KR20160113668A - 분자, 약물, 백신 등의 세포내 및 세포간 전달 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

약물 또는 백신을 전달하는 예시적인 방법은 플라즈마를 발생시키도록 전극에 일련의 제1 전기적 신호를 적용하는 단계를 포함한다. 제1 전기적 펄스는 제1 지속시간, 제1 전압 진폭, 및 제1 상승 시간을 갖는다. 플라즈마에 의해 접촉된 피부의 영역에 분자, 약물 또는 백신을 적용하는 단계; 및 피부의 영역에 접촉하기 위한 플라즈마를 발생시키도록 전극에 일련의 제2 전기적 신호를 적용하는 단계. 제2 전기적 펄스는 제2 지속시간, 제2 전압 진폭, 및 제2 상승 시간을 갖는다. 제1 전기적 펄스에 대한 지속시간은 제2 전기적 펄스에 대한 지속시간보다 짧다. 제2 전기적 펄스의 전압 진폭은 제1 전기적 펄스보다 크다. 제2 전기적 펄스의 상승 시간은 제1 전기적 펄스보다 짧다.

Description

분자, 약물, 백신 등의 세포내 및 세포간 전달 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR INTRACELLULAR AND INTERCELLULAR DELIVERY OF MOLECULES, DRUGS, VACCINES AND THE LIKE}

<관련 출원>

본 출원은 전체로서 참조문헌으로 본원에 포함된 2014년 1월 30일에 출원된 "분자, 약물, 백신 등의 세포내 및 세포간 전달 방법 및 장치"라는 제목의 미국 가특허 출원 번호 제61/933,384호의 우선권 및 이익을 주장한다.

백신은 현대 의학의 가장 중요한 발견이자 의사가 환자에게 제공할 수 있는 가장 유익한 치료 중 하나이다. 그러나 많은 백신 예방가능 질병이 적절한 보호 또는 치료적 면역 반응을 끌어내는 기술을 기다린다. 대부분의 백신은 항체 반응을 끌어내지만, CD8 T 세포를 포함하는 세포 매개 면역 반응이 세포내 박테리아성, 진균성 및 바이러스성 질병뿐만 아니라 암을 포함하는 만성 질병을 예방, 제어 또는 치료하는 데에 필요하다.

DNA 백신은 세포 매개 면역 반응 및 항체 반응을 모두 얻을 수 있다. 따라서, DNA 백신은 백신접종의 다른 방식에 대한 매력적인 대안을 나타낸다. DNA 백신은 보호를 끌어내는 데에 필요한 면역원성 단백질에 대한 유전자, 면역 반응을 증진시키는 단백질에 대한 유전자, 및 포유동물 세포에서 이의 RNA로의 전사, 단백질로의 번역, 및 포유동물 세포가 아닌 박테리아에서의 증폭에 필요한 DNA 서열을 함유하는 플라스미드 (DNA 고리)로 구성된다. DNA 백신에 대한 면역 반응은 바이러스성 감염에 대한 반응을 닮았으나, DNA는 확산되거나 질병을 일으키지 않으므로 더 안전하다. DNA는 또한 상대적으로 제조하기 쉽고 주변 환경에 대해 안정하다. DNA 백신은 보다 통상적인 수단에 의한 백신 개발을 회피한 질병, 예컨대, HSV, AIDS, C형 간염, 암 등을 예방 또는 치료하는 데에 필요한 면역 반응을 발생시키는 데에 사용될 수 있다.

효율적인 전달 및 세포성 흡수를 촉진하는 것은 어려우며 DNA 백신이 아직 널리 받아들여지지 못한 주된 이유이다. 지질 매개 전달, 제트 주입, 유전자 총(gene gun) 및 소노포레이션(sonoporation)을 포함하는 여러 DNA 백신의 전달 및 흡수에 대한 전달 방법이 많은 성공 없이 시험되었다.

DNA 백신 유전학 분야의 최근의 발전 및 DNA 백신의 생체 내(in vivo) 전달을 위한 전기천공법의 사용은 발현 효율을 실생활 환경에 실용적인 수준으로 증가시켰다. 전기천공법은 세공을 열도록 펄스화된 전류를 사용하며 피부 내(intradermally) 주입된 DNA를 피부 세포 내로 이동시킨다. 전기천공법은 DNA의 세포성 흡수를 촉진하기 위해 피부 내로의 DNA 주입, 피부에 직접적인 전극 접촉 및 전류 적용을 요구한다. 약물 전달 방법으로서 전기천공법은 적용에 따른 고통, 근육 수축을 포함하는 여러 결점을 가지며 전류 유발성 조직 손상을 야기할 수 있다. 이들 결점은 이것의 광범위한 채택을 제한하고 있다.

한 연구는 비열 플라즈마가 또한 펄스화된 전기장을 피부로 전달할 수 있음을 보여주었으며 이 방법이 피부 내 주입된 DNA 백신의 세포성 흡수를 안전하게 촉진할 수 있음을 입증하였다. 그러나, 이 방법은 DNA가 바늘로 피부로 주입될 것을 요구하며, 이는 예컨대, 예를 들어, 이들이 고통스러우며 반드시 처리되어야 하는 위험한 폐기물을 가져온다는 부정적 측면을 갖는다. 나아가, 주입은 대량의 약물을 매우 국부화된 영역에 전달하고, 이로써 약물의 상호작용을 소수의 세포로 제한하고 치료의 효능을 감소시킨다. 추가적으로, 이 연구는 특수 장비 및 비싼 헬륨 기체를 필요로 하는 플라즈마 제트를 사용하였다. 제트의 추가적인 결점은 이들이 처치할 수 있는 피부의 작은 표면적이다.

