一つの細胞の原形質膜から核膜へのポリヌクレオチドの拡散に基づくものである、請求項29記載の方法。
- 所定の間隔が1ミリ秒から24時間の範囲である、請求項29記載の方法。
- インビトロにおいて、遺伝子のヌクレオチド配列を含むプラスミドの存在下で、
コンデンサを充電する工程;
コンデンサに蓄積された電荷を少なくとも一つの細胞へ放電し始めるよう高圧大電流トランジスタを作動させ、該少なくとも一つの細胞の原形質膜で電気穿孔を惹起する工程;
所定の長い持続時間後にコンデンサの放電を停止するよう高圧大電流トランジスタを作動させる工程;
該少なくとも一つの細胞からコンデンサを分離するためのスイッチを作動する工程;
伝送線を充電する工程;
伝送線に蓄積された電荷を該少なくとも一つの細胞へ放電し始めるよう高圧スイッチを作動させ、該少なくとも一つの細胞の核膜で電気穿孔を惹起する工程;および
所定の短い持続時間後に伝送線の放電を停止するよう高圧スイッチを作動させる工程
の連続工程、不連続工程、および順序に依存しない工程を含む、請求項2〜23のいずれかに記載のパルス発生器を用いて細胞における前記遺伝子の発現を増強する方法。 - 0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有する第一パルスを発生するための第一パルス発生器であって、該第一パルスが細胞の細胞原形質膜の電気穿孔を惹起する発生器;
1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する第二パルスを発生するための第二パルス発生器であって、該第二パルスが細胞の核膜の電気穿孔を惹起する発生器;および
該第一パルス発生器および該第二パルス発生器により発生するパルスのタイミングを制御するための制御回路
を含み、
前記第一パルス発生器が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結されたコンデンサ;および
該コンデンサの該ロードへの放電を制御するためのトランジスタ
を含み;
前記第二パルス発生器が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;および
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結された伝送線を含み、該伝送線がロードへ放電することを含む;
細胞に導入される遺伝子の発現増強用の二元パルス発生器。 - 0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有する第一パルスを発生するための第一発生器手段であって、該第一パルスが細胞の細胞原形質膜の電気穿孔を惹起する手段;
1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する第二パルスを発生するための第二発生器手段であって、該第二パルスが細胞の核膜の電気穿孔を惹起する手段;および
該第一発生器手段および該第二発生器手段により発生するパルスのタイミングを制御するための制御手段
を含み、
前記第一発生器手段が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結されたコンデンサ;および
該コンデンサの該ロードへの放電を制御するためのトランジスタ
を含み;
前記第二発生器手段が、
高圧電源;
該高圧電源と連結した充電レジスタ;および
第一末端で該充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結された伝送線を含み、該伝送線がロードへ放電することを含む;
細胞に導入される遺伝子の発現増強用の二元パルス発生器。 - 第一高圧電源;
該第一高圧電源と連結した第一充電レジスタ;
第一末端で該第一充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結されたコンデンサ;
第一充電レジスタの第二末端およびコンデンサの第一末端と連結されたトランジスタであって、コンデンサの該ロードへの放電を制御するトランジスタ;
第二高圧電源;
該第二高圧電源と連結した第二充電レジスタ;
第一末端で該第二充電レジスタと連結され第二末端でロードと連結された伝送線;
該コンデンサおよび該伝送線の放電を制御するための制御回路;
ロードから該コンデンサを選択的に連結および分離するための第一スイッチ;
該制御回路および該第一スイッチに連結された第一トリガーユニットであって、該制御回路から受信する一つまたは複数のコマンドに応答する該第一スイッチを作動する第一トリガーユニット;
該伝送線を選択的に放電するための第二スイッチ;
該制御回路および該第二スイッチに連結された第二トリガーユニットであって、該制御回路から受信する一つまたは複数のコマンドに応答する該第一スイッチを作動する第二トリガーユニット;および
該コンデンサおよび該伝送線からロードへの放電を伝送するための伝送装置
を含む、細胞に導入される遺伝子の発現増強用の二元パルス発生器であって、
該二元パルス発生器からは、第一パルスおよび第二パルスが発生し、
該第一パルスが、0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有し;
該第二パルスが1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する、二元パルス発生器。 - インビトロにおいて、遺伝子のヌクレオチド配列を含むプラスミドの存在下で、
二元パルス発生器から第一パルスを誘発する工程であって、第一パルスが0.1ミリ秒から20ミリ秒の持続時間を有するとともに、0.1 kV/cmから1 kV/cmの電場強度を有する工程;
第一パルスを少なくとも一つの細胞に伝送して、該少なくとも一つの細胞の原形質膜で電気穿孔を惹起する工程;
所定の時間間隔を待機する工程;
二元パルス発生器から第二パルスを誘発する工程であって、第二パルスが1ナノ秒から300ナノ秒の持続時間を有するとともに、10 kV/cmから350 kV/cmの電場強度を有する工程;および
第二パルスを該少なくとも一つの細胞に伝送して、該少なくとも一つの細胞の核膜で電気穿孔を惹起する工程
の連続工程、不連続工程、および順序に依存しない工程を含む、請求項33〜35のいずれかに記載の二元パルス発生器を用いて細胞における前記遺伝子の発現を増強する方法。
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