KR20210120098A - 미세전극을 사용한 조직 전기이동을 위한 소자 - Google Patents

Abstract

최소 침습성 관통 미세전극 어레이는 일시적 막 투과화를 통해 피부의 표피층 또는 진피층에 위치된 세포로 생체분자, 예컨대 핵산 또는 단백질 분자를 전달하기 위한 국소화된 전기장 "핫스팟"을 생성하는데 사용된다. "핫스팟"은 특정 영역에서 관통 미세전극을 선택적으로 절연함으로써 제어될 수 있다. 절연 코팅으로 커버되지 않은 미세전극의 부분은 핵산 또는 단백질 백신 벡터, 또는 전달될 다른 생체분자로 코팅될 수 있다. 피부에 삽입되면, 앵커 미세전극 영역은 생체분자 코팅을 조직 위치에 위치된 세포로 선택적으로 정렬하기 위해 표적 조직 미세전극 영역을 위치시키기 위해 관통 미세전극을 기계적으로 앵커링한다. 생체분자 코팅은 주변 조직과 접촉될 때 용해될 것이다. 전기적 펄스를 적용함으로써, 생체분자는 주변 세포로 전달될 수 있다.

Description

미세전극을 사용한 조직 전기이동을 위한 소자

관련 출원

본 출원은 2019년 2월 4일에 출원된 미국 가출원 번호 62/800,781의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시내용은 본원에 참조로 포함된다.

지난 40년 동안, 전기천공은 외인성 생물학적 물질 (즉, DNA, RNA 또는 단백질 인자)을 세포 및 조직으로 전달하기 위한 매력적인 접근법으로 등장하였다. 세포 전달 수단으로서 전기천공에 대한 첫 번째 보고는 1980년대에 있었으며 (1), 많은 초기 경피 노력이 1990년대 초에 나타났다 (2-7). 전기천공 매개 전달은 피부의 피부층의 전기천공을 통한 혈류로의 전신 흡수를 위한 소분자 치료제의 경피 전달에 대해 탐색된 후, 피부를 통한 치료제의 수동 확산, 이온삼투 수송 (4), 또는 다른 관통 메커니즘 (8), 전기화학요법 (ECT) (9-17), 및 유전자 전기이동 (GET) (18,19)에 대해 탐색되었다. DNA 기반 백신의 등장, 유전자 편집 기술 (즉, CRISPR Cas9 표적화된 유전자 편집), 및 유전자 요법 제품 (즉, CAR T-세포 요법)의 FDA 승인으로, GET에 대한 새로운 관심이 생겼다.

전기천공은 수많은 의학적 적용에서 세포 및 조직 전달 수단으로 오랫동안 탐색되어 왔다 (34). 전기천공 동안, 세포 또는 조직은 막 장벽을 가로질러 분자 전달을 용이하게 하는 세포막에서 기공 형성을 유도하는 간단한 고강도 전기장에 노출된다. 가역적 전기천공은 세포막의 일시적 투과화를 허용하여 외인성 물질을 세포 내로 전달한 다음 세포 회복을 허용한다. 다른 한편으로는, 비가역적 전기천공 (열 및 비열 모두)은 세포를 직접 사멸시키거나 세포 아팝토시스(apoptosis)를 촉진하여 회복 불가능한 막 손상을 일으킨다. 가역적 및 비가역적 전기천공 둘 모두는 치료제 및 벡터 전달에 사용되는 가역적 전기천공, 및 특히 암성 종양을 치료하기 위해 조직 절제 기술로 사용되는 비가역적 전기천공으로 의학적으로 탐색되었다. 경피 전기천공은 전형적으로 피부의 투과 장벽을 감소시키고 유전자 전기이동 (GET)을 위한 벡터의 흡수를 촉진하기 위해 가역적 전기천공에 초점을 맞추어 왔다.

경피 전기천공은 GET를 통해 피부 세포를 형질전환시키거나 피부를 통한 치료제의 경피 투과를 증가시키기 위한 수단으로 여겨져 왔다. 특히, 경피 전기천공의 사용은 보호 면역학적 반응을 부여하기에 충분한 발현 및 면역원성을 갖는 DNA 기반 백신 제품을 전달하는 수단으로 탐색되었다. 특히, 표피는 수지상 세포의 높은 농도로 인해 백신접종에 대해 표적화된다 (35, 36). 유전자 요법 및 DNA 기반 백신 전달을 위한 전기천공의 임상적 잠재력에 대한 2016년 사설에서 주목된 바와 같이, 셀렉트라(CELLECTRA), 이지 백스(Easy Vax), 메드펄서(MedPulser), 트리그리드(Trigrid), 더마백스(Dermavax), 온코섹(OncoSec) 및 클리니포레이터(Cliniporator)를 포함하여 개발 중인 여러 상업적 전기천공 백신접종 플랫폼이 있으며, 대부분의 소자 (62%)가 I상 임상 시험 중에 있다 (37). 가장 진보된 제품은 이노비오(Inovio)에 의한 셀렉트라 시스템이며, 이는 현재 인간 유두종 바이러스 (HPV) 백신의 IM 전달에 대한 III상 시험 중에 있다 (38).

경피 전기천공은 전통적으로 표면 전극 또는 피부 또는 근육에 삽입되는 관통 전극으로서 적용되어 왔다. 표면 전극이 사용되는 경우, 고도로 각질화된 각질층 (SC); 피부의 가장 바깥쪽 장벽층을 투과화시키기 위해 고강도 전기장이 필요하다. 그러나, SC가 전기천공되면, 피부 자극, 부종 및 손상을 유발할 수 있는 제어되지 않는 방식으로 기저 표피 및 진피 조직이 이 높은 장 강도에 노출된다. 관통 전극 세트가 사용될 때, 종종 몇 센티미터 간격을 두고, 피부 깊숙이 또는 피부 아래 근육에 삽입된다. 더 높은 강도의 펄스는 또한 전극 주변의 가장 큰 조직 부피를 투과화시키기 위해 종종 사용되며, 이는 또한 장 강도가 가장 높은 전극 주변의 조직 손상을 초래한다. 또한, GET 동안 사용되는 DNA 벡터는 일반적으로 ml 부피에 수백 μl의 피내 (ID) 또는 근육내 (IM) 주사를 통해 전달된다. DNA 주사 자체는 주입된 DNA가 전기천공이 진행 중인 표적화된 조직에 국소화되지 않을 수 있는 형질감염 효율 가변성을 유발할 수 있다. 예를 들어, ID 주입을 사용한 임상 연구는 최소 600 μg의 DNA 플라스미드를 사용하였고; 충분한 세포 흡수를 보장하기 위해 종종 수 밀리그램의 많은 양을 주입한다. 그러나, 용액의 상당한 분획이 진피층 또는 표피층이 아닌 피하 영역으로 전달될 수 있으므로, GET에 필요한 많은 양의 DNA로 인해 더 높은 비용의 백신이 필요하다.

수십년간의 개발 및 여러 상업적 노력에도 불구하고, 경피 전기천공은 여전히 임상 적용에 대한 많은 도전에 직면해 있다. 해결해야 할 주요 장애물은 1) 낮은 전달/형질감염 효율; 2) 치료학적 수준에서 피부를 투과화할 수 있는 제한된 물질; 3) 전달 효율의 가변성; 4) 경피 전기천공 후 피부 자극, 부종 및 흉터이다. 경피 전기천공을 괴롭히는 이들 장애 및 지속적인 이슈는 그의 임상적 사용을 제한하였으며 (39), 현재 시장에 FDA 승인된 전기천공 소자가 없다.

최소 침습성 및 비-바이러스 세포 형질감염 기술이라는 장점과 같이 다양한 상이한 설정에서 사용하기 위한 전기천공의 수많은 장점이 있지만, 세포/조직 손상 및 형질감염 효율 사이의 고유한 트레이드오프가 경피 약물 전달 플랫폼으로서 전기천공의 사용에 문제를 일으켰다 (26). 진피 전기천공 동안 발생하는 문제 중에서, 피부 자극 및 흉터와 결합된 낮은 전달 효율 (27, 28)이 해결해야 할 가장 두드러진 장애물이다. 따라서, 조직 전기이동의 개선된 기술에 대한 지속적인 요구가 있다.

요약

본 발명에 따른 실시양태는 일시적 막 투과화를 통해 피부의 표피층 또는 진피층에 위치된 세포로 생체분자, 예컨대 핵산 또는 단백질 분자를 전달하기 위한 국소화된 전기장 "핫스팟"을 생성하는데 사용되는 최소 침습성 관통 미세전극 어레이에 관한 것이다. "핫스팟"은 특정 영역에서 관통 미세전극을 선택적으로 절연함으로써 제어될 수 있다. 절연 코팅으로 커버되지 않은 미세전극의 부분은 핵산 또는 단백질 백신 벡터, 또는 전달될 다른 생체분자로 코팅될 수 있다. 피부에 삽입되면, 앵커 미세전극 영역은 생체분자 코팅을 조직 위치에 위치된 세포로 선택적으로 정렬하기 위해 표적 조직 미세전극 영역을 위치시키기 위해 관통 미세전극을 기계적으로 앵커링한다. 생체분자 코팅은 주변 조직과 접촉될 때 용해될 것이다. 전기적 펄스를 적용함으로써, 생체분자는 주변 세포로 전달될 수 있다.

