WO2024052417A1 - Verfahren und vorrichtung mindestens zur kontrollierten bewegung von gameten und/oder zygoten und/oder embryonen in fluiden - Google Patents

Verfahren und vorrichtung mindestens zur kontrollierten bewegung von gameten und/oder zygoten und/oder embryonen in fluiden Download PDF

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WO2024052417A1
WO2024052417A1 PCT/EP2023/074481 EP2023074481W WO2024052417A1 WO 2024052417 A1 WO2024052417 A1 WO 2024052417A1 EP 2023074481 W EP2023074481 W EP 2023074481W WO 2024052417 A1 WO2024052417 A1 WO 2024052417A1
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WO
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carriers
embryos
gametes
zygotes
carrier
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/074481
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Inventor
Mariana Medina-Sánchez
Original Assignee
Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E. V.
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Application filed by Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E. V. filed Critical Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E. V.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/06—Animal cells or tissues; Human cells or tissues
    • C12N5/0602—Vertebrate cells
    • C12N5/0603—Embryonic cells ; Embryoid bodies
    • C12N5/0604—Whole embryos; Culture medium therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel

Definitions

  • the invention relates to the fields of materials science, biology and medicine and relates to a method at least for the controlled movement of gametes and/or zygotes and/or embryos in fluids, such as in in vivo reproduction and in health care can be applied, whereby in addition to the controlled movement of gametes and/or zygotes and/or embryos, for example, safe development of the gametes and/or zygotes and/or embryos can also be realized, and a device for realizing the controlled movement.
  • Infertility is a problem that affects 48.5 million couples of reproductive age worldwide, approximately 11% of the population.
  • the possible causes in women may include ovulation disorders, tubal obstruction, endometriosis and uterine and/or cervical factors.
  • infertility is usually caused by poor sperm quality, as evidenced by poor motility or abnormal morphology, or a low sperm count. This reduces the chances of fertilizing the egg in vivo.
  • Known infertility treatments include inexpensive and minimally invasive hormonal stimulation or intrauterine insemination, in which sperm are injected into the uterus during ovulation.
  • IVF in vitro fertilization
  • ICSI intracytoplasmic sperm injection
  • a promising method for improving implantation rates in RIF appears to be the intrafallopian transfer of gametes or zygotes or the in vitro fertilized egg (embryo) back into the fallopian tube by laparoscopy, also known as gamete/zygote intrafallopian transfer (GIFT/ZIFT). called to be.
  • GIFT/ZIFT gamete/zygote intrafallopian transfer
  • this procedure is very invasive and requires surgery and anesthesia to introduce the macroscopic imaging and manipulation tools for laparoscopy into the female body. This can lead to side effects such as tubal trauma, inflammation, ectopic pregnancy, infection or intraluminal pathology.
  • motile cells such as sperm
  • DE 102012212427 A1 a method is known in which one or more motile cells are introduced into or on one or more magnetic particles or attached, and subsequently by applying an external magnetic field, the magnetic particles with the motile cells introduced or attached to them are moved in a directed manner.
  • This procedure improves the activity and controlled mobility of motile cells and controls the movement of the motile cells in a desired direction.
  • Immobile cells are, for example, sperm that have lost their mobility or eggs in general.
  • the movement of an egg cell occurs when, during ovulation (ovulation), the funnel-shaped fimbria slips over the ovary and receives the egg cell.
  • the fallopian tube contracts in rhythmic movements. Tiny cilia (ciliary cells) transport the egg in the fallopian tube. They push the egg towards the uterus (Wikipedia, keyword movement of an egg).
  • a method in which an egg or an embryo is provided with a layer of magnetic particles and the egg or embryo is stabilized in the uterus by applying a magnetic field via a permanent magnet or an electromagnet (US 6,695,766 B4).
  • the egg or embryo with the layer of magnetic particles is transported into the uterus using a catheter.
  • the magnetic particles can have a diameter of 0.1 to 200 pm.
  • US6050935 A a container arrangement for intravaginal fertilization and embryo transfer is known, which is used in intravaginal fertilization. To do this, the container is inserted into the vaginal vault.
