NO340500B1 - Innretning og fremgangsmåte for in vivo enkeltnåls-elektroporering - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører elektroporering av celler in vivo, særlig celler i vevet til en pasient. Mer særskilt vedrører oppfinnelsen nye innretninger og fremgangsmåter for levering av molekyler til celler som befinner seg ved, nær og/eller er hosliggende et på forhånd bestemt innføringssted for en avlang enkeltnålelektrode. Enda mer særskilt vedrører oppfinnelsen en elektroporeringslevering av substanser i celler langs og i nærheten av nålstrekningen som tilveiebringes ved innføring av elektroden fra en vevsoverflate og inn i vevet til en dybde på fra 3 millimeter til 3 cm, hvilke vev kan innbefatte enhver vevstype, herunder eksempelvis hud, tverrstripede og glatte muskler, slimhinner og organer.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Den nedenfor gitte beskrivelse inneholder informasjon som anses å kunne være nyttig for forståelse av oppfinnelsen. Dette skal ikke bety at slik informasjon representerer kjent teknikk eller er relevant for oppfinnelsen, eller at publikasjoner som nevnes eller vises til, representerer kjent teknikk.

Elektroporering har vært anvendt for levering av molekyler til underliggende vev, idet det har vært benyttet ulike multippel elektrodeutførelser så som sett av to eller flere elektroder som typisk er utformet som nålelektroder for innføring i vevet. Generelt vil slike sett danne en behandlingssone som ligger mellom settets nålelektroder. Slike behandlingssoner omfatter derfor et tredimensjonalt vevsvolum hvor celler i behandlingssonen utsettes for et elektrisk felt med en intensitet som er tilstrekkelig til å bevirke en midlertidig eller reversibel porering, eller til og med noen en irreversibel porering, av cellemembraner for de celler som ligger i eller nær det tredimensjonale volumet.

Dagens praksis med elektroporering av celler i vev omfatter bruk av betydelige strømspenninger for derved å tilveiebringe et relativt jevnt elektrisk felt i den tredimensjonale behandlingssonen. Med "relativt jevnt" menes her at elektriske kraftlinjer i samsvar med påføringen av en elektrisk puls tilstrekkelig til å bevirke en porering, tilveiebringes i cellene på en omtrentlig jevn måte i det tredimensjonale behandlingssonevolumet. I det siste har det vært nødvendig med et større antall elektrodenåler kombinert med store injiseringsvolumer og kraftige elektriske felt for på den måten å sikre en tilstrekkelig overlapping mellom det injiserte medikamentet og det vevsvolumet som er utsatt for det elektriske feltet. Dette fordi den injiserte mengden som leveres til vevene raskt vil spre seg fra injiseringsstedet. Bruk av sterke elektriske felt og store elektrodesett er forbundet med flere ulemper. Eksempelvis vil bruken av flere nåler og sterke elektriske felt (spenning) gi større smerter og store injiseringsvolum gjør det vanskelig å kontrollere doseringen og vil bevirke medikamenttap (mesteparten av medikamentet går ikke inn i cellene, men vil gå til utsiden av behandlingssonen). Bruk av slike multippelnålinnretninger er også komplisert og negativt for pasienten.

I tillegg til det invaderende aspektet i forbindelse med en innretning med flere nåler, vil typiske elektroporeringsfremgangsmåter som nevnt foran, resultere i en variabel elektroporering av celler i en behandlingssone. Dette er en ulempe i forbindelse med medisinsk bruk av elektroporering fordi en dispergering av behandlingsmolekyler i den injiserte mengden inn i det omkringliggende vev vil med føre at man mister kontrollen med mengden av slike behandlingsmolekyler som til slutt overføres til cellene i behandlingssonen under elektroporeringen. Det foreligger derfor et behov innenfor elektroporeringsteknikken for en innretning og en fremgangsmåte som kan bedre kontrollen av "doseringen" av behandlingsmolekyler i bestemte og godt avgrensede leveringssteder i vevet til en pasient. Likeledes foreligger det et behov for metodologi og innretninger som kan muliggjøre en elektroporering med mindre invadering eller inntrengning og med mindre smerter som skyldes den elektriske feltpulsen som benyttes ved leveringen av de terapeutiske substanser til ulike vev så som hud, muskler, slimhinner og organer.

Bakgrunn for oppfinnelsen kan for øvrig finnes i dokumentet WO 0143817 Al, og til dels også i dokumentene WO 2004066903 A2, US 2003060856 Al og i WO 2004004825 A2.

Oppsummering av oppfinnelsen

I en første utførelsesform foreslår oppfinnelsen elektroporering av celler in situ, særlig celler som er lokalisert subkutant, intradermalt, subdermalt og/eller intramuskulært (særlig skjelettmuskler, tverrstripede og glatte muskler, eksempelvis hjertemuskel). I en relatert utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen elektroporering av celler nær og/eller ved den strekningen som tilveiebringes når en enkelt, avlang nålelektrode føres inn i vevet. Eksempelvis vil celler som elektroporeres med bruk av innretningen ifølge oppfinnelsen være celler som befinner seg innenfor en radius på fra mellom 0,0 og 5 mm fra nålstrekningen slik at det dreier seg om en generelt sylindrisk behandlingssone som tilveiebringes av den nye utformingen pulsingen av det elektriske feltet som tilveiebringes i vevet ved hjelp av enkeltnålelektroden.

I en andre utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen bruk av ethvert antall strukturelle arrangement med minst to motliggende elektrodeledere (det vil si minst én anode og minst én katode) som er anordnet i forbindelse med et enkelt og avlangt og elektrisk inert skaft, hvilket skaft i seg selv kan innbefatte elektroder og et elektrisk inert materiale så som en medisinsk akseptabel plasttype eller polykarbonat, i rommet på 0,05 mm til 1,5 mm mellom elektrodene eller et skaft som helt enkelt bare omfatter avlange og motliggende, innbyrdes avstandsplasserte elektroder. I begge tilfeller har elektrodene på den vevspenetrerende enkeltnålselektroden eller det elektrodebærende skaftet avstandsdimensjoner som ligger mellom 0,05 mm og 1,5 mm. I en relatert utførelsesform kan elektrodene i seg selv ha en eksponert lengde langs det avlange skaftet, over hele nållengden eller bare over en del av nålen, så som nær skaftets penetreringsspiss. Videre kan elektrodene ha tverrsnittsdimensjoner på mellom 0,005 og 0,80 mm. I et annet strukturelt arrangement kan enkeltnålselektroden innbefatte en hypoderm nål som har minst to avlange elektroder som er innbyrdes avstandsplassert langs i det minste en del av den hypoderme nålens ytre lengde. Eksempelvis kan den hypoderme nålen ha minst to elektroder (det vil si en anode og en katode) som strekker seg langs en del av nålens lengde (se figur IA). I reelle utførelser er hver elektrode forbundet med en elektrisk energikilde for generering av et elektrisk felt mellom motstående poler, det vil si en elektrode i form av en anode og en elektrode i form av en katode. I andre eksempler kan det være utformet flere elektroder på utsiden av en hypoderm injeksjonsnål så som vist i figur 3, med flere rette og parallelle elektroder eller som vist i figurene 2 og 4 med flere elektroder som er lagt i spiral rundt injeksjonsnålen. I andre utførelser kan enkeltsnålselektrodene være fremstilt ved hjelp av en eller flere velkjente fremgangsmåter omfattende etsing og belegging ved hjelp av MEMS-teknologi (Micro electromechanical systems). I slike fremstillingsfremgangsmåter brukes mikromaskinering for tilføring eller fjerning av substanslag som er viktig for oppnåelse av riktig temperering, isolering og ledningsevne for elektriske pulser og kretser. Figurene 13A, B, C, D og E er fotografier av en utførelse hvor elektrodene er etset inn i leveringsnålens skaft. Særlig er gullelektrodelag lagt over et lag av en inert substans (parylen) som på sin side er lagt på den hypoderme nålens skaft. Andre fremgangsmåter for fremstilling av avlange elektroder omfatter ekstruderingsfremgangsmåter hvor elektrodelederne formes i eller langs skaftet som er av en elektrisk inert sammensetning med isolerende egenskaper så som plast, et polyesterderivat eller polyvinylklorid (PVC) eller isolerende karbonfiber. Som vist i figur 14A og B kan en avlang og hul nål ekstruderes med en elektrodekomponent så som eksempelvis en tråd, enten langs motliggende sider av det hule skaftet eller i en spiral- eller skruelignende form, slik det er vist i figur 14B. Videre kan nålskaftet også ha avsnitt uten eksponerte elektroder. Eksempelvis kan en ende av nålskaftet være forbundet med et nav som danner en konnektor for forbindelse med en fluidkilde så som eksempelvis en sprøyte. Isolering nær eller langs slike skaftavsnitt vil kunne gi enda mer demping av den elektriske stimuleringssensasjonen som en pasient erfarer. I nok en utførelse av en slik elektrodeutforming kan hver elektrode tilføres energi individuelt slik at enhver kombinasjon av elektrodene kan tilføres energi i par (det vil si en katode og anode) samtidig, eller i en gitt sekvens, og det kan også brukes enhver pulstype, herunder monopolare, bipolare, eksponentiell svekking eller andre pulstogkombinasj oner.