본 발명에 따른 한 실시양태에서, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자는 관통 미세전극을 포함한다. 관통 미세전극은 (i) 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달하기 위한 전기 전도성 표면을 포함하는 표적 조직 미세전극 영역; 및 (ii) 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하기 위한 표적 조직 미세전극 영역을 위치시키기 위해 관통 미세전극을 기계적으로 앵커링하기 위한 앵커 미세전극 영역을 포함한다. 전기적 연결은 관통 미세전극을 전압원에 연결한다.

추가의 관련된 실시양태에서, 앵커 미세전극 영역은 관통 미세전극의 원위 말단에 또는 그 근처에 있을 수 있다. 미세전극 소자는 표적 조직 미세전극 영역의 전기 전도성 표면과 구별되는 관통 미세전극의 표면 상에 전기적 절연을 포함할 수 있다. 미세전극 소자는 앵커 미세전극 영역의 표면 상에 전기적 절연을 포함할 수 있다. 미세전극 소자는 표적 조직 미세전극 영역의 표면의 적어도 일부 상에 선택적으로 전달될 생체분자를 포함하는 생체분자 코팅을 포함할 수 있다. 조직 위치는 피부의 각질층 아래에 있고 (i) 피부의 표피층의 적어도 일부 내 및 (ii) 피부의 진피층의 적어도 일부 내 중 적어도 하나에 있을 수 있다. 조직 위치는 오직 피부의 표피층의 적어도 일부 내에 있을 수 있다. 앵커 미세전극 영역은 미늘(barb)을 포함할 수 있고; 접착 표면 코팅을 포함할 수 있다. 생체분자 코팅은 피부 조직에 의해 둘러싸여 있을 때 용해가능할 수 있고; 핵산 및 단백질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다른 관련된 실시양태에서, 전기적 절연은 관통 미세전극 상에 증착된 절연성 중합체를 포함할 수 있다. 미세전극 소자는 하나 초과의 관통 미세전극을 포함할 수 있고, 여기서 하나 초과의 관통 미세전극의 중심-대-중심 간격은 약 300 마이크로미터 내지 약 1.5 밀리미터의 간격을 포함한다. 관통 미세전극의 길이는 약 225 마이크로미터 내지 약 1250 마이크로미터의 길이를 포함할 수 있다. 관통 미세전극은 테이퍼드 팁을 포함하는 바늘; 및 측면 돌출부를 포함하는 바늘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 관통 미세전극은 약 100 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 직경을 포함할 수 있다. 전기적 연결은 피부의 표피층 및 피부의 진피층 중 적어도 하나에서 조직의 세포막의 일시적 투과화를 생성하기 위해 전압원으로부터의 펄스형 전압을 관통 미세전극에 적용할 수 있다. 전기적 연결은 관통 미세전극을 둘러싼 피부 조직에서 센티미터 당 약 0.1 킬로볼트 (kV) 내지 센티미터 당 약 10 킬로볼트 (kV)의 최대 전기장 강도를 생성하기 위해 전압원으로부터의 전압을 관통 미세전극에 적용할 수 있다. 전기적 연결은 포토리소그래피에 의해 정의된 연결을 포함할 수 있고, 관통 미세전극은 포토리소그래피에 의해 정의된 전극 베이스를 포함할 수 있고, 관통 미세전극은 전기도금된 금속을 포함할 수 있다. 미세전극 소자는 하나 초과의 관통 미세전극을 포함할 수 있고, 전기적 연결은 하나 초과의 관통 미세전극 중 2개 이상에 대한 전기적으로 독립적인 연결을 포함할 수 있다. 소자는 상이한 생체분자를 선택적으로 전달하기 위해 각각 하나 초과의 표적 조직 미세전극 영역을 포함할 수 있다.

추가의 관련된 실시양태에서, 미세전극 소자는 모델링 프로세서를 추가로 포함할 수 있고, 이는 조직 레벨 전기장 예측 모듈 및 세포 레벨 시뮬레이션 모듈을 포함할 수 있다. 모델링 프로세서는 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달할 조직 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 모델링 프로세서는 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 제어 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시양태에서, 관통 미세전극으로 조직 전기이동을 수행하는 방법은 전기 전도성 표면을 포함하는 관통 미세전극의 표적 조직 미세전극 영역이 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하도록 위치되도록 관통 미세전극의 앵커 미세전극 영역을 사용하여 관통 미세전극을 앵커링하는 단계; 및 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 전달하기 위해 관통 미세전극에 전압을 적용하는 단계를 포함한다. 관통 미세전극은 본원에 교시된 임의의 미세전극 소자를 포함할 수 있다.

추가의 관련된 실시양태에서, 방법은 모델링 프로세서를 사용하고 조직 레벨 전기장을 예측하고 조직 위치의 세포 레벨 시뮬레이션을 수행하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 모델링 프로세서는 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달할 조직 위치를 결정할 수 있다. 방법은 모델링 프로세서를 사용하여 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 전압을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

특허 또는 출원 파일은 컬러로 실행된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면을 포함하는 이 특허 또는 특허 출원 공개의 사본은 요청 및 필요한 수수료 지불 시 특허청에 의해 제공될 것이다.
전술한 내용은 유사한 참조 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭하는 첨부 도면에 예시된 바와 같이 예시적인 실시양태의 하기 보다 구체적인 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 축적에 맞춰진 것은 아니며, 대신 실시양태를 예시하는데 중점을 둔다.
도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자의 개략적 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 앵커 미세전극 영역에 대한 대안을 포함하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자의 개략적 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 관통 미세전극의 예시적인 치수를 포함하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자의 개략적 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 피부의 표피층 및 피부의 진피층 중 적어도 하나에서 조직의 세포막의 일시적 투과화를 생성하기 위해 전압원으로부터 관통 미세전극으로 적용되는 펄스형 전압을 예시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 미세전극의 베이스 및 팁 상의 관통 미세전극의 선택적 전기적 절연을 예시하고, 표적화된 조직 전기이동을 위한 미세전극에 의해 생성된 국소화된 전기장 강도의 시뮬레이션 결과를 보여주는 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 피내 주사 및 직류 펄스의 적용 후 돼지 피부에서 녹색 형광 단백질 (GFP) 발현의 이미지를 보여주는 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 한 실시양태에 따른 관통 미세전극 어레이의 사진 및 개략적 다이어그램을 보여주는 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 피부의 각질층, 표피층 및 진피층, 및 이들 층에 삽입된 관통 미세전극의 도면을 보여주는 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 한 실시양태에 따른 시뮬레이션에서 피부 모델에 삽입된 16개의 관통 미세전극의 어레이를 둘러싼 국소화된 전기장 강도의 시뮬레이션 결과를 보여주는 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 한 실시양태에 따른 시뮬레이션에서, 2.0 kV/cm의 적용된 장에서 표피 각질세포의 패킹된 세포 모델 (1056); (상단) 부분적으로 전기천공된 상태를 보여주는 0.83 kV/cm 및 (하단) 완전히 전기천공된 상태를 보여주는 1.0 kV/cm의 장에서 패킹된 세포 모델의 2D 투영도 (1058); 및 배향 의존적 전기천공을 보여주는 시뮬레이션된 진피 섬유모세포 내의 (상단) 막횡단 전위 및 (하단) 전기장의 이미지 (1060)를 보여주는 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 관통 미세전극에 펄스형 전기천공 전압을 적용하기 전에 및 후에 측정에서 조직 임피던스의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 관통 미세전극 어레이와 함께 사용되는 전기적 시스템 개략도의 개략적 다이어그램이다.
도 13은 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 로다민을 사용한 전기투과화 시험 결과의 이미지를 보여주는 다이어그램이다.
도 14는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 아이오딘화프로피듐을 사용한 투과화 시험에 사용된 프로토콜의 요약이다.
도 15는 도 14의 실험에서 섹션화된 피부 이미지 예의 이미지를 보여주는 다이어그램이다.
도 16은 도 14의 실험에서 이미지 분석 결과를 보여주는 다이어그램이다.
도 17은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 다중 전극이 그룹으로서 어드레스되는 관통 미세전극 어레이의 전극 구성의 개략적 다이어그램이다.
도 18은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 전기적 연결을 제공하기 위해 인쇄 회로 기판을 사용하는 관통 미세전극 어레이 소자를 보여주는 다이어그램이다.
도 19는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 인쇄 회로 기판을 사용하여 관통 미세전극 어레이 소자를 시험한 결과의 이미지를 보여주는 다이어그램이다.
도 20은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 포토리소그래피를 사용하여 제작된 관통 미세전극 어레이의 개략적 다이어그램이다.
도 21은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 포토리소그래피를 사용하여 관통 미세전극 어레이를 제작하는데 사용되는 웨이퍼 상의 다이의 이미지이다.
도 22는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 하나 초과의 표적 조직 미세전극 영역의 다중화를 사용하는 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자의 개략적 다이어그램이다.
도 23은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 정전기 스프레이에 의해 관통 미세전극 어레이 상에 증착된 DNA 복합체의 이미지이다.
도 24는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 절연 유전체 코팅의 등각 층으로 절연된 관통 미세전극의 이미지이다.
도 25는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 모델링 프로세서를 혼입하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자의 개략적 다이어그램이다.

상세한 설명

예시적인 실시양태의 설명은 다음과 같다.

