JP6555885B2 - 埋込型カテーテルの電気化学的殺菌 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条第ｅ項第１節の下で、それらの全ての開示が本明細書に参照して組み込まれる、２０１１年６月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／４９９，０６６号明細書、２０１１年６月２１日に出願された同第６１／４９９，５２９号明細書、および２０１２年５月１７日に出願された同第６１／６４８，４８４号明細書に対する優先権を主張するものである。 本発明は、概して埋込型の「留置」カテーテルに関する。より詳細には、本発明は、カテーテル表面上のバイオフィルムの存在を検出し、患者の身体から該カテーテルを抜去することなく該バイオフィルム内の微生物を殺滅するためのシステムおよび方法に関する。

微生物バイオフィルムは、微生物が生物もしくは非生物表面に付着して、該表面への付着を促進して該微生物を担持して保護する構造的マトリックスを形成する細胞外高分子を生成する場合に形成される。そこでバイオフィルムは、微生物、例えば主としてエキソポリマーおよび他の繊維状高分子、典型的には糖ペプチドから構成される細胞外水和マトリックス内に包埋された細菌の集積である。したがってバイオフィルムは、一般には細菌（もしくは他の微生物）の層、または表面上の複数の層および／または領域であると説明されるが、このとき細菌は細胞外高分子物質もしくは「ＥＰＳ」のマトリックス内に包み込まれている。該バイオフィルムの実質的分画は、実際にこのマトリックスから構成されている。例えば、Ｄｏｎｌａｎ（２００１）Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ Ｄｉｓｅａｓｅｓ ７（２）：２７７−２８１を参照されたい。多数の場合におけるバイオフィルム内の微生物は、プランクトン様（自由懸濁）微生物とともに見られる特性とは、特に増殖速度および抗微生物処理に対する耐性のような表現型形質に関して異なる特性を示す。バイオフィルム内の細菌がプランクトン様条件下で増殖した細菌よりも抗生物質製剤に対して１，０００倍超までの耐性を有し、バイオフィルムの撲滅を極めて困難にさせることは確証されている。例えば、Ｃｅｒｉ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．３７（６）：１７７１−１７７６を参照されたい。これについての１つの理由は、抗生物質製剤に対する、高密度および高粘度の両方である可能性があるバイオフィルムの相対貫通不能性である。また別の理由は、細胞が抗生物質製剤の存在下でより良好に生存できるようにバイオフィルム内の細胞の小集団の表現型が変化することである可能性がある。例えば、Ｈａａｇｅｎｓｅｎ ｅｔ ａｌ．（２００７）Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．１８９：２８−３７、およびＦｏｌｋｅｓｓｏｎ ａｎｄ Ｈａａｇｅｎｓｅｎ ｅｔ ａｌ．（２００８）ＰＬＯＳｏｎｅ，３：ｅ１８９１を参照されたい。安定性および耐溶解性もまた微生物バイオフィルムの重要な特徴である。例えば、Ｓａｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．（２０１１）Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．１９３（１３）：３２５７−６４を参照されたい。抗生物質耐性のさらなる原因は、排出ポンプのアップレギュレーションがバイオフィルム細胞をバイオフィルム内の細胞から望ましくない抗生物質製剤を運び出せるようにできることにあると考えられる。例えば、Ｃｏｓｔａ ｅｔ ａｌ．（Ｏｃｔ．２７，２０１１）ＢＭＣ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．１１：２４１、およびＮｉｋａｉｄｏ ｅｔ ａｌ．（２０１２）ＦＥＭＳ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｒｅｖ．３６（２）：３４０−６３を参照されたい。

バイオフィルムは実質的に無限の数の状況において様々な表面上で生成できるが、医療領域でのバイオフィルム形成は特に重要である。上述したように、バイオフィルム関連感染症は抗生物質製剤を用いた処理に極めて耐性であり、このため医療用インプラント上のバイオフィルム形成は極めて問題が大きい。微生物は、患者の身体内へ一時的または永久的のいずれで挿入される、もしくは植え込まれるかにかかわらず、あらゆるタイプの医療用インプラント上に付着してバイオフィルムを発生することができ、慢性細菌感染症の起源となる可能性がある。医療用インプラント上でバイオフィルムによって誘発される慢性感染症（例、中耳炎および骨髄炎）は、治療の失敗および治療直後の再発をよく生じさせる。２００５年には、バイオフィルムは、先進国において治療された感染症の約６５％を占めていた。Ｃｏｓｔｅｒｔｏｎ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８４：１３１８−１３２２を参照されたい。

医療器具は、現代の医療において極めて重要である。同時に、医療器具は罹患数および致死数の重要な一因である。医療器具、特に埋込型医療器具もしくは医療用「インプラント」の使用は、医療関連感染症の最も重要な外因性予測因子である。Ｍａｎａｎｇａｎ ｅｔ ａｌ．（２００２）Ｅｍｅｒｇ．Ｉｎｆｅｃｔ．Ｄｉｓ．８：２３３−２３６を参照されたい。院内状況において発生する大多数の感染症、もしくは「院内感」染症は、主として身体内の４カ所の部位である尿路、気道、血流および手術創部位で発生する。Ｒｙｄｅｒ ｅｔ ａｌ．（２００５）Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｎｕｒｓｉｎｇ ｅＪｏｕｒｎａｌ ５（３）によると、院内状況において発生する慢性疾患である以下の嚢胞性線維症、心内膜炎、中耳炎、前立腺炎、骨髄炎、慢性創傷、骨髄組織過形成、扁桃腺炎、歯周炎、う蝕症、壊疽性筋膜炎、胆道感染症、およびレジオネラ（Ｌｅｇｉｏｎｎａｉｒｅ）症は、バイオフィルムによって誘発される、または少なくともバイオフィルムと関連すると確証されている。

院内尿道感染症の９５％は感染導尿カテーテルによって誘発され、院内肺炎の８６％は感染人工呼吸器によって誘発され、および院内血流感染症の８７％は感染血管内器具と関連していることが見いだされている。Ｒｉｃｈａｒｄｓ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｃｒｉｔ．Ｃａｒｅ Ｍｅｄ．２７：８８７−８９２を引用している上記のＲｙｄｅｒ ｅｔ ａｌ．を参照されたい。以下で説明するように、埋込型カテーテルと関連する院内血流感染症は、上記の院内感染症の中で最も生命を脅かす疾患であり、最も重大な医療費に関連している。

医療用インプラントは、バイオフィルムを取り除くためには抜去され、その後に患者の身体内に再挿入されなければならない。その上にバイオフィルムが形成される可能性のある埋込型医療器具の例には、制限なく、以下が含まれる：
カテーテル、例えば、動脈カテーテル、中心静脈カテーテル、透析チュービング、気管内チューブ、経腸栄養チューブ、胃瘻チューブ、血液透析カテーテル、鼻腔栄養チューブ、腎瘻チューブ、肺動脈カテーテル、気管切開チューブ、臍帯カテーテル、および導尿カテーテル、
インプラント、例えば、動静脈シャント、乳房インプラント、心臓およびその他のモニタ、人工内耳、除細動器、歯科インプラント、顎顔面インプラント、人工中耳、神経刺激器、矯正器具、ペースメーカおよびリード、人工ペニス、補綴器具、人工関節、脊椎インプラント、および発声プロテーゼ、ならびに
その他の埋込型器具、例えば人工心臓、コンタクトレンズ、骨折固定器具、注入ポンプ、インスリンポンプ、頭蓋内圧器具、眼内レンズ、子宮内避妊器具、人工関節、心臓機械弁、オマヤレザバ、縫合材料、尿管ステント、血管支援器具、血管グラフト、血管シャント、および血管ステントが含まれる。

上記に記載したように、カテーテルは医療用途の宿主内で使用され、極めて瀕死の状態にある、および／または極めて若年の患者を包含することがよくあるために、特に重要である。カテーテルは、流体および医薬品の投与においてだけではなく、体液、例えば尿もしくは腹腔内液のドレナージ、血管形成術、血管造影術、およびカテーテルアブレーション、気体、例えば酸素および揮発性麻酔薬の投与、ならびに血液透析においても使用される。中心静脈カテーテル（「中心ライン」もしくは「ＣＶＣ」とも呼ばれる）は、頸部、胸部、もしくは鼠径部内の大静脈内に配置される、広範に使用されているカテーテルであり、医薬品、非経口栄養、および流体を送達するための導管として機能する。ＣＶＣは、プラスマフェレーシス（血漿交換法）、透析および化学療法において一般に使用され、極めて重要な測定値、例えば中心静脈圧（「ＣＶＰ」）を得るためにも信頼されている。

カテーテル関連血流感染症（ＣＡＢＳＩｓ：カテーテル関連性血流感染症、もしくはＣＲＢＳＩｓとも呼ばれる）は、院内状況における罹患数および致死数の主要原因である。各年２５０，０００例の確認されたＣＡＢＳＩｓが米国内で発生しており、関与する致死率は約１２％〜２５％の範囲内にあり、症状の発現１回当たりの推定治療費用は２万５千ドル（２００２年現在、毎年６２億ドル）である。集中治療環境はこれらの感染症の内の８０，０００例を占め、関与する致死率は３５％および症状の発現１回当たりの治療費用は５万６千ドルである。米国保健社会福祉省（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ ＆ Ｈｕｍａｎ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ＵＳＡ）のＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒ Ｃａｔｈｅｔｅｒ−Ｒｅｌａｔｅｄ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｎｓ，２０１１を参照されたい。診断は困難であり、感染の臨床上の疑いは留置カテーテルの抜去および置換を頻回に引き起こし、結果として相当な医療費を生じさせ、患者は追加の手技を受けることが必要になる。広範囲の問題を克服するために講じられてきたアプローチは、バイオフィルム形成を防止すること、または患者の身体からカテーテルを抜去することなく形成されたバイオフィルムを排除することのいずれにおいても成功していない。

