JP5032500B2 - 蛋白性組織の解離及び除去のためのシステム - Google Patents
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Description
本出願は2006年1月3日に提出された仮特許出願第60/755,839号に対する優先権を主張する。
本出願において説明される発明は、生物化学的分子研究、治療薬開発、滅菌技術、商業的重合化、プラズマ研究及びMEMS(ラボオンチップlab−on−a−chip)の進歩のために現在使用されている先行技術の非外科的テクノロジーのいくつかを評価することにより基本的に理解できる。他のシステム(蛋白性物質が強力パルス電場のデリバリによって操作され損なわれるタイプのもの)について例証するために、先行技術のテクノロジーの主要な態様について下に説明する。
電気レオロジー(ER:Electrorheology)は、生物学的流体を含めて流体のレオロジーが電場(通常、低DC電場)を与えることにより修正される現象である。流体に与えられる電場は流体にバルク相転移(bulk−phase transition)を誘発し、その際、電場強度が最も重要なパラメータであり、電場の周波数は一般に最も重要ではないパラメータである。ほとんどのコロイド状ER流体は電場振幅を増大することによって粘弾性効果を増す。興味深いことに、流体の粘弾性の減少は最高電場強度のときに現れるが、流体の粘弾性に対する電場強度の効果についての決定的な研究は欠けており、ERのメカニズムは未知のままである。
電気泳動(または誘電泳動)は、電場における相互の電極すなわち負極または正極に向かう粒子の移動を伴う。電気泳動プロセスは、生体分子を分離し純化する(例えば、DNA及びRNA分離)ために使用される。ナノメートルからマイクロメートル程度の大きさの物質の場合、電気泳動プロセスは、物質の非常に特異な隔離及び物質特性の測定の両方に有効に作用する。電気泳動において、閉じ込められた懸濁液における電場誘発の相転移が空間的に均等のAC電場の問題である。この電場誘発の相転移は、懸濁液における周知の円柱構造の電場誘発形成に続いて生じる。外部電場を受けると、電場内部の粒子は電場の方向に沿って整列して、鎖及び柱を形成する。粒子の鎖及び柱は、その後、電場及び流体の流れの作用によって引き伸ばされる。粒子の分離及び隔離のために掛かる時間は数分から数時間程度のものであり、複数の二次的プロセスの応用を伴う場合が多い。高分子分離を強化するために、しばしばイオン界面活性剤(例えば、ドデシル硫酸ナトリウムSDS)及び標本希釈が使用される。イオン界面活性剤は疎水性環境と親水性環境との間の化学的ブリッジを形成して、自然の蛋白質構造を維持するために必要な疎水性接続力を破壊するまたはこれを低下させる能力を有する。
フィールドフローフラクショネーション(FFF:Field Flow Fractionation)は多くの方法で液体クロマトグラフィと両立可能な実験的溶液分離法である。一般に、FFFシステムにおいて分離される物質及び物質のサイズ範囲は電気泳動及び液体クロマトグラフィを用いて分析されるものに対して補完的である。FFFシステムにおいては、分離の主役(電場)が分離の方向に直交する方向に加えられて、FFFチャネルの出口で標本成分の時空間分離を生じさせる。FFFチャネルにおける分離は標本成分の滞留(時間)の差に基づく。一方、FFFシステムにおける滞留は標本の物理化学特性の差、加えられる攻撃の強さ及び様式及び分離チャネルにおける流体速度プロフィルに関連する。FFFの利用は電気泳動時間を数時間から数分に減少する。
マイクロ電気機械システム(MEMS)の機械加工において実施される作業から電気的フィールドフローフラクショネーション(EFFF)が生じる。EFFFは、軸方向か横方向に電場を与えることによってマイクロチャネルにおいて同伴されたナノ粒子、蛋白質及び高分子を生体外分離するためのプロセスである。この技法は、現在、MEMSマイクロ泳動装置と関連して研究中である。この方法は、電位(一方向側方電場)の作用を受ける検体の軸方向の流れに基づいている。流路における粒状標本の分離性能及び滞留時間は流路の流れ場を横切って加えられる電場と標本との相互作用によって決まる。蛋白質複合体の解離、蛋白質結合の破壊及びその後の分割はEFFFによって得られてきた。EFFFにおいて周期的(振動)電位を加えることによって、滞留時間が増大し、その結果分離が大幅に向上した。
電気穿孔は細胞膜の透過性を可逆的かつ一時的に増すために使用されてきた別の先行技術の非外科的テクノロジーである。生体外における細胞膜を横切る薬物及び遺伝子のデリバリを強化するために1994年ごろに導入された電気穿孔(EP)は、過去10年間に、分子生物学研究所における標準的手順となった。電気穿孔は、マイクロ秒からミリ秒の範囲の持続時間を有する電気エネルギーのパルス(センチメートル当たりのキロボルトで測定される)によって細胞膜の半透過性を一時的に損失させる技法である。このような細胞膜の半透過性の一時的損失は、イオン漏出、代謝物質の漏出、薬物、分子プローブ及びDNAの細胞摂取の増大を引き起こす。一部の先行技術の電気穿孔の応用は、形質移入のための生体細胞へのプラスミドまたは異物DNAの導入、ハイブリドーマを用意するための細胞の融合及び細胞膜への蛋白質の挿入を含む。古典的には、細胞のタイプ及び懸濁媒体に応じて0.1から10ミリ秒程度のパルス持続時間及びkV/cmの電場強度が利用されてきた。電気穿孔のメカニズム(すなわち、細胞経路の開閉)は完全には理解されていない。
ナノ秒パルス電場(nsPEF)テクノロジーは上述の電気穿孔テクノロジーの延長であり、生体内応用を含む。このテクノロジーにおいては、かなり高い電場(最高300kV/cm)と共に大幅に短い持続時間(1〜300ns)で形成される方形パルスまたは台形パルスが利用される。nsPEFはパルスパワーテクノロジーの進歩から発展した。このパルスパワーテクノロジーの使用は、試験対象である標本において生物学的に大幅な温度上昇を生じさせることなく細胞及び組織の電気穿孔に使用される電気エネルギーのパルスより数百倍高い電場強度を持つナノ秒パルス電場(nsPEF)の応用につながった。非常に少数の電気エネルギーパルスを使用することにより、nsPEFの効果は基本的に非熱的である。古典的な電気穿孔技法と異なり、哺乳類の細胞に対するnsPEFの効果が研究されたのはごく最近である。適切な振幅及び持続時間のnsPEFの応用は一時的な細胞透過性の増大、細胞または細胞下損傷または細胞消滅さえ生じさせる。生体内ナノ秒電気穿孔において、目標は狭い時間枠内での効果的な電場の均等分布を得ることである。
電気浸透(EO)はマイクロ装置に使用するための流体を運搬または混合するために使用される技法である。主要な概念は、流体に一方向のマックスウェル力を生成するために電極/電解液境界面において異なる荷電メカニズム及び極性強度の二重層を利用することである。この力は貫流ポンプを生成する。誘導電荷電気浸透(ICEO:induced−charge electro−osmosis)において、流体内部に微小渦を生じさせて、微小流体装置における混合を強化するという効果が得られる。流体に無秩序な流れの力を当てることによって、層流体系における混合を大幅に強化できる。極性及び与えられる電圧を変化させることによって、放射状の電気浸透流の強度及び方向を制御することができる。
界面動電現象は上述のものに限定されない。MEMS研究において非常に大きい電圧及び固有の電場に結び付けられる最近の異種研究は、コロイドの電気泳動度は単に全正味電荷ではなく電荷分布に敏感であるという発見を含めて、可変的な電場を与えることにより興味深い反直観的効果が生じることを立証している。
上記のプロセスは全て高分子の操作に応用可能であるが、組織解離による肉眼で見える体積の蛋白性組織の摘出または除去には応用できない。組織にパルスエネルギーを用いる他のシステムは高レベルのエネルギーを採用するので、より長いパルス持続時間、パルス列、反復速度及び露出時間を用いて送られるより高いエネルギーが熱効果または超荷電プラズマの形成を生じさせることが判明している。このような熱効果または超荷電プラズマの形成は組織切断用の外科用器具を開発するためにいくつかの装置において効果的に利用されてきた。これらの器具においては、微小サイズ(厚みまたは突出)のプラズマ領域が器具の周りに生成される。超荷電プラズマ内部において電子、イオン及び一貫性のない動きを持つ分子が荷電され、これが、組織または細胞と接すると、分子レベルで結合を攻撃し、それによって、昇華を介して標的組織または組織表面を切除または除去する。超荷電プラズマの形成は電子雪崩プロセス、すなわち電子プラズマ雪崩イオン化を形成するための電子による価電子帯から連続体への高速のトンネリングのプロセスに依存する。付加的なトンネリング及び自由電子と分子との間の電場駆動の衝突によってこの超荷電プラズマの密度は急速に高まる。超荷電プラズマを用いる組織治療の主要な目標は非破壊的手術である。すなわち、制御された高い精密さで患部を除去して、非患部の損傷を最小限に抑えることである。活性プラズマのサイズ及び形状はプローブの設計、寸法及び媒体によって制御される。これまで気体媒体及び液体媒体の両方が採用されたことがある。液体内では、爆発性蒸気が形成される場合がある。