I en tredje utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen bruk av relativt lav spenning og/eller strøm, hvilket i sin tur ikke bare gir tilstrekkelig elektrisk energi for oppnåelse av reversibel porering av celler i behandlingssonen, men også muliggjør et lavere smertenivå, det vil si de smerter som oppfattes når det omkringliggende vevet utsettes for elektriske pulser. I en slik utførelse anvendes nominelle, elektriske feltstyrker, generelt mellom 1 og 100 V, typisk mellom 2 og 50 V, mer foretrukket mellom 3 og 25 V. I et relatert aspekt benyttes det ifølge oppfinnelsen elektrisk strøm som ligger i hovedsak mellom 400 mA, typisk mellom 5-200 mA og mer foretrukket mellom 20 og 100 mA. I en relatert utførelse kan amperestyrken velges i samsvar med det totale elektrodeoverflatearealet. Eksempelvis kan innretningen benytte et område mellom 10 til 40 eller 25 til 100 eller 50 til 150 eller 125 til 200 eller 175 til 250 eller 225 til 300 eller 250 til 300 eller 300 til 400 mA, alt avhengig av den enkelte elektrodes totale elektrodeoverflateareal. Jo mindre overflatearealet er, desto mindre vil den strømstyrken være som er nødvendig for oppnåelse av et elektroporerende elektrisk felt i in situ vevet. Pulsene kan virke i mellom 1 og 1000 millisekunder.

I en annen utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen levering av behandlingsmolekyler med ulike konsentrasjoner (eksempelvis mellom 0,05 ug og 3 mg/ml) og fordelaktig med små mengdevolumer (eksempelvis generelt 1 ul til 1 ml). I en relatert utførelse, hvor det brukes en utførelse med et leveringsrør i forbindelse med enkeltnålselektrodeskaftet, vil volumet av behandlingsmoduler umiddelbart etter injiseringen i vevet (så som en kontrollert injisering hvor det som injiseres leveres under innføringen av nålen) overraskende holde seg på et nivå i nærheten av injeksjonsnålstrekningen. Behandlingsmoduler kan innbefatte terapeutiske medikamenter, eksempelvis små molekyler, organiske sammensetninger så vel som proteiner og nukleinsyrekodende polypeptider som enten har en biologisk aktivitet eller som vil gi en immunrespons i verten når polypeptidet virker i den elektroporerte cellen. Polypeptidene i cellen vil være tilgjengelige for samvirke med cellulære metabolske systemer og immunsystemstrekninger.

I nok en utførelsesform vil den elektriske energien som brukes for pulsing av vevet gi et unikt elektrisk felt som er ulikt tidligere benyttede felt for elektroporering av lignende vev. Særlig gjelder at tidligere kjente elektriske felt bevisst og nødvendigvis gir det som man innenfor det elektroporerende området betegner som et "jevnt" elektrisk felt, hvilket betyr at den anvendte elektriske energien er tilstrekkelig stor til å gi en nominell feltstyrke og et relativt jevnt spenningsfall i behandlingssonen, tilveiebrakt ved at det benyttes stor avstand mellom elektrodene med en optimal sentral plassering av målbehandlingssonen mellom de avstandsplasserte elektrodene. Slike elektrodesettutførelser vil ved pulsing i vev ha en tendens til primært å elektroporere celler i sonen rundt elektrodene og generelt i nærheten av de elektriske kraftlinjene og i en mindre grad en cellesone umiddelbart ved og rundt den tredimensjonale behandlingssonen.

I motsetning hertil, bruker oppfinnelsen elektriske felt som omfatter generelt sylindriske eller rørformede "ikke-jevne" felt som er dannet rundt lengden av nålskaftet, hvorved det tilveiebringes en behandlingssone av celler som ligger i et område tett nok inntil de sentralt plasserte elektrodene til å bli utsatt for et elektroporeringsfelt "utenfor" den umiddelbare lokaliseringen av elektrodene og med tilstrekkelig styrke til å kunne porere cellene. En slik behandlingssone er fullstendig ekstern i forhold til og omgir den sentrale nålen og elektrodene og det ikke-jevne feltet vil spres relativt i forhold til avstanden ut fra elektroden/nålen. Generelt antas det at spredningen av elektrisk energi med økende avstand fra enkeltnåls-elektroden er en parallell med den spredningen som man finner i forbindelse med andre fysiske fenomen hvor energi, her energi tilstrekkelig til reversibel poredannelse i cellene, spres med en eksponentiell hastighet. Slike spredningshastigheter, dersom de forekommer, vil imidlertid ikke ha noen negativ innvirkning på virkemåten til den oppfinneriske innretningen eller den beregnede innføringen av substanser i cellene i en definert sone. Fordi således den elektriske energi som er nødvendig for å medføre en celleporering spres med avstanden fra den elektriske feltkilden, vil det området rundt nålstrekningen som utsettes for elektroporering nødvendigvis bli begrenset til en sentral kjerne som svarer til lengden av nålstrekningen og lateralt ut i en gitt radius slik at det derved dannes en i hovedsak sylindrisk behandlingssone med varierbar radius, avhengig av den pulsenergien som gis til elektrodene. I en annen relatert utførelse er forholdet at jo mer energi som brukes for pulsingen, desto større vil potensialet for skading av celler som har direkte kontakt med elektrodene være. Det er nok en hensikt med oppfinnelsen å utnytte evnen til slik skading med det formål å oppnå en ytterligere stimulering av immunsystemet. Det kan derfor benyttes behandlingsregimer som bevisst benytter en større i stedet for en mindre energi, for på den måten å tilveiebringe en stimulering av immunresponsaktivitet rundt behandlingsstedet.

I andre utførelser kan innretningen brukes for levering av medikamenter, naturlige polypeptider som har en biologisk aktivitet og gener som koder slike polypeptider som kan uttrykkes in situ i celler i behandlingssonen for behandling av sykdommer eller for modulering av en immunrespons i verten og/eller for behandling av ulike sykdommer, herunder sykdommer som eksempelvis skyldes patogene organismer og virus og kreft.

Oppfinnelsen vedrører således en innretning for elektroporering av vev in vivo for levering av terapeutiske substanser inn i celler i nevnte vev,

omfattende:

a. et avlangt hult leveringsrør som kan penetrere et kroppsvev, der leveringsrøret omfatter minst én hver av en anode og en katode (21a, 21b, 31b, 41, 42, 51a, 51b, 90, 101) anbrakt på minst en del av en ytre overflate av nevnte leveringsrør, og; b. elektrisk ledende ledere som er i stand til å koble sammen hver av nevnte anode og katode (21a, 21b, 31b, 41, 42, 51a, 51b, 90, 101) med en elektrisk energikilde; c. der anoden og katoden har avstand og er elektrisk isolert fra hverandre og plassert parallelt med hensyn på hverandre, kjennetegnet ved at anoden og katoden løper langs lengden av leveringsrøret, og der nevnte anode og katode er konfigurert for å danne et generelt sylindrisk eller kolonneformet ikke-uniformt felt omkring lengden av leveringsrøret slik at når nevnte leveringsrør blir innsatt i vev og når nevnte anode(r) og katode(r) (21a, 21b, 31b, 41, 42, 51a, 51b, 90, 101) blir aktivert av energikilden så blir et elektrisk felt generert i en behandlingssone som omgir nevnte leveringsrør, som er tilstrekkelig til å til å forårsake at celler langs og nær en strekning tilveiebrakt ved innføring av røret i vevet blir reversibelt porert for derved å muliggjøre at cellene kan oppta nevnte terapeutiske substanser.

Andre trekk og fordeler vil gå frem av den etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningene og av patentkravene.

Kort beskrivelse av figurene

Figur IA viser en hypoderm nål med avlange elektroder integrert i nålen. Nålen har en åpning for levering av en væskeformulering fra et løp i nålen og en åpning for forbindelse med et fluidreservoar. Figur 2 viser en alternativ utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen hvor anode-og katodeelektroder er anordnet parallelt med hverandre i et spiralformet plan rundt nålen. Figur 3A viser en alternativ utførelse hvor en leveringsnål omfatter flere anode- og katodeelektroder som er rette og går parallelt langs leveringsnålen. Figuren viser også et eksempel på en konnektor for forbindelse av elektrodene med en elektrisk energikilde. Figur 3B viser et snitt gjennom en utførelse av en elektrode ifølge oppfinnelsen, hvilket snitt er lagt etter linjen A-A i figur 3A. Som vist kan i en utførelsesform elektrodene være plassert på utsiden av et leveringsrør og -løp ved hjelp av en av mange kjente fremgangsmåter. Tegningsfiguren viser en indre nål 53 med et løp 54 omgitt av et isolerende materiale 55 hvor elektrodene er lagt. Figur 4 viser et annet eksempel på en utførelse hvor elektrodene er anordnet i skruelinjeform eller spiralform rundt leveringsnålen. De på denne måten anordnede elektroder kan innbefatte flere anode- og katodepar, men typisk dreier det seg om ett eller to elektrodepar, idet hvert par omfatter en anode og en katode. Figurene 5A-C viser en utførelse av oppfinnelsen hvor elektroden ifølge oppfinnelsen er vist med ytterligere trekk, så som et reservoar, typisk et sprøyteformet reservoar og et nålspissdeksel som kan trekkes tilbake når nålen føres inn i vevet til en pasient. Disse figurene viser også andre trekk som kan brukes i den nye innretningen så som en ettergivende membran som kan gjennomtrenges av eksempelvis en nål for fylling av reservoaret og mekanismer som muliggjør at spissdekselet og sprøytestempelet kan holdes på plass i utført eller tilbaketrukket stilling. Videre kan det tilbaketrekkbare spissdekselet også virke som en målstyring og kan være forsynt med stoppere slik at man får en dybdestyring. Selv om det ikke er vist, kan enkeltnålselektroden være tilordnet en sprøyte og være tilknyttet en automatisk nållevering-/samtidig fluidleveringselektroporeringsinnretning, eksempelvis av den typen som er vist og beskrevet i US patentsøknad 10/612,304 og PCT/GB2003/002887. I en slik utførelse vil innretningen bare ha én nål og én sprøyte. Figur 6 viser en innretning ifølge oppfinnelsen i bruk, det vil si under innføring eller etter at elektrode/leveringsnålen er ført inn i vevet, fluidmaterialet er administrert og elektrodene er energisert (tilført strøm) for derved å danne et elektrisk felt ut fra nålstrekningen og inn i vevet. Det elektriske feltet spres utover og inn i vevet ifra der hvor nålen er ført inn. Figur 7 viser et toppriss av et hypotetisk vev og med et typisk elektrisk felt som den nye innretningen vil generere i vevet rundt nålstrekningen, hvilket felt har de laterale dimensjonene (a) og (b). Figurene 8A-C viser tidligere kjente sett med typisk relativt jevne kraftlinjer og tilsvarende elektriske felt mellom nålsett, i motsetning til oppfinnelsen, hvor ikke-jevne kraftlinjer og respektive elektriske felt omgir settet og raskt spres utover. Eksempelvis viser figur 8A tre motstående elektroder i et lineært sett hvor kraftlinjene mellom elektrodene er relativt jevne. I figurene 8B og 8C er det vist sirkulære sett hvor behandlingssonen er sentral i forhold til elektrodene og hvor det foreligger relativt jevne kraftlinjer og respektive elektriske felt (individuelt pulset i motliggende par, figur 8B, eller pulset i par som består av motliggende elektroder med ulike orienteringer, figur 8C). Figurene 9A-D viser nok en utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen omfattende en føring for nålen og reservoar for penetrering av vev som skal behandles, idet nålen føres inn med en spiss vinkel for levering av behandlingssubstanser nær vevsoverflaten. Denne vinkelen ligger typisk mellom 3 og 25 grader regnet ut fra planet som dannes av vevsoverflatens generelle overflate. Figur 10 viser delriss av leveringsnåler med elektroder som er eksponert nær leveringsnålens spiss. Figur 10A viser en nål med rette elektroder, mens figur 10B viser en nål med i skruelinjeform anordnede elektroder. Lederne for hver av de positive og negative anodene går inne i nålen. Den øvre delen av de avlange nålene kan omfatte en isolering rundt elektrodelederne og/eller et belegg av den øvre delen av nålskaftet. Figurene 11A og B viser resultatene av en elektroporering i et vev hvor cellene som primært befinner seg nær nålen er påvirket av poreringen. I figur 11A er det vist en serie av fotografier som viser hosliggende vevssnitt. Figur 11B viser et nærbilde av et sentralt snitt tatt direkte langs nålstrekningen. Figur 12 viser resultatene av en enkelt injisering i en kaninhøymuskel. Det dreier seg om en nukleinsyre som inneholder en ekspresjonsvektor som koder for et fluorescerende markørprotein (GFP) og injiseringen skjer ved hjelp av en elektroporeringsinnretning ifølge oppfinnelsen. Figurene 13A, B, C, D og E viser forstørrede fotografier av en prototype av en hypoderm nål hvor avlange gullelektroder er etset inn i en standard injiseringsnål ved hjelp av MEMS-teknologi, det vil si mikrolegging, og etsing og gjentatt legging av materialer på injiseringsnålens basisskaft slik at derved elektrodene omfatter en respektiv 1/4 av nålskaftets omkrets. Figur 13A viser et riss av nålen med en lang elektrode som går langs nålens lengde. I figur 13B dreier det seg om et detaljbilde vist fra en vinkel som muliggjør en visualisering av de to gullelektrodenes endeavsnitt. Figur 13C er et annet perspektivbilde som viser en detalj av endeavsnittene til de elektrodene som er etset på nålskaftet. Figurene 13D og E viser nok en utførelse hvor MEM-plasserte elektroder utgjør 1/16 av nålskaftets omkrets. Figurene 14A, B og C er tegninger som viser andre utførelser av enkeltnåler hvor skaftet omfatter elektrisk inert materiale så som eksempelvis plast som er ekstrudert med elektrodeledere innlagt i det ekstruderte hypoderme skaftet. Figur 14A viser rette elektroder som går parallelt med nålskaftet. Figur 14B viser elektroder som er lagt i spiral- eller skruelinjeform rundt skaftet. Figur 14C viser et snitt A A-A A (se figur 14A) gjennom en utførelse hvor elektroden på skaftet kan forbindes med elektrodeledere som er plassert i nålnavet. Figur 15 er en graf som viser nivået av kanin anti-humane IgG-antistoffer som tilveiebringes med en elektroporeringspuls med bruk av enkeltnålen ifølge oppfinnelsen (■) versus ingen elektroporering (^). Figur 16 er en graf som viser nivået til kanin anti-SEAP-antistoffer som produseres med en elektroporeringspuls ved hjelp av enkeltnålen ifølge oppfinnelsen (■) versus ingen elektroporering Figurene 17A og B er fotografier som viser resultatene av uttrykking av et grønt fluorescerende protein (GFP) etter en injisering av plasmid DNA som koder GFP, uten elektroporering. I kombinasjon med naturlig og fluorescerende lys viser figur 17A hosliggende vevssnitt i nærheten av injiserings/nålstedet. Fotografiene viser ingen uttrykking uten elektroporering. Figurene 18A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens, henholdsvis bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering gjennomført med en enkeltnålselektrode som omfattet en 23 gauge nål og anode- og katodeelektroder som utgjorde en bredde på 1/16 av nålskaftets omkrets. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 50 mA. Figurene 19A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering gjennomført ved hjelp av en enkeltnålselektrode med en 23 gauge nål og anode- og katodeelektroder som utgjorde en bredde på 1/16 av nålskaftets omkrets. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 100 mA. Figurene 20A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering gjennomført med en enkeltnålselektrode omfattende en 23 gauge nål og anode- og katodeelektroder som utgjorde en bredde på 1/4 av nålskaftets omkrets. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 50 mA. Figurene 21A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering som ble gjennomført ved hjelp av en enkeltnålselektrode omfattende en 23 gauge nål og anode- og katodeelektroder som dekket en bredde på 1/4 av nålskaftets omkrets. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 100 mA. Figurene 22A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering gjennomført ved hjelp av en enkeltnålselektrode som omfatter en 23 gauge nål og anode- og katodeelektroder som dekket en bredde på 1/4 av nålskaftets omkrets. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 150 mA. Figurene 23A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering gjennomført ved hjelp av en enkeltnålselektrode som omfatter elektroder med 1 mm avstand og uten fluidlevering. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 75 mA. Figurene 24A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering som ble gjennomført ved hjelp av en enkeltnålselektrode med elektroder med 1 mm avstand og uten fluidlevering. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 150 mA. Figurene 25A og B er fotografier som viser kombinasjon av naturlig lys og grønn fluorescens eller bare fluorescens, idet injiseringen av plasmid DNA som koder GFP ble etterfulgt av en elektroporering gjennomført ved hjelp av en enkeltnålselektrode med elektroder med 1 mm avstand og uten fluidlevering. I dette forsøket ble elektrodene pulset med en konstant strøm på 250 mA.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

I en første utførelsesform omfatter oppfinnelsen en innretning for elektroporering av vev in vivo, omfattende et hult skaft av et materiale som kan føres inn i et biologisk vev eller organ in situ og kan levere et fluidmedium (det vil si et leveringsnålskaft), hvilket skaft videre omfatter minst to elektroder som er eksponert i det minste delvis på en ytre skaftflate, hvilke elektroder er anordnet i en innbyrdes avstand og parallelt med hverandre langs nålskaftet. Elektrodene kan ha mange strukturelle utførelsesformer. Eksempelvis kan anode- og katodeelektroder plasseres sammen med en leveringsnål, parallelt med hverandre og med leveringsnålens lengde slik det er vist i figurene 1 og 3, eller elektrodene kan være innbyrdes parallelle, men anordnet i en spirallignende form rundt nålskaftet slik det er vist i figurene 2 og 4. Innretningen ifølge oppfinnelsen omfatter også elektriske ledere som forbinder hver av elektrodene med en elektrisk energikilde slik at derved elektrodene, når nålen er ført inn i vevet til en pasient, kan tilføres energi, det vil si tilføres strøm individuelt, hvorved det genereres et elektrisk felt i cellene i en behandlingssone rundt nålen, tilstrekkelig til å bevirke at celler langs og nær en strekning tilveiebrakt ved innføring av nålen i vevet blir reverserbart porert for på den måten å muliggjøre at behandlingsmolekyler kan trenge inn i cellene.

Fremstillingen av slike fluidleveringsnåler med elektroder kan gjennomføres med mange kjente fremgangsmåter, herunder eksempelvis mikromaskinering, også benevnt som MEMs-teknologi. Eksempelvis kan en standard hypoderm nål (som kan ha en hvilken som helst gauge så som 20 gauge, 21 gauge, 22 gauge, 23 gauge, 24 gauge, 25 gauge, 26 gauge, 27 gauge, 28 gauge og 29 gauge) kan belegges med et elektrisk inert materiale etterfulgt av en deponering av elektrisk ledende materiale så som gull etterfulgt av en vekketsing av ledende materiale i ønsket orientering på nåloverflaten. Særlig omfatter en slik prosess i hovedsak en rengjøring av det hypoderme nålskaftet før deponeringen av den inerte substansen, eksempelvis en polymer som har slike egenskaper at den fester seg jevnt til overflater så som parylen. Parylen legges, eksempelvis ved vakuumdeponering, på nålen etter en stripping av metallskaftet. Det gjennomføres en mønstring ved hjelp av en laser for pålegging av elektrisk ledende materiale så som gull etterfulgt av en selektiv fjerning av gullet for derved å danne elektroder som følger et bestemt mønster på nålskaftet. I den foreliggende oppfinnelsen vil bruken av MEMs-teknologi gi mulighet for manipulering av de tredimensjonale nåler, belegg og etsinger i en miniatyrskala. Mulighetene for fremstilling av en enkeltnålselektrode er vist med fotografiene i figurene 13A til E. Fremstillingen kan også skje ved hjelp av ekstruderingsteknologi. Som vist i figurene 14A-C kan da elektrodene 202 og 203 (figur 14A) ekstruderes som fine trådfilamenter med en elektrisk inert substans så som polyvinylklorid eller lignende, på en lineær måte. Spissen til nålen 204 kan maskineres eller tilskjæres for dannelse av en penetrerende spiss mens den andre enden utformes som et nav 200 med elektriske ledere 201a og 201b og en koblingsdel 205 for tilknytning til en fluidmediumkilde. Figur 14B viser et eksempel på utførelser som omfatter en ekstrudert nål med spirallagte elektroder og elektrodeledere 210 og 211.

Innretningen ifølge oppfinnelsen åpner opp for en fremgangsmåte for levering av molekyler til celler in vivo omfattende innføring av en injeksjonsnål i vevet til en pasient, hvilket vev inneholder celler. Injeksjonsnålen omfatter minst to avlange elektroder (det vil si en katode og en anode) som er plassert langs nålskaftet og minst et reservoar som inneholder de nevnte molekyler. Reservoaret og molekylene har fluidforbindelse med et løp som går gjennom nålskaftet. Molekylene injiseres i vevet og elektrodene tilføres elektrisk energi slik at det derved tilveiebringes en elektrisk puls tilstrekkelig til å bevirke at cellene i nærheten av injiseringsstedet og nålstrekningen blir reversibelt porert slik at det derved foregår en elektroporering av cellene slik at de kan oppta de nevnte molekyler.

I en tredje utførelse muliggjør innretningen en elektroporering av celler i en begrenset lokasjon, særlig celler som ligger langs eller nær injeksjonsnålens strekning. Generelt vil aktuelle celler på behandlingsstedet være de cellene som ligger i en radius rundt nålen på omtrent 5 mm, mer typisk omtrent 3 mm og enda mer særlig omtrent 2 mm og mest særlig en radius på omtrent 1 mm. I en relatert utførelsesform er genereringen av et elektrisk felt tilstrekkelig for elektroporering av celler på behandlingsstedet et felt som svekkes i retning ut fra den sentrale injeksjonsnålen slik at derved behandlingsstedet bestemmes av pulsenergiens begrensede evne til å trenge inn i vev utenfor en bestemt avstand fra elektrodene.

I nok en relatert utførelse brukes det ifølge oppfinnelsen en ny avlang enkeltsonde (som omfatter injeksjonsnålen og elektrodene) for irt situ gjennomføring av en elektroporering av et sterkt lokalisert sett av celler i vevet.

I en annen utførelse kan innretningen ifølge oppfinnelsen brukes med mange elektriske pulstilstander. Eksempelvis kan elektrodene lades med minst én puls med konstant strøm i området mellom 1-400 mA, typisk mellom 50-200 mA og mer foretrukket mellom 20 og 100 mA. I et annet eksempel kan elektrodene lades med en spenningspuls som ligger i området 1 til 100 V. Den elektriske pulsen kan enten være en monopolar eller en bipolar puls og pulsen kan være en enkeltpuls, en dobbeltpuls eller det kan dreie seg om en multippelpulssekvens med ulike karakteristikker så som et innstilt spenningsfall, ulikt formede pulstog eller pulser hvor det benyttes konstant strøm.

I andre utførelser kan innretningen benyttes for levering eller overføring av farmasøytiske medikamenter, proteiner, nukleinsyrer herunder DNA og RNA og syntetiske modifikasjoner av disse, slik det vil være velkjent for fagpersoner, til pasientvev, særlig til celler som befinner seg i subkutane, intradermale og subdermale rom så vel som skjelettmuskel og tverrstripetmuskelrom hos pattedyr og organer så som hjerte, lunge, bukspyttkjertel, milt, lever og organer i fordøyelseskanalen. Forsynt med det valgte materialet, vil cellene direkte påvirkes av medikamentet, proteinet eller nukleinsyren. Når nukleinsyrer brukes, benytter man typisk slike nukleinsyrer for kodet protein som kan uttrykkes i cellene på behandlingsstedet. Substansene kan videre innbefatte cytokiner, kjemokiner og immune relevante bioaktive molekyler så som slike aktive molekyler som immune moduleringsmolekyler valgt fra gruppen som består av IL-1, IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-8, IL-9, IL-10, IL-11, IL-12, GM-CSF, M-CSF, G-CSF, LIF, LT, TGF-p, IFN, TNF-a, GCGF, CD2 eller ICAM.

I en annen utførelse kan materialet som skal leveres til cellene leveres i en flytende form i et volum på mellom 0,01 ml og 1 ml. I en utførelse kan nukleinsyre som koder for et polypeptid løses i 0,9 % natriumklorid (NaCl). Den nøyaktige løsningen er imidlertid ikke kritisk i forbindelse med oppfinnelsen. Eksempelvis er det godt kjent at andre solventer så som sukrose vil kunne øke nukleinsyreopptaket i skjelettmuskler. I en relatert utførelse kan leveringsvolumet innstilles i forhold til nålens lengde (fordi nålskaftets lengde vil bestemme både substansvolumet som transporteres gjennom nålskaftet og nålstrekningen) for derved å bestemme volumet til det rommet som er tilgjengelig for substansen når det føres ut gjennom nålen og inn i nålstrekningen og det omkringliggende vevet. Eksempelvis kan en 2 mm lang nål brukes for levering av substanser til hudlagvev med et injiseringsvolum i området fra 0,01 ml til 0,05 ml, mens en 5 mm lang nål kan brukes for levering av volumer i området fra 0,1 ml til 0,15 ml og en 1,5 til 2 cm lang nål kan brukes for levering av volumer i området fra 0,3 ml til 0,5 ml.

Andre substanser kan også overføres sammen med de aktuelle molekylene. Årsakene til dette kan være mangfoldige. Eksempelvis kan molekylet Pl99 (Lee, et al. PNAS., 4524-8, 10, 89 (1992)), som er kjent for forsegling av elektropermeabiliserte membraner, hensiktsmessig påvirke overføringseffektiviteten fordi det vil kunne øke overlevelsesraten til de påvirkede muskelfibrene.

I figur 6 er den elektrodebærende hypoderme nålen ført inn i et pasientvev til en ønsket penetreringsdybde. Stempelet i den tilknyttede sprøyten er aktivert for injisering av væskevolumet som inneholder det valgte injiseringsmaterialet og elektrodene blir umiddelbart deretter, eller alternativt samtidig med materialinjiseringen, tilført energi med minst én elektrisk energipuls tilstrekkelig til å bevirke at i det minste noen av cellene i behandlingssonen blir reverserbart porert. Selv om sprøytestempelet typisk betjenes ved hjelp av animerende midler, eksempelvis med hånden, kan sprøyten også være tilknyttet en holdeinnretning som vist i figur 9 eller eventuelt til en automatisk dispenseringsinnretning så som den innretningen som er vist og beskrevet i US patentsøknad 10/612,304 innlevert 3. juli 2003, hvis innhold vises til.

I andre utførelser kan oppfinnelsen benyttes for elektroporering av celler i ulike dybder fra overflaten til et kroppsvev. I tillegg til en elektroporering av celler i

muskelvevrom hvor substansleveringen initieres ved injisering av materialer i vevet med en orientering på tilnærmet 90 grader relativt vevs overflaten, kan innretningen ifølge oppfinnelsen i en utførelsesform også benyttes for elektroporering av celler i subkutane, intradermale eller subdermale hudrom. Oppfinnelsen kan også brukes for elektroporering av substanser i lymfeknuter eller i vevslag i andre organer så som hjerte- og blodkarvev. Hva angår elektroporering av celler i slike lokasjoner, vil bruken av innretningen for elektroporering av celler i slike vevslag kunne innbefatte bruk av enten korte nåler som har en lengde tilstrekkelig for penetrering av ytre deler av vevslagene (det vil si hud, subdermalt, osv.) med injisering og elektroporering i en vinkel på omtrent 90 grader i forhold til vevs overflaten, eller det kan benyttes en leveringsnål som er relativt lang så som mellom 3 og 4 cm med innføring av enkeltnålen i en spiss vinkel i forhold til overflatevevet, eksempelvis ved hjelp av en holdeinnretning som vist i figur 9A. Dette vil muliggjøre en elektroporering av en større del av vevet i det ønskede laget. Den spisse innføringsvinkelen kan ligge mellom 3 og 25 grader i forhold til vevsoverflaten. En slik vevsoverflate kan generelt betegnes som en plan overflate som danner et plan som omfatter innføringsstedet til enkeltnålen/elektroden. Som vist i figurene 9A til D, kan sprøyten være forbundet med en tilknytningsanordning som er beregnet for holding av sprøyten i en innstilt vinkel på et plant føringsbrett 100 med nålen

plassert i en innstilt avstand X inn i vevet, som bestemt basert på den på forhånd ønskede innførings dybden for nålen i vevet. Dette føringsbrettet med eksponert nål bringes til kontakt med vevs overflaten slik at derved nålen kan trenge inn i vevet med den ønskede spisse vinkelen. Etter at nålen er innført på denne måten og den terapeutiske substansen er presset ut fra sprøyten, kan elektrodene tilføres energi for derved å tilveiebringe en levering av injisert materiale inn i de sub kutane, intradermale eller subdermale cellene. Bruken av innretningen med en skråvinkel som vist og beskrevet her, kan også benyttes ved elektroporering av ulike lag av organvev.

Eksempler:

De nedenfor gitte eksempler er ment å illustrere ulike utførelsesformer av oppfinnelsen. Det skal her være underforstått at eksemplene ikke er uttømmende og ikke danner noen begrensning for ulike utførelser som kan gjennomføres i samsvar med oppfinnelsen.

Eksempel I.

I forbindelse med ulike oppfinneriske aspekter, kan innretningen innbefatte et molekylleveringsreservoar 20 og en elektrodenål 10 slik det eksempelvis er vist i figur 5. Andre utførelser omfatter et spissdeksel 11, en ettergivende membran 12 som avtetter en del av strukturen med reservoaret 20 og er beregnet for bruk ved fylling av reservoaret (eksempelvis med gjennomtrengning med en sprøytenål) og mekanismer så som knaster 13 og fordypninger 14 og 14<*>i reservoarhuset 20 sin struktur for holding av spissdekselet 11 i en semifiksert stilling, enten åpen/tilbaketrukket (figur 5C) eller lukket/dekket (figurene 5A og B). Andre utførelser omfatter mekanismer for holding av stempelet 9 i en halvfiksert åpen/tilbaketrukket eller lukket/utført stilling og slike detaljer kan eksempelvis være knastene 15 og fordypningene 16 og 16<*>. Det tør være klart for fagpersoner at uavhengig av hvilken fremgangsmåte som brukes for den halvfikserte posisjoneringen av spissdekselet 11 og stempelet 9, kan stillingen lett endres ved hjelp av animert energi, eksempelvis manuelt eller mekanisk, eksempelvis ved hjelp av en elektronisk drevet aktuator. Spissdekselet 11 sin distale ende kan ha et løsbart tilknyttet sterilitets deksel 60. Videre kan elektrodenålen 10 ha et løp som ender i en vevsgjennomtrengningsspiss 22 og i den andre enden har en åpning 25 for tilknytning til et reservoar 20 (se figur 1). Injeksjonsnålen 10 kan ha en dimensjon mellom 18 og 29 standard hypodermt nålkaliber (gauge). I en foretrukket utførelse har leveringsnålen minst ett par elektroder så som elektrodene 21a og 21b i figur 1. Elektrodene omfatter minst én anode og én katode som har elektrisk forbindelse med elektriske ledere 24a og 24b. Avhengig av den utformingen som velges for det spesielle oppfinneriske produktet, kan lederne gå til en lederterminal 23 (se eksempelvis figurene 3 og 4) eller de kan ved hjelp av andre midler være forbundet med ledninger som går fra elektroden og til en elektrisk energikilde så som en pulsgenerator. Nålkomponenten 10 kan videre innbefatte en konnektor 26 (figurene 3 og 4) for tilknytning til et hypodermt sprøytereservoar eller til et sprøytereservoar med en låsemekanisme for løsgjørbar festing av nålkomponenten 10 til en åpning i en hypoderm sprøyte.

I andre utførelser kan reservoaret 20 være utformet med en på forhånd bestemt substans for behandling av en spesiell tilstand. Alternativt kan reservoaret være fylt med en substans ved at man enten trekker en slik substans inn i reservoaret gjennom elektrodenålen 10 ved å trekke ut stempelet 9 eller fordelaktig ved at man først trekker stempelet tilbake til åpen stilling etterfulgt av en fylling av reservoaret med substansen som da injiseres i reservoaret via den fleksible tetningen 12, på samme måte som man vanligvis gjennomfører en uttrekking av medikamenter fra sterile flasker og inn i sprøyter med introdusering i et annet reservoar.

Leveringsnålen 10 med elektrodesettet (så som elektrodene 21a og b, 31a og b, 51a og b og 52a og b eller 41 og 42, figurene 1-4) kan føres inn i vevet, vanligvis i en vinkel på omtrent 90 grader i forhold til vevsoverflaten eller alternativt i en spiss vinkel i forhold til vevsoverflaten. Substansen injiseres i nålstrekningen og inn i de lokale vevene. Elektrodene kan tilføres strøm ved hjelp av en pulsgenerator, enten etter injiseringen av substansen eller ved at det tilføres strøm samtidig med injiseringen av substansen. Som vist i figur 6, hvor det benyttes en elektrisk puls, vil elektrodene støtte tilveiebringelsen av et elektrisk felt 20 som gir tilstrekkelig energi til å bevirke en reverserbar porering av cellene i det nevnte feltet. Det elektriske feltet som dannes er ikke-jevnt, idet det svekkes eksponentielt med avstanden fra nålstrekningen 80 (figur 7). Et elektrisk felt som er tilstrekkelig til å gi slik porering har således, avhengig av den benyttede energien, symmetriske lateraldimensjoner (a) x (b) (vist i figur 7) som bestemmer en diameter for et elektrisk elektroporeringsfelt som, med hensyn til nållengden, danner et bestemt tredimensjonalt volum. Generelt vil et tilstrekkelig elektrisk poreringsfelt ha en radius fra elektrodenålen 10 på mellom 0 og 5 mm, typisk mellom 0 og 4 mm, fordelaktig mellom 0 og 3 mm og mest foretrukket mellom 0 og 2 mm.

Fagfolk innenfor området elektroporering vil vite at det feltet som genereres med enkeltnålselektroden ifølge oppfinnelsen, til forskjell fra tidligere kjente elektroporeringsutstyr, vil gi et ikke-jevnt elektrisk felt hvor feltintensiteten er større nær nålen og avtar i retning ut fra elektrodene. I motsetning til det foreliggende elektrodearrangement, viser figur 8 tidligere kjente elektrodearrangement hvor det dannes et jevnt elektrisk felt over et behandlingssted med et større volum. Den foreliggende oppfinnelsen atskiller seg målbart fra tidligere konsepter som bygger på et behov for bruk av et "jevnt" felt. Oppfinnelsen utnytter et ikke-jevnt felt som vil gi en reverserbar porering av cellene i en større grad nær posisjonen til leveringsnålen, det vil si i nålbanen eller nålstrekningen. Dette gir en klar fordel med hensyn til bestemmelse av den nøyaktige lokaliseringen av de celler som skal motta en kjent dose terapeutisk materiale. Med utførelsesformene muliggjør derfor oppfinnelsen en "tilpasning" av det elektriske feltet til injiseringsstedet for på den måten å kunne fordele materialet til cellene på en mer jevn og begrenset måte til et lokalt vevsområde, i motsetning til den varierende fordelingen som elektroporeringssystemer med konvensjonelle og jevne elektriske felt og ytre elektrodesett muliggjør.

Hva angår elektrodene, så kan de være av et hvilket som helst egnet metall, men fordelaktig et metall som ikke er toksisk i forbindelse med metallioner i cellene i det elektroporerte vevet. Slike materialer omfatter gull, wolfram, titannitrid, platina, platinairidium og iridiumoksid. Elektrodematerialet kan være tilformet på leveringsrøret (det vil si injeksjonsnålen) slik at det foreligger et isolerende lag mellom elektrodene og leveringsrøret, slik det er antydet i figur 3B. Alternativt kan nålen innbefatte et materiale som i seg selv er ikke-ledende, slik at man dermed eliminerer et behov for isolering av elektrodene relativt injeksjonsrøret. I et slikt aspekt kan leveringsrøret være av et hvilket som helst egnet materiale for innføring i vev in situ, et materiale som er ikke-ledende, herunder så som keramiske materialer, herdede og biokompatible plastmaterialer, herunder polyvinylklorin eller lignende.

I en annen utførelse kan leveringsnål/elektrodekomponenten være utformet slik at elektrodene 90 eller 101 (figur 10) bare vil utsettes for elektroporering nær spissen av nålen, se figurene 9A, 10A og B. De ikke eksponerte delene 91 og 102 av elektrodene kan være isolert og strekke seg langs utsiden av leveringsnålen eller inne i nålen. Når man ønsker å kunne posisjonere det bestemte behandlingsvolumet (bestemt av dimensjonene til det elektriske elektroporeringsfeltet som dannes i vevet ved hjelp av elektrodesettet) i et spesielt vev for å kunne unngå elektroporering av andre vev, kan det eksempelvis benyttes elektroder av den typen som er vist i figur 10 for elektroporering av dype muskelvev og for å unngå andre vev som ligger nærmere vevsoverflaten så som fettcellelag, eller alternativt for elektroporering av vev som ligger nær overflaten, eksempelvis subdermale vev, se figur 9A. Slike utførelser gir ekstra styring med hensyn til plassering av og størrelsen av behandlingsvolumet.

Eksempel II

I dette eksempelet dreier det seg om levering av molekyler ved hjelp av reversibel porering til celler som befinner seg langs og nær den strekningen som dannes ved innføringen av den hypoderme enkeltnålselektroden ifølge oppfinnelsen i et vev.

Som vist i figurene 11A og B ble quadricepsmuskler fra kanin injisert med DNA som koder beta-galaktosidase i en mengde på 0,2 ml og en konsentrasjon på 1 mg/ml. Elektrodene ble pulset med 2 pulser på 250 mA og med en varighet på 20 millisekunder. Etter elektroporeringen ble beta-galaktosidasegenet uttrykt i celler som var påvirket av elektroporeringen. På dag 4 etter elektroporeringen ble kaninene slaktet og musklene ble preparert i 3 mm tykke snitt gjennom innføringsstedet for enkeltnålen/elektroden. Etter kjemisk fiksering ble de beta-galaktosidaseholdige cellene i muskelsnittene visualisert ved hjelp av en enzymreaksjon. Pilene i figur 11A viser innføringsretningen for leveringsrøret i kaninmuskelen. Som vist oppstår det hovedsakelig farging langs den strekningen som dannes ved innføringen av nålleveringselektroden i vevet.

Eksempel III

Dette eksempelet gjelder eksperimenter hvor det benyttes en

elektroporeringsinnretning ifølge oppfinnelsen for levering av DNA som koder friskt fluorescensprotein (GFP) i quadricepsmuskelen hos kaniner. Resultatene er vist i figur 12.

Flere hvite New Zealand hannkaniner som hver veide 4-5 kg (Perry Scientific, San Diego, California) ble injisert med en ekspresjonsvektor (gWizGFP, lot 12311, anskaffet fra Aldevron, LLC, Fargo, ND; se også Gene Therapy Systems, Inc., San Diego, CA) som koder en lys GFP (Cheng, et al. (1996), Nature biotechnology, vol. 14: 606-9), hvis uttrykking var under kontroll av en modifisert, human, umiddelbart tidlig cytomegaloviruspromoter/forsterker.

Før injiseringen ble hver kanin først sedatert med acepromazin (1 mg/kg) og ble så anestesert med intramuskulær injisering av en blanding av ketamin (35 mg/kg) og xylazin (5 mg/kg) i nærvær av glykopyrrolat (0,01 mg/kg) som tidligere var administrert subkutant for derved å hindre ujevne hjerteslag som følge av ketamin/xylazinbehandlingen. Kaninen ble så barbert på det stedet hvor injiseringen skulle foregå, det vil si i quadriceptmuskelen. Et hull ble laget i huden over muskelen ved hjelp av en 18 gauge nål og hullet ble lett utvidet ved hjelp av en skalpell. En enkeltnålselektroporeringsinnretning bestående av en 18 gauge nål med to parallelle elektroder anordnet overfor hverandre på nålens ytre overflate (som vist i figur 1) ble så langsomt innført i muskelvevet med periodiske pauser for injisering av DNA i få millimeteravstander inntil et endelig innføringsdyp på tilnærmet 25 mm. Totalt 500 ul av en DNA-holdig løsning som inneholdt 100 ug gWizGFP ble injisert på hvert injeksjonssted. Kort etter injiseringen og mens nål/elektrodeinnretningen fremdeles befant seg i det avsluttende innføringsdypet, ble elektroporeringen påbegynt. Det ble anvendt fem 250 mA pulser, hver med en varighet på 20 millisekunder (ms) og med intervaller på 10 Hz (det vil si 100 ms), idet det ble benyttet en Elgen 1000 strømklemmepuls (Inovio AS, Oslo, Norge).

Fire dager etter behandlingen ble dyrene eutanisert på en human måte. Hud som dekket det området av benet hvor vektoren var levert ble forsiktig fjernet, hvoretter hvert dyr ble plassert på et sted i -20°C i omtrent 1 time. Den behandlede muskelen ble så fjernet ved hjelp av en skalpell og plassert på et sted ved -20°C i nok 1 til 2 timer. Det frosne muskelvevet ble så delt opp i snitt med en tykkelse på tilnærmet 3 mm. For dette ble det benyttet en roterende kjøttkutter. Muskelsnittene ble plassert i plastbrett og undersøkt med hensyn til GFP-uttrykking ved hjelp av et Leica MZ 12 disseksjonsmikroskop som var utstyrt med en UV-lys- og GFP-filterkombinasjon. Figur 12 er et representativt fotografi av de resultatene som ble oppnådd med denne analysen og figuren viser klart at en elektroporeringsinnretning ifølge oppfinnelsen kan benyttes for vellykket levering av et middel, for eksempel en ekspresjonsvektor som koder et ønsket protein som så uttrykkes i aktiv form til celler.

Eksempel IV

I dette eksempelet, hvis data er vist i figurene 15 og 16, og hvor det ble benyttet en elektrodeutførelse i samsvar med oppfinnelsen, ble plasmider som koder SEAP (pSEAP nr. 3348, Aldevron) og IgG (pLNOH 2hg3 nr. 11765, Aldevron) elektroporert i celler av prøvedyrvev (det vil si intramuskulær injeksjon i dyrets tibialis anterior) og uttrykkingen ble studert for å påvise vellykket uttrykking i kaninmuskelen. Immunrespons med hensyn til både et "svakt" og et "sterkt" antigen (henholdsvis SEAP og IgG) ble også målt. I disse forsøkene ble SEAP- og IgG-plasmidet administrert med en endelig konsentrasjon på 1 (xg/fxl.

Dyrene som ble benyttet var hvite New Zealand hannkaniner med en vekt på 3,5 til 4,5 kg. Elektroporeringen ble gjennomført ved hjelp av en Elgen 1000 (Inovio AS, Oslo, Norge, serienummer 009) som videre innbefattet en strømklemt pulsgenerator (prototype) og en enkeltnålsprototype hvor elektrodene gikk parallelt med injiseringsstrekningen og med en innbyrdes avstand på tilnærmet 1 mm. Elektrodene ble pulset med en 20 millisekunders pulslengde med 5 pulser hver på 150 mA og med et intervall på 250 millisekunder mellom pulsene (det vil si en frekvens på omtrent 4 Hz). Elektrodene gikk inn i vevet til en dybde på omtrent 1,0 cm.

Hvert forsøk innbefattet en totrinns leveringsprosess, det vil si injisering av plasmidløsningen (200 ul) ved hjelp av en 29 gauge insulinsprøyte med injisering under innføringen av nålen for derved å fordele DNA i ulike dyp etter fulgt av en fjerning av nålen og innføring av enkeltnålselektroden.

Som vist i tabell I nedenfor, innbefattet hvert av IgG- og SEAP-forsøkene to grupper forsøksdyr, det vil si ett sett av dyr som ble utsatt for elektroporering og et annet sett, det vil si et kontrollsett.

Det ble tatt prøver på dag 0, 14 og 21. Kaninene ble så slaktet på dag 21 med subkutan injisering av 0,5 ml hypnorm (hypnorm 0,1 ml/kg) etterfulgt av en i.v. injeksjon av 1 ml/kg 10 % pentorbarbital i ørevenen.

Som det går frem av resultatene i figurene 15 og 16, er nivåene til antistofftiter som oppnådd med enkeltnålsleveringen langt større enn den negative kontrollen. Spesielt gjelder at de to testantigenene (IgG og SEAP) ga titre relativt hverandre som forventet med IgG som et meget kraftigere antigen enn SEAP (se titerskalaen). Begge antigenene ga antistoffproduksjon i de elektroporerte prøvene og så godt som ingen antistoffproduksjon i de ikke-elektroporerte prøvene.

Eksperiment V

I dette forsøket ble MEM-fremstilte enkeltnålselektrodeprototyper testet i kaninvev ved hjelp av ulike pulsenergier og uttrykking av grønt fluorescerende protein. Som indikert i tabell II ble det testet tre ulike elektrodeutførelser, (1) en enkeltnålselektrode hvor anode- og katodeelektrodene ble anvendt på en 23 gauge nål, hver over 1/16 av nålomkretsen og over hele nållengden ved hjelp av MEMs-teknologi (figurene 13D-E), (2) en enkeltnålselektrode hvor elektrodene hver dekket 1/4 av nålskaftets omkrets (figurene 13A-C) og (3) et enkeltnålsarrangement hvor elektrodene hadde en innbyrdes avstand på 1 mm uten et fluidmediumleveringsrør. Som vist i tabell II ble det gjennomført ulike pulseringskombinasjoner.

Den protokollen som ble benyttet for hvert dyr i dette forsøket innbefattet injisering av GFP-plasmid i de angitte konsentrasjoner, elektroporering av vevet ved hjelp av en utførelsesform av enkeltnålselektroden etterfulgt av slakting av dyrene og gjennomføring av vevspreparering med oppsnitting av den behandlede muskelen i hosliggende snitt og observasjon av fluorescens. Som følge av vanskeligheter med oppdeling av vevet for tilveiebringelse av snitt parallelt med injiseringsstrekningen, vil GFP-fluorescens i de viste fotografier ofte vises som sirkler eller ellipser. Fluorescensmønstrene viser at enkeltnålskonseptet virker og muliggjør elektroporering av vev med meget lave spenninger og relative elektriske strømmer i definerte lokasjoner rundt nålstrekningen og i vevet.

Figurene 17A og B viser både naturlig lys og fluorescerende lys og er fotografier av GFP-uttrykking etter injisering av plasmid DNA som koder for GFP, uten elektroporering. Som indikert, foreligger det så godt som ingen uttrykking av grønt fluorescerende protein. Det er således klart at uten elektroporering finnes det ikke et tilstrekkelig opptak og uttrykking av det ønskede genet.

Når det gjelder elektroporering in situ ved hjelp av elektrodemodellen med 1/16 bredde, så er evnen for uttrykking av elektroporert GFP vist i figurene 18A og B og 19A og B. Figurene 18A og B viser GFP-uttrykking etter elektroporering med en konstant strøm på 50 mA. Figurene 19A og B viser elektroporering ved 100 mA.

For GFP-uttrykking med bruk av enkeltnålselektroden med en 1/4 omkrets, foreligger det resultater som vist i figurene 20A og B, 21A og B og 22A og B, idet elektroporeringen ble gjennomført med henholdsvis 50, 100 og 150 mA.

GFP-uttrykkingen ble også testet ved hjelp av en utførelse hvor enkeltnålselektroden ikke innbefattet et fluidleveringsrør tilordnet elektrodene. Som vist i figurene 23A og B, 24A og B og 25A og B, ble denne oppfinneriske innretningsutførelsen testet ved henholdsvis 75, 150 og 250 mA med konstant strøm. Her var mengden av GFP-plasmid fem ganger større enn konsentrasjonen i forsøkene som er vist i figurene 19-22. Behandlingssonen fremtrer derfor klarere.

Samtlige av blandingene og fremgangsmåtene som er beskrevet og angitt i kravene kan lages og gjennomføres uten særlig eksperimentering, ut fra det som er sagt og beskrevet her. Selv om sammensetningene og fremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen er beskrevet i form av foretrukne utførelseseksempler, tør det for fagpersoner være klart at variasjoner kan forekomme med hensyn til sammensetningene og fremgangsmåtene og med hensyn til sekvenstrinnene eller trinnene i de her beskrevne fremgangsmåter, uten at man derved går utenfor den oppfinneriske rammen. Mer særskilt gjelder at de beskrevne utførelsesformene bare skal ses på som eksempler og ikke er ment å være begrensende. Alle lignende substitutter og modifikasjoner som fagpersoner vil oppfatte, anses å ligge innenfor den oppfinneriske rammen slik den er definert med patentkravene.

Alle patenter, patentsøknader og publikasjoner som er nevnt i denne beskrivelsen er indikative for kunnskapsnivået til fagpersoner på det området som oppfinnelsen gjelder. Samtlige patenter, patentsøknader og publikasjoner, også de hvor det kreves prioritet eller andre fordeler, anses som en del av den foreliggende beskrivelsen i samme grad som hver enkelt publikasjon har vært nevnt og indikert som sådan.

Oppfinnelsen slik den er beskrevet her kan utøves i fravær av ett eller flere elementer som ikke er spesielt nevnt. Således kan eksempelvis ethvert uttrykk "omfattende", "i hovedsak omfattende" og "bestående av" erstattes med en av de andre to termene. De termer og uttrykk som er benyttet er bare ment å være beskrivende og ikke begrensende og det har ikke vært hensikten at bruk av slike termer og uttrykk skal utelukke ekvivalenter av de viste og beskrevne trekk, helt eller delvis. Tvert imot antas det at ulike modifikasjoner vil være mulige innenfor oppfinnelsens ramme. Det skal således være underforstått at selv om den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet spesielt ved hjelp av foretrukne utførelser og trekk, så kan modifikasjoner og variasjoner av konseptet tenkes tilveiebrakt av fagpersoner. Slike modifikasjoner og variasjoner anses å ligge innenfor rammen av oppfinnelsen som definert med patentkravene.

Claims (14)

1. Innretning for elektroporering av vev in vivo for levering av terapeutiske substanser inn i celler i nevnte vev, omfattende: a. et avlangt hult leveringsrør som kan penetrere et kroppsvev, der leveringsrøret omfatter minst én hver av en anode og en katode (21a, 21b, 31b, 41, 42, 51a, 51b, 90, 101) anbrakt på minst en del av en ytre overflate av nevnte leveringsrør, og; b. elektrisk ledende ledere som er i stand til å koble sammen hver av nevnte anode og katode (21a, 21b, 31b, 41, 42, 51a, 51b, 90, 101) med en elektrisk energikilde; c. der anoden og katoden har avstand og er elektrisk isolert fra hverandre og plassert parallelt med hensyn på hverandre,karakterisert vedat anoden og katoden løper langs lengden av leveringsrøret, og der nevnte anode og katode er konfigurert for å danne et generelt sylindrisk eller kolonneformet ikke-uniformt felt omkring lengden av leveringsrøret slik at når nevnte leveringsrør blir innsatt i vev og når nevnte anode(r) og katode(r) (21a, 21b, 31b, 41, 42, 51a, 51b, 90, 101) blir aktivert av energikilden så blir et elektrisk felt generert i en behandlingssone som omgir nevnte leveringsrør, som er tilstrekkelig til å til å forårsake at celler langs og nær en strekning tilveiebrakt ved innføring av røret i vevet blir reversibelt porert for derved å muliggjøre at cellene kan oppta nevnte terapeutiske substanser.

2. Innretning ifølge krav 1, videre omfattende et ekspanderbart eller sammentrekkbart reservoar.

3. Innretning ifølge krav 2, der reservoaret omfatter en sprøyte.

4. Innretning ifølge krav 3, der nevnte reservoar har en variabel volumkapasitet valgt fra gruppen som består av 0,0 til 0,5 ml, 0,0 til 1 ml, 0,0 til 3 ml og 0,0 til 5 ml.

5. Innretning ifølge krav 1, der nevnte elektriske energikilde er en elektroporeringspulsgenerator.

6. Innretning ifølge krav 6, der nevnte generator er i stand til å generere elektriske pulser hvor gjennomsnittsspenningen kan ligge mellom 1 og 200 V.

7. Innretning ifølge krav 5, der generatoren er i stand til å generere elektriske pulser med en strøm på 1 mA til 400 mA.

8. Innretning ifølge krav 7, der nevnte strøm ligger i et område valgt fra gruppen som består av mellom 10 og 40, 25 og 100, 50 og 150, 125 og 200, 175 og 250, 225 og 300, 250 og 300 og 300 og 400 mA.

9. Innretning ifølge krav 6, der nevnte generator er i stand til å generere elektriske pulser med en frekvens valgt fra gruppen som består av 1 til 10000 Hz.

10. Innretning ifølge krav 6, der nevnte generator er i stand til å generere elektriske pulser som har en tidslengde valgt fra gruppen som består av 0,1 us til 1000 ms.

11. Innretning ifølge krav 1, der nevnte rør er en hypoderm nål dimensjonert til et kaliber (gauge) for en injiseringsnål valgt fra gruppen som omfatter 20 gauge, 21 gauge, 22 gauge, 23 gauge, 24 gauge, 25 gauge, 26 gauge, 27 gauge, 28 gauge og 29 gauge.

12. Innretning ifølge krav 1, der nevnte rør er elektrisk isolert fra hver elektrode.

13. Innretning ifølge krav 1, der nevnte vev omfatter ethvert kroppsvev eller organ som er valgt fra gruppen som består av hud, subkutant vev, intradermalt vev, subdermalt vev, skjelettmuskler, tverrstripede muskler, glatte muskler, organer, hjerte, bryst, lunge, bukspyttkjertel, lever, milt og slimhinner.

14. Innretning ifølge krav 1, der nevnte anode og katode er konfigurert for å danne et generelt sylindrisk felt omkring lengden av leveringsrøret.