유사하게, 약물, 예컨대, 예를 들어, 전술한 바와 같이 여러 결점을 갖는 바늘의 사용 없이 화학요법 약물, 성장 인자, 면역조절 약물 등의 세포성 흡수를 촉진하는 것이 바람직할 수 있다.

약물 또는 백신을 전달하는 예시적인 방법은 피부의 영역에 플라즈마를 발생시키도록 전극에 제1 전기적 신호 또는 일련의 제1 전기적 신호를 적용하는 단계, 플라즈마에 의해 처치된 피부의 영역에 분자, 약물 또는 백신을 국소적으로 적용하는 단계; 및 동일한 피부의 영역에 플라즈마를 발생시키도록 전극에 제2 전기적 신호 또는 일련의 제2 전기적 신호를 적용하는 단계를 포함한다. 제1 전기적 펄스(들)에 대한 지속시간은 제2 전기적 펄스(들)에 대한 지속시간보다 길다.

분자, 약물 또는 백신을 세포로 전달하는 또 다른 예시적인 방법은 피부 조직의 영역에 플라즈마를 발생시키도록 전극에 제1 전기적 신호 또는 일련의 제1 전기적 신호를 적용하는 단계, 플라즈마에 의해 처치된 피부의 영역에 분자, 약물 또는 백신을 국소적으로 적용하는 단계; 및 동일한 조직의 영역에 플라즈마를 발생시키도록 전극에 제2 전기적 신호 또는 일련의 제2 전기적 신호를 적용하는 단계를 포함한다. 제1 전기적 신호(들)는 약물 또는 백신이 세포사이로 (세포 주변으로) 이동하도록 허용하고 제2 전기적 신호(들)는 약물 또는 백신이 세포내로 (세포 안으로) 이동하도록 야기한다.

세포간 및 세포내로 분자, 약물 또는 백신을 전달하는 예시적인 장치는 플라즈마 발생 기구 및 플라즈마 발생 기구를 구동하는 전원 장치를 포함한다. 제1 전기적 펄스 또는 일련의 제1 전기적 펄스를 플라즈마 발생 기구에 제공하는 회로 및 제2 전기적 펄스 또는 일련의 제2 전기적 펄스를 플라즈마 발생 기구에 제공하는 회로가 또한 포함된다. 이에 더해, 하나 이상의 분자, 약물 또는 백신을 함유하는 저장소가 제공된다. 제1 전기적 펄스(들)는 하나 이상의 분자가 피부 또는 조직의 층을 통과하도록 야기하고 제2 전기적 펄스(들)는 하나 이상의 분자가 피부 또는 조직의 하나 이상의 세포로 전달되도록 야기한다.

세포간 및 세포내로 분자 약물 또는 백신을 전달하는 또 다른 예시적인 장치는 플라즈마 발생 기구, 플라즈마 발생 기구를 구동하는 전원 장치를 포함한다. 이에 더해, 장치는 하나 이상의 분자, 약물 또는 백신이 세포 사이의 피부 또는 조직의 세공을 관통하도록 하는 세포간 천공 회로를 포함한다. 하나 이상의 분자, 약물 또는 백신을 세포 내로 이끄는 세포내 천공 회로가 또한 포함된다. 장치는 세포간 및 이후 세포내로 이동될 하나 이상의 분자, 약물, 또는 백신을 함유하는 저장소를 포함할 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 특징 및 장점은 다음의 설명 및 수반되는 도면의 측면에서 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 세포간 천공 구성에서 보여지는 세포간 및 세포내 천공을 위한 장치의 예시적인 실시양태의 개략도이며;
도 2는 피부의 층 및 분자, 약물, 백신 등을 위한 예시적인 세포간 경로를 보여주는 단면도이며;
도 3은 세포내 천공 구성의 세포간 및 세포내 천공을 위한 장치의 예시적인 실시양태의 개략도이며;
도 4는 피부의 층 및 분자, 약물, 백신 등을 위한 예시적인 세포내 경로를 보여주는 단면도이며;
도 5는 세포간 및 세포내 천공을 위한 장치의 또 다른 예시적인 실시양태의 개략도이며;
도 6은 세포간 및 세포내 천공을 위한 예시적인 방법론의 블록 선도이다.

출원인은 플라즈마를 사용하여 세포간 (피부를 통과하여) 및 세포내 (세포 안으로) 모두로, 피부의 층을 가로질러 분자, 약물, DNA 등을 이동시키는 기술을 개발하였다. 출원인은, 둘 다 피부층을 가로질러 분자를 전달하기 위한 방법 및 장치라는 제목의, 둘 다 그들의 전체로서 참조문헌으로 본원에 포함되는, 2013년 9월 27일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/883701호 및 2014년 9월 29일에 출원된 미국 정규 출원 번호 제14/500,144호를 출원하였다. 출원인의 예시적인 방법은, 본원에서 플라즈마천공으로 지칭될 수 있는, DNA 백신의 안전한, 비접촉(contact-less) 전달 및 세포성 흡수를 제공하기 위해 플라즈마를 사용한다. 출원인은 또한, 둘 다 비열(non-thermal) 플라즈마를 사용한 DNA 백신의 경피 전달이라는 제목의, 둘 다 그들의 전체로서 참조문헌으로 본원에 포함되는, 2013년 12월 4일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/911536호 및 2014년 12월 4일에 출원된 미국 정규출원 번호 제14/560,343호를 출원하였다.

플라즈마천공은 조직을 통해 세포 내로 분자, 약물, 백신 등의 경피 전달을 위한 물질의 제4 상태인 비열 플라즈마를 사용한다. 비열 플라즈마는 전기를 사용하여 대기압에서 발생한 부분적으로 이온화된 기체이다. 이것은 충분히 높은 전압의 적용 하에서, 두 전극 사이에 존재하는 공기 또는 다른 기체의 브레이크다운(breakdown)에 의해 발생한다. 플라즈마를 발생시키는 데에 사용되는 펄스화된 전기장은 분자 (거대분자를 포함한다), 약물, 백신 등의 경피 전달 및 세포성 흡수를 촉진하도록 피부 및 세포 내에 일시적인 세공을 연다. 일부 실시양태에서, 일시적인 세공은 약 1 내지 약 5 분 동안 개방된 채로 남아있다.

전극은 피부와 접촉하지 않으며, 바늘이 필요하지 않고, 피부에 비열 플라즈마의 직접적 발생은 신속하고 고통이 없다. 전극이 절연된 구성을 가진 예시적인 실시양태에서, 비열 플라즈마는 피부에 적용할 때 안전하고 고통이 없는 유전체 장벽 방전(DBD)에 의해 형성된다. 본원에 기술된 플라즈마천공 기술은 주입의 필요성이 없는 고통 없는 방식의 보다 효율적이고 신속한 전달 수단이다. 따라서, 본원에 기술된 플라즈마천공 기술은 효율적인 세포간 전달 및 분자, 약물, 백신, 등의 세포내 흡수를 촉진할 수 있다.

일부 예시적인 실시양태에서, 플라즈마천공은 거대분자의 무침(needle-free) 경피 전달에 대한 평면 DBD 또는 DBD 제트 플라즈마 발생기의 사용과 관련된다. 플라즈마 용량에 따라, 거대분자의 침투 깊이를, 표적층 (각질층, 표피 및 진피)까지의 전달을 보장하도록 조절할 수 있다.

출원인은, 본원에 포함된 2013년 9월 27일 및 2013년 9월 29일자의, 피부층을 가로질러 분자를 전달하기 위한 방법 및 장치라는 제목의 특허 출원에 기술된 바와 같이, 플라즈마천공이 피부 손상을 야기함 없이 15 분 내에 생체 외(ex vivo) 돼지 피부를 가로질러 국소적으로 적용된 분자량 70 kDa 이하의 덱스트란 분자의 경피 전달을 증진할 수 있음을 입증하였다.

플라즈마 상에서, 중성 기체 원자 (또는 분자), 전자, 양/음 이온, 및 라디칼이 발생된다. 이들의 발생 및 농도는, 부분적으로, 플라즈마를 발생시키는 데에 사용되는 기체의 물리적 및 화학적 성질뿐만 아니라 플라즈마를 발생시키는 데에 사용되는 전기적 파라미터에 의존한다. 비열 플라즈마에 의해 피부에 발생한 전기장의 강도를 플라즈마 처치 시간; 전극 및 피부 사이의 간격; 적용된 전압; 펄스 지속시간; 전달을 국부화하기 위한 주파수 및 작동 주기를 변화시킴으로써 튜닝할 수 있다. 이들 파라미터는 최적의 용량으로 표적 피부층의 처치를 허용하는, 피부를 가로지른 거대분자, 약물, 백신 등의 전달 양 및 깊이의 제어를 허용한다.

본원에 개시된 장치 및 방법의 예시적인 실시양태는, 피부를 손상시킴 없이 표면을 통해, 및 생체 외 돼지 피부 내로 거대분자, 약물, 백신 등의 경피 전달을 가능하게 하도록 비열 플라즈마를 사용한다. 비열 플라즈마 활성화 피부 천공은, 실온 및 대기압에서, 잠재적 고통 및 다른 전기천공법 연관 부작용 없이 비침습적이고, 안전한 분자, 약물 및 백신의 경피 전달 및 세포성 흡수 수단을 제공한다. 본 방법의 적용이 일회용 전극 또는 바늘을 필요로 하지 않으므로, 생물학적으로 위험한 폐기물의 처리의 필요성 및 생물학적으로 위험한 소모품의 불법 사용이 제거된다. 비열 플라즈마 사용의 추가적인 이점은 발생한 반응성 종이 플라즈마천공 동안 피부를 멸균한다는 것이다.

도 1은 세포간 천공 구성의 세포간 및 세포내 천공 준비를 위한 장치(100)의 예시적인 실시양태의 개략도이다. 장치(100)는 하우징(102)을 포함한다. 복수의 플라즈마 발생기(101)는 하우징 내에 위치해 있다. 일부 실시양태에서, 플라즈마 발생기(101)는 일차원 어레이로 배열된다. 일부 실시양태에서, 플라즈마 발생기(101)는 이차원 어레이로 배열된다. 일부 실시양태에서, 플라즈마 발생기(101)는 삼차원 어레이로 배열된다. 각 플라즈마 발생기(101)는 예를 들어, 용융 석영 유리(fused quartz glass), 플루오린화마그네슘, 질산알루미늄, 아질산알루미늄, 테플론(TEFLON)® (폴리테트라플루오로에틸렌), 산화알루미늄, 알루미나, 실리케이트, 등과 같은 절연체(104)를 포함한다. 복수의 전극(108)이 절연체(104) 내에 위치해 있다. 일부 실시양태에서, 전극(108)은 플라즈마(112) 발생을 위한 노출된 팁(110)을 갖는다. 일부 실시양태에서, 전극(108)은 구리이다. 임의로, 전극(108)은, 예를 들어, 티탄, 은, 알루미늄, 금, 금속 합금, 탄소 나노섬유, 탄소 나노와이어 또는 다른 전도성 재료일 수 있다. 복수의 전도체(106)는 전극(108)을 고전압 전력 공급원(105)에 연결한다. 일부 실시양태에서, 고전압 전력 공급원(105)은 일 나노초 이상 내지 일 마이크로초 이상에 걸친 펄스 지속시간을 갖는 고전압 펄스를 생산할 수 있는 전원 장치이다. 일부 실시양태에서, 전원 장치는 단일 펄스 내지 약 5 kHz에 걸친 주파수에서 작동한다. 일부 실시양태에서, 전압 진폭은 약 100 V 내지 약 30 kV에 걸친다.

세포간 천공 동안, 제어 회로 (미도시)는 고전압 전력 공급원(105)이 중간 정도의 상승 시간과 중간 정도의 진폭의 하나 이상의 긴 전압 펄스를 적용하도록 야기한다. 일부 실시양태에서, 긴 펄스는 약 100 나노초 내지 100 마이크로초이다. 일부 실시양태에서, 중간 정도의 진폭은 약 3 킬로볼트 내지 약 30 킬로볼트이며, 일부 실시양태에서는, 약 3 내지 약 10 킬로볼트이다. 일부 실시양태에서, 중간 정도의 상승 시간은 약 5 V/ns 내지 약 100 V/ns이다.

일부 실시양태에서, 플라즈마는 동적 모드로 적용된다. 일부 실시양태에서, 플라즈마는 정적 모드로 제공되며, 일부 실시양태에서, 플라즈마는 동적 모드 및 정적 모드 모두로 적용된다. 동적 모드는 플라즈마가 처치될 영역에 소정의 패턴 또는 모션으로 적용될 때이다. 한 소정의 패턴 또는 모션은, 예를 들어, 스위핑(sweeping) 모션일 수 있다. 스위핑 모션은 처치될 표면을 따라 전극(108)을 움직임으로써 달성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극의 어레이를 사용하고, 선택된 전극에 스위핑 패턴의 신호를 보냄으로써 스위핑 모션을 달성한다. 정적 모드는 전극이 처치되는 표면에 대해 고정된 위치에서 유지되고 동시에 활성화될 때이다. 일부 실시양태에서, 동적 모드를 분자, 입자, 백신 등을 세포사이로 이동시키는 데에 사용하고 정적 모드를 분자, 입자, 백신 등을 세포내로 이동시키는 데에 사용한다. 일부 실시양태에서, 정적 모드를 분자, 입자, 백신 등을 세포간 이동시키는 데에 사용하고 동적 모드를 분자, 입자, 백신 등을 세포내로 이동시키는 데에 사용한다. 일부 실시양태에서, 정적 모드를 분자, 입자, 백신 등을 세포간 및 세포내로 이동시키는 데에 사용한다. 일부 실시양태에서, 동적 모드를 분자, 입자, 백신 등을 세포간 및 세포내로 이동시키는 데에 사용한다.

하우징(102)은 복수의 통로(120)를 포함한다. 통로(120)는 기체(122)가 하우징(102)을 통해 전극(108) 아래의 영역으로 흐르도록 허용한다. 기체(122)를, 고전압을 전극(108)에 적용할 때 전극(108)에 의해 발생되는 플라즈마(112)의 특성을 변경하는 데에 사용할 수 있다. 전극(108)은 다양한 형태를 취할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극(108)은 날카로운 팁을 가진 전도성 와이어일 수 있으며 일부 실시양태에서, 전극(108)은 약 0.05 mm 내지 약 3 mm의 직경을 갖는 와이어일 수 있다. 일부 실시양태에서, 기체(122)는 헬륨이다. 일부 실시양태에서, 기체(122)는 비활성 기체이다. 일부 실시양태에서, 기체(122)는 노블 기체(noble gas)이다. 일부 실시양태에서, 기체(122)는 He, Ne, Ar, Xe, 등이다. 일부 실시양태에서, 기체(122)는 하나 이상의 비활성 기체 또는 노블 기체를 포함할 수 있는 기체의 혼합물이다. 일부 실시양태에서, 기체(122)는 플라즈마(112)를 약 100 나노초 내지 약 100 마이크로초 동안 지속할 수 있는 기체이다. 일부 실시양태에서, 플라즈마(112)는 코로나 방전이다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 에탄올, 수증기, 등과 같은 첨가제를 기체(122)에 첨가할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극(108)은 노출된 팁(110)을 갖는 복수의 절연체(104)로 덮여있다. 하우징(102)은 피부(130) 위에 거리(150)로 떨어져 있다. 일부 실시양태에서, 거리(150)는 약 1 mm 내지 약 10 mm이다.

일부 실시양태에서, 분자, 약물, 백신, 등을 처치 영역에 적용할 기체(122)와 합할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기체(122)를 플라즈마 발생에 사용하며, 플라즈마 발생기(101)를 끄고, 분자, 약물, 백신, 등을 통로(120)을 통해 피부 표면에 적용한다. 일부 실시양태에서, 피부(130) 표면을 플라즈마로 처치한 뒤 장치(100)를 제거하고 분자, 약물, 백신, 등을 피부(130)에 적용한다. 일부 실시양태에서, 분자, 약물, 백신, 등을 피부(130) 표면에 적용한 뒤, 분자, 약물, 백신, 등이 핵이 없는 납작한 세포층을 포함하는 각질층(134) (도 2)을 통하여 핵을 함유하는 세포(136) 사이로 이동하도록 돕기 위해 장치(100)를 다시 상기에서 확인된 세포간 설정으로 작동시킨다. 긴 지속시간 펄스 및 중간 정도의 진폭은 예시적인 세포간 경로(138)를 통해 세포사이로 분자, 약물, 백신, 등을 이동시킨다.

도 3은 세포내 천공 구성의 장치(100)의 예시적인 실시양태의 개략도이다. 하우징(102)은 피부(130)로부터 거리(350)에 위치해 있다. 일부 실시양태에서, 거리(350)는 약 1 mm 내지 5 mm이다. 한 예시적인 실시양태에서, 플라즈마(312)를 대기 공기에서 생성한다. 대기 공기는 건조하거나 습하고, 하우징(102) 아래에 위치한 주위 공기일 수 있거나, 임의로 통로(120)를 통과한 공기일 수 있다. 일부 실시양태에서, 기체는 질소 기체이다. 일부 실시양태에서, 기체는 플라즈마(312)를 오직 약 1 나노초 내지 약 100 나노초 동안만 지속할 수 있는 기체이다. 일부 실시양태에서, 플라즈마(312)는 코로나 방전이다. 세포내 천공 동안, 전원 장치는 빠른 상승 시간과 높은 진폭을 갖는 짧은 지속시간 펄스를 제공한다. 일부 실시양태에서, 짧은 지속시간 펄스는 약 1 나노초 내지 100 나노초이다. 일부 실시양태에서, 높은 진폭은 약 10 킬로볼트 내지 약 30 킬로볼트이다. 일부 실시양태에서, 빠른 상승 시간은 약 0.5 kV/ns 내지 약 5 kV/ns이다. 빠른 상승 시간 및 높은 진폭을 갖는 짧은 지속시간 펄스는 세포 막에 일시적인 세공의 생성으로 인하여 분자, 약물 또는 백신을 세포 내로 이동시키도록 야기한다.

도 4는 피부(130)의 층 및 분자, 약물, 백신, 등에 대한 예시적인 세포간 경로(138) 및 세포(136)내로의 분자, 약물, 백신 등에 대한 세포내 경로(400)를 보여주는 단면도이다.

도 5는 세포간 및 세포내 천공을 위한 장치(500)의 또 다른 예시적인 실시양태의 개략도이다. 장치(500)는 하우징(502)을 포함한다. 전극(508)은 절연체(504) 내에 위치해 있다. 전극(508) 및 절연체(504)는 상기에 확인된 것과 유사한 재료로 만들어 질 수 있다. 유전체 장벽(509)은 전극(508) 아래에 있다. 하나 이상의 스페이서(spacer)(570)가 하우징(502)에 부착되어 있다. 스페이서(570)는 유전체 장벽(509) 및 피부의 표면(530)에 간격을 생성시킨다. 일부 실시양태에서, 스페이서(570)는 조정가능하며, 세포간 천공에 대한 제1 범위의 높이 및 세포내 천공에 대한 제2 범위로 조정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 스페이서는 다시 장치(500)로의 접지 경로를 제공하도록 접지 도체 (미도시)를 포함한다.

장치(500)는 제어 회로(504)를 포함한다. 제어 회로(504)는 세포간 천공 회로(550) 및 세포내 천공 회로(554)를 포함한다. 전극(508)은 세포간 천공 회로(550) 및 세포내 천공 회로(554)와 회로 통신(circuit communication)한다.

비록 전기적 구성요소가 특정 위치에 있거나, "전자장치 패키지(electronics package)"의 일부인 것으로 기술되었지만, 구성요소는 임의의 적절한 위치에 위치할 수 있으며 더 많거나 더 적은 구성요소를 포함할 수 있다. 용어 전자장치 패키지는 단지 편의를 위해 사용한 것이며 구성요소의 수나 이들의 위치를 제한하려는 의도는 아니다.

본원에서 사용되는 바와 같이 "회로 통신"은 기구 간의 통신 관계를 나타낸다. 직접적인 전기적, 전자기적 및 광학적 연결 및 간접적 전기적, 전자기적 및 광학적 연결이 회로 통신의 예이다. 신호가 몇몇 다른 기구에 의해 변경되었는지에 관계없이 하나로부터의 신호가 다른 것에 의해 수신된다면 두 기구는 회로 통신하는 것이다. 예를 들어, 다음 -- 증폭기, 필터, 변압기, 광아이솔레이터(optoisolator), 디지털 또는 아날로그 버퍼, 아날로그 적분기(analog integrator), 다른 전자 회로, 광섬유 트랜시버 또는 위성 -- 중 하나 이상에 의해 분리된 두 기구는 신호가 중간 기구(들)에 의해 변경되었음에도 불구하고 하나로부터의 신호가 다른 것과 통신된다면 회로 통신하는 것이다. 또 다른 예로서, 전자기적 센서는 만일 신호로부터 전자기 방사를 수신한다면 신호와 회로 통신하는 것이다. 마지막 예로서, 두 기구가 서로 직접적으로 연결되어있지 않지만, 둘 다 예를 들어, CPU와 같은 제3 기구와 접속할 수 있다면, 회로 통신하는 것이다.

또한, 본원에서 사용되는 바와 같이, 디지털화된 전압을 나타내는 수치 및 전압은 본 출원의 목적에 대해 동등한 것으로 여겨지며, 따라서 본원에 사용된 바와 같은 용어 "전압"은 신호를 나타내는 수치로부터 결정된 프로세서의 수치, 또는 신호를 나타내는 프로세서의 수치, 또는 신호 중 어느 하나를 지칭한다.

본원에서 사용되는 바와 같은 "신호"는 하나 이상의 전기적 신호, 아날로그 또는 디지털 신호, 하나 이상의 컴퓨터 명령어, 비트 또는 비트 스트림, 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다.

본원에서 사용되는 바와 같은 "회로"와 동의어인 "로직"은 기능(들) 또는 동작(들)을 수행하는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 및/또는 각각의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 바람직한 적용 또는 필요에 기반하여, 로직은 소프트웨어 제어 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러, 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 이산 로직, 또는 다른 프로그램된 로직 기구를 포함할 수 있다. 로직은 또한 소프트웨어로서 완전히 구현될 수 있다. 본원에 기술되고 확인된 회로는 바람직한 기능을 수행하기 위해 많은 상이한 구성을 가질 수 있다.

상세한 설명에서 확인된 수치는 예시적이며, 이들은 특정 설계를 위해 필요한 바와 같이 결정되었다. 따라서, 본원에 청구되고 개시된 발명의 개념은 본원에 개시된 실시양태를 기술하는 데에 사용된 특정 수치 또는 수치의 범위로 제한되지 않는다.

세포간 천공 회로(550)는 중간 정도의 상승 시간과 중간 정도의 진폭을 갖는 긴 펄스를 제공하는 회로를 포함한다. 일부 실시양태에서, 긴 펄스는 약 100 나노초 내지 약 100 마이크로초이다. 일부 실시양태에서, 중간 정도의 진폭은 약 3 킬로볼트 내지 약 30 킬로볼트이며, 일부 실시양태에서는 약 3 킬로볼트 내지 약 10 킬로볼트이다. 일부 실시양태에서, 중간 정도의 상승 시간은 약 5 V/ns 내지 약 100 V/ns이다. 중간 정도의 진폭 및 중간 정도의 상승 시간을 갖는 긴 지속시간 펄스는 세포간 천공을 통해 조직을 통해 세포 사이로 분자, 약물 또는 백신을 이동시키도록 야기한다.

세포내 천공 회로(554)는 빠른 상승 시간과 높은 진폭에서 짧은 펄스를 제공하는 회로를 포함한다. 일부 실시양태에서, 짧은 지속시간 펄스는 약 1 나노초 내지 약 100 나노초이다. 일부 실시양태에서, 높은 진폭은 약 10 킬로볼트 내지 약 30 킬로볼트이다. 일부 실시양태에서, 빠른 상승 시간은 약 0.5 kV/ns 내지 약 10 kV/ns이며, 일부 실시양태에서는 약 0.5 kV/ns 내지 약 5 kV/ns이다. 빠른 상승 시간 및 높은 진폭을 갖는 짧은 지속시간 펄스는 세포내 천공 때문에 세포 내로 분자, 약물 또는 백신을 이동시키도록 야기한다.

제어 회로(504)는 또한 분자, 약물, 백신, 나노입자, 캡슐화된 분자, 등을 피부의 표면으로 전달하는 전달 회로(552)를 포함한다. 하우징(502)은 분자, 약물, 백신, 나노입자, 캡슐화된 분자 등을 보유하는 저장소(560)를 포함한다. 이에 더해, 하우징(502)은 저장소(560) 및 피부의 표면(530) 사이의 통로(520)를 포함한다. 하나 이상의 밸브(562)가 통로(520)의 상류에 위치해 있다. 이에 더해, 액추에이터(564)는 분자, 약물 또는 백신을 저장소(560)에서 밀어내도록 저장소(560)에 근접하게 위치해 있다. 작동 동안, 분자, 약물, 백신, 나노입자, 전달 비히클(vehicle), 캡슐화된 분자, 등을 피부의 표면으로 전달할 시간일 때, 전달 회로는 하나 이상의 밸브(562)를 개방하고 저장소(560)의 부피를 감소시켜 분자, 약물 또는 백신이 피부의 표면에 도달하도록 야기한다.

작동 동안, 일부 실시양태에서, 예를 들어, DNA 백신에 대해 사용할 때와 같이, 세포간 천공 회로(550)를 각질층의 납작한 세포 사이 및 핵을 갖는 세포 사이에 일시적인 세공 (천공)의 형성을 유도하도록 활성화한다. 전달 회로(552)를 피부의 표면(530)에 백신을 전달하도록 활성화한다. 백신을 피부의 표면(530)에 적용하면, 세포내 천공 회로(554)가 세포 내로 백신을 이동시키도록 야기하도록 활성화된다. 일부 실시양태에서, 세포간 천공 회로가 활성화되기 전에 백신을 피부의 표면(530)에 적용한다. 일부 실시양태에서, 전달 회로(552)가 활성화되기 전후에 세포간 천공 회로(550)를 활성화한다.

일부 실시양태에서, 예를 들어, 약물 전달과 같이, 세포간 회로(550)를 피부에 세공을 열도록 활성화할 수 있으며 전달 회로(552)를 피부의 표면(530)에 약물을 적용하도록 활성화할 수 있다. 일부 실시양태에서, 세포간 회로(550)의 제2 활성화가 상기 단계에 이어질 수 있다. 일부 실시양태에서, 전달 회로(552)를 피부의 표면(530)에 약물을 적용하도록 활성화할 수 있으며 이후 세포간 회로(550)를 세공을 통해 세포 사이로 약물을 이동시키도록 활성화할 수 있다.

일부 실시양태에서, 고전압 펄스에 의해 발생한 플라즈마의 특성을 변경하기 위해, 하우징(502)은 피부(530) 및 전극(508) 사이의 영역에, 예를 들어 헬륨과 같은 기체를 적용하는 제2 통로 (미도시)를 포함할 수 있다.

비록 본원에 기술된 실시양태가 피부의 관점에서 기술되었지만, 본원에 기술된 발명의 개념은 다른 조직 또는 장기에 적용가능하다. 이에 더해, 분자, 약물 및 백신이 특히 입자라고 불려지지만, 본원에 기술된 예시적인 적용은 DNA 백신에, 각질층의 것과 같은 세포 사이로, 및 이후 표피 또는 진피의 것과 같은 세포 내로 움직이는 것이 바람직할 수 있는 성장 인자, 항종양 약물, 화학요법 약물, 면역조절 약물, 입자 등의 적용에 적용가능하다.

도 6은 세포간 및 세포내 천공을 위한 예시적인 방법론의 블록 선도이다. 예시적인 방법론은 로직, 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 수행할 수 있다. 이에 더해, 비록 방법론이 순서대로 나타나 있지만, 블록은 다른 순서로 수행될 수 있다. 나아가, 추가적인 단계 또는 더 적은 단계를 사용할 수 있다.

예시적인 방법론(600)은 블록(602)에서 시작된다. 블록(604)에서, 중간 정도의 진폭 및 중간 정도의 상승 시간을 갖는 긴 전압 펄스를 일시적인 세포간 세공을 생성하기 위해 플라즈마를 발생시키도록 적용한다. 블록(606)에서, 분자, 약물 또는 백신을 조직에 적용한다. 분자, 약물 또는 백신은 세공을 통해 세포 사이로 이동한다. 일부 실시양태에서, 긴 전압 펄스를 세공을 통해 분자, 약물 또는 백신을 이동시키도록 재적용한다. 블록(608)에서, 높은 진폭 및 빠른 상승 시간을 갖는 짧은 펄스 전압을, 세포 막의 일시적인 세공 형성을 통해 세포 내로 분자, 약물 또는 백신을 이동시키는 플라즈마를 생성하도록 전극에 적용한다. 방법론은 블록(610)에서 끝난다.

본원에 개시된 예시적인 실시양태의 또 다른 이점은 세포간 천공을 위한 각질층의 플라즈마천공이 많은 수의 세공을 생성시키거나 개방할 수 있고, 실제로 전극의 설계에 따라 수 많은 세공이 생성될 수 있다는 것이다. 본원에 개시된 바와 같이 백신 또는 분자의 국소 적용이 생성되거나 개방된 각 세공에 위치해 있을 수 있는 반면, 주입된 백신 또는 분자는 하나 이상의 바늘 주입 부위로 집중된다. 따라서, 주입 위치에 집중된 백신 또는 분자의 용량을 갖는 대신, 이산의 수는 동일 부피의 백신 또는 분자가 기하급수적으로 증가할 수 있음을 언급한다. 비록 이 단락이 백신 및 분자를 논의하고 있지만, 예시적인 방법론은 다른 화학물질, 분자, 나노입자, 캡슐화된 분자, 등에 대해서도 작용한다. 유일한 제한은 물질이 생성되거나 개방된 세공에 적합해야 한다는 것이다.

몇몇 실험은 살아있는 동물에서 수행하였다. 5 내지 7 개월 연령의 유카탄(Yucatan) 미니피그를 살아있는 동물 실험에 사용하였다. 실험 대조군은: 피부내로 주입되고 이어지는 처치가 없는 플라스미드 DNA; 및 피부내로 주입되고 전기천공법(현재 최신식)이 이어지는 플라스미드 DNA를 포함한다. 실험 샘플은: 마이크로초 플라즈마가 이어지는 플라스미드 DNA의 피부내 주입; 나노초 플라즈마가 이어지는 플라스미드 DNA의 피부내 주입; 코로나 어레이 플라즈마가 이어지는 플라스미드 DNA의 피부내 주입; 마이크로초 플라즈마가 이어지는 국소 플라스미드 DNA 적용이 이어지는 마이크로초 플라즈마; 나노초 플라즈마가 이어지는 국소 플라스미드 DNA 적용이 이어지는 마이크로초 플라즈마; 나노초 플라즈마가 이어지는 국소 플라스미드 DNA 적용이 이어지는 나노초 플라즈마; 코로나 어레이 플라즈마가 이어지는 국소 플라스미드 DNA 적용이 이어지는 코로나 어레이 플라즈마; 및 나노초 플라즈마가 이어지는 국소 플라스미드 DNA 적용이 이어지는 나노초 플라즈마를 포함한다.

아래의 차트는 실험 결과를 제공한다. 첫 번째 컬럼은 샘플로 명명되었으며, 실험이 순전한 대조군인지 전기천공법 대조 실험인지 플라즈마 처치 실험인지 확인한다. "처치"는 플라즈마 처치 데이터를 나타낸다. "대조군"은 그 데이터가 대조군 데이터임을 나타내며, "EP"는 전기천공법 대조 데이터를 나타낸다. "전달"로 명명된 컬럼 2는 분자가 피부 내로 주입되었는지, 또는 이들이 국소적으로 적용되었는지를 나타낸다. 컬럼 3은 사용한 전원 장치를 확인한다. 컬럼 4 내지 11은 사용한 설정을 확인한다. 컬럼 11은 원 데이터(raw data)를 나타낸다. 컬럼 12는, 임의의 DNA를 받지 않았고 플라즈마 처치되지 않은 피부로부터 형광 신호의 강도를 제거함으로써 결정한, 정규화된 발현 데이터를 나타낸다. 마지막 컬럼, 컬럼 13은 후속 처치가 없는 주입된 대조군에 대해, 플라즈마 처치되거나 전기천공된 샘플에서의 발현의 퍼센트 증가를 확인한다.

차트로부터 볼 수 있는 바와 같이, 마이크로초 펄스 플라즈마가 이어지는 국소 적용이 이어지는 마이크로초 펄스 플라즈마는 주입된 대조군보다 더 큰 효능을 갖는다. 전원 장치의 설정을 최적화하는 것이 효능을 증가시킬 것이라고 여겨진다. 유사하게, 코로나 어레이 플라즈마가 이어지는 국소 처치가 이어지는 코로나 어레이 펄스 플라즈마는 주입된 대조군보다 더 큰 효능을 갖는다. 전원 장치의 설정을 최적화하는 것이 효능을 증가시킬 것이라고 여겨진다. 유사하게, 나노초 펄스 플라즈마가 이어지는 국소 처치가 이어지는 나노초 펄스 플라즈마는 주입된 대조군보다 더 큰 효능을 갖는다. 전원 장치의 설정을 최적화하는 것이 효능을 증가시킬 것이라고 여겨진다.

실험 결과는 나노초 펄스 플라즈마가 이어지는 국소 처치가 이어지는 마이크로초 펄스 플라즈마가 매우 좋은 효능을 가짐을 입증한다. 전원 장치의 설정을 최적화하는 것이 효능을 이 방법론으로도 증가시킬 것이라고 여겨진다.

본 발명이 그 실시양태의 기술에 의해 설명되고 실시양태는 상당히 자세히 기술되었지만, 이것은 이러한 세부사항으로 첨부된 청구항의 범위를 한정하거나 어떠한 방식으로도 제한하려는 출원인의 의도가 아니다. 추가적인 장점 및 변경이 쉽게 당업자에게 나타날 것이다. 예를 들어, 유연하고 착용가능한 전극이 개발될 수 있고 비열 플라즈마의 발생이 경피 전달에 최적화될 수 있다. 본원에 기술된 방법을 DNA 백신에 더해, 다른 거대분자 (예를 들어, 항체, 약물)의 세포성 흡수를 야기하는 데에 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 이것의 더 넓은 관점에서, 구체적인 세부사항, 대표적인 장치와 도시 및 기술된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적 개념의 사상 또는 범위 내에서 그러한 세부사항으로부터의 발전이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

1. 플라즈마를 발생시키도록 전극에 하나 이상의 제1 지속시간을 갖는 제1 전기적 펄스를 적용하는 단계;
   플라즈마에 의해 접촉된 피부의 영역에 분자, 약물 또는 백신을 적용하는 단계; 및
   피부의 영역에 근접하여 플라즈마를 발생시키도록 전극에 하나 이상의 제2 지속시간을 갖는 제2 전기적 펄스를 적용하는 단계
   를 포함하며,
   하나 이상의 제1 전기적 펄스에 대한 지속시간이 하나 이상의 제2 전기적 펄스에 대한 지속시간보다 더 긴, 분자, 입자, 약물 또는 백신의 전달 방법.
2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 전기적 펄스의 지속시간이 약 500 나노초 내지 약 100 마이크로초인 방법.
3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 전기적 펄스의 진폭이 약 3 킬로볼트 내지 약 30 킬로볼트인 방법.
4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 전기적 펄스의 상승 시간이 약 5 V/ns 내지 약 100 V/ns인 방법.
5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제2 전기적 펄스의 지속시간이 약 1 나노초 내지 약 500 나노초인 방법.
6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제2 전기적 펄스의 지속시간이 약 10 나노초 미만인 방법.
7. 제1항에 있어서, 제2 전기적 펄스의 지속시간이 약 500 나노초 미만인 방법.
8. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제2 전기적 펄스의 진폭이 약 10 킬로볼트 내지 약 30 킬로볼트인 방법.
9. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제2 전기적 펄스의 상승 시간이 약 0.5 kV/ns 내지 약 10 kV/ns인 방법.
10. 제1항에 있어서, 약물 또는 백신이 하나 이상의 제1 전기적 펄스 중 하나 이후에 적용되는 방법.
11. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 전기적 펄스 동안 전극 및 피부 사이의 거리가 하나 이상의 제2 전기적 펄스 동안 전극 및 피부 사이의 거리를 초과하는 방법.
12. 피부 조직의 영역에 플라즈마를 발생시키도록 전극에 하나 이상의 제1 전기적 신호를 적용하는 단계;
    플라즈마에 의해 접촉된 피부의 영역에 약물 또는 백신을 적용하는 단계; 및
    조직의 영역에 대해 전극에 하나 이상의 제2 전기적 신호를 적용하는 단계를 포함하며,
    하나 이상의 제1 전기적 신호가 약물 또는 백신이 세포사이로 이동하도록 허용하고
    하나 이상의 제2 전기적 신호가 약물 또는 백신이 세포내로 이동하도록 야기하는, 세포 내로의 약물 또는 백신의 전달 방법.
13. 제12항에 있어서, 약물 또는 백신이 하나 이상의 제1 전기적 신호 중 하나 이후에 적용되는 방법.
14. 제12항에 있어서, 하나 이상의 제1 전기적 신호 동안 전극 및 피부 사이의 거리가 하나 이상의 제2 전기적 신호 동안 전극 및 피부 사이의 거리를 초과하는 방법.
15. 플라즈마 발생 기구;
    플라즈마 발생 기구를 구동하는 전원 장치;
    플라즈마 발생 기구에 하나 이상의 제1 전기적 펄스를 제공하는 회로;
    플라즈마 발생 기구에 하나 이상의 제2 전기적 펄스를 제공하는 회로;
    하나 이상의 분자, 입자, 약물 또는 백신을 함유하는 저장소를 포함하며,
    하나 이상의 제1 전기적 펄스가 하나 이상의 분자, 입자, 약물 또는 백신이 조직의 층을 통과하도록 야기하고;
    하나 이상의 제2 전기적 펄스가 하나 이상의 분자, 입자, 약물 또는 백신이 조직의 하나 이상의 세포로 전달되도록 야기하는,
    분자, 입자, 약물 또는 백신의 세포간 및 세포내 전달 장치.
16. 플라즈마 발생 기구;
    플라즈마 발생 기구를 구동하는 전원 장치;
    하나 이상의 분자, 약물 또는 백신이 세포 사이의 조직의 세공을 관통하도록 하는 세포간 천공 회로;
    하나 이상의 분자, 약물 또는 백신을 세포 내로 이끄는 세포내 천공 회로; 및
    하나 이상의 분자, 약물, 또는 백신을 함유하는 저장소
    를 포함하는, 분자, 입자, 약물 또는 백신의 세포간 및 세포내 전달 장치.
17. 제16항에 있어서, 플라즈마 발생 기구가 하우징을 포함하며 저장소가 하우징 내에 위치한, 장치.
18. 제16항에 있어서, 표면으로부터 멀어지게 플라즈마 발생기의 간격을 두기 위한 하나 이상의 스페이서를 더 포함하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 하나 이상의 스페이서가 조정가능한 것이고 세포간 천공 회로의 사용 동안 제1 높이로, 및 세포내 천공 회로의 사용 동안 제2 높이로 설정될 수 있는 장치.
20. 제16항에 있어서, 플라즈마 발생 기구에 근접한 기체 공급원을 더 포함하는 장치.

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