公開された米国特許出願第2004/0236321号において開示されるパルス電子雪崩メス(PEAK)は無牽引冷温切断装置として説明されている。露出マイクロ電極と部分絶縁電極との間に高電場(nsPEF1〜8kV、150〜670uJ)が与えられる。このように高電場を与えることによりマイクロメートル長のプラズマストリーマの形式で表されるプラズマ形成を導く。プラズマストリーマの寸法を制御するのは露出電極のサイズである。一方、プラズマストリーマは、ミクロン規模の水の爆発性蒸発を生じさせる。パルスエネルギーが重要である。正確、安全及びコスト効率のよい組織切断が立証されている。ミクロンレベルにサイズが縮小された電極を用いる場合にも、液体媒体のイオン化及び爆発性蒸発は隣接組織を破壊してキャビテーションバブル(cavitation bubble)を形成する可能性があるので、プラズマ放電をプローブ先端に限定しなければならない。プラズマ形成時に達する高圧、蒸気泡の高速の膨張(>100m/秒)及びその後のキャビティ(空洞)の崩壊(相互作用ゾーンを拡大する可能性がある)は主に高速の泡蒸気冷却によるメカニズムである。眼科手術において、PEAKの使用によって生じる効果の不安定さ及び攻撃性は網膜の完全性にとって有害であるかもしれない。
コブレーション(coblation)すなわち冷間切除は、プラズマを生成するために食塩水など導電性溶液と一緒に二極モードの無線周波数RFを使用する。プラズマは標的組織に接すると標的組織の表面層を昇華させる。加速荷電粒子の到達範囲は短く、プローブの周りのプラズマ境界層及び組織接点の表面に限定される。コブレーションは食塩水(導電性溶液)中のイオンにエネルギーを与えて、小さいプラズマ場を形成する。プラズマは組織の分子結合を破壊するのに充分なエネルギーを有し、切除経路を形成する。このプロセスの熱効果は約45〜85℃であると報告されている。古典的にRF電気手術装置は組織構造を修正するために熱を使用する。しかし、プラズマの影響はプラズマ自体に限定されかつ維持されるプラズマ層は顕微的な薄さなので、無線周波数誘発プラズマ場の生成は「冷間」プロセスと見なされている。プラズマは、分子結合を分子解離させるのに充分なエネルギーを持つ高度にイオン化された粒子から構成される。炭素−炭素結合及び炭素−窒素結合を破壊するために必要とされるエネルギーは3〜4eV程度である。コブレーション法は約8eVを供給すると見積もられる。電極は二極構成であり組織と食塩水との間にはインピーダンス差があるので、電流のほとんどは電極間に配置される導電性媒体を通過し、その結果組織に浸透する電流は僅かでありかつ組織の熱傷は僅かである。プラズマを生成するために必要なエネルギーの閾値に達しない場合、電流は導電性媒体及び組織を貫流する。組織及び導電性媒体の両方によって吸収されるエネルギーは熱として分散される。プラズマを生成するために必要なエネルギーの閾値に達すると、RF電流に対するインピーダンスはほとんど純粋な抵抗タイプのインピーダンスからもっと容量性タイプのインピーダンスに変化する。
プラズマ針は、周囲組織に影響を及ぼすことなく特定の細胞を除去または再配列できるようにするさらに別の装置である。プラズマ針の使用は、小規模のプラズマ放電を生じさせるために手動ツールに取り付けられたマイクロサイズの針を使用する非常に骨の折れる技法である。針先端と近位電極との間に電場が生成され、これらの間に不活性ガス(ヘリウム)が流れる。小規模のプラズマ放電は電子、イオン及びイオン基を含む。イオン及びイオン基は不活性ガスへの空気など汚染物質の導入によって制御可能である。小さいサイズのプラズマ源(プラズマ針)は、細胞自体を傷つけることなく細胞機能または細胞付着を変質させるような微細レベルでROS(反応性酸素種)及び紫外線放射を生成すると、想定されてきた。しかし、不活性ガスにおけるROS(例えば、空気)の増大が放射時間の増大と組み合わされると、細胞死を引き起こす可能性がある。プラズマ針の使用は薄い液体層を横切って影響を与えることが明らかであるが、この使用は眼科手術においてしばしば見られるような全液体環境においては最適ではない。
放電加工テクノロジーは上述のプラズマテクノロジーと類似する。放電加工装置は蒸気を生成するために、250kHz、持続時間10ms及び最高1.2kVのパルスエネルギー場を利用する。蒸気の絶縁破壊が生じると、小さいスパーク(<1mm)が形成される。最高1.7mmの遠距離電場効果(far−field effect)によって、放電加工による切断性能は電気外科と同様であるが、プラズマと同様プラズマのみが組織に接する。
レーザーは組織の高分子を破壊するためにこれまで使用されてきた別の無牽引テクノロジーである。レーザーは、1960年ごろから眼科手術に利用されてきた。レーザー使用の最大の成功分野は、糖尿病性網膜症、中心静脈閉塞及び加齢性黄斑変性または虚血性網膜血管炎における脈絡膜新生血管などの疾患における非侵襲的網膜凝結の分野である。レーザーは、角膜彫刻(corneal sculpting)及び緑内障などの眼前部の用途にも広く使用されてきた。後部眼科手術にレーザーを使用しようとする試みの結果は混合的なものである。非侵襲的(経角膜/水晶体または経強膜)技法は、これらの介在組織の吸収特性ゆえに実用的ではない。網膜及び硝子体の眼内手術に必要とされる高度な精密さは、組織の操作及び除去のためにさらに洗練された侵襲的技法を用いることを要求する。組織/レーザー相互作用体系は、1)熱:電磁エネルギーの熱エネルギーへの変換、2)光化学:レーザーフォトの吸収によって活性化される内在的(内因性)または注入(外因性)感光化学物質(発色団)、3)光切除:フォトンの吸収の分子内結合の直接的光解離、及び4)電気機械:絶縁破壊及びプラズマ生成につながる自由電子の多光子生成または熱電子放出、を含む。レーザーはコスト高であり、微細眼内組織を漂遊レーザーエネルギー及び遠距離電場熱効果から保護するために固有の設計のレーザープローブにシールド及び逆転防止装置を使用する必要があることが判明している。しかし、フェムト秒パルスレーザーの最近の開発は微細手術の用途に新しい可能性を開いた。
眼内組織を破壊するために現在採用されている方法は、細切(分割)(細切は機械的せん断硝子体切除装置の目的である)、熱(蛋白質変性)または酵素反応により得られる液化、及びレーザーまたはプラズマ処置を介する昇華、を含む。レーザーまたはプラズマ処置を介する昇華は実際には分子レベルの結合を損なうのに対して、細切及び液化はもっと力の弱い結合メカニズム(例えば、非共有結合)に影響を与える。
制御ユニット(180)
パルスパワー発生器(150)
パルス形成網(160)
スウィッチング回路(170)
伝送線(124)
多電極手術用プローブアセンブリ(110)
流体システム(130、140)
a)眼の後部からの眼内組織の無牽引除去
b)遠距離電場効果なしで小さい体積の組織の管理可能な解離
特に、遠距離電場移行、漏出または電場の拡散がない。網膜を含めて眼の後部全体に影響を及ぼす酵素プロセスと異なり、開示されるCHIP EFFFの効果は局部的である。
c)硝子体全切除なしに部分的硝子体切除または牽引解離
ほとんどの硝子体網膜手術は眼の後部における硝子体全体の摘出を必要とした。開示されるシステムを用いると、硝子体全体を除去することなく網膜から蛋白性組織及びコラーゲンを選択的に剥離することができる。従って、術後の人工硝子体の必要が排除される。
d)反応性酸素種が一切生成されない
レーザー、プラズマ及び熱発生様式など削摩テクノロジーと異なり、開示されるシステムは硝子体及び眼内膜の非共有結合付着面のみにしか影響を与えないので、有毒化学物質またはROSが含まれたりこれが放出されたりすることがない。熱効果を生じさせるには送られるエネルギーが不十分である。
e)安全性
エネルギーデリバリが中断する結果、蛋白性組織が再構築される。従って、標的組織に永久的損傷を与えることなくいつでもほぼ瞬間的に開示される方法を中断することができる。
f)多モード(摘出、凝結、切断、刺激)
プローブは複数の電極を有するので、様々な機能結果を得るためにパワー設定を変化させることが可能である。CHIP EFFFモードにおいては、プローブはガラス体及び眼内膜を摘出するために利用される。凝結モードにおいては、血管出血を止めるためにRFエネルギーを加えることができる。切断モードにおいては、組織の切断を実施するためにプラズマまたは放電加工を生じるように適切なパワー及び周波数を与えることができる。刺激モードにおいては、治療のために低パワーの電気パルスを与えることができる。
g)器具交換の減少
後部眼手術においては、硝子体及び眼内膜物質の係合、掻き裂き、分離及び除去のために過剰なほどの数の特製の専門的な器具が必要とされる。手術中の器具の交換は術後の合併症の大きな要因である。本発明を使用すれば、多くの先行技術の器具を無用のものとし、器具交換を最小限に抑える。
h)可動部の不在
プローブ製造のためのコスト及び労働力の減少が実現される。機械的硝子体切除プローブの製造は労働集約的である。本出願において考えられる使い捨て中空プローブは、ルーメンまたは凹部にワイヤを持つ取付け多ルーメン同時押出し成形物またはアセンブリと小さいハンドルとから成る。現在の機械的アセンブリと比べて組立て技能が小さくなる。
i)後部及び前部応用
開示される装置は、硝子体及び眼内組織の無牽引除去のために設計されているが、小柱網刺激、残留水晶体上皮の除去及び組織トレーラの除去、前部硝子体切除など特定の前部手術にこれを利用することができる。
j)ハイブリッドフレンドリ
開示されるプローブアセンブリの設計は単純なので、機械的硝子体切除、Alcon Laboratories,Inc.から入手可能なAquaLase(登録商標)外科器具及び化学的硝子体切除(酵素作用)など独立のまたは他の組織破壊及び摘出手段の補助的手段として有益である。
Claims (10)
- 軟組織の部分を保持する結合を破壊するためのシステムであって、
前記システムが、
前記軟組織を取り囲む複数の電極を含むプローブと、
前記複数の電極の複数対間に高速パルス破壊電場を生成するシステムと、
前記プローブに付随する吸引システムと、
を備え、
前記高速パルス破壊電場が蛋白性複合体を部分的に液化させ、前記軟組織の構成部分間の付着メカニズムの一時的解離を生じさせ、前記吸引システムが前記解離された組織を除去し、
前記高速パルス破壊電場を生成するシステムは、ナノ秒のオーダーのパルス幅をもつともにkV/cmのオーダーの場の強度を与える超短パルス列を生成し、方向が段階的連続的に変化する高速パルス破壊電場を生成するように構成されていることを特徴とするシステム。 - 前記高速パルス破壊電場が、
解離対象である前記軟組織に対して実質的に直交すること、
電極極性の連続的逆転及び活性電極の順次変化によって生成されること、
電極極性の逆転によって、活性電極の切替によって、またはその両方の組合せによって生成されること、
のいずれかが行われることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記吸引システムが、解離時に前記解離された軟組織を除去することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の電極が、伝導媒体に浸漬されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の電極間に安定したインピーダンスを維持するために、灌注液が供給されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記パルス形状、前記パルス反復速度及び前記パルス列長が、前記解離対象である組織に合わせて調節されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記プローブは、所定量の組織を取り囲む外科用中空プローブの先端の複数の電極間に強力超短パルス電場を生成するために用いられ、
前記システムは、
パルスパワー発生器と、
前記パルスパワー発生器に接続されるパルス形成網と、
前記パルス形成網に接続されるスィッチング回路であって、前記電極間の電気パルスの持続時間及び周波数を制御するスィッチング回路と、
を備え、
前記強力超短パルス電場は、蛋白性液状複合体を生成して前記所定量の組織を一時的に解離できるようにするのに充分であることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記スィッチング回路が、
前記電極の活性化シーケンスを変化させること、
前記電極の極性を変化させること、
電極間の場の方向を変化させること、
パルスバーストサイクルごとに電圧振幅を変化させること、
パルスバーストサイクルごとに周波数を変化させること、
パルスバーストサイクルごとにデューティサイクルを変化させること、
パルスバーストサイクルごとにパルスパターンを変化させること、
のいずれかを行うことを特徴とする請求項7に記載のシステム。 - さらに、
前記電極間に伝導媒体を含むこと、
安定した電気環境を維持する前記電極間の流体を含むこと、
前記解離時に前記解離された組織を除去するために吸引システムを含むこと、
のいずれかを備えることを特徴とする請求項7に記載のシステム。 - さらに、蛋白性組織の電場誘導解離を導くpH特性を持つ灌注液、および蛋白性組織の電場誘導解離を導く成分を持つ灌注液、のいずれかを備えることを特徴とする請求項7に記載のシステム。
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