본 발명에 따른 한 실시양태는 피부의 별개의 층에 생체분자, 예컨대 핵산 또는 단백질의 표적화된 전달을 갖는 최소 침습성 관통 미세전극 어레이를 제공한다. 표피는 진피보다 높은 세포 밀도, 뿐만 아니라 높은 농도의 수지상 세포를 함유하며, 따라서 생체분자, 예컨대 핵산 또는 단백질 벡터의 전달을 위한 매력적인 표적이다. 관통 미세전극 어레이는 표피 또는 진피에 특이적인 효율적이고 표적화된 조직 유전자 전기이동 (GET)을 달성할 수 있다. 표피 형질감염은 더 높은 표피 세포 밀도로 인해 가장 높은 정도의 형질감염을 나타낼 수 있다. 생체분자의 표적화된 전달, 예컨대 벡터 전달 및 조직 형질감염은 어레이의 관통 미세전극을 선택적으로 절연하고, 플라스미드 DNA (pDNA) 벡터 (또는 다른 생체분자, 예컨대 핵산 또는 단백질)로 코팅한 다음, 피부의 표피층 및/또는 진피층 내에 위치된 전극을 둘러싸는 집중 전기장 "핫스팟"에서 조직을 효율적으로 전기천공함으로써 달성될 수 있다. 이는 생체분자 전달 및 전기적 펄스를 동일한 조직 부피로 공동국소화하여 피부 GET 효율 또는 다른 생체분자 전달을 개선시킨다. 일부 실시양태에서, 펄스 적용 이전 및 이후에 조직 임피던스를 모니터링함으로써, 세포 투과화 및 후속 조직 GET의 정도는 사용된 전기적 펄스의 크기에 비례하는 조직 임피던스의 하락을 통해 모니터링될 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에 따른 이러한 접근법은 더 낮은 전압 및 장 강도가 사용되도록 허용하여, 생체분자 전달, 예컨대 조직 형질감염을 생존가능한 진피 및 표피의 가장 바깥쪽 층 내에 국소화하면서 조직 손상을 제한한다. 따라서, 한 실시양태는 낮은 형질감염 효율 및 피부 자극을 회피하면서 표적화된 조직 형질감염 효율을 실질적으로 개선시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자 (100)의 개략적 다이어그램이다. 미세전극 소자 (100)는 피부 조직을 관통하기에 충분히 날카로운 테이퍼드 팁을 갖는 바늘과 같은 관통 미세전극 (102)을 포함한다. 관통 미세전극 (102)은 조직 전기이동을 통해 관통 미세전극 (102)을 둘러싼 피부 조직과 같은 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하는 전도성 금속 표면과 같은 전기 전도성 표면 (106)을 포함하는 표적 조직 미세전극 영역 (104)을 포함한다. 관통 미세전극 (102)은 또한 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하기 위한 표적 조직 미세전극 영역 (104)을 위치시키기 위해 관통 미세전극 (102)을 기계적으로 앵커링하기 위한 앵커 미세전극 영역 (108)을 포함한다. 예를 들어, 앵커 미세전극 영역 (108)은 예를 들어 피부 조직 내의 관통 미세전극 (102)의 움직임에 대해 충분한 마찰을 제공함으로써 관통 미세전극 (102)이 삽입되는 피부 조직 내에 관통 미세전극 (102)을 유지하는 것을 보조하는 코팅 (예컨대 본원에서 추가로 논의된 것)을 가질 수 있다. 전기적 연결 (110)은 관통 미세전극 (102)을 전압원 (112)에 연결한다. 예를 들어, 관통 미세전극 (102)은 전도성 금속으로 제조될 수 있고 (또는 이로 제조된 코어 또는 다른 부분을 가질 수 있음), 전기적 연결 (110)은 전기적 회로 기판 또는 다른 마운팅 프레임 (114) 상의 전도성 트레이스 또는 다른 전기적 연결일 수 있다. 전압원 (112)은 예를 들어 본원에 추가로 교시된 펄스형 전압을 포함하는 전압을 전달하도록 구성된 파워 서플라이일 수 있다.

계속해서 도 1을 참조하여, 앵커 미세전극 영역 (108)은 관통 미세전극 (102)의 원위 말단 (116)에 또는 그 근처에 있을 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 관통 미세전극 (102)의 "원위 말단" (116)은 피부 조직에 가장 깊이 삽입되는 관통 미세전극 (102)의 말단인 반면, "근위 말단" (118)은 마운팅 프레임 (114)에 가장 가까운 반대쪽 말단이다. 미세전극 소자 (100)는 표적 조직 미세전극 영역 (104)의 전기 전도성 표면 (106)과 구별되는 관통 미세전극 (102)의 표면 상에 전기적 절연 (120a)을 포함할 수 있다. 전기적 절연 (120a)은 도 5의 예와 관련하여 하기 논의된 바와 같이 예를 들어 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 증착된 파릴렌 (폴리(p-자일릴렌)) 필름과 같은 관통 미세전극 상에 증착된 절연성 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기적 절연 (120)의 하나 초과의 별개의 영역 (120a, 120b)은 그들 사이에 전기 전도성 표면 (106)을 갖는 표적 조직 미세전극 영역 (104)을 정의할 수 있다. 전기적 절연은 앵커 미세전극 영역 (108)의 표면 (120b) 상에 있을 수 있고, 이는 관통 미세전극 (102)이 삽입되는 피부 조직 내에 관통 미세전극 (102)을 유지하는 것을 보조하는 앵커 미세전극 영역 (108)의 코팅으로서 및 전기적 절연으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 증착된 파릴렌 (폴리(p-자일릴렌)) 필름의 코팅은 피부 조직 내의 관통 미세전극 (102)의 움직임에 대해 충분한 마찰을 제공함으로써 미세전극을 앵커링하고 전기적 절연으로서 작용할 수 있다. 미세전극 소자는 표적 조직 미세전극 영역 (104)의 전체 표면일 수 있는 표적 조직 미세전극 영역 (104)의 표면의 적어도 일부 상에 선택적으로 전달될 생체분자를 포함하는 생체분자 코팅 (122)을 포함할 수 있다. 생체분자 코팅 (122)은 예를 들어 핵산 (하기 보다 상세히 정의된 바와 같음, 예를 들어 DNA 또는 RNA) 또는 단백질을 포함할 수 있다. 생체분자 코팅 (122)은 피부 조직에 의해 둘러싸여 있을 때 용해가능할 수 있다. 표적 조직 미세전극 영역 (104)의 전체 표면이 생체분자 코팅 (122)으로 코팅된 경우, 표적 조직 미세전극 영역 (104)은 충분한 전기 전도성 표면 (106)을 가지며, 생체분자 코팅 (122)이 피부 조직에 의해 둘러싸여 있을 때 용해된 후, 전기천공은 표적 조직 미세전극 영역 (104)에 의해 수행될 수 있다. 한 예에서, 생체분자 코팅 (122)은 전기천공에 의해 주변 조직에 위치된 세포로 전달될 플라스미드 DNA (pDNA) 벡터를 포함할 수 있다. 생체분자가 전달될 세포를 함유하는 조직 위치는 피부의 각질층 (124) 아래, 및 선택적으로 피부의 표피층 (126), 피부의 진피층 (128), 또는 표피층 (126) 및 진피층 (128) 둘 모두 내에 있을 수 있다. 한 예에서, 조직 위치는 선택적으로 오직 피부의 표피층 (126) 내에 있다.

도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 앵커 미세전극 영역 (208)에 대한 대안을 포함하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자 (200)의 개략적 다이어그램이다. 앵커 미세전극 영역 (208)이 주변 조직에 최소로 유해해야 하는 것으로 예상되지만, 일부 실시양태에서 앵커 미세전극 영역 (208)이 미늘 (230), 또는 앵커링을 보조하는 다른 구조를 포함할 수 있고; 앵커링을 보조하기 위해 추가의 접착 표면 코팅 (232)을 포함할 수 있는 것이 가능하다. 미늘 (230)은 예를 들어 약 500 마이크로미터 이하의 짧은 길이를 가질 수 있는 생체흡수성 미늘일 수 있다. 관통 미세전극은 테이퍼드 팁을 포함하는 바늘 (도 1에서와 같이); 미늘 (230)과 같은 측면 돌출부를 포함하는 바늘 (도 2); 또는 둘 모두일 수 있다.

도 3은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 관통 미세전극의 예시적인 치수를 포함하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자 (300)의 개략적 다이어그램이다. 미세전극 소자 (300)는 하나 초과의 관통 미세전극을 포함할 수 있고, 여기서 하나 초과의 관통 미세전극의 중심-대-중심 간격 (334)은 약 300 마이크로미터 내지 약 1.5 밀리미터의 간격을 포함한다. 관통 미세전극의 길이 (336)는 약 225 마이크로미터 내지 약 1250 마이크로미터의 길이를 포함할 수 있다. 관통 미세전극은 약 100 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 직경 (338)을 포함할 수 있다.

도 22는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 하나 초과의 표적 조직 미세전극 영역의 다중화를 사용하는 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자 (2200)의 개략적 다이어그램이다. 이 실시양태에서, 소자는 상이한 생체분자를 선택적으로 전달하기 위해 각각 하나 초과의 표적 조직 미세전극 영역을 포함한다. 도 22의 예를 참조하여, 하나 초과의 표적 조직 미세전극 영역 (2204a-d)이 사용되며, 여기서 상이한 표적 미세전극 영역은 하나 초과의 상이한 생체분자 코팅 (2222a-d)을 포함한다. 예를 들어, 동일한 관통 미세전극 (2202c) 상의 하나 초과의 상이한 표적 미세전극 영역 (2204c 및 2204d)은 하나 초과의 상이한 생체분자 코팅 (2222c 및 2222d)으로 코팅될 수 있다. 또 다른 예에서, 동일한 소자 내의 하나 초과의 상이한 관통 미세전극 (2202a 및 2202b)은 하나 초과의 상이한 생체분자 코팅 (2222a 및 2222b)으로 코팅될 수 있는 하나 초과의 상이한 표적 조직 미세전극 영역 (2204a 및 2204b)을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 22에 예시된 유형의 하나 이상의 배열을 사용하여 피부의 표피층의 적어도 일부 내의 하나의 생체분자 및 피부의 진피층의 적어도 일부 내의 상이한 생체분자와 같이, 상이한 생체분자는 피부의 상이한 층으로 전달될 수 있다.

도 4는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 피부의 표피층 및 피부의 진피층 중 적어도 하나에서 조직의 세포막의 일시적 투과화를 생성하기 위해 전압원 (도 1에서 112 참조)으로부터 관통 미세전극으로 적용되는 펄스형 전압 (440)을 예시하는 그래프이다. 전기적 연결 (도 1에서 110 참조)은 피부의 표피층 및 피부의 진피층 중 적어도 하나에서 조직의 세포막의 일시적 투과화를 생성하기 위해 전압원 (도 1에서 112 참조)으로부터의 펄스형 전압을 관통 미세전극으로 적용할 수 있다. 도 4를 참조하여, 전기적 연결은 관통 미세전극을 둘러싼 피부 조직에서 센티미터 당 약 0.1 킬로볼트 (kV) 내지 센티미터 당 약 10 킬로볼트 (kV)의 최대 전기장 강도 (442)를 생성하기 위해 전압원으로부터의 전압을 관통 미세전극에 적용할 수 있다.

도 25는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 모델링 프로세서 (2562)를 혼입하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자 (2500)의 개략적 다이어그램이다. 여기에서, 모델링 프로세서 (2562)는 표적화된 조직에서의 세포 밀도를 설명하는 조직 레벨 전기장 예측 및 세포 레벨 시뮬레이션을 혼입하는 멀티스케일 피부 전기천공 모델을 사용함으로써 전기천공 핫스팟을 결정하기 위한 모델링 모듈을 포함한다. 이 모듈을 구현하기 위해, 모델링 프로세서 (2562)는 조직 레벨 전기장 예측 모듈 (2564) 및 세포 레벨 시뮬레이션 모듈 (2566)을 포함한다. 조직 레벨 전기장 예측 모듈 (2564)은 예를 들어 조직에서 전기장을 결정하기 위해 모델을 사용할 수 있다. 세포 레벨 시뮬레이션 모듈 (2566)은 예를 들어 조직 내의 세포 밀도를 시뮬레이션할 수 있다. 이들 모듈을 사용하여, 모델링 프로세서 (2562)는 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달할 조직 위치를 결정할 수 있다. 또한, 이들 모듈을 사용하여, 모델링 프로세서 (2562)는 전압원 (2512)에 의해 관통 미세전극 (2502)으로 전달되는 제어 전압 (2568)을 결정할 수 있다. 또한, 모델링 프로세서 (2562)의 출력은 표적화된 조직 내의 앵커 미세전극 영역 (2508) 및 표적 조직 미세전극 영역 (2504)의 위치를 결정하고; 이러한 관통 미세전극 (2502)의 어레이에서 사용되는 관통 미세전극 (2502)의 형식, 간격 및 치수를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 모델링 프로세서 (2562)는 모델링 프로세서 (2562)가 조직 레벨 전기장 예측 모듈 (2564) 및 세포 레벨 시뮬레이션 모듈 (2566)을 포함하는지 여부와 관계없이 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 제어 전압을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

본원에 기재된 다양한 기술은 컴퓨터 구현된 구성성분, 예컨대 모델링 프로세서 (2562), 조직 레벨 전기장 예측 모듈 (2564) 및 세포 레벨 시뮬레이션 모듈 (2566)을 포함할 수 있다 (도 25 참조). 이러한 구성성분은 하드웨어를 사용하여 구현될 수 있고, 예를 들어 하나 이상의 특정 용도용 집적 회로 (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 응용 소프트웨어를 포함할 수 있는 하나 이상의 프로세서; 및 본원에 기재된 시스템 (예컨대 도 25의 전압원 (2512) 및 관통 미세전극 (2502))으로 및 이로부터 전자 신호를 전달하는 센서 및/또는 제어 연결을 포함할 수 있으며, 여기서 신호는 본원에 기재된 구성성분 내의 작동되는 구성성분으로 및 이로부터 전자 신호를 전달할 수 있다. 구성성분은 사용자 입력을 수신하기 위한 구성성분 (예컨대 키보드, 터치 패드, 및 프로세서 및 메모리와 연결된 연관 전자장치)을 포함할 수 있는 사용자 입력 모듈을 포함할 수 있다. 구성성분, 예컨대 모델링 프로세서 (2562) 및 전압원 (2512)은 또한 정보를 저장하고 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어의 제어 하에 절차를 구현하기 위한 메모리를 포함할 수 있다. 다른 제어 하드웨어 및 소프트웨어가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 기술은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에서 제공되거나 여러 컴퓨터 중에 배포되는지와 관계없이 임의의 적합한 프로세서 또는 프로세서 모음에서 실행될 수 있다.

도 12는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 관통 미세전극 어레이와 함께 사용되는 전기적 시스템 개략도의 개략적 다이어그램이다. 이 실험에서, 전도성 유체 및 피부 조직 둘 모두에서 전기적 특징화를 수행하였다. 개략도는 함수 발생기, 증폭기 및 전기천공 칩을 포함한다. 여기에서, 관통 미세전극은 인쇄 회로 기판에 마운팅된 바늘이며, 2 mm의 길이, 1.3 mm의 중심-대-중심 간격을 갖는다.

도 13은 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 로다민을 사용한 전기투과화 시험 결과의 이미지를 보여주는 다이어그램이다. 이 실험에서, 1.5 kV/cm, 10 msec DC 펄스를 적용하였다. 3 mm의 바늘 길이를 사용하였다. 각질층은 펄스화로 극복되었다. 이미지는 병합된 명시야 및 적색 채널 이미지를 보여준다. 비펄스형 바늘을 사용한 결과는 왼쪽에 있고, 펄스형 바늘을 사용한 결과는 오른쪽에 있다.

도 14는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 아이오딘화프로피듐을 사용한 투과화 시험에 사용된 프로토콜의 요약이다.

도 15는 도 14의 실험에서 섹션화된 피부 이미지 예의 이미지를 보여주는 다이어그램이다.

도 16은 도 14의 실험에서 이미지 분석 결과를 보여주는 다이어그램이다. 오른쪽 아래의 그래프는 문헌 [Ge et al., 2010, “The viability change of pigskin in vitro,” Burns, 36 (2010)]으로부터의 것이다.

도 17은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 다중 전극이 그룹으로서 어드레스되는 관통 미세전극 어레이의 전극 구성의 개략적 다이어그램이다. 이 예에서, "1"로 표지된 전극은 "2", "3" 및 "4"로 표지된 전극과 마찬가지로 그룹으로 어드레스된다. 다른 배열이 사용될 수 있고, 개별적으로 어드레스가능한 전극이 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 미세전극 소자는 하나 초과의 관통 미세전극을 포함할 수 있고, 전기적 연결은 하나 초과의 관통 미세전극 중 2개 이상에 대한 전기적으로 독립적인 연결을 포함할 수 있다.

도 18은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 전기적 연결을 제공하기 위해 인쇄 회로 기판을 사용하는 관통 미세전극 어레이 소자를 보여주는 다이어그램이다.

도 19는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 인쇄 회로 기판을 사용하여 관통 미세전극 어레이 소자를 시험한 결과의 이미지를 보여주는 다이어그램이다. 아이오딘화프로피듐의 "핫스팟"은 바늘 삽입 부위 주변에서 볼 수 있다.

도 20은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 포토리소그래피를 사용하여 제작된 관통 미세전극 어레이의 개략적 다이어그램이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 전기적 연결은 포토리소그래피에 의해 정의된 연결을 포함할 수 있고, 관통 미세전극은 포토리소그래피에 의해 정의된 전극 베이스를 포함할 수 있고, 관통 미세전극은 전기도금된 금속을 포함할 수 있다. 한 예에서, 관통 미세전극 어레이는 UV LiGA 기술을 사용하여 제작될 수 있고, 여기서 "LiGA"는 리소그래피, 전기도금 및 몰딩을 의미하는 독일어 약어에서 유래된다. 포토리소그래피는 트레이스, 관통 미세전극 베이스, 전기도금을 위한 몰드를 정의하는데 사용될 수 있다. 금속의 전기도금은 견고한 포스트를 생성하는데 사용될 수 있다. 전기화학적 또는 습식 에칭은 관통 미세전극의 형상을 정의하는데 사용될 수 있다. 그 다음에는 몰딩 재료를 제거하고, 웨이퍼를 다이싱하여 별도의 칩을 생성할 수 있다. 도 21은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 포토리소그래피를 사용하여 관통 미세전극 어레이를 제작하는데 사용되는 웨이퍼 상의 다이의 이미지이다.

본 발명에 따른 한 실시양태는 전극에 인접한 일치하는 "핫스팟" 구역에 벡터 및 저강도 전기적 펄스를 전달하기 위해 관통 미세전극의 선택적 절연 및 DNA 벡터 (또는 다른 생체분자)로 관통 미세전극을 코팅하는 것을 사용한다. 실시양태는 큰 조직 부피를 형질감염시키려는 시도와 대조적으로 전기장 "핫스팟" 내에서 전극에 인접한 조직만을 형질감염시키는데 초점을 맞추기 때문에, 효율적인 표피 및 진피 유전자 전기이동 (GET), 또는 다른 생체분자 전달을 위해 더 낮은 펄스 장 강도가 사용될 수 있다. 상기 접근법은 피부 EP에 대한 더 낮은 임계값이 유도되고, 투과화될 피부의 부분에 직접 벡터 전달이 표적화되고, 표적화된 진피층 형질감염이 수득되도록, 벡터 및 전기 에너지를 "핫스팟"에 더욱 효율적으로 전달함으로써 GET의 안전성, 내약성 및 효능 문제를 해결함으로써 경피 전기천공의 임상 번역에 대한 많은 주요 장애물을 극복할 수 있다고 믿어진다. 펄스 적용 이전 및 이후에 피부의 임피던스 모니터링과 조합된 이들 이점은 전극 삽입 뿐만 아니라 펄스 프로토콜 둘 모두로부터 조직 자극을 최소화하면서 관통 미세전극 어레이가 최대 DNA 전달 (또는 다른 생체분자 전달) 및 GET 발현을 수득할 수 있도록 허용할 것이다.

본 발명에 따른 한 실시양태는 벡터 또는 다른 생체분자가 덜 제어된 방식으로 피부 아래에 주입되고, 전극의 일부가 피부 아래에 있도록 길고 깊게 관통하는 전극이 사용되는 다른 관통 전기천공 플랫폼과 대조된다. 이들 접근법은 또한 전극 주변의 가장 큰 부피의 조직을 투과화하기 위해 더 높은 강도의 펄스를 사용한다. 벡터 주입은 효율적으로 투과화되지 않는 구역의 조직에 다량의 벡터가 분포되어 있고 고강도 펄스와 커플링된 깊은 전극 관통이 전극에 인접한 절제성 비가역적 전기천공 조직 손상을 유발하는 것을 의미한다. 이는 GET 형질감염 효능의 가변성 뿐만 아니라 유해 조직 손상을 유발한다. 투여 부위 선택, 전극 설계 및 펄스 파라미터에 대한 임상 프로토콜은 안전성, 내약성 및 효능에 대해 신중하게 평가되어야 한다. (20, 40, 41) 특히, 본 발명에 따른 한 실시양태는 GET를 통해 활성화될 수 있는 높은 농도의 각질세포 및 수지상 세포로 인해 생존가능한 표피를 표적화한다.

다른 실시양태에서, 벡터 전달 및 형질감염의 선택적 표피 및 진피 표적화는 또한 다른 임상 요법, 예컨대 전기화학요법 (ECT), 비열적 비가역적 전기천공 (N-TIRE) 또는 피부 이외의 조직의 집중 형질감염에서 사용될 수 있다. 다른 생체분자 전달이 수행될 수 있음이 이해될 것이다.

도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 미세전극의 베이스 및 팁 상의 관통 미세전극의 선택적 전기적 절연을 예시하고, 표적화된 조직 전기이동을 위한 미세전극에 의해 생성된 국소화된 전기장 강도의 시뮬레이션 결과를 보여주는 다이어그램이다. 도 5의 실시양태에서, 관통 미세전극은 조직 "핫스팟"을 별개의 진피층에 집중시키기 위해 선택적으로 절연된다. 그 후, 제어된 저전압 전기천공은 관통 미세전극의 영역에 걸쳐 선택적 절연을 사용하여 특정 진피층으로 표적화된다. 이러한 목표를 성취하기 위해, 본 발명의 한 실시양태에 따른 한 실험에서, 관통 미세전극 어레이는 파릴렌 (폴리(p-자일릴렌)) 필름의 화학 기상 증착 (CVD)을 통해 코팅된다. 파릴렌 CVD에서, 고체 파릴렌 이량체의 공지된 질량은 기체 상으로 승화되며, 이는 그 후 열분해되어 이량체를 단량체 분자로 절단한다. 그 후, 파릴렌 단량체는 증착 챔버로 도입되며, 여기서 이들은 중합하고 노출된 관통 미세전극 어레이 표면을 등각으로 코팅한다. 파릴렌은 그의 생물학적 불활성에 대해 공지된 USP 클래스 VI 중합체이며, 수십년 동안 의료 장치 및 의료 전자장치에 대한 캡슐화 재료로 사용되어 왔다. 100-1000 nm 두께의 절연 파릴렌 층이 관통 미세전극 어레이 상에 증착된다. 파릴렌은 보다 정확한 제거를 위해 기계적 마모 또는 집중 CO₂ 엑시머 레이저 절제를 통해 관통 미세전극의 베이스 또는 팁으로부터 선택적으로 제거된다. 그 후, 이들 관통 미세전극은 바늘 당 코팅된 예상 0.15-15 μg DNA에 대해 이전에 보고된 바와 같이 1% (w/v) 카르복시-메틸셀룰로스 및 0.5% (w/v) 루트롤(Lutrol) F-68 NF (바스프, 미국 뉴저지주 마운트 올리브 소재) 용액에서 안정화된 pDNA 용액으로 코팅된다. 잉크젯 프린팅 또는 전기분무와 같은 미세바늘을 코팅하기 위해 사용된 대안적인 코팅 기술을 포함하는 다른 코팅 기술이 또한 이용될 수 있고; 다른 생체분자가 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

도 5는 또한 본 발명의 한 실시양태에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주며, 이는 관통 미세전극을 선택적으로 절연하고 진피 또는 표피에서 '핫스팟'을 국소화하는 효과를 예측한다. 다양한 적용된 전압에서 피부 전기천공이 발생하는 위치를 정확하게 예측할 수 있으므로, 조직 손상을 최소화하면서 피부의 별개의 층에서 DNA 벡터 유전자 전기이동 (GET) (또는 다른 생체분자 전달)을 표적화할 수 있다. 핫스팟을 진피 또는 표피 피부 층에 집중시킴으로써, 표피 형질감염은 더 높은 표피 세포 밀도로 인해 더 높은 정도의 형질감염을 나타낼 것으로 예상되며, 이는 DNA 기반 백신이 수지상 세포 활성화를 위한 충분한 발현을 가져서 보호 면역학적 반응을 부여하는 것을 보장하는데 도움이 될 것이다. 다른 생체분자 전달에서 유사한 장점이 달성될 수 있게 할 수 있다.

본 발명에 따른 한 실시양태는 DNA (또는 다른 생체분자, 예컨대 핵산 또는 단백질) 및 전극 주위의 전기장 핫스팟의 전달을 국소화하기 위한 최소 침습성 관통 미세전극 어레이를 제공한다. 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서, 관통 전극 치수 및 간격은 피부 내의 전기천공 임계값 이상의 전기장 분포를 예측할 수 있는 피부 전기천공 모델, 뿐만 아니라 조직 내의 세포의 전기천공이 조직의 나머지 부분 내에서 전기장 분포를 어떻게 변화시키는지 예측할 수 있는 패킹된 세포 모델의 개발에 의해 알려진다. 높은 농도의 pDNA 벡터 (또는 다른 생체분자)를 관통 미세전극 어레이에 직접 코팅함으로써, 삽입 후 전극 표면에 인접한 조직에서 DNA가 국소적으로 재구성되어, 벡터 및 전기 에너지가 피부 내의 원하는 "핫스팟" 위치에 전달되어 표적화된 조직 형질감염을 수득한다.

본 발명에 따른 한 실시양태는 표적화된 피부 전기천공을 위한 관통 미세전극의 선택적 절연을 제공한다. 관통 미세전극 표면에 절연성 중합체를 증착하고 관통 미세전극의 일부 (예를 들어, 팁 대 베이스) 위의 절연을 선택적으로 제거함으로써, 관통 미세전극의 부분이 절연될 수 있으므로, 벡터 및 전기 에너지가 피부 내의 원하는 "핫스팟" 위치에 전달되어 표적화된 피부 층 형질감염을 수득한다.

본 발명의 한 실시양태에 따라 구축되고 본원에 기재된 실험은 상이한 관통 전극 기하구조로부터 피부 모델 내의 전기장 분포의 컴퓨터 모델링, 패킹된 세포 조직 모델 내의 투과화 분포의 컴퓨터 모델링, 관통 미세전극 어레이의 개발, 관통 미세전극의 선택적 절연, 및 별개의 진피층에 대한 벡터 전달 및 전기적 펄스 에너지를 공동표적화하기 위한 관통 미세전극 어레이의 DNA 벡터 코팅을 통해 진피 전기천공 효율을 개선시키기 위한 다측면 접근법을 사용한다.

실험 #1:

도 7은 본 발명의 한 실시양태에 따른 관통 미세전극 어레이의 사진 및 개략적 다이어그램을 보여주는 다이어그램이다. 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서, 도 7을 참조하여, 인쇄 회로 기판 (PCB) 어레이에 조힙된 오스테나이트 316 스테인레스 스틸 외과용 침술침으로 이루어진 관통 미세전극 어레이가 개발되었다. 각 관통 미세전극은 6.129° 테이퍼 각도로 745 μm 팁 길이에 걸쳐 미세 지점으로 테이퍼링하는 160 μm 직경의 바늘이다. 각 바늘은 전극이 관통하는 공지된 두께의 플라스틱 실리콘 고무 스페이서를 사용하여 제어되는 관통 미세전극의 관통 길이로 도금된 관통-구멍을 통해 PCB에 위치된다. 관통 미세전극 어레이의 총 관통 깊이는 ¼ mm만큼 짧을 수 있는 노출된 관통 미세전극 길이에 의해 제어된다. 관통 미세전극 어셈블리에 이어, 바늘의 뒷면이 고정된 후, 솔더 배스 내에서 딥 솔더링을 통해 PCB에 솔더링된다. PCB는 전기적 여기를 위해 리본 케이블에 연결된다. 프로토타입 관통 미세전극 어레이는 0.75 mm 중심 대 중심 간격을 갖는 16개의 전극을 지원하고, 전형적으로 도 7에 나타낸 바와 같이 1 mm 돌출된다. 관통 미세전극 어레이 설계는 전기천공이 시뮬레이션되는 전극 주변의 "핫스팟"을 확인하기 위해 전기천공 회로 모델에 진피 및 표피의 세포 밀도를 설명하는 조직 레벨 전기장 예측 및 세포 레벨 시뮬레이션을 연결하는 멀티스케일 피부 전기천공 모델의 개발에 의해 알려진다. 이러한 멀티스케일 모델은 최적의 관통 미세전극 어레이 기하구조 및 펄스 파라미터를 결정하기 위해 관통 미세전극 어레이 설계 및 구현에 정보를 제공하는데 도움이 된다. 이러한 멀티스케일 모델은 예를 들어 본원에서 도 25와 관련하여 설명된 모델링 프로세서에 의해 구현될 수 있다.

실험 #2:

도 8은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 피부의 각질층, 표피층 및 진피층, 및 이들 층에 삽입된 관통 미세전극의 도면을 보여주는 다이어그램이다. 도 8을 참조하여, 본 발명의 한 실시양태에 따라 수행된 실험적 조사에서, 진피-표피 접합부 (dermal-epidermal junction, DEJ)를 사실적인 표면 지형 및 표피 두께로 묘사하기 위해 조직학적 이미지로부터 피부 형태를 추출하는 컴퓨터 피부 조직 레벨 모델이 개발되었다. 도 8에서, 이미지 (848)는 DEJ를 묘사하는 H&E 염색된 피부를 보여주고; 이미지 (850)는 2D 피부 모델로 추출된 표피 두께를 보여주고; 이미지 (852)는 주기적인 융기를 갖는 3D 피부 모델로 압출된 2D 모델을 보여주고; 이미지 (854)는 피부 조직학으로부터 추출된 물결 모양의 표면을 갖는 3D 피부 모델을 보여준다. 한 쌍의 삽입된 관통 미세전극이 이미지 (854)에 표시된다. 시뮬레이션에서 사용된 물리적 특성 (두께, 전도도 등)은 문헌에서 발견되었다 (28, 42). 이러한 전역 피부 모델은 0.5 kV/cm의 투과화 장 강도 임계값이 달성되는 위치를 확인하기 위해 조직 내의 전기장 분포를 결정하는데 사용된다. 이 모델을 사용하여, 피부 내의 전기장 분포는 모든 투과화 전기장이 적용된 20 V에서 각질층 내에 국소화되고 50 V 이상의 전압에서만 진피층으로 관통되는 표면 전극을 사용하여 시뮬레이션되었다. 투과화 임계값이 달성되었을 때 각질층 (SC) 전도도의 증가를 반영하도록 시뮬레이션이 업데이트되었다. 이는 100 V의 전압 및 피부에 더 깊은 장 관통을 필요로 하였지만, 실험 동안 제어가능한 프로세스는 아니다. 따라서, 관통 미세전극 설계에 집중하기로 결정하였다.

실험 #3:

도 9는 본 발명의 한 실시양태에 따른 시뮬레이션에서 피부 모델에 삽입된 16개의 관통 미세전극의 어레이를 둘러싼 국소화된 전기장 강도의 시뮬레이션 결과를 보여주는 다이어그램이다. 관통 미세전극을 사용할 때, 시뮬레이션은 도 9에 나타낸 바와 같이 전극 주변의 "핫스팟"을 예측할 수 있다. 시뮬레이션은 바늘 간격, 삽입 깊이 및 적용된 전압을 변경하여 시뮬레이션된 바늘 주변의 전기장 분포를 예측할 수 있다. 도 9는 전기장이 조직 전기천공에 대해 예상되는 최소 전기장인 0.5 kV/cm의 값을 초과하는 전극 주위의 부피를 묘사함으로써 이러한 시뮬레이션 중 하나의 결과를 보여준다. 특히, 전극 면적이 감소함에 따라 전기장 라인을 집중시키는 날카로운 팁으로 인해 관통 미세전극의 팁에서 전기장이 증가한다. 이러한 방식으로, 관통 미세전극 어레이의 연속적인 반복은 필요에 따라 합리적으로 설계될 수 있다.

실험 #4:

조직 레벨 모델에 더하여, 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서, 피부의 상이한 층에서 투과화가 어떻게 일어나는지를 이해하기 위해 국소 패킹된 세포 모델을 개발하였다. 이러한 국소 모델은 시뮬레이션된 전위를 세포막이 레지스터와 병렬로 커패시터로서 처리되는 세포의 국소 등가 회로 모델에 커플링하며, 여기서 컨덕턴스는 0.5 V의 막횡단 전압 (TMV)이 달성될 때 전기천공 동안 조직에서 유의하게 하락한다. 그 후, 전기천공을 겪는 한 세포의 영향이 그의 이웃의 TMV (및 따라서 전기천공에 대한 경향)에 어떻게 영향을 미치는지 나타내기 위해 국소 세포 임피던스의 이러한 하락을 반영하기 위해 장 분포가 업데이트된다. 두 가지 모델을 개발하였다. 첫 번째는 표피에서 발견되는 높은 각질세포 밀도를 반영하는 패킹된 구형 모델 (1056)이다. 도 10은 본 발명의 한 실시양태에 따른 시뮬레이션에서, 2.0 kV/cm의 적용된 장에서 표피 각질세포의 패킹된 세포 모델 (1056)을 보여주는 다이어그램이다. 이미지 (1058)는 (상단) 부분적으로 전기천공된 상태를 보여주는 0.83 kV/cm 및 (하단) 완전히 전기천공된 상태를 보여주는 1.0 kV/cm의 장에서 모델 (1056)의 2D 투영도이다. 이미지 (1060)는 배향 의존적 전기천공을 보여주는 시뮬레이션된 진피 섬유모세포 내의 (상단) 막횡단 전위를 보여주고 (하단) 전기장을 보여준다. 도 10의 이미지 (1056)에 나타낸 바와 같이, 고강도 전기장이 적용될 때, 모든 세포가 완전히 전기천공된다. 도 10의 이미지 (1058)는 부분적으로 내지 완전히 전기천공된 조건을 반영하는 중간 내지 높은 적용된 전기장에서 패킹된 세포의 2D 중심선 투영도를 보여준다. 부분적으로 전기천공된 조건에서, 한 세포의 투과화는 그의 이웃의 국소 전위를 증가시킬 수 있다. 도 10의 이미지 (1060)는 진피 섬유모세포 (43)의 세포 밀도 및 분포를 반영하는 다양한 배향의 타원형 세포의 더 낮은 세포 밀도 시뮬레이션을 보여준다. 더 낮은 세포 밀도를 제외하고, 시뮬레이션은 전기천공의 정도가 전기천공의 더 큰 정도를 갖는 전기장과 정렬된 세포와 세포 배향과 강하게 상관관계가 있음을 보여준다. 이들 시뮬레이션은 표피 내의 표적화된 전기천공이 더 높은 세포 밀도 및 더 적은 배향 의존적 효과로 인해 더 큰 정도의 세포 전기천공으로 이어질 것이라는 가설로 이어진다. 이들 시뮬레이션은 또한 관통 미세전극 어레이 설계를 가이드하고 펄스 파라미터를 최적화하는데 사용될 수 있다. 피부 전기천공이 다양한 적용된 전압에서 발생하여 조직 손상을 최소화하면서 피부의 별개의 층에서 DNA 벡터 GET (또는 다른 생체분자 전달)를 표적화할 수 있는 위치를 정확하게 예측할 수 있다. 전기천공은 관통 미세전극의 영역에 걸쳐 선택적 절연을 사용하여 특정 진피층으로 표적화될 수 있다. 이러한 시뮬레이션, 및 그에 따른 제어, 설계 및 최적화는 본원에서 도 25와 관련하여 설명된 것과 같은 모델링 프로세서를 사용하여 수행될 수 있다.

실험 #5:

본 발명의 한 실시양태에 따른 또 다른 실험에서, 돼지 피부에서 녹색 형광 단백질 (GFP) 발현의 연구를 수행하였으며, 이는 도 6을 참조하여 논의될 것이다. 이들 연구를 러트거스 IACUC 위원회(Rutgers IACUC committee) (PROTO201702610 - 돼지 피부 수확)에 의해 승인된 프로토콜에 따라 수행하였다. 안락사시킨 3 내지 5주령 피글렛으로부터 피부를 신선하게 수확하고, 70% 에탄올로 조심스럽게 세정한 후, 면도하고 제모하였다. 피부 조직을 대략 1 × 1 cm의 작은 정사각형 조각으로 절단하였다. 피하 지방 및 조직을 메스에 의해 조심스럽게 제거하였다. 1× PBS 용액 중 20 μg/ml pEGFP-N1 벡터 (클론테크(Clontech))를 전기천공 처리 전에 마이크론제트600(MicronJet600) 미세바늘 (나노패스 테크놀로지스 리미티드(NanoPass Technologies Ltd.), 이스라엘 네스 치오나 소재)에 의해 주입하였다. 예비 관통 미세전극 어레이를 사용하여 전기적 펄스를 적용하였다. GFP pDNA를 얕은 ID 미세바늘 주사에 이어 5V 또는 50V 10 ms 전기천공 펄스를 통해 주입하였다. 전기천공 처리 후, 피부 샘플을 즉시 인큐베이터의 로커에서 37℃에서 변형된 이글 배지 (modified Eagle's medium, MEM)에 넣었다. 선택된 시점 (펄스화 후 8, 16, 24 및 48시간)에서, 피부 샘플을 주사 부위의 중심으로부터 횡단면을 따라 슬라이스한 다음, PBS로 세척하였다. 슬라이스는 두께가 1 내지 1.5 mm였고, 도립 에피-형광 현미경법을 사용하여 이미지화하였다. 도 6은 신선하게 절제된 돼지 피부에서 입증된 관통 미세전극의 팁으로 국소화된 24시간에서의 녹색 형광 단백질 (GFP) 발현을 보여준다. GFP 발현은 피내 ID 주사 후 돼지 피부에서 나타나며, 패널 (644)에서는, 5V, 10 ms DC 펄스, 및 패널 (646)에서는, 50V, 10 ms DC 펄스로 나타난다. 패널 (644)에서, GFP 발현은 피부 표면으로부터 바늘 팁 800 μm에 국소화되고, 관통 미세전극 어레이 치수 (1000 μm 길이, 750 μm 간격)와 일치하도록 650 μm 간격으로 떨어져 있다. 패널 (644)의 5V 펄스는 날카로운 관통 미세전극 팁으로 인해 장이 가장 높을 것으로 예상되는 관통 미세전극 팁 '핫스팟'에서의 국소화를 나타내는 반면, 패널 (646)의 50V 펄스는 더 확산된 조직 형광을 보여준다.

실험 #6:

추가적으로, 조직 전기천공의 정도는 세포가 투과화됨에 따라 조직 임피던스의 하락에 의해 모니터링될 수 있고, 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서, 5V만큼 낮은 전압에서 조직 레벨 전기천공의 증거가 관찰되었다 (도 6, 패널 (644)). 도 11은 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 전기천공 펄스 적용 전후의 절제된 돼지 피부 임피던스를 보여준다. 조직 임피던스를 모니터링함으로써, 조직 전기천공의 정도를 평가할 수 있고, 임피던스 변화는 pDNA 발현 (또는 전달된 다른 생체분자와 관련된 발현 또는 다른 현상) 및 조직 손상과 상관관계가 있을 수 있다. 도 11에서, 5V 또는 50V 10 ms 전기천공 펄스 이전 (측정 1-3) 및 이후 (측정 4-5)의 연속적인 조직 임피던스 측정. 5V 펄스는 조직 임피던스의 1% 변화를 나타내는 반면, 50V 펄스는 5% 하락을 나타낸다.

실험 #7:

도 23은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 정전기 스프레이에 의해 관통 미세전극 어레이 상에 증착된 DNA 복합체의 이미지이다. 이는 미세전극 소자의 표적 조직 미세전극 영역의 표면의 적어도 일부 상에 선택적으로 전달될 생체분자를 포함하는 생체분자 코팅의 예를 예시한다. 여기에서 바늘 마이크로어레이로 구현되는 관통 미세전극 어레이 상에 DNA 복합체를 증착하기 위해 정전기 스프레이를 사용하였다. GFP DNA 플라스미드를 용액에서 준비한 다음, 접지된 마이크로어레이에 높은 전압으로 유지된 바늘에서 분무하였다. 복합 현미경 이미지는 0.1 mL/hr의 유속으로 20분 스프레이 후의 바늘을 보여준다.

실험 #8:

도 24는 본 발명의 한 실시양태에 따른 실험에서 절연 유전체 코팅의 등각 층으로 절연된 관통 미세전극의 이미지이다. 이는 미세전극 소자의 관통 미세전극 상에 증착된 절연성 중합체를 포함하는 전기적 절연의 예를 예시한다. 미세전극은 화학 기상 증착 (CVD)을 통해 증착된 폴리(파라-자일렌) (파릴렌)의 등각 층으로 절연되며, 사용되는 파릴렌 이량체 전구체의 질량에 따라 100 nm 내지 2 mm 두께의 범위이다. 파릴렌은 생체적합성 물질로서 FDA에 의해 인정된 USP 클래스 VI 중합체이다. 증착된 파릴렌은 인체 이식에 적합한 소수성 절연 유전체 코팅으로 작용한다. 바늘 팁의 클로즈업 (상단 오른쪽)은 파릴렌 층의 가장자리 (백색 화살표)를 보여준다.

정의

본원에 사용된 바와 같은 "관통 미세전극"은 피부 조직을 관통하기에 충분히 날카로운 테이퍼드 팁을 갖는 바늘과 같은 피부 조직을 관통할 수 있는 미세전극이다.

본원에 사용된 바와 같은 "관통 미세전극 어레이"는 하나 초과의 관통 미세전극의 어레이이다.

본원에 사용된 바와 같은 관통 미세전극의 "표적 조직 미세전극 영역"은 조직 전기이동을 통해 관통 미세전극을 둘러싼 피부 조직과 같은 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하는 전도성 금속 표면과 같은 전기 전도성 표면을 포함하는 관통 미세전극의 영역이다.

본원에 사용된 바와 같은 관통 미세전극의 "앵커 미세전극 영역"은 예컨대 미세전극이 삽입되는 피부 조직 내에 관통 미세전극을 유지하는 것을 보조하는 코팅을 가짐으로써, 예를 들어 피부 조직 내의 관통 미세전극의 움직임에 대해 충분한 마찰을 제공함으로써, 관통 미세전극이 삽입되는 피부 조직 내에 관통 미세전극을 기계적으로 앵커하는 것을 보조하는 관통 미세전극의 영역이다.

본원에 사용된 바와 같은 "조직 전기이동"은 전기화학요법 (ECT) 및 유전자 전기이동 (GET)을 포함하는 임의의 전기천공 매개 경피 전달을 포함할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은 "생체분자"는 본원에 교시된 기술에 따른 조직 형질감염에 의해 전달될 핵산, 단백질 또는 임의의 다른 생물학적 분자, 또는 이러한 핵산, 단백질 또는 다른 생물학적 분자의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 생체분자는 핵산 또는 단백질 백신 벡터, 핵산 및 단백질 백신 벡터, 또 다른 벡터, 핵산 생체분자 (예를 들어, RNA, DNA/플라스미드 벡터, DNA 백신, DNA/플라스미드 벡터 백신) 및 단백질 (예를 들어, 펩티드/단백질, 펩티드/단백질 백신) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, "생체분자"는 (1) 항체, 예컨대 모노클로날 항체, 또는 또 다른 리간드 특이적 분자, 및 (2) 생물학적 및/또는 세포 활성을 가질 수 있거나 영향을 미칠 수 있는 전달될 다른 분자를 포함할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은 "핵산"은 단량체성 뉴클레오티드의 사슬 (중합체 또는 올리고머)로 구성된 거대분자를 지칭한다. 가장 흔한 핵산은 데옥시리보핵산 (DNA) 및 리보핵산 (RNA)이다. 또한, 본 발명은 무엇보다도 펩티드 핵산 (PNA), 모르폴리노, 잠금 핵산 (LNA), 글리콜 핵산 (GNA) 및 트레오스 핵산 (TNA)과 같은 인공적인 핵산을 함유하는 생체분자에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 다양한 실시양태에서, 핵산은 무엇보다도 박테리아, 바이러스, 인간 및 동물과 같은 다양한 공급원, 뿐만 아니라 식물 및 진균과 같은 공급원으로부터 유래될 수 있다. 공급원은 병원체일 수 있다. 대안적으로, 공급원은 합성 유기체일 수 있다. 핵산은 게놈, 염색체외 또는 합성일 수 있다. 용어 "DNA"가 본원에서 사용되는 경우, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본원에 기재된 방법 및 소자가 다른 핵산, 예를 들어 RNA 또는 상기 언급된 것들에 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 용어 "핵산", "폴리뉴클레오티드" 및 "올리고뉴클레오티드"는 리보뉴클레오티드 또는 데옥시리보뉴클레오티드를 포함하나 이에 제한되지는 않는 임의의 길이의 뉴클레오티드의 중합체 형태를 포함하기 위해 본원에서 사용된다. 이들 용어 사이에는 의도된 길이 차이가 없다. 또한, 이들 용어는 분자의 일차 구조만을 지칭한다. 그러므로, 특정 실시양태에서 이들 용어는 삼중-, 이중- 및 단일-가닥 DNA, PNA, 뿐만 아니라 삼중-, 이중- 및 단일-가닥 RNA를 포함할 수 있다. 이들은 또한 폴리뉴클레오티드의 변형, 예컨대 메틸화 및/또는 캡핑에 의한 변형, 및 변형되지 않은 형태를 포함한다. 보다 구체적으로, 용어 "핵산", "폴리뉴클레오티드" 및 "올리고뉴클레오티드"는 폴리데옥시리보뉴클레오티드 (2-데옥시-D-리보스 함유), 폴리리보뉴클레오티드 (D-리보스 함유), 퓨린 또는 피리미딘 염기의 N- 또는 C-글리코시드인 폴리뉴클레오티드의 임의의 다른 유형, 및 비뉴클레오티드성 백본을 함유하는 다른 중합체, 예를 들어 폴리아미드 (예를 들어, 펩티드 핵산 (PNA)) 및 폴리모르폴리노 (뉴진(Neugene)으로서 미국 오리건주 코밸리스 소재의 안티-바이랄스, 인크.(Anti-Virals, Inc.)로부터 상업적으로 이용가능함) 중합체, 및 중합체가 DNA 및 RNA에서 발견되는 것과 같은 염기 쌍형성 및 염기 스태킹을 허용하는 구성으로 핵염기를 함유하는 경우 제공되는 다른 합성 서열-특이적 핵산 중합체를 포함한다. 또한, "핵산"은 플라스미드 DNA (pDNA), 예컨대 플라스미드 DNA 벡터를 포함할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은 "단백질"은 하나 이상의 아미노산 사슬로 이루어진 생물학적 분자이다. 단백질은 주로 코딩 유전자의 뉴클레오티드 서열에 의해 결정되는 아미노산의 서열이 서로 상이하다. 펩티드는 인접한 아미노산 잔기의 카르복실기 및 아미노기 사이의 펩티드 결합에 의해 함께 결합된 2개 이상의 아미노산의 단일 선형 중합체 사슬이며; 하나의 사슬에 있는 다중 펩티드는 폴리펩티드로 지칭될 수 있다. 단백질은 하나 이상의 폴리펩티드로 만들어질 수 있다. 합성 직후 또는 심지어 합성 동안, 단백질에 있는 잔기는 종종 물리적 및 화학적 특성, 폴딩, 안정성, 활성, 및 궁극적으로 단백질의 기능을 변경하는 번역 후 변형에 의해 화학적으로 변형된다. 때때로 단백질은 보결 그룹 또는 보조인자라고 불릴 수 있는 부착된 비-펩티드 그룹을 갖는다.

또한, 본원에서 사용되는 생체분자는 비천연 염기 및 잔기, 예를 들어 생물학적 서열에 삽입된 비천연 아미노산을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.

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본원에서 인용된 모든 특허, 공개된 출원 및 참고문헌의 교시내용은 그 전문이 참조로 포함된다.

예시적인 실시양태가 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 첨부된 청구범위에 의해 포함된 실시양태의 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (30)

1. (i) 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달하기 위한 전기 전도성 표면을 포함하는 표적 조직 미세전극 영역; 및 (ii) 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하기 위한 표적 조직 미세전극 영역을 위치시키기 위해 관통 미세전극을 기계적으로 앵커링하기 위한 앵커 미세전극 영역을 포함하는 관통 미세전극; 및
   관통 미세전극을 전압원에 연결하기 위한 전기적 연결
   을 포함하는, 조직 전기이동을 위한 미세전극 소자.
2. 제1항에 있어서, 앵커 미세전극 영역이 관통 미세전극의 원위 말단에 또는 그 근처에 있는 것인 미세전극 소자.
3. 제1항에 있어서, 표적 조직 미세전극 영역의 전기 전도성 표면과 구별되는 관통 미세전극의 표면 상에 전기적 절연을 포함하는 미세전극 소자.
4. 제3항에 있어서, 앵커 미세전극 영역의 표면 상에 전기적 절연을 포함하는 미세전극 소자.
5. 제1항에 있어서, 표적 조직 미세전극 영역의 표면의 적어도 일부 상에 선택적으로 전달될 생체분자를 포함하는 생체분자 코팅을 포함하는 미세전극 소자.
6. 제1항에 있어서, 조직 위치가 피부의 각질층 아래에 있고 (i) 피부의 표피층의 적어도 일부 내 및 (ii) 피부의 진피층의 적어도 일부 내 중 적어도 하나에 있는 것인 미세전극 소자.
7. 제1항에 있어서, 조직 위치가 오직 피부의 표피층의 적어도 일부 내에 있는 것인 미세전극 소자.
8. 제1항에 있어서, 앵커 미세전극 영역이 미늘(barb)을 포함하는 것인 미세전극 소자.
9. 제1항에 있어서, 앵커 미세전극 영역이 접착 표면 코팅을 포함하는 것인 미세전극 소자.
10. 제5항에 있어서, 생체분자 코팅이 피부 조직에 의해 둘러싸여 있을 때 용해가능한 것인 미세전극 소자.
11. 제5항에 있어서, 생체분자 코팅이 핵산 및 단백질 중 적어도 하나를 포함하는 것인 미세전극 소자.
12. 제3항에 있어서, 전기적 절연이 관통 미세전극 상에 증착된 절연성 중합체를 포함하는 것인 미세전극 소자.
13. 제1항에 있어서, 하나 초과의 관통 미세전극을 포함하고, 여기서 하나 초과의 관통 미세전극의 중심-대-중심 간격이 약 300 마이크로미터 내지 약 1.5 밀리미터의 간격을 포함하는 것인 미세전극 소자.
14. 제1항에 있어서, 관통 미세전극의 길이가 약 225 마이크로미터 내지 약 1250 마이크로미터의 길이를 포함하는 것인 미세전극 소자.
15. 제1항에 있어서, 관통 미세전극이 테이퍼드 팁을 포함하는 바늘; 및 측면 돌출부를 포함하는 바늘 중 적어도 하나를 포함하는 것인 미세전극 소자.
16. 제1항에 있어서, 관통 미세전극이 약 100 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터의 직경을 포함하는 것인 미세전극 소자.
17. 제1항에 있어서, 전기적 연결이 피부의 표피층 및 피부의 진피층 중 적어도 하나에서 조직의 세포막의 일시적 투과화를 생성하기 위해 전압원으로부터의 펄스형 전압을 관통 미세전극에 적용하는 것인 미세전극 소자.
18. 제1항에 있어서, 전기적 연결이 관통 미세전극을 둘러싼 피부 조직에서 센티미터 당 약 0.1 킬로볼트 (kV) 내지 센티미터 당 약 10 킬로볼트 (kV)의 최대 전기장 강도를 생성하기 위해 전압원으로부터의 전압을 관통 미세전극에 적용하는 것인 미세전극 소자.
19. 제1항에 있어서, 전기적 연결이 포토리소그래피에 의해 정의된 연결을 포함하고, 관통 미세전극이 포토리소그래피에 의해 정의된 전극 베이스를 포함하고, 관통 미세전극이 전기도금된 금속을 포함하는 것인 미세전극 소자.
20. 제1항에 있어서, 하나 초과의 관통 미세전극을 포함하며, 여기서 전기적 연결이 하나 초과의 관통 미세전극 중 2개 이상에 대한 전기적으로 독립적인 연결을 포함하는 것인 미세전극 소자.
21. 제1항에 있어서, 상이한 생체분자를 선택적으로 전달하기 위해 각각 하나 초과의 표적 조직 미세전극 영역을 포함하는 미세전극 소자.
22. 제1항에 있어서, 조직 레벨 전기장 예측 모듈 및 세포 레벨 시뮬레이션 모듈을 포함하는 모델링 프로세서를 추가로 포함하는 미세전극 소자.
23. 제22항에 있어서, 모델링 프로세서가 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달할 조직 위치를 결정하도록 구성된 것인 미세전극 소자.
24. 제22항에 있어서, 모델링 프로세서가 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 제어 전압을 결정하도록 구성된 것인 미세전극 소자.
25. 제1항에 있어서, 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 제어 전압을 결정하도록 구성된 모델링 프로세서를 추가로 포함하는 미세전극 소자.
26. 전기 전도성 표면을 포함하는 관통 미세전극의 표적 조직 미세전극 영역이 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 선택적으로 전달하도록 위치되도록 관통 미세전극의 앵커 미세전극 영역을 사용하여 관통 미세전극을 앵커링하는 단계; 및
    조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 전달하기 위해 관통 미세전극에 전압을 적용하는 단계
    를 포함하는, 관통 미세전극으로 조직 전기이동을 수행하는 방법.
27. 제26항에 있어서, 모델링 프로세서를 사용하고 조직 레벨 전기장을 예측하고 조직 위치의 세포 레벨 시뮬레이션을 수행하는 것을 추가로 포함하는 방법.
28. 제27항에 있어서, 모델링 프로세서를 사용하여 조직 위치에 위치된 세포에 생체분자를 조직 전기이동을 통해 선택적으로 전달할 조직 위치를 결정하는 것을 추가로 포함하는 방법.
29. 제26항에 있어서, 모델링 프로세서를 사용하여 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 전압을 제어하는 것을 추가로 포함하는 방법.
30. 제1항에 있어서, 전압원에 의해 관통 미세전극으로 전달되는 제어 전압을 결정하도록 구성된 모델링 프로세서를 추가로 포함하는 미세전극 소자.
    

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