  • the container has a container body with an opening for introducing a culture medium, one or more eggs and sperm and for the subsequent removal of one or more embryos with a collection catheter.
  • the container body has a main chamber for receiving the culture medium, eggs and sperm and a micro-chamber for collecting for the collection of one or more embryos.
  • the container is encased in a capsule made of soft, elastic material. A loop on part of the capsule adjusts the length to the anatomical conditions.
  • the microchamber has a channel that accommodates the catheter tip to facilitate embryo collection while eliminating the risk of injury to the embryos. The microchamber allows microscopic inspection of the embryos in situ before transfer into the uterine cavity.
  • the disadvantage of the known solutions of the prior art is that, on the one hand, invasive methods for implanting embryos are known and used, and on the other hand, relatively low implantation rates and thus pregnancy rates of transferred embryos are still achieved.
  • the known methods use comparatively large devices, which can lead to injuries to the embryos and/or the tissue or to the implantation of the embryos in the wrong place, which leads to an ectopic pregnancy.
  • the low accuracy of the known methods and devices leads to fertilization and birth of multiple embryos, which is also undesirable since multiple pregnancies represent a high risk for mother and baby.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device at least for the controlled movement of gametes and/or zygotes and/or embryos in fluids, in which the device is significantly less invasive can be used and significantly higher implantation rates and thus pregnancy rates can be achieved through the procedure.
  • gametes and/or zygotes and/or embryos are releasably connected to one or more carriers, and the carriers with or without gametes and/or zygotes and /or embryos are moved independently or in a directed manner using external influences.
  • a connection between gametes and/or zygotes and/or embryos and the carrier(s) is advantageously realized, which can be realized and/or dissolved by means of physical or chemical means.
  • Carriers or components of the carriers with or without gametes and/or zygotes and/or embryos are also advantageously used, which are mechanically or digitally connected with a force-fitting and/or positive, detachable or non-detachable contact with one or more devices arranged ex vivo , wherein devices arranged ex vivo for controlling and / or moving and / or loading the carriers are advantageously used before the in vivo transfer.
  • Carriers that move independently are also advantageously used, with several carriers moving independently of one another in the same or different directions or moving as a swarm in the same direction.
  • the carriers are moved by means of an external physical field, such as a magnetic or ultrasonic field, or by means of chemical, thermal or physical stimuli. It is also advantageous if the position and movement of the carrier is monitored using imaging methods.
  • parameters from the environment of the carrier are determined, transmitted and monitored in situ by means of sensors or actuators located on or in the carrier and/or changes in the parameters are implemented based on determined parameters from the environment of the carrier.
  • the device according to the invention at least for the controlled movement of gametes and/or zygotes and/or embryos in fluids contains at least one carrier with maximum dimensions in all spatial directions of 500 pm, which consists at least predominantly of biocompatible materials.
  • the at least one carrier has dimensions in all spatial directions of 10 nm to 100 pm, advantageously from 1000 nm to 80 pm, even advantageously from 10 to 1000 nm.
  • biocompatible materials of the carriers are completely degradable in the body.
  • the outer shell of the carrier consists entirely of biocompatible materials.
  • Hydrogels such as gelatin, methacrylates, collagen, silk, alginates or biodegradable metal oxides, or metallic alloys such as FeMgSi or FePt, with or without hard magnetic materials such as NdFeB, CrÜ2 or BaFe ⁇ O, or superparamagnetic ones are also advantageous as biocompatible materials Iron oxide nanoparticles, such as SPIONs or iron-platinum nanoparticles, or other materials are coated with biocompatible materials, such as surface coatings of proteins, gold, or polymers such as parylene or polyethylene glycol diacrylate (PEGDA). It is also advantageous if the carriers have components that are holders, grippers, loops, catheters, cavities for releasably connecting to gametes and/or zygotes and/or embryos, sensors and/or actuators.
  • the carriers have components that are holders, grippers, loops, catheters, cavities for releasably connecting to gametes and/or zygotes and/or embryos, sensors and/or actuators.