バイオフィルム形成は一般に埋込型医療器具に関して課題が多いが、感染のリスクは例えば長期間にわたって同じ場所に留置されているＣＶＣなどのカテーテルを用いるとはるかに高くなることは理解されるであろう。ＣＶＣバイオフィルム内で見いだされる最も一般的な細菌は、黄色ブドウ球菌（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ａｕｒｅａｓ）、敗血症性表皮ブドウ球菌（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｅｐｉｄｅｒｍｉｓ ｓｅｐｓｉｓ）、カンジダ・アルビカンス（Ｃａｎｄｉｄａ ａｌｂｉｃａｎｓ）、緑膿菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）、肺炎桿菌（Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｐｎｅｕｍｏｎｉａｅ）、およびエンテロコッカス・フェカリス（Ｅｎｔｅｒｏｃｏｃｃｕｓ ｆａｅｃａｌｉｓ）である。これらの細菌は、患者の皮膚ミクロフローラ、医療従事者もしくは汚染輸液からの外因性ミクロフローラを起源とすることがある、および皮膚から外面に沿って、またはカテーテルのハブもしくはポートから身体内で移動する可能性がある。

ＣＶＣｓ上でのバイオフィルム形成は一般的であること、そして実質的に全ての留置ＣＶＣｓはバイオフィルム内の微生物によってコロニー形成されることが見いだされている。バイオフィルムは、カテーテルの外面上だけではなく、特に長期カテーテル法を用いた場合には該カテーテルの内側ルーメン上でも形成される。Ｒａａｄ ｅｔ ａｌ．（１９９８）Ｌａｎｃｅｔ ３５１：８９３−９８を参照されたい。

ＣＡＢＳＩｓを防止するために最も普及しているアプローチである手洗いおよびカテーテルを取り扱う場合の無菌技術の使用は、病院の高度に管理された状況下でさえ信頼できない可能性がある。その他の技術、例えばエタノールロック療法もしくは「ＥＬＴ」はカテーテル材料を劣化させる可能性があり、入口点より下流でのバイオフィルムに関しては有効ではない。カテーテルは、ミノサイクリン、クロルヘキシジン、および銀を含む抗菌コーティングを備えて作成されているが（Ａｓｌａｍ（２００８），「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ａｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ Ｂｉｏｆｉｌｍｓ」，Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ Ｄｉｓｅａｓｅｓ，Ａｓｓｏｃ．Ｐｒｏｆ．Ｉｎｆｅｃｔ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｐｉｄｅｍｉｏｌ．Ｓ１７５：ｅ９−ｅ１１を参照されたい）、これらのコーティングカテーテル全部の抗菌有効性はコーティングの劣化に起因して経時的に減弱する。さらに、このコーティング法は非細菌性微生物、例えば真菌に対しては有効ではなく、このコーティングは特定タイプの細菌だけを選択的に標的とし、それらは抗生物質抵抗性を促進する可能性があり、典型的カテーテルよりはるかに高価である。（Ａｓｌａｍ；上記参照、Ｄｏｎｌａｎ；上記参照）。

院内状況において、熱性疾患および上昇した炎症マーカーを有する留置カテーテルを備える患者は、ＣＡＢＳＩを有することが疑われる。これらの患者における末梢部位から採血した血液培養を疑わしいカテーテルから採血した血液培養と比較する。カテーテル培養が陽性である場合は、特に末梢血培養が陰性の場合には、ライン感染症が疑われる。カテーテル感染症を検証するためのこの方法は高度に不正確であるが、しかし他の起源からの細菌も陽性試験結果を生じさせる可能性があるために、高い擬陽性率を有する。そこで、カテーテルは、該カテーテルが実際には感染していない場合に感染していると同定されることがある。現在は、カテーテル感染症を検出するための高度に特異的な感受性法は存在しない。カテーテルが感染していると疑われると、第一選択療法は、典型的には抗生物質を用いた治療である。しかし、以前に記載されたようにバイオフィルム形成はそのような療法を無効にさせ、抗菌物質は耐性細菌から選び出すことができる。多くの症例で、カテーテルの外科的抜去が不可欠であり、医療費の増加、患者にとって追加の、時には不必要な外科的手技、および栄養および医薬療法のためにライン依存性である患者における潜在的静脈アクセス部位の減少を結果として生じさせる。

感染症の問題は静脈カテーテルには限定されず、さらに上述したような他のタイプのカテーテルおよび医療器具、例えば導尿カテーテル、脳室腹腔シャント、留置カテーテル様プロテーゼ（血管導管）、透析チュービング、気管内チューブ、フォーリ（Ｆｏｌｅｙ）カテーテルなどにも影響を及ぼす。これらの考察に基づくと、バイオフィルムを安全および効果的に破壊できる、つまりバイオフィルム内の微生物を殺滅できるテクノロジーに対する長年の切実な必要があることは明白である。そのようなシステムは、医療における広範な用途を有しており、医療費における極めて多額の節約、罹患数および致死数の減少、ならびにその後の抗生物質耐性を防止することに役立つ。さらにバイオフィルム内の微生物を殺滅できるだけではなくバイオフィルム形成を防止し、バイオフィルムの形成、存在、または増殖を感知さえできるシステムを提供できれば極めて有利であろう。理想的には、そのようなシステムはポータブル型であり、院内状況の外部で患者が容易に管理することができるであろう。さらに、形成された、または形成の過程にあるバイオフィルムの検出における上記の要件を満たすシステムを実行できることは有益であろう。

Ｄｏｎｌａｎ（２００１）Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ Ｄｉｓｅａｓｅｓ ７（２）：２７７−２８１ Ｃｅｒｉ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｊ．Ｃｌｉｎ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．３７（６）：１７７１−１７７６ Ｈａａｇｅｎｓｅｎ ｅｔ ａｌ．（２００７）Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．１８９：２８−３７ Ｆｏｌｋｅｓｓｏｎ ａｎｄ Ｈａａｇｅｎｓｅｎ ｅｔ ａｌ．（２００８）ＰＬＯＳｏｎｅ，３：ｅ１８９１ Ｓａｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．（２０１１）Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．１９３（１３）：３２５７−６４ Ｃｏｓｔａ ｅｔ ａｌ．（Ｏｃｔ．２７，２０１１）ＢＭＣ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．１１：２４１ Ｎｉｋａｉｄｏ ｅｔ ａｌ．（２０１２）ＦＥＭＳ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｒｅｖ．３６（２）：３４０−６３ Ｃｏｓｔｅｒｔｏｎ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８４：１３１８−１３２２ Ｍａｎａｎｇａｎ ｅｔ ａｌ．（２００２）Ｅｍｅｒｇ．Ｉｎｆｅｃｔ．Ｄｉｓ．８：２３３−２３６ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｎｕｒｓｉｎｇ ｅＪｏｕｒｎａｌ ５（３）内のＲｙｄｅｒ ｅｔ ａｌ．（２００５） Ｒｉｃｈａｒｄｓ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｃｒｉｔ．Ｃａｒｅ Ｍｅｄ．２７：８８７−８９２ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ ＆ Ｈｕｍａｎ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ＵＳＡ（米国保健社会福祉省）、Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒ Ｃａｔｈｅｔｅｒ−Ｒｅｌａｔｅｄ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｎｓ，２０１１ Ｒａａｄ ｅｔ ａｌ．（１９９８）Ｌａｎｃｅｔ ３５１：８９３−９８ Ａｓｌａｍ（２００８），「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ａｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ Ｂｉｏｆｉｌｍｓ」，Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ Ｄｉｓｅａｓｅｓ，Ａｓｓｏｃ．Ｐｒｏｆ．Ｉｎｆｅｃｔ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｐｉｄｅｍｉｏｌ．Ｓ１７５：ｅ９−ｅ１１

したがって、本発明の主要な目的は、埋込型カテーテルの表面上でバイオフィルムを阻害するための、つまりカテーテル表面上に存在する、もしくはカテーテル表面上で形成されるバイオフィルム内の微生物を殺滅するための方法およびシステムを提供することによって、当分野における上記の必要に応えることである。

本発明の１つの態様では、現場で、つまり埋込型カテーテルを患者の身体から抜去することなく、該カテーテル表面上のバイオフィルムを阻害することによって電気化学的に殺菌できる埋込型カテーテルが提供される。該埋込型カテーテルは、近位端、遠位端、該カテーテル本体を通して伸長していて該近位領域から遠位領域まで流体を輸送するために適応する少なくとも１つのルーメン、該カテーテル本体の外部上の外面、および該ルーメンの内部上の内面を有する細長いカテーテル本体、該カテーテルの外面上にありそれと一体である少なくとも２つの外部電極であって、該外部電極は細長く該カテーテル本体の外面に沿って該近位端から該遠位端へ長手方向に伸長している外部電極、所望により、該カテーテルの内面上にありそれと一体である少なくとも２つの内部電極であって、該内部電極は細長く該カテーテル本体の外面に沿って該近位端から該遠位端へ長手方向に伸長していてもよい内部電極を有していてもよく、ならびに該カテーテル表面で内因性化合物を殺菌種へ転換させるために効果的な該少なくとも２つの外部電極を越えて電場が生成されるように電圧源から印加電圧を受け入れるための手段を含んでいる。本発明の関連態様では、該内部電極もまた存在していてよく、また別の関連態様では、内部電極が内面上に提供され、外部電極は使用されない。

本発明のまた別の態様では、埋込型カテーテルおよび電圧源を含み、該電圧源は直流電源、交流電源、およびパルス電圧源であってよい埋込型カテーテルシステムが提供される。

また別の態様では、本発明は、上述した埋込型カテーテルのバイオフィルム表面を阻害するための方法であって、バイオフィルムの「阻害」は該カテーテルの表面上に存在するバイオフィルム内の微生物を殺滅する工程を含み、下記でより詳細に規定する。本方法は、該バイオフィルムと関連していない細胞および組織への重大な損傷を誘発することなく該本体内に存在する内因性化合物から酸化剤のバイオフィルム阻害濃度を作り出すために有効である大きさの少なくとも外部電極を越えて電圧を印加する工程を含んでいる。電圧は、少なくとも７２時間の期間にわたって、一定間隔で間欠的に、または連続的に印加することができる。バイオフィルム破壊のために提案された以前の方法とは対照的に、本方法においては、電圧が印加され、電場はそこで追加の殺菌剤の非存在下および非侵襲性方法で該カテーテルを患者の身体から抜去することなく生成されることに注意しなければならない。

本発明の関連態様では、上記の方法はさらに、カテーテル表面上の少なくとも外部電極を越えて電圧を印加する前に該カテーテルの少なくとも該外面上のバイオフィルムの存在もしくは形成を検出もしくは確証する工程をさらに含んでいる。本方法は、該電極を越えるインピーダンスにおける統計的有意な増加はバイオフィルム形成の指標であるので、電気インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用して電極を越えたインピーダンス測定もしくはインピーダンスを測定するための代替技術を包含することができる。その他の方法、例えばカテーテル表面での酸素決定もまた使用できる。

また別の態様では、本発明は、同様に追加の殺菌剤を必要とせず、および該患者の身体から該カテーテルを抜去することなく、埋込型カテーテル上のバイオフィルムの形成を防止するための方法を提供する。本方法は、該カテーテル表面上のバイオフィルムの形成を防止するために十分である該身体内に存在する内因性化合物から酸化剤の濃度を作り出すために有効である大きさの少なくとも外部電極を越えて電圧を印加する工程を含んでいる。

本発明の追加の態様、特徴および目的は、以下の発明を実施するための形態の項を添付の図面と結び付けて読むとより十分に明白になるであろう。

２つの外部電極を備える本発明のカテーテルの１セグメントの透視図である。 ２つの外部電極および第３の点電極を備える本発明のカテーテルの１セグメントの透視図である。 相互嵌合法で外面に包埋された複数の外部電極を備える本発明のカテーテルの１セグメントの透視図である。 外面に包埋された２つの外部電極および内面に包埋された２つの内部電極を備える本発明のカテーテルの１セグメントの透視図である。 ２つの電極がカテーテル外面からカテーテル壁を通ってカテーテル内面に伸長している、本発明の埋込型カテーテルの横断面図である。 図５の実施形態において見られる内部間隙を作り出すために、無電解めっき法による電極製造における内部マスクの使用を示す図である。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。電気化学的処理前のアノードを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。電気化学的処理の開始４０分後のアノードを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。２時間の処理後のアノードを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。細胞の初期付着６時間後の電気化学的処理が行われていないアノードコントロールを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。予防処理が開始されてから６時間後のアノード関連バイオフィルムを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。予防処理が開始されてから６時間後のカソードを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。電気化学的処理が行われていないアノードコントロールを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。電気化学的処理の開始１時間後のアノード関連バイオフィルムを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ１６ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。細胞の電極への付着６時間後の処理が行われていないアノードコントロールを示している。画像は電力供給源への電極接続から１２ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ１６ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。６０分間の処理後のアノード関連バイオフィルムを示している。画像は電力供給源への電極接続から１２ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ１６ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。９０分間の処理後のアノードを示している。画像は電力供給源への電極接続から１２ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ１６ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。６０分間の処理後のカソードを示している。画像は電力供給源への電極接続から１２ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ１６ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。極性反転３０分後のおよびそれにより電極がアノードに切換えられる図１０Ｄのカソードを示している。画像は電力供給源への電極接続から１２ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。細胞の電極への付着６時間後の処理が行われていないアノードコントロールを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。予防処理が開始されてから６時間後のアノード関連バイオフィルムを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２４μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。予防処理が開始されてから６時間後のカソードを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で２４時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。電気化学的処理前のアノードを示している。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で２４時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。処理の開始１０分後のアノードを示している。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で２４時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。１時間の処理後のアノードを示している。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。電気化学的処理後のアノードを示している。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。処理の開始２０分後のアノードを示している。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。１時間の処理後のアノードを示している。 金電極グリッド（格子で区切られた正方形は４００×４００μｍ）で担持されたガラス面上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖを使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。３時間の処理後のアノード関連バイオフィルムを示している。 長さ２０ｃｍのグラファイト電極上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２μＡ／ｃｍ^２を使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。７２時間増殖後のコントロールサンプルを示しており、図１４Ａ内の差込み画像は被検査領域内の死細胞を示している。 長さ２０ｃｍのグラファイト電極上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２μＡ／ｃｍ^２を使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。７２時間の処理後のアノードを示しており、図１４Ｂ内の差込み画像は被検査領域内の死細胞を示している。 長さ２０ｃｍのグラファイト電極上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２μＡ／ｃｍ^２を使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。７２時間の処理後のカソードを示しており、図１４Ｃ内の差込み画像は被検査領域内の死細胞を示している。 図１５は、長さ２０ｃｍのグラファイト電極上のフローチャンバ内のグルコース最少培地中で７２時間増殖させ、２０μＡ／ｃｍ^２を使用して電気化学的処理にかけた緑膿菌バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。図１５Ａは、７２時間増殖後のコントロールサンプルを示している。図１５Ｂは、７２時間の処理後のアノードを示している。図１５Ｃは、７２時間の処理後のカソードを示している。 グラファイト電極上のグルコース最少培地中で増殖させたＧｆｐ標識緑膿菌バイオフィルムから単離した細胞のＣＦＵ／ｍＬを示している柱状図である。バイオフィルムは、１０〜２５μＡ／ｃｍ^２を使用する電気化学的処理にかけた。バイオフィルム細胞は処理前（コントロール）および処理後（アノードおよびカソード）にグラファイト電極から単離し、選択プレート上でのＣＦＵ／ｍＬを決定するためにプレーティングを実施した。Ｘ軸は、コントロール、アノードおよびカソードを各々示している。Ｙ軸上の単位は、ＣＦＵ／ｍＬである。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２５μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖを使用して電気化学的処理にかけた大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。細胞の初期付着６時間後の電気化学的処理が行われていないアノードコントロールを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２５μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖを使用して電気化学的処理にかけた大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。１時間の処理後のアノード関連バイオフィルムを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極（長さ４ｃｍ）上の最少静的培地中で６時間増殖させ、２５μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖを使用して電気化学的処理にかけた大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）バイオフィルムの共焦点顕微鏡を使用して得られた画像である。１時間の処理後のカソードバイオフィルムを示している。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。 グラファイト電極上のグルコース最少培地中で増殖させた大腸菌バイオフィルムから単離した細胞のＣＦＵ／ｍＬを示している柱状図である。バイオフィルムは、１０〜２５μＡ／ｃｍ^２を使用する電気化学的処理にかけた。バイオフィルム細胞は処理前（コントロール）および処理後（アノードおよびカソード）にグラファイト電極から単離し、選択プレート上でのＣＦＵ／ｍＬを決定するためにプレーティングを実施した。Ｘ軸はコントロール、アノードおよびカソードを各々示しており、Ｙ軸上の単位はＣＦＵ／ｍＬを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中で６時間増殖させた黄色ブドウ球菌（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ａｕｒｏｕｓ）［ＲＮ８３２５−４］（この菌株シグマＢを陰性にさせるＲｓｂＵにおける突然変異を有する。シグマＢは黄色ブドウ球菌内の多数の病原性因子を調節する）細胞のバイオフィルムを示す図である。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。バイオフィルムは、−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を使用する電気化学的処理にかけた。処理が行われていないグラファイト電極上のバイオフィルムを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中で６時間増殖させた黄色ブドウ球菌（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ａｕｒｏｕｓ）［ＲＮ８３２５−４］（この菌株シグマＢを陰性にさせるＲｓｂＵにおける突然変異を有する。シグマＢは黄色ブドウ球菌内の多数の病原性因子を調節する）細胞のバイオフィルムを示す図である。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。バイオフィルムは、−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を使用する電気化学的処理にかけた。１時間の処理後のアノード関連バイオフィルムを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中で６時間増殖させた黄色ブドウ球菌（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ａｕｒｏｕｓ）［ＲＮ８３２５−４］（この菌株シグマＢを陰性にさせるＲｓｂＵにおける突然変異を有する。シグマＢは黄色ブドウ球菌内の多数の病原性因子を調節する）細胞のバイオフィルムを示す図である。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。バイオフィルムは、−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を使用する電気化学的処理にかけた。１時間の処理後のカソードを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中で６時間増殖させた黄色ブドウ球菌［１５９８１］（病原性を発現する）細胞のバイオフィルムを示す図である。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。バイオフィルムは、−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を使用する電気化学的処理にかけた。処理が行われていないグラファイト電極上のバイオフィルムを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中で６時間増殖させた黄色ブドウ球菌［１５９８１］（病原性を発現する）細胞のバイオフィルムを示す図である。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。バイオフィルムは、−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を使用する電気化学的処理にかけた。１時間の処理後のアノード関連バイオフィルムを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中で６時間増殖させた黄色ブドウ球菌［１５９８１］（病原性を発現する）細胞のバイオフィルムを示す図である。画像は電力供給源への電極接続から４ｃｍで得た。バイオフィルムは、−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を使用する電気化学的処理にかけた。１時間の処理後のカソードを示している。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中の６時間にわたり増殖させた黄色ブドウ球菌［ＲＮ８３２５−４］バイオフィルムから単離した細胞のＣＦＵ／ｍＬを示す柱状図である。細胞は処理前（コントロール）および処理後（−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を用いてアノードおよびカソード）にグラファイト電極から単離し、ＣＦＵ／ｍＬを決定するためにプレーティングを実施した。Ｘ軸はコントロール、アノードおよびカソードを各々示しており、Ｙ軸上の単位はＣＦＵ／ｍＬである。 長さ４ｃｍのグラファイト電極上のＴＳＢ培地中の６時間にわたり増殖させた黄色ブドウ球菌［１５９８１］バイオフィルムから単離した細胞のＣＦＵ／ｍＬを示す柱状図である。細胞は処理前（コントロール）および処理後（−０．８Ｖ（２５μＡ／ｃｍ^２）を用いてアノードおよびカソード）にグラファイト電極から単離し、ＣＦＵ／ｍＬを決定するためにプレーティングを実施した。Ｘ軸はコントロール、アノードおよびカソードを各々示しており、Ｙ軸上の単位はＣＦＵ／ｍＬである。

Ｉ．用語の定義および術語
他に特に規定しない限り、本明細書で使用する全ての技術用語および科学用語は、本発明が関与する分野の当業者によって一般に理解されている意味を有する。以下では、本発明の説明にとって特に重要である特定の用語について規定する。

本明細書および添付の特許請求の範囲では、単数形「１つの」および「その」は、状況が明確に他のことを指示しない限り複数の対象を含んでいる。例えば、用語「熱硬化性ポリマー」は、単一の熱可塑性ポリマーもしくは２つ以上を組み合わせた熱可塑性ポリマーを言及することができる、および用語「柔軟性エラストマ」は単一のそのようなエラストマもしくは２つ以上を組み合わせたそのようなエラストマの複合体を言及することができる。

本明細書で使用する用語「埋込型カテーテル」は、一時的もしくは永続的のいずれかでヒトの身体内に埋め込まれる、または挿入されるカテーテルを意味する。

本発明のバイオフィルム増殖を阻害する能力に適用される用語「阻害」は、表面上に存在する、もしくは表面上で形成されるバイオフィルム内の微生物を殺滅するプロセスに関しており、次の、バイオフィルムの排除もしくは破壊、バイオフィルムの崩壊、バイオフィルムの厚さの減少、バイオフィルム内の微生物の一部もしくは全部の殺滅、およびバイオフィルム増殖の防止の全てを含んでいる。

本明細書で使用する用語「殺菌」は、上記に規定したようなバイオフィルム阻害を意味するが、典型的にはカテーテル表面上のバイオフィルム内の微生物を殺滅することを意味する。

用語「バイオフィルム」は、埋込型医療器具の表面上に固定されたマトリックスを被包化した微生物増加を意味する。

用語「バイオフィルム形成」は、バイオフィルム構造内に含有された細菌もしくはその他のコロニーの形成、増殖および修飾ならびに該バイオフィルム構造の多糖類マトリックスの合成および維持を含むことが意図されている。

ＩＩ．埋込型カテーテル
そこで本発明の埋込型カテーテルは、その外面および／または内面上に存在するバイオフィルム内の感染微生物を殺滅するため、および／またはその上のバイオフィルム増殖を防止するために電気化学的に活性化できる埋込型カテーテルである。該バイオフィルム内の感染微生物は、典型的には細菌細胞であるが、さらに酵母、真菌、糸状菌、または該バイオフィルム内の他のコロニー形成微生物のコロニーであってよい。

図１は、概して１０で示された１本のそのようなカテーテルを例示している。図から明らかになるように、該カテーテルは、カテーテル外面１６およびカテーテル内面１８を規定する、連続する実質的に円筒形の環状壁１４を有する細長いカテーテル本体１２から構成される。カテーテル本体１２の壁１４はさらに、それを通って流体が近位領域２２から極めて様々な医療用途のいずれかと通信している遠位領域２４へ流れることのできる中心中空ルーメンもしくは通路２０もまた規定している。近位領域２２は該カテーテルの近位端にある流入先端で終了するが、他方遠位領域２４は該カテーテルの遠位端にある流出先端で終了する。一般に、外径（「ＯＤ」、外面から該カテーテルの断面を越えた外面までの間隔距離）は、約１ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内となり、約３〜７．５フレンチ（「Ｆｒ」、このとき１Ｆｒ＝３×ＯＤ（ｍｍ））の範囲に対応する。肉厚は一般には約０．５ｍｍであるが、カテーテル長は用途に依存していずれかの場所で数センチメートルから数メートルまで極めて大きく変動してよいが、平均するとほとんどの状況において約１ｍ〜２ｍであってよい。

埋込型カテーテル１０は、印加電圧の極性によって決定されるように、一方の電極はアノードとして機能し、他方の電極はカソードとして機能する、外面１６と一体である少なくとも２つの外部電極２６および２８を含有している。製造方法に依存して、以下でより詳細に考察するように、電極は各々外面上の超薄膜層の形態にあってよい、または電極は電極表面および電極を取り囲んでいるカテーテル表面が同一平面上にあるように外面内に圧入されていてもよい。本明細書で使用する電極が外面と「一体である」ことを規定するために使用する用語「一体」は、両方の代替法を含むことが意図されている。

電極２６および２８は、図から明らかなように、近位領域から遠位領域へ外面に沿って長手方向に伸長する。電極は、インビボ（ｉｎ ｖｉｖｏ）では不活性である金属もしくは非金属素子、組成物、合金または複合体から構成されてよく、例えば、金属自体、例えば金、白金、銀、パラジウムなど、２つ以上の金属の合金、例えば白金−イリジウム合金、金属被覆基板、例えば白金−めっきチタンもしくは二酸化チタン基板、もしくは白金および／またはルテニウム被覆ニッケル基板、金属酸化物、例えば酸化ルテニウム（すなわち、酸化ルテニウム（ＩＶ）、もしくはＲｕＯ_２）、酸化レニウム（一般に酸化レニウム（ＩＶ）［ＲｅＯ_２］もしくは混合原子価酸化レニウムの組成物）、酸化イリジウムなど、金属炭化物、例えば炭化タングステン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、もしくは炭化チタン、グラファイト、炭素−ポリマー複合材料、ならびに上記のいずれかの組み合わせもしくは混合物が含まれる。

グラファイト、炭素−ポリマー複合体、および貴金属の電極が一般に好ましい。

貴金属電極には、例えば、金、パラジウム、白金、銀、イリジウム、白金−イリジウム合金、白金めっきチタン、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、ならびにそれらの酸化物および炭化物から製造された電極が含まれる。

炭素−ポリマー複合体電極は、粒子状炭素、例えば炭素粉末、炭素ナノ粒子、炭素繊維などと熱硬化性ポリマーとのペーストから製造される。炭素−ポリマー複合体電極は、経済的ならびに実際的理由から特に望ましい。そのような電極が相当に低コストであることとは別に、粒子状炭素と熱硬化性もしくは熱可塑性ポリマーまたはそのプレポリマーのペーストから構成される前駆体の使用は、電極が該ポリマーカテーテル本体に沿って押し出される、押出による埋込型カテーテルの製造を可能にする。この目的のための実例となるポリマーには、制限なく、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、シリコーン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリエーテル−アミドブロックコポリマーなどが含まれる。この目的のための炭素−ポリマーペーストは、例えば、オハイオ州デラウエアに所在するＥＣＭ ＬＬＣ社から容易に市販のものを入手できる。好ましいポリマーは熱可塑性である。電極調製のために選択されるポリマー系に依存して、重合開始剤および架橋剤が製造混合物中に含まれてよい。

電気化学的活性化は、外面上に存在する、もしくは形成する任意のバイオフィルム内の微生物を殺滅する種を生成できるように外面１２の領域の全域で電場を作り出すことによって実施される。これらの種、もしくは「殺生物剤」は、外面の領域内で、上述の電場が印加されると本体内に存在する内生化合物から作り出される。電場は、電極２６および２８を越えて、直流（ＤＣ）電源、例えば従来型電池パック（ｂａｔｔｅｒｙ ｂａｃｋ）の形態にある、もしくは患者の皮下に配置できる超小型システム（この場合、該器具には患者の体外にあるコントロール装置から無線で電源供給できる）の一部としての電池、または従来型交流（ＡＣ）もしくはパルス型電圧源を使用した電圧の印加によって生成される。そこでカテーテルは、電場を生成するために電圧源から電圧を受け取るための手段、例えば電圧源および電極と電気通信する導線を含んでいる。電圧源、例えば電池が器具をポータブル型および患者による使用を可能にするという事実は別として、本発明の実施にとって電場を生成するために使用される器具の特定タイプは重要ではなく、適切なボルト数およびアンペア数の電場を生成できる広範囲の器具を使用することができる。代表的なそのような器具は、米国特許第５，３１２，８１３号明細書および同第５，４６２，６４４号明細書に記載されている。

当然のことながら、作動中、印加される電圧は、カテーテル本体の誘電材料を含む、電極を分離する間隙３０を越えて電極から電極への電流を生成するために十分でなければならない。一般に、電極間の間隙は、めっき金属電極については約１，０００Å〜約２μｍの範囲内、および押出複合電極については約１０μｍ〜約２００μｍの範囲内となる。上記で示唆したように、本発明の重要な利点は、殺生物剤、つまりカテーテルの表面上に存在する、もしくは表面上で形成されるバイオフィルム内の微生物を殺滅し、その上でのバイオフィルム増殖を防止する化学種が該カテーテル表面の近位でヒト身体の細胞および組織にとって内因性の物質から作成されることである。つまり、電極を越える電圧の印加は、該アノードでの塩化物イオンの酸化（塩化物イオンは溶解塩化物塩の形態で身体内に遍在する）、および該カソードでの酸素の還元を生じさせる。結果として生じる種には、酸化剤である過酸化水素、スーパーオキシドイオン、次亜塩素酸、および次亜塩素酸イオンが含まれる。これらの種の殺生物能力は、例えば塩水の電気化学的殺菌において明確に証明されている。

埋込型カテーテル１０の本体１２を形成するために使用される材料は、例えば体液および生体組織、反応性殺菌種、および印加電圧に関して、使用条件下で必ず非導電性、生体適合性、および不活性である。さらに、該材料はカテーテル本体１２が屈曲する、ねじれる、およびある程度の変形に耐えるために十分な柔軟性をカテーテルに提供しなければならない。したがって、カテーテル本体１２は、好ましくは強固でありながら柔軟性であるポリマー材料、例えばシリコーン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド、ポリエチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、またはそれらの任意の組み合わせから製造される。柔軟性のシリコーンエラストマは、該カテーテル本体のための材料として特に好ましい。

また別の実施形態では、図２に例示したように、概して３２に示した埋込型カテーテルには、２つの薄膜外部電極３４および３６ならびに図示したように間隙４２内のカテーテル表面４０上に存在する点電極３８であってよい第３電極が用意されている。この実施形態では、第３電極は参照電極として機能するが、電極３４および３６は作用電極および対電極として機能する。印加電圧の極性が反転すると、電極３４および３６は機能を交替することになる。第３電極は、必ずしも点電極ではない、または該カテーテルの表面上に存在しなくてよいことを理解されたい。参照電極は、外面１６上の第３の細長い電極であってよい、または該カテーテルの内面４４上または他の２つの電極と接触している溶液中のどこかの場所に位置していてよい。例えば、参照電極は、カテーテルハブ中の灌流液中に配置された単純なワイヤ電極、例えば銀線電極であってよい。この実施形態では、当分野において公知であるように、対電極での電流を調整することによって参照電極に対して作用電極の電位を維持するためにポテンシオスタットを使用できる。図１の２電極実施形態に関して記載した電圧源もまた使用できる。

また別の実施形態では、図３に図示したように、概して４６に示した埋込型カテーテルには外面５０上の複数の相互嵌合電極４８が用意されている。該相互嵌合電極は金属製であってよい、または図１に記載の実施形態のための候補として列挙されたいずれかの電極材料から構成されてよい。この配置は、本システムの効率を増加させることができ、一部の場合には好ましい実施形態を表す可能性がある。関連実施形態では、例えば銀もしくは他の金属ナノワイヤから製造された、または金属ワイヤおよびポリマー繊維から編まれた２つ以上の柔軟性メッシュ電極を同様に使用できる。柔軟性メッシュ電極は、器具の製造中カテーテルの外面に圧入されてよい、さもなければカテーテルの外面に組み込まれるか、外面に取り付けられてもよい。この場合も、図１に記載の実施形態について記載した電圧源を同様に使用できる。

図４に示したまた別の実施形態では、本発明の埋込型カテーテル４８にはカテーテル外面５６上に２つの薄膜外部電極５２および５４ならびにカテーテル内面６２上に２つの追加の薄膜内部電極５８および６０が用意されている。この実施形態において内部電極を使用することによって加えられる利点は、該カテーテルの内面上ならびに外面上に存在するか形成されるバイオフィルム内の微生物を殺滅する能力である。さらに、内部電極の使用は、カテーテル内面上でのバイオフィルム積層の結果として発生する可能性がある閉塞の確率を減少させる。このシステムは、図２の実施形態に関して上述したように、内部および外部電極両方についての参照電極として機能するための追加の電極（図示していない）、または１つは内部電極のための参照電極として機能する、およびもう１つは外部電極のための参照電極として機能する２つの追加の電極を含むことができる。

また別の実施形態では、図５の断面図に図示したように、本発明に記載の埋込型カテーテル６４には、各々がカテーテル外面７０からカテーテル壁７２を通ってカテーテル内面７４に伸長する、そこで内部および外部電極を有するがより単純およびより経済的に有益な設計を使用するシステムとして機能してそのシステムの利点を提供する２つの電極６６および６８が用意されている。電極はカテーテル本体を通って該カテーテルの遠位端まで全長にわたって伸長するので、この実施形態は、本方法がカテーテルの遠位領域でバイオフィルムを阻害するのに十分に有効であることを保証する能動型カテーテルチップを提供することに有益である。

一部の実施形態では、医学的イメージング技術を使用して、特にそのようなイメージングの必要があり、そして該埋込型カテーテルの成分および組成がそうしなければ十分にＸ線不透過性ではない場合は、該埋込型カテーテルを視認可能にするために該カテーテル本体にＸ線不透過性を付与する手段を含むことが望ましいことがある。Ｘ線不透過性は、例えば、Ｘ線、ＭＲＩ、ＣＴ技術、Ｘ線透視法などを含むカテーテルの配置および操作を含む極めて多数のイメージング技術において必要とされる。例えば、金電極を用いると、金自体がある程度のＸ線不透過性を加えるが、そのレベルは外科医がＸ線透視下で視認するために十分ではない可能性がある。金もしくは銀電極を使用する場合は、一般にはＸ線不透過性を付与する追加の手段にとって望ましいであろう。これは、カテーテルに沿った離散点でバンドのような個別マーカーを加えることによって実施できる（医師は該カテーテルの切断遠位端を視認する必要があるので理想的ではない）。カテーテルに追加のＸ線不透過性を付与するための他の方法には、該ポリマー絶縁体単独内および／または該ポリマー電極マトリックス内へのＸ線不透過材料の組み込みが含まれる。本発明の状況において使用するために適切なＸ線不透過材料の例には、制限なく、硫酸バリウム、バリウムチタナイト、酸化ジルコニウム、およびビスマスが含まれる。チタン、タングステン、またはタンタルもまた、組み込まれた量が導電性を制限するほど高くないことを前提に可能である。Ｘ線不透過材料は、（１）該カテーテルの全長に沿ったストリップとして、または（２）該カテーテルに沿ったリングもしくはバンドの形態にあるマーカーとして該埋込型カテーテル内に組み込むことができる。Ｘ線不透過材料は、さらに（３）該カテーテルを半径方向に、ならびに該カテーテルの全長に沿って連続的に完全に取り囲んでいる外層として存在してもよい。（１）については、Ｘ線不透過ストリップは、また別のライン内のポリマーと混合された粉末によって、またはまた別のライン内に導入されたポリマー／Ｘ線不透過ペースト（ｒａｄｉｏｏｐａｑｕｅ ｍａｓｔｅ）の形態で共押出もしくは塗布することができる。（２）については、マーカーは、単純に上に塗布することができる。（３）については、Ｘ線不透過材料は、押出混合物へ粉末もしくはペースト形で加えることができる。

上記の実施形態では、該カテーテルの内部は、特定の医療手技における実施のための必要に応じて２つ以上のルーメンに長手方向にセグメント化できることは理解されるであろう。例えば、１つのルーメンは、Ｘ線透視法を使用して挿入中に確証できるように、該カテーテルおよび特別には患者の身体内の遠位先端の適正および精密なポジショニングを促進する目的でガイドワイヤを受け入れるようにサイズ設定することができる（または、該ガイドワイヤは上述した図面に示したように単一ルーメンカテーテル内に含有することができる）。血液中の酸素濃度を測定するための手段として含まれる、様々な状況のいずれかで使用される光ファイバーを含有するためには、第２ルーメンを使用できる。

上記の実施形態のいずれかにおいて、カテーテル電極およびカテーテル本体は、表面粗さを減少させ、血栓形成のリスクを低下させる生体適合性親水性材料でコーティングできる。そのような材料は当業者には公知である、および／または関連する文章および文献の中に記載されている。例えば、ＬａＰｏｒｔｅ，Ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，１９９７）を参照されたい。適切なコーティングの代表的な数種の例には、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）（ＰＨＥＭＡ）、他のポリ（ヒドロキシエトキシエチルメタクリレート）（ＰＨＥＥＭＡ）、ポリ（ヒドロキシジエトキシエチルメタクリレート）（ＰＨＤＥＥＭＡ）、ポリ（メトキシエチルメタクリレート）（ＰＭＥＭＡ）、ポリ（メトキシエトキシエチルメタクリレート）（ＰＭＥＥＭＡ）、ポリ（メトキシジエトキシエチルメタクリレート）（ＰＭＥＥＭＡ）、ポリ（メトキシジエトキシエチルメタクリレート）（ＰＭＤＥＥＭＡ）、およびポリ（エチレングリコールジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）を含むアクリレートポリマーおよびコポリマー、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（カルボン酸）、例えばポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）およびポリ（メタクリル酸）（ＰＭＡＡ）、ポリ（Ｎ−ビニル−２−ピロリドン）、ならびにセルロースエーテル、例えばヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）およびカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）が含まれる。コーティング厚は、一般には１μ〜約１５μ、典型的にはおよそ２〜５μの範囲内にある。

本明細書の最初の部分で記載したように、そして当業者であれば理解できるように、印加電圧の極性によって決定されるように、該埋込型カテーテルシステム内の１つの電極はアノードとして機能し、もう１つの電極はカソードとして機能する。該電極を越えて電圧が印加されると、反応性酸素種（ＲＯＳ）、つまりバイオフィルム細胞にとって破壊的である酸素を含有する化学的反応性分子がアノードおよびカソードの両方で形成される。アノードで発生する反応は、上述したように、溶解塩化物塩の形態で該本体全体に存在するアニオン、特に塩化物イオンの酸化を含んでいる。結果として生じる酸化生成物には、次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）および次亜塩素酸イオン（ＣｌＯ⁻）が含まれるが、それらはどちらもバイオフィルム崩壊および増殖阻害のための反応性酸化剤として機能する。酸化種を生じさせるカソードで発生する反応には、順に水と反応して過酸化水素および過酸化アニオンを産生する酸化剤であるスーパーオキシドイオン（Ｏ_２ ⁻）を得るための内因性酸素の還元が含まれる。

上述の反応性酸素種の全部がバイオフィルム細胞にとって破壊的であるが、本発明者らは、バイオフィルム破壊の速度および程度がアノードでの方が大きいことを見いだした。したがって好ましい実施形態では、本明細書の方法は、各電極が交互にアノードまたはカソードであるように印加電圧の極性を周期的に反転させる工程を包含している。この方法で、バイオフィルム破壊の速度および程度は、各電極でほぼ同一である。極性反転は、該反転を実施するための任意の効果的手段を使用する、例えば電圧源／電力供給源上の単純手動スイッチを使用する、または自動制御装置が規則的にプログラミングされた間隔でスイッチを作動させるプログラマブル自動システムを使用する手動型または自動型であってよい。極性反転は、任意の周波数、例えば３０秒毎に約１サイクル〜毎時約１サイクルの範囲内の周波数、好ましくは毎分約１サイクル〜４５分間毎に約１サイクルの範囲内、およびより好ましくは５分間毎に約１サイクル〜３０分間毎に約１サイクルの範囲内の周波数であってよいが、このとき「サイクル」は、電流の方向が一定のままである極性反転間の間隔を意味する。

極性反転が自動化される場合は、本明細書の好ましい実施形態において当てはまるように、極性を反転させるための手段は、電圧源をカテーテル上の電極に接続する、および極性反転を制御できるだけではなく、さらに電圧レベル、周波数、電圧印加の時間、電流密度なども調節できる、および理想的には第ＩＶ章において考察した防止、破壊、および感知プロファイルなどの規定の操作プロファイルを用いてプログラミングできるコントロール回路を含んでいる。

ＩＩＩ．製造
本発明の埋込型カテーテルを製造するためには様々な技術を使用できる。適切な製造技術には、無電解めっき（化学めっきもしくは自己触媒めっきとしても公知である）、押出、化学蒸着（ＣＶＤ）、および印刷が含まれる。外部電極を提供するためには上記の技術の全てを使用できるが、無電解めっきおよび押出は、内部および外部両方の電極を有する埋込型カテーテルを製造するための選択法である。

電極製造の分野において理解されるように、無電解めっきは、本発明の状況ではカテーテル表面上での薄膜電極の製造を含んでいる、絶縁基板を含む基板上に電導性材料を用意するための広範に使用されている非ガルバーニめっき法である。無電解めっき法は、電力を使用せずに電気めっきにおけると同様に発生する水溶液中での数種の同時反応を含んでいる。したがって、無電解めっき法を使用する本方法における電極の製造は、沈着させられる金属に共有的もしくは静電的に結合する活性化剤で該表面を処理する工程によって該カテーテルの外面および内面を最初に活性化する工程を含んでいる。シリコーンカテーテルとともに、この活性化層もしくは「シード層」は、表面シラノール基と反応し、結果として該カテーテル表面上に遊離反応性部分を生じさせるシラン化剤を用いて容易に提供される。反応性表面成分は、選択されたシラン化剤に依存して、例えば、スルフヒドリル、シアノ、もしくはアミノであってよい。代表的なシラン化剤には、制限なく、（３−アミノプロピル）−トリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）および（３−メルカプトプロピル）−トリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）が含まれる。表面活性化後、該カテーテルの活性化表面は、めっきのための基板として機能する、概して不活性であるが電気化学的に活性な表面である貴金属から構成される金属化合物もしくは組成物と接触させられる。貴金属の例には、金、銀、パラジウム、および白金が含まれる。

典型的なプロセスは、以下の通りである。表面活性化の前に、めっきされないカテーテル表面の領域、つまり電極間の間隙として機能する領域はマスキングされる。これは、無電解めっき溶液に不浸透性である、ならびに不活性である任意の材料を使用することによって実施できるが、該内部間隙は細長い剛性マスク材料（例、剛性プラスチック片）を該カテーテル内に物理的に導入することによって用意され、該外部間隙は外部マスキングセグメントを使用して用意される。図６に示したように、内部マスキングセグメント７６は該カテーテル内面７８の内径を越えて１つの内部区間８０から直径方向に反対側の内部区間８２へ伸長する。典型的プロセスが進むにつれて、該カテーテルは塩化パラジウムの水溶液中に浸漬させられ、その後に第一スズ塩（例、塩化第一スズ）を含有する溶液を用いて、概してその溶液中への浸漬によってコーティングされる。このプロセスは、当分野において周知であるように、カテーテル表面上へのパラジウム金属であるＰｄ^０の沈着を生じさせる。内部マスキングセグメント７６は、次にカテーテル内部から抜去され、他方外部マスキングセグメントはカテーテル外面から単純に物理的に取り外される。この時点で、金もしくは代替金属電極材料をカテーテル面のパラジウムコーティング領域上に任意のめっき技術を使用して、厚さ約５０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内の薄膜電極層を提供するために沈着させることができる。

カテーテル表面へ金属材料を結合させるためのまた別の方法は、表面上の溶媒中に金属前駆体を沈着させ、溶媒を蒸発させ、次に該金属前駆体を活性金属に転換させる方法である。例えば、金属前駆体溶液は、溶媒中のパラジウム化合物およびルイス（Ｌｅｗｉｓ）塩基リガンド、例えばプロピオン酸パラジウム、酢酸プロピオン酸塩など、および求核性窒素含有リガンド、例えばアニリン、ピリジン、シクロペンチルアミンなどの溶液であってよい。沈着後、溶液は、溶媒の蒸発を促進する条件、例えば熱もしくは対流に曝露させられる。コーティングは、次にカテーテル表面上に元素のパラジウムの層を残して、パラジウムからのリガンドの分離を化学的に促進する方法で処理される。そのようなプロセスは、その開示が参照により本明細書に組み込まれるＳｈａｒｍａ ｅｔ ａｌ．への米国特許第７，９８１，５０８号明細書（ＳＲＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社、カリフォルニア州メンロパークに割り当てられている）に詳細に記載されている。

無電解めっき法の利点は、含まれる反応が、表面上で発生する、および周囲温度で水溶液とともに発生する極めて単純な電気化学的反応である点である。高い温度もしくは圧力、有機溶媒、または複雑な装置の必要はない。さらに、現在の状況において、無電解めっき法を使用した埋込型カテーテルの製造は、該プロセスを外部電極だけ、内部電極だけ、または内部および外部電極の両方を提供するために使用できる限り、汎用製造技術であることも留意されたい。

本発明の埋込型カテーテルを製造するためのまた別の方法は、当分野において公知の押出技術を使用する押出を包含している。この実施形態では、ペーストは、カテーテル本体として、そして該ペーストの外部および内部では、それが押出機内に供給されるにつれて、導電性電極組成物の少なくとも２つのストリップとして機能するであろう柔軟性エラストマへの前駆体もしくはプレポリマーを使用して調製される。該柔軟性エラストマへの前駆体もしくはプレポリマーは、熱、紫外線、または架橋剤を用いて化学的に架橋可能である。導電性電極組成物は、導電性粒子、例えば炭素粒子、および熱硬化性もしくは熱可塑性、好ましくは光化学的、熱的、もしくは化学的に、例えば水分の存在下において硬化性である熱硬化性ポリマーの混合物を含んでいる。１つの例として、シリコーンカテーテルを用いると、ペーストは、カテーテル本体を形成するために、容易に硬化性である架橋性シロキサンポリマーもしくはプレポリマーを含有するであろう。架橋性シロキサンポリマーもしくはプレポリマーに依存して、架橋剤の添加が必要になるであろう。本明細書で使用する用語「架橋性」は、熱的、光化学的、または化学的架橋を可能にする反応性もしくは官能性基を有するポリシロキサンを意味する。本明細書のシリコーンポリマーは、一般に公知であり、市販で入手できる。例として、ジメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン、シアノアルキルメチルポリシロキサン、およびフルオロアルキルメチルシロキサンを挙げることができる。特に好ましい架橋性ポリシロキサンは、高い強度および弾性を有すると特徴付けられているジメチルポリシロキサンである。導電性電極組成物は、好ましくは粒子状炭素、例えば炭素粉末、炭素ナノ粒子、炭素繊維など、ならびに熱硬化性ポリマー、例えば熱的もしくは光化学的に硬化性の、典型的にはポリウレタン、ポリ塩化ビニル、シリコーン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、およびポリエーテル−アミドブロックコポリマーから選択されるポリマーの混合物から構成され、炭素は該混合物の約５ｗｔ％〜約２５ｗｔ％の範囲内に相当する。押し出されたカテーテルは、次に必要に応じて、例えば光および／または熱および／または水分を用いて、該ポリシロキサンを硬化させ、それにより該カテーテル本体を形成し、炭素−ポリマー複合体電極を形成するために導電性電極組成物の熱硬化性ポリマーを硬化させるために処理される。シリコーン以外の押出可能な材料から製造されたカテーテルを用いた場合は、類似の製造プロセスが使用されるであろう。

一部の実施形態では、押し出すべき材料は、押出プロセス前および／または中に加熱することができる。第１導電性材料、第２導電性材料、および誘電材料を有する電極構造は、誘電材料によって電気絶縁された第１導電材料および第２導電材料を有する電極構造を提供するためにこの方法で共押出できる。

押出は単純および簡単な技術であり、該電極の位置、幅、および厚さを慎重に制御することを可能にするので、該埋込型カテーテルを製造するための好ましい技術である。

上述したように、該埋込型カテーテルは、さらにカテーテルの外面上にＣＶＤを使用して電極材料を沈着させる工程、または軟化したカテーテル本体の外面内に予備成形電極ストリップを圧入する工程を本質的に包含する印刷技術を使用することによって製造できる。

ＩＶ．操作
本発明を実施するために適切な操作パラメータは、対象とする使用方法および電圧印加レジメンに依存して変動するであろう。つまり、本発明の方法を使用すると、埋込型カテーテル表面上に存在するバイオフィルム内の微生物を殺滅する、該埋込型カテーテル表面上のバイオフィルムの増殖を防止する、または該埋込型カテーテル表面上のバイオフィルムの形成を感知することができる。さらに、該カテーテル表面上で生成された電場は、間欠的もしくは連続的いずれかで電圧源によって印加することができる。

最初に、本方法が存在するバイオフィルム内の微生物を殺滅するために実施され、電場が間欠的に生成される場合には、以下の操作パラメータ：約１５分間〜約６時間の範囲内、典型的には約３０分間〜約３時間の範囲内の電圧印加時間、１日約１もしくは２回〜週に約１もしくは２回の範囲内の印加周波数、約０．５Ｖ〜約１．５Ｖの範囲内、好ましくは約０．６Ｖ〜約１．２Ｖの範囲内、最も典型的には約０．８Ｖ〜約１．２Ｖの範囲内の印加電圧、ならびに約５μＡ／ｃｍ^２〜約２００μＡ／ｃｍ^２の範囲内、典型的には約１０μＡ／ｃｍ^２〜約２００μＡ／ｃｍ^２の範囲内、および最も典型的には約２０μＡ／ｃｍ^２〜約１００μＡ／ｃｍ^２の範囲内にある電流密度が適用される。より高い電流密度での操作は電圧印加の時間を減少させる、およびより低い電流密度での操作は電圧印加の必要な時間を増加させることは理解されるであろう。しかし一般に、上記のパラメータは存在するバイオフィルムを破壊する意図により間欠的印加を使用して適用される。間欠的印加は、埋込型カテーテルを備える極めて多数の患者が存在する場合の状況、例えば院内状況において、および利用できる電圧源の数が限定される場合において望ましいことがある。

しかし本方法が存在するバイオフィルム内の微生物を殺滅するために実施され、電場が連続的に生成される場合は、少し低い電圧がより長期間にわたって印加されるが、このとき典型的にはこの長期の期間は少なくとも７２時間であり、数週間もしくは数カ月間以上でさえあることが多い。一般に、印加電圧は約０．３Ｖ〜約１．３Ｖの範囲内、典型的には約０．３Ｖ〜約０．７Ｖの範囲内にあり、および電流密度は約５μＡ／ｃｍ^２〜約５０μＡ／ｃｍ^２の範囲内にある。

埋込型カテーテル上のバイオフィルムの形成を防止する際には、該カテーテル表面を越える電場を生成するための電圧の印加は、好ましくは進行中の連続的低電圧プロセスであり、印加電圧は約０．２Ｖ〜約１．０Ｖの範囲内、好ましくは約０．３Ｖ〜約０．６Ｖの範囲内である。結果として生じる該カテーテル表面での電流密度は、典型的には約５μＡ／ｃｍ^２〜約３０μＡ／ｃｍ^２の範囲内にある。

本発明はさらに、埋込型カテーテル表面上のバイオフィルムの形成を感知する、または存在を確証するための方法およびシステムを含んでおり、該カテーテル表面を越える電場を生成するための電圧の印加は、間欠的または連続的であってよい。この場合には、およそ約１０ｍＶ〜約３０ｍＶの極めて低い電圧が必要とされる。１つの実施形態では、本システムは、該カテーテルの外面および／または内面上の外部電極を越えるインピーダンスにおける増加、つまりバイオフィルムの非存在下で該電極を越える測定されたインピーダンスに比較した増加を検出するための手段を含んでいる。検出手段、例えば電気インピーダンス分光法（ＥＩＳ）もしくは代替技術は、使用者が視認するために外部器具へ測定値を通信するための手段へ操作可能に接続されている。通信手段は、出力信号、例えば測定されたインピーダンスの指標である、電子、光学、もしくは電磁信号を提供するための電気回路を含んでいる。一般に、少なくとも２つの連続測定値において記載されたインピーダンスにおける５０％を超える増加は、カテーテル表面上のバイオフィルムの存在もしくは形成の指標である。バイオフィルムが検出されたことが明らかになると、該バイオフィルム内の微生物を殺滅するための上記の方法の１つは、該埋込型カテーテルが殺菌されることを保証するために同一のシステムおよび電圧印加器具を使用して実施することができる。

バイオフィルム破壊のために、つまり該バイオフィルム内の微生物を殺滅するために使用される電極は、上記のインピーダンス測定技術を使用する場合と同様にバイオフィルムを感知するために使用できることが重要視されるべきである。結果として、感知プロセスは、病原性バイオフィルムの増殖と関連するインピーダンスにおける変化を検出するために使用することができ、および上述したように、同一システムは、任意の種類の修飾もしくは適応を行わずに、次に本明細書の最初に記載したようにより高い電圧で、該バイオフィルム内の微生物を殺滅し、それにより該カテーテル表面を殺菌するために活性化することができる。

関連する実施形態では、該カテーテル表面上でのバイオフィルムの存在もしくは形成を検出するためにインピーダンス測定を使用するのではなくむしろ、バイオフィルム増殖が実質的に酸素を枯渇させる傾向があるので、電気化学的もしくは他のタイプの酸素測定を該カテーテル表面で行うことができる。実際に、厚さが約７０μしかないバイオフィルム下では、該範囲内の酸素は完全に枯渇させることができると報告されている。Ｇａｎｅｓｈ ｅｔ ａｌ．（２００８）Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒｓ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ４６：３２１−３２７を参照されたい。酸素レベルがカテーテル表面で有意に低下したとユーザが決定すると、バイオフィルム内の微生物は、本明細書の最初の部分で記載した方法を使用して殺滅できる。

例えば、ガルバーニ式酸素センサ、ポーラログラフ酸素センサ、クーロメトリ（電量分析）センサなどを含む任意の電気化学的酸素センサおよび酸素測定法を使用できる。

理想的には、患者における単一埋込型カテーテルシステムの実際の使用に関係する情報を保存および追跡することができる。そのような情報には、例えば、カテーテルの取付日、カテーテルのアクセス日、活性化日および時間、電圧レベル、使用期間などが含まれる。カテーテルの活性化パターン、例えばバイオフィルムが検出されたら低電圧レベルでの予防対高レベルでの活性化に関する情報は、どの患者にとってどのような療法が最良に機能するかの決定に関する極めて重要な情報をもたらすことができる。上記の情報の収集を可能にするために、本埋込型カテーテルシステムは、日付および時間を保存できる内部刻時機構、その流体コネクタがいつアクセスされたかを測定するためのカテーテル内のセンサ（例、容量もしくは抵抗センサ）、活性化パターンおよび使用電力を監視するための手段、ならびにデータ出力器具および有線もしくは無線通信チャネルを通して院内ネットワークと通信する手段を含まなければならない。関連情報は、これによりダッシュボード、患者の電子カルテ（ＥＭＲ）または並列システムもしくはアプリケーションを通して医療従事者に知らせることができる。提供される情報は、該カテーテルを使用するための品質管理および該カテーテルの臨床使用を最適化してバイオフィルム感染に起因する罹患数および致死数を低下させるための新規な知識源として役立つであろう。より詳細には、本情報システムは、以下の、該埋込型カテーテルがアクセスされた回数および使用された時間の長さに関する管理を提供する、どの使用パターンが患者にとってより良好な転帰を生じさせるかを決定するための新規知識を生成する、カテーテル感染症が疑われる場合に不要で費用のかさむカテーテルの抜去を回避する、ならびに経時的に、結果として最適な患者転帰を生じさせられるように該カテーテルの活性化パターンの使用を最適化するという利点を提供するであろう。

Ｖ．利用性
本発明の埋込型カテーテルは、カテーテルが患者の体内に埋め込まれる様々な多数の状況において利用される。一般に、本発明の方法および埋込型カテーテルは、広範囲のカテーテルタイプ、例えば動脈カテーテル、中心静脈カテーテル、透析チュービング、気管内チューブ、経腸栄養チューブ、フォーリ（Ｆｏｌｅｙ）カテーテル、胃瘻チューブ、血液透析カテーテル、経鼻胃チューブ、腎瘻チューブ、肺動脈カテーテル、気管切開チューブ、中耳腔換気用チューブ、シャント、臍帯カテーテル、導尿カテーテルなどと結び付けて利用できる。一般に好ましいカテーテルタイプは、短期および長期留置カテーテルであり、短期カテーテルは３０日間未満にわたり適所に留置され、長期カテーテル法は３０日間を超えて埋込を必要とすると規定されている。

特に重要な使用領域は、例えば、輸血を実施する、血流に抗生物質、薬物、栄養、もしくは化学療法薬を投与する、または患者の血液を浄化するために、患者の血管系への反復および長期のアクセスを必要とする医療手技である。例えば、中心静脈カテーテルは、特にそれらの使用について、例えば慢性疾患患者における完全非経口栄養の投与などの長期間の連続的な必要がある場合に、通常は他の静脈カテーテルよりも長期間にわたって埋め込まれたままとなる。他の例として、糖尿病患者の治療中には、血液が身体の外部へろ過および浄化のために抜去され、典型的には静脈もしくは動脈を通してアクセスされる。

反復穿刺によって誘発される皮膚および血管壁への累積損傷は、新規カテーテルを患者の静脈系内へ一定間隔で導入することを実行不可能にする。本発明の埋込型カテーテルの使用は、バイオフィルム内の感染微生物を殺滅することができ、そこでカテーテルを患者の身体から抜去することなく殺菌することができるので、カテーテルの反復抜去および挿入の必要を排除する。

そこで、使用時には、該埋込型カテーテルは患者の皮膚を通して挿入されるので、遠位端は患者の身体内の皮下に留まっており、他方近位端は外部ラインと接続するために身体の外側に伸長している。遠位端は、一般には患者の静脈に入り、近位端は外部ラインを通して医療用流体、例えば血液を受け入れる、供給する、および／または処理するために使用される器具へ接続される。カテーテル本体の外面は、該カテーテルを取り囲んでいる環境に露出させられる。例えば、該外面はその中に該カテーテルが挿入されている体腔の内容物と接触する可能性がある。

当業者であれば、本明細書に記載した本発明は、その場合には該インプラント表面がバイオフィルム微生物による感染のリスク状態にある、器具が患者の身体内に埋め込まれる広範囲の状況において実施できることを理解するであろう。そのようなインプラントには、制限なく、胆管、肝、および食道ステントを含むステント、整形外科用プロテーゼ、ピン、関節、ならびに他のインプラント、歯科インプラント、心内プロテーゼ、人工心臓弁を含む血管プロテーゼ、人工心臓、およびペースメーカが含まれる。

実験：
材料および方法
菌株および増殖条件：全試験を通して緑色蛍光タンパク質（Ｇｆｐ）で標識され、表１に記載した特徴を備える緑膿菌（ＰＡＯ１）を使用した。少数の実験では、同様に表１に列挙した大腸菌および黄色ブドウ球菌の菌株を使用した。菌株は、１ｍＭのＭｇＣｌ_２、０．１ｍＭのＣａＣｌ_２、および０．０１ｍＭのＦｅＣｌ_３が添加されたＭ９培地中で増殖させた。培地は、０．９％の生理学的／血流中ＮａＣｌの濃度で調製した。さらに、１ｍＭのグルコースをバッチ実験のために単独炭素源として加え、フローチャンバ実験のためには０．０１ｍＭのグルコースを加えた。黄色ブドウ球菌のためにはトリプチカーゼソイブロス（ＴＳＢ）を増殖培地を使用した。必要な場合は、抗生物質を１００μｇ／ｍＬのアンピシリンおよび２０μｇ／ｍＬのゲンタマイシンの最終濃度で加えた。生細胞および死細胞の視認は、生細胞を緑色蛍光によって、死細胞を赤色蛍光によって示す、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｂｅｓ社（米国オレゴン州ユージーン）からのＢａｃｌｉｇｈｔ生死染色を用いて染色することによって実施した。Ｇｆｐが細胞（例、ＰＡＯ１について）中で構成的に発現した場合は、生細胞はＧｆｐからの緑色蛍光によって提示される。

フローチャンバ実験：バイオフィルムは、１×４×４０ｍｍの個別チャネル寸法を備える３つのチャネルフローチャンバ内で３０℃で増殖させた。フローシステムは、Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ ｅｔ ａｌ．（１９９９）Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｅｎｚｙｍｏｌ．３１０：２０−４２、およびＳｔｅｒｎｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．（Ｊａｎ．２００６）Ｃｕｒｒ．Ｐｒｏｔｏｃ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｊａｎ；Ｃｈａｐｔｅｒ １：Ｕｎｉｔ １Ｂ．２によって記載されたように組立てて準備した。下層は、金アノードおよびカソードグリッドを備えてマウントされた顕微鏡ガラス製カバースリップ（ｓｔ１；Ｋｎｉｔｔｅｌ Ｇｌａｅｓｅｒ社、独国ブラウンシュバイク）から構成した。各チャネルには、適切な炭素源を含有するＭ９培地を３ｍＬ／時の流量で補給した。フローセルには、ＬＢ培地中で１８時間増殖させ、接種前にＯＤ ０．０１に希釈した当該菌株を接種した。培地の流動を停止させた後、フローチャネルを反転させ、２５０μＬの希釈混合液は小さなシリンジを使用して各フローチャネル内に注意深く注入した。１時間後、フローチャネルを反転させ、Ｗａｔｓｏｎ Ｍａｒｌｏｗ ２０５Ｓ蠕動式ポンプ（Ｗａｔｓｏｎ Ｍａｒｌｏｗ社、マサチューセッツ州ウィルミントン）を使用して流動を再開させた。フローセル内の平均流動速度は０．２ｍｍ／秒であった。典型的なカテーテル長の電極上での増殖および殺滅効率を監視するために、規模を拡大したフローセルを開発して使用した。このフローセルは４×３０×１６０ｍｍの寸法を有し、グラファイト電極とともに装填した。フローチャネル内で発生した単一細胞およびバイオフィルムの空間位置確認に関して印加電気化学を使用して細胞の殺滅を追跡するために、細胞は共焦点顕微鏡を用いた検査の１５分前に生死染色を用いて染色した。

２つのバイオフィルム系：これらの試験を通して、グラファイト電極（長さ４ｃｍ）を６ウエルのペトリ皿の底部に装填した静止系を使用したが、検査は浸漬対物レンズを使用してウエル内で直接的に実施した。この系では、バイオフィルムを６時間にわたり発生させた。この系は小さなミクロコロニー構造から始まって基層での薄膜単層バイオフィルムの発生を可能にした。使用した第２系は、数日間にわたる成熟バイオフィルム発生およびバイオフィルム成熟中の様々な時点での処理を許容するフローシステムであった。どちらの系においても、株化したバイオフィルム上で処置を実施し、細胞の電極表面への初期付着から電気化学を適用することによってバイオフィルム発生の防止を実施することができた。

顕微鏡検査および画像分析：全ての顕微鏡観察および画像収集は、アルゴン／クリプトンレーザおよび検出器ならびにＳｙｔｏ９／Ｇｆｐ（励起４８８ｎｍ、発光５１７ｎｍ）およびヨウ化プロピジウム（励起５４３ｎｍ、発光５６５ｎｍ）の同時監視のためのフィルタセットを装備したＴＣＤＳＰ２走査型共焦点レーザ顕微鏡、ＣＬＳＭ（Ｌｅｉｃａ Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ社、独国ハイデルベルク）上で実施した。画像は、６３×／１．４ Ｐｌａｎ−ＡＰＯＣｈｒｏｍａｔ、６３×／０．９０ｗ ＨＣＸ−ＡＰＯおよび２０×／０．５０ｗ ＨＣＸ−ＡＰＯ対物レンズを用いて入手した。多チャンネル模擬蛍光投影（ＳＦＰ、陰影投影）画像および該バイオフィルムを通る鉛直断面は、ＩＭＡＲＩＳソフトウエアパッケージ（Ｂｉｔｐｌａｎｅ ＡＧ社、スイス国チューリッヒ）を使用することによって生成した。画像はさらに、Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐソフトウエア（Ａｄｏｂｅ社、カリフォルニア州マウンテンビュー）を使用することによる表示のためにさらに処理した。

ＣＯＭＳＴＡＴを使用した定量のための画像収集：バイオマスの定量および死細胞率（％）を計算するために、独立バイオフィルム実験は、各バイオフィルムサンプルから大量の画像を無作為に収集して実施した。画像は、さらにＣＯＭＳＴＡＴ（Ｈｅｙｄｏｒｎ ｅｔ ａｌ．（Ｏｃｔ．２０００）Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ １４６（Ｐｔ１０）：２３９５０４０７を使用して処理した。共焦点顕微鏡からの画像を視認し、相対量の緑色細胞および赤色細胞を一定間隔で定量することによって、バイオマスを計算し、バイオフィルム増殖を監視することができる。したがって死細胞の分画は、該電気化学プロセスを通して推定できる。

結果
共焦点顕微鏡を使用して入手し、図７〜１５および１７に示した画像は、バイオフィルム増殖を阻害することにおける本発明の本電気化学方法およびシステムの有効性を微生物の殺滅およびバイオフィルム増殖の防止の両方に関して確証している。

図７〜１１は、グルコース最少培地中の静止系内の長さ４ｃｍのグラファイト電極（図７〜９および１１）上または長さ１６ｃｍのグラファイト電極（図１０）上で増殖させた緑膿菌バイオフィルムの画像を示している。これらの画像は電力供給源への電極接続から各々４ｃｍおよび１２ｃｍで撮影し、以下のように様々な電気化学的処理を使用した：図７、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖ、図８、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖ、図９、１０μＡ／ｃｍ^２で−０．６Ｖ、図１０、２５μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖ、および図１１、２５μＡ／ｃｍ^２で−０．８Ｖ。セル内に挿入されたＧｆｐから緑色で提示された生細胞およびヨウ化プロピジウム染色後に赤色で示された死細胞を用いると、本発明の方法およびシステムが電極長およびある範囲の電気化学的パラメータを使用することとは無関係に（殺滅およびバイオフィルムバイオマスに関して）バイオフィルムを阻害することに有意な作用をすることは明白である。

図１２〜１５は、本明細書の最初の部分で記載したフローチャンバを使用する動的流動システム内で増殖させた緑膿菌バイオフィルムの画像を示している。同様に、これらの画像は様々な状況であるバイオフィルム増殖の期間（図１２、２４時間：図１３〜１５、７２時間）、電極のタイプ（図１２および１３、ガラス上の金、図１４および１５、２０ｃｍのグラファイト電極）、および電気化学的パラメータ（図１２および１３、２０μＡ／ｃｍ^２で−１．２Ｖ、図１４、２μＡ／ｃｍ^２、図１５、２０μＡ／ｃｍ^２）における本発明の有効性を確証している。図１６は、本発明による電気化学的処理後のコロニー形成単位（ＣＦＵ／ｍＬ）によって評価した緑膿菌バイオフィルムの殺滅有効性を示している。

図１７、１８、１９および２０は、追加の微生物である大腸菌（図１７に示した画像および図１８に示したＣＦＵ／ｍＬ図）および黄色ブドウ球菌菌株（図１９に示した画像および図２０に示したＣＦＵ／ｍＬ図）に関する有効性を示している。

セル内に挿入したＧｆｐからの緑色で提示された生細胞およびヨウ化プロピジウム染色後の赤色で示した死細胞を用いると、入手した画像ならびに図１６、１８および２０のＣＦＵ／ｍＬ図から、本発明の方法およびシステムは、電極長およびある範囲の電気化学的パラメータを使用することとは無関係にバイオフィルムを阻害／殺滅することに有意な作用を有することは明白である。

Claims (7)

1. 患者の身体から抜去することなくバイオフィルム阻害濃度の酸化剤を作り出すことにより電気化学的に殺菌できる埋込型カテーテルであって：
   誘電材料を含む細長いカテーテル本体であって、近位端、遠位端、カテーテル本体を通して伸長していて前記近位端から前記遠位端まで流体を輸送するために適応する１つのルーメン、前記カテーテル本体の外部上の外面、および前記ルーメンの内部上の内面を有するカテーテル本体、および
   前記カテーテルの外面上にありそれと一体である少なくとも２つの外部電極であって、前記外部電極は細長く前記カテーテル本体の外面に沿って前記近位端から前記遠位端へ長手方向に伸長している外部電極、
   を含み、
   前記２つの外部電極は、前記外面から前記カテーテル本体の壁を通して前記内面に向かって半径方向内向きに伸長し、それにより付加的に内部電極として機能し、
   前記２つの外部電極は、一対の間隙によって分離されており、
   前記間隙は、前記カテーテル本体の誘電材料を含み、前記カテーテル本体の外面から内面に半径方向内向きに伸長し、及び、前記近位端から前記遠位端に長手方向に伸長しており、
   前記カテーテルは、加えられる殺生物剤の非存在下で、患者の身体に埋め込まれた前記カテーテルを患者の身体から抜去することなく、前記患者の身体に存在する内因性化合物からバイオフィルム阻害濃度の酸化剤を作り出すために有効である大きさの電圧であって、前記外部電極に電圧源から印加される該電圧を受け取るための手段をさらに有する、
   該埋込型カテーテル。
2. 前記外部電極が、作用電極および対電極として機能するアノードおよびカソードを含み、参照電極として機能する第３電極をさらに含む、請求項１に記載のカテーテル。
3. 前記カテーテル本体は、シリコーン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、またはラテックスを含む柔軟性エラストマ材料から構成される、請求項１又は２に記載のカテーテル。
4. 前記電極は、炭素−ポリマー複合体から構成される、請求項１〜３のいずれか１に記載のカテーテル。
5. 前記電極が、
   （ａ）金属製であるか、または炭素粒子および熱硬化性もしくは熱可塑性ポリマーを含む炭素−ポリマー複合体から構成され、
   （ｂ）１，０００Å〜２μｍ、または１０μｍ〜２００μｍの範囲内の間隙によって分離され、または
   （ｃ）５００Å〜３０μｍの厚さを有する、
   請求項１〜４のいずれか１に記載のカテーテル。
6. 前記カテーテルが、
   （ａ）複数のアノードおよび同数のカソードを含む複数の外部電極を有し、
   （ｂ）静脈に埋め込まれた中心静脈カテーテルであり、または
   （ｃ）前記カテーテルの少なくとも前記外面上に存在する、または形成されるバイオフィルムであって、前記バイオフィルム内の微生物を殺滅する工程を行われた、バイオフィルムを含む、
   請求項１〜５のいずれか１に記載のカテーテル。
7. （ａ）前記電圧が、直流電源、交流電源、およびパルス電圧源から選択される電圧源により供給され、前記電圧源は前記電極と電気通信しており、
   （ｂ）前記電圧が、交流電源である電圧源により供給され、
   （ｃ）前記電圧が、直流電源である電圧源により供給され、極性は、各電極がアノードとして機能することとカソードとして機能することの間で交替するように長期間を通して交替し、
   （ｄ）前記電圧が、直流電源である電圧源により供給され、極性は、各電極がアノードとして機能することとカソードとして機能することの間で交替するように長期間を通して交替し、ここで、前記極性は５〜３０分毎に交替し、
   （ｅ）前記電圧が、ポータブル型電池パックの形態にある直流電源である電圧源により供給され、
   （ｆ）前記電圧が、１５分間〜６時間、または３０分間〜３時間の範囲内の期間にわたりほぼ一定間隔で間欠的に印加され、
   （ｇ）前記電圧が、少なくとも７２時間の長期間にわたって連続的に印加され、
   （ｈ）前記電圧の大きさが、０．３Ｖ〜１．３Ｖ、０．３Ｖ〜０．７Ｖ、０．２Ｖ〜１．０Ｖ、０．５Ｖ〜１．５Ｖ、０．６Ｖ〜１．２Ｖ、または０．８Ｖ〜１．２Ｖの範囲内であり、または
   （ｉ）印加された前記電圧は、前記カテーテル本体の少なくとも前記外面上で５μＡ／ｃｍ^２〜５０μＡ／ｃｍ^２、５μＡ／ｃｍ^２〜２００μＡ／ｃｍ^２、１０μＡ／ｃｍ^２〜２００μＡ／ｃｍ^２、または２０μＡ／ｃｍ^２〜２００μＡ／ｃｍ^２の範囲内の電流密度を生じさせる、
   請求項１〜６のいずれか１に記載のカテーテル。

Images