  • the carriers have drive devices for independent movement.
  • the carriers are micro- or nanorobots.
  • the carriers have materials with which the carriers are moved by external or local influences.
  • the carriers contain organic, inorganic and/or magnetic materials.
  • sensors or actuators are present on or in the carriers, which determine, transmit and monitor parameters from the carrier's environment in situ and/or implement changes in the parameters based on determined parameters from the carrier's environment.
  • the carrier or carriers are connected to devices arranged ex vivo for controlling and/or moving and/or loading the carriers before the in vivo transfer, the connection being implemented via mechanical devices or digitally.
  • the carriers have functional materials and/or biomolecules for the protection and/or growth of the gametes and/or zygotes and/or embryos, the carriers also advantageously containing antioxidants, maturation factors, nutrients, protective molecules to reduce thermal and/or mechanical stress.
  • the present invention makes it possible for the first time to develop a method and a device for the controlled movement of gametes and/or zygotes and/or To specify embryos in fluids, in which the device can be used in a significantly less invasive manner and significantly higher implantation rates and thus pregnancy rates can be achieved through the method.
  • Gametes also known as sex cells or germ cells, are specialized cells, two of which combine to form a zygote during sexual reproduction.
  • a zygote is a eukaryotic diploid cell that is formed during sexual reproduction by the fusion of two haploid sex cells, usually an egg and a sperm.
  • An embryo is a living being in the early phase of its development.
  • the gametes and/or zygotes and/or embryos to be moved according to the invention can be from humans and animals.
  • connection and also the dissolution of the connection between the gametes and/or zygotes and/or embryos and the one or more carriers can take place by means of physical and/or chemical means.
  • Physical means can be mechanical means such as holders, grippers, loops, catheters, cavities on or in the wearer. .
  • nano- to micro-actuators can be present on or in the carrier material, for example with gripping arms or gripping fingers that can be opened or closed by electrical, mechanical, thermal and/or chemical stimuli.
  • Such nano- to micro-actuators advantageously have dimensions on the order of gametes and/or zygotes and/or embryos.
  • the carrier can also have cavities or capsules, preferably with permeable or semi-permeable walls, into which the Gametes and/or zygotes and/or embryos or other materials can be included.
  • Carriers that are bonded to microcatheters in a force-fitting and/or form-fitting manner can be particularly advantageous as mechanical means.
  • the microcatheder is connected to devices for controlling and/or moving and/or loading the carrier before the in vivo transfer.
  • a carrier according to the invention can therefore be inserted into the body from a conventional cannula or an egg transfer catheter.
  • the at least micro dimensions of the catheter and carrier mean that even complicated and sensitive areas of the body, such as the fallopian tubes, can be reached.
  • connection of the microcatheder to the outside of the body can advantageously be implemented via mechanical devices or digitally.
  • the carrier according to the invention can be detachably or indetachably bound to the mechanical means, such as the microcatheter.
  • freely movable carriers that can move independently can be present as unbound carriers according to the invention.
  • Such carriers can be mobile grippers and/or capsules or can be in the form of rods and/or cylinders.
  • the carriers can also be divided, for example into different modules within the same carrier, allowing different components (gametes/zygote/embryo, magnetic particles, contrast agents, antioxidants, etc.) to be held and also kept separate.
  • These carriers can be transferred into the body via a conventional cannula or an embryo transfer catheter into the uterus.
  • These mobile, unbound carriers can be moved in a direction, for example, by the action of an external field.
  • the carriers can reach the desired areas with or without gametes and/or zygotes and/or embryos or other materials, for example swimming, crawling, walking, rolling, but without a mechanical connection to the outside of the body and especially the difficult to reach and/or sensitive areas, such as the fallopian tube.
  • the movement of the carriers is monitored in real time using bioimaging with the highest possible spatial and temporal resolution and controlled accordingly.
  • connection can be realized via functional groups and/or gels, for example by incorporating the carrier into hydrogels, coupling to stimulus-sensitive linkers, coupling via hydrophilic/hydrophobic interactions, via hydrodynamic or electrostatic or magnetic or acoustic forces.
  • connection between the carrier and at least gametes and/or zygotes and/or embryos can be dissolved by releasing the physical connections or dissolving the chemical connections, but also by using carrier materials whose degradation and in particular biological degradation is realized in the body.
  • the degradation rate should be adapted to the respective transfer of the gametes and/or zygotes and/or embryos to the destination and the residence time required for this and, for example, by the composition of the local environment or locally present proteases or by external influences, such as the use of local Temperature increase can be controlled.
  • the biodegradable carrier material can then dissolve.
  • the carriers with or without gametes and/or zygotes and/or embryos are then moved in a directed manner independently or by means of external influences.
  • the carriers can also first be moved outside the body without gametes and/or zygotes and/or embryos or can be moved and introduced into the body using other devices, such as cannulas or catheters, in order to then transport the gametes and/or zygotes and/or To pick up and hold embryos and transport them to the desired location.
  • the carriers can be moved and/or their movement can be controlled in a directed manner by local influences, such as chemotaxis, thermotaxis, thigmotaxis or rheotaxis.
  • the carriers can also be controlled by external physical fields such as magnetic field, ultrasound and/or infrared light.
  • the carriers can also be connected to the gametes and/or zygotes and/or embryos outside the body and then transported together into the body. This can also be done via other means, such as cannulas or catheters, or the carriers with the gametes and/or zygotes and/or embryos move independently or are moved by external influences.
  • the gametes and/or zygotes and/or embryos can be provided with a carrier in vitro and then transported through the cervix to the entrance to the uterus, for example using a non-surgical embryo transfer set (NSET) or a flexible cannula.
  • NSET non-surgical embryo transfer set
  • a flexible cannula for example, a non-surgical embryo transfer set (NSET) or a flexible cannula.
  • the carriers can then be separated from the gametes and/or zygotes and/or embryos by external or local chemical or physical triggers.
  • external influences can advantageously be external hydrodynamic, magnetic, electrostatic and/or acoustic fields.
  • the position and movement of the carriers can also advantageously be monitored using imaging methods or external sensors.
  • the carrier can trigger local reactions or biomarkers that can later be detected in biological fluids. This proof can be carried out, for example, using external rapid test sensors or PCR.
  • the device according to the invention for the controlled movement of gametes and/or zygotes and/or embryos in fluids contains at least one carrier with maximum dimensions in all spatial directions of 500 pm, which consists at least predominantly of biocompatible materials.
  • the maximum dimensions of the carriers in all spatial directions are from 10 nm to 100 pm, advantageously from 1000 nm to 80 pm, even more advantageously from 10 to 1000 nm.
  • the size and materials of the carrier are determined on the one hand by the gametes and/or zygotes and/or embryos to be transported, but the carriers also consist at least predominantly of biocompatible materials that themselves perceive the microenvironment of the gamete and/or zygote and/or embryo can react to these, for example by changing the shape or surface properties, for example to release required substances that ensure safe transport and development of the gametes and / or zygotes and / or embryos during the transfer into the fallopian tube or into the uterus.
  • the carrier materials are advantageously permeable to nutrients, antioxidants and growth factors, which can and should pass through the carrier materials in vivo into the body or from the fallopian tube fluid into the carrier.
  • the maximum dimensions of the supports do not exceed the minimum dimensions of the fallopian tubes in all spatial directions, with a diameter of approx. 500 pm.
  • the carrier has dimensions as small as possible, although carriers with dimensions of up to approximately 500 pm may also be possible, since the areas in which the carrier has to move are adaptable fabrics that are folded and therefore also stretchable .
  • the carriers are of a similar size to the gametes and/or zygotes and/or embryos to allow access to the narrowest regions of the fallopian tube without damaging the surrounding tissue.
  • the carriers have dimensions and shapes such that they protect the gametes and/or zygotes and/or embryos during transport, for example to the ampulla, so that they can develop in conditions that are as natural as possible until they reach the uterine endometrium, the uterus - have reached the mucous membrane inside the uterus.
  • This can be achieved, for example, by capsules into which the gametes and/or zygotes and/or Embryos, but also other materials, are enclosed during transport.
  • the outer shell of the carrier consists entirely of biocompatible materials. This is particularly important when using a carrier that is intended to remain and/or be broken down in the body. If the carrier can and should be removed from the body, other medically harmless materials can also be used.
  • biocompatible materials of the wearer are completely degradable in the body.
  • the carrier materials are broken down when the carrier has fulfilled its function in the body and is not removed from the body by other measures, methods or devices.
  • Such biocompatible materials are in particular hydrogels, such as gelatin, methacrylates, collagen, silk, alginates or biodegradable metal oxides, all of which are as biodegradable as possible, permeable and / or soft and exert a gentle interaction with the surrounding tissue in the body.
  • hydrogels such as gelatin, methacrylates, collagen, silk, alginates or biodegradable metal oxides, all of which are as biodegradable as possible, permeable and / or soft and exert a gentle interaction with the surrounding tissue in the body.
  • biocompatible materials are, for example, metallic alloys, such as FeMgSi or FePt, with or without hard magnetic materials, such as NdFeB, CrÜ2 or BaFe ⁇ O, or superparamagnetic iron oxide nanoparticles, such as SPIONs or iron-platinum nanoparticles.
  • metallic alloys such as FeMgSi or FePt
  • hard magnetic materials such as NdFeB, CrÜ2 or BaFe ⁇ O
  • superparamagnetic iron oxide nanoparticles such as SPIONs or iron-platinum nanoparticles.
  • other materials coated with biocompatible materials can be used, such as surface coatings made of proteins, gold or polymers such as parylene or polyethylene glycol diacrylate (PEGDA).
  • the carriers can have materials, as required, which are or contain antioxidants, hormones, medications and/or are permeable to the exchange of nutrients from the secretory cells in the body and in particular in the fallopian tube.
  • materials can also be factors for epigenetic regulation, protection of the immune system, protection against oxidative stress and heat stress, or supporting substances for the cleavage and development of the embryo (embryotrophic factors, growth factors).
  • the materials used for the carriers significantly reduce the friction between the carrier and the gametes and/or zygotes and/or embryos, thereby avoiding possible damage and cytotoxicity and stress for the gametes and/or zygotes and/or embryos.
  • the passage/exchange of nutrients and the secreted fallopian tube fluid for embryonic development and transport is advantageously enabled or supported at the same time.
  • the carrier or carriers have functional materials and/or biomolecules for the protection and/or growth of the gametes and/or zygotes and/or embryos.
  • Such functional materials can also be nanosensors for monitoring environmental parameters of the microenvironment, such as oxygen levels, glucose levels, growth factors, etc., which can also be regulated in-situ by the carrier's nanoactuators or materials contained therein.
  • the carriers made of the biocompatible and advantageously biodegradable materials can be produced using two-photon lithography processes or using processes for producing strained materials (strain engineering) or using 3D or 4D printing technologies.
  • the carriers can also be produced using droplet microfluidics. This manufacturing process offers the advantage that gametes and/or zygotes and/or embryos can be introduced into individual droplets made of biodegradable or stimulus-sensitive polymers.
  • droplets can later be transferred into the body and moved there in a directed manner using ultrasound waves or magnetic propellers or local stimuli such as temperature gradients, chemical gradients, or flows.
  • the magnetic propellers can be placed in microfluidic channels, facilitating the capture of gametes and/or zygotes and/or embryos into the droplets by generating differential flows. Capturing can also be done using self-assembly techniques or by exploiting Capillary forces, hydrodynamic forces or hydrophilic-hydrophobic interactions can be realized and/or facilitated. Likewise, the capture of the gametes and/or zygotes and/or embryos can be realized by coupling or loading the carriers in vitro using optical, magnetic or acoustic tweezers.
  • the carriers can advantageously have drive devices for independent movement. These can then advantageously be micro- or nanorobots.
  • magnetic propellers as part of the carrier can also lead to independent movement of the carrier with or without gametes and/or zygotes and/or embryos.
  • Structural materials such as PEGDA can be used as carriers in the form of microrobots, or hollowed hydrogel tubes or 3D printed elastomers such as silicone, polyurethane, polyolefin, styrene block copolymers.
  • Materials that can be used to drive the microrobots include Fe, FePt, for magnetic movement, or electroactive polymers such as polypyrrole or other stimulating hydrogels.
  • Some inorganic layers made of or with, for example, Au or Pt, alloys or core-shell nanoparticles can also be used for sensors, or nanomaterials based on Au or as quantum dots (QDs) can be used for imaging, or to avoid the Biofilm formation can be used Ag.
  • QDs quantum dots
  • the wearers themselves can create a slight flow, through which the wearers are able to move in the fluids in the body, which are usually viscoelastic media. And in particular they can also move against the flow or against backflow, for example in the fallopian tube due to its peristaltic movement and the beating of the cilium.
  • the carriers can also be transported via external magnetic fields. This can also be done when the carriers are in droplet form.
  • the carriers can contain fluids through which a directed movement of the carriers is realized by means of the action of ultrasound from outside the body or by an artificial and/or biohybrid flagellar-like drive.
  • carriers in droplet form can also be multifunctional by incorporating additional agents during their formation.
  • agents can be active ingredients present in microcapsules, as well as magnetic materials in beads and/or infrared reporters, reflectors or absorbers in order to be able to track the carriers during their movement and in particular in vivo.
  • the carriers may also contain antioxidants and estrogen to protect the gametes and/or zygotes and/or embryos during their transport.
  • organometallic materials or oxygen-sensitive particles as components of the carriers is also possible to monitor the metabolism of gametes and/or zygotes and/or embryos during their journey in vivo.
  • Such materials and components of the carrier can also be referred to as nanosensors or nanoactuators.
  • Such nanosensors or nanoactuators can measure the concentrations of, in particular, harmful metabolites, the glucose level and the oxidation state of the embryo and release in situ drugs or substances, such as antioxidants, nutrients and growth factors, to combat harmful metabolites.
  • parameters from the microenvironment such as the pH value, secreted proteins, growth factors, reactive oxidative species (ROS), hormones, substances secreted by the fallopian tube
  • a corresponding reaction from the wearer such as the local release of drugs/molecules/antioxidants/growth factors or their shape change, for example for the release of gametes and/or zygotes and/or embryos.
  • detected parameters can be determined by bioimaging or by biofluid analysis external to the body, such as via lateral flow sensors or PCR.
  • the carriers can also advantageously have components which are holders, grippers, loops, catheters, cavities for releasably connecting to gametes and/or zygotes and/or embryos and/or sensors, actuators.
  • the carriers according to the invention can be used to bring sensors into the area of the gametes and/or zygotes and/or embryos, which can be used to carry out in-situ monitoring of embryonic development, or they are mechanical, optical and/or electrical actuators for cell stimuli or present for in-situ molecule release.
  • sensors can not only monitor the development of the embryo, but also measure environmental parameters such as local pH, temperature, glucose levels, etc. both in vivo and in particular in the fallopian tube and transmit the measured values outside the body.
  • the carrier or carriers can be connected mechanically or digitally to devices arranged ex vivo for controlling the movement and/or the components on the carriers.
  • the carriers according to the invention can be tied outside the body, for example to catheters or tethers, and can move or be moved in the body or unbound.
  • the movement may be floating, rolling, sliding and/or walking, or may be a peristaltic movement or movement triggered by a traveling wave of the surrounding fluid.
  • the external influences are advantageously external magnetic fields or external ultrasound or a combination thereof, whereby these external influences can be used at the same time for the application of imaging methods.
  • gametes and/or zygotes and/or embryos of the highest quality can be transported and released non-invasively in vivo.
  • the carriers used for this purpose are advantageously multifunctional microrobots with maximum dimensions in all spatial directions of 500 pm, which consist at least predominantly of intelligent, biocompatible materials and have been manufactured using advanced microtechnologies.
  • the solution according to the invention can support and improve fertilization and embryo implantation in vivo.
  • the solution according to the invention can also be used successfully, particularly in areas of the reproductive system that are difficult to access, such as the fallopian tubes.
  • the fallopian tube is an organ that plays an important role in the migration/support of gametes and zygotes during fertilization.
  • the fallopian tube is also important in the development and transport of an embryo to the uterus, and especially precisely when the endometrium is ready for embryo implantation.
  • the known methods and devices have not previously targeted the fallopian tube, which is a tiny and intrinsic organ that is difficult to access.
  • assisted reproduction methods can be transferred in vivo with the proposed invention.
  • the method and device can also be extended to other medical scenarios, for example for the administration of drugs for the treatment of diseases such as cancer, endometriosis and/or other problems of female and male reproductive medicine and/or for delivery to other organs, e.g. B. for taking samples for diagnosis or for local diagnosis.
  • the carriers according to the invention which are advantageously nano- to micro-robots, i) have the ability to reliably capture and secure the gamete and/or zygote and/or embryo during transport between different environments, ii) enable access of the secreted molecules either through the ciliary cells of the fallopian tube or through the embryo itself, iii) are biocompatible and/or advantageously biodegradable, iv) are able to move in the fluids, which are usually viscoelastic media, and against backflow in the fallopian tube, and v) damage the fallopian tube, which is a very sensitive organ , not, vi) allow the in situ recording of the reproductive organ and the local microenvironment of the gametes and/or zygotes and/or embryos, vii) can determine their function (e.g.
  • the release of molecules, shape change, permeability rate, etc.) adapt according to the perceived microenvironment and health status of the gametes and/or zygotes and/or embryos, viii) can potentially carry drugs, for example to correct genetic defects of the gametes and/or zygotes and/or embryos during transport or their development in a to stop at an early stage if there is a noticeable, incurable malfunction in the embryo.
  • microcatheter tools can be present as components on the carrier, which release the gametes and/or zygotes and/or embryos at the desired positions through externally or internally triggered mechanisms, but which can also be used to minimize the complicated bends of the fallopian tube. to happen in an invasive way.
  • the carriers according to the invention can be introduced through the vagina into the uterus or the fallopian tube using a cannula or a catheter. There they can then capture and transport gametes and/or zygotes and/or embryos, for example using spherical microgrippers or capsule-like embryo carriers.
  • a significant advantage of the solution according to the invention is that in particular gametes and/or zygotes, i.e. sex cells and early embryos, in addition to later embryos, are moved in a directed manner and also for the gamete intrafallopian tube transfer (GIFT) or the zygote intrafallopian tube transfer (ZIFT ) can be used.
  • GIFT gamete intrafallopian tube transfer
  • ZIFT zygote intrafallopian tube transfer
  • gametes and/or zygotes and/or embryos can now also be stabilized can be moved in a small or non-invasive manner. According to the invention, this directed movement can extend into the fallopian tube.
  • the carriers used for this purpose according to the invention advantageously microrobots, do not have to remain in the body and do not have to be in direct contact with the gametes and/or zygotes and/or embryos even during contact.
  • the genes and/or zygotes and/or embryos can, for example, be present in a capsule which is then in direct contact with the carrier.
  • the carriers according to the invention have smaller dimensions than current surgical tools. They can be tethered, for example as robotic catheters, or as untethered, floating, rolling, sliding and/or walking nano- to micro-robots.
  • the carriers according to the invention are biocompatible and advantageously biodegradable, which can be adapted, for example, to the residence time required for the transfer of gametes and/or zygotes and/or embryos to the desired location.
  • the carriers according to the invention can also be loaded with other functional materials and/or biomolecules to support embryonic development (e.g. antioxidants, maturation factors, nutrients, protective molecules to reduce thermal and mechanical stress).
  • other functional materials and/or biomolecules e.g. antioxidants, maturation factors, nutrients, protective molecules to reduce thermal and mechanical stress.
  • the carriers according to the invention can also be equipped with mechanical, optical and/or electrical micro- or nano-sensors or actuators.
  • the advantages of the present invention are particularly relevant in the case of multiple embryo implantation errors, where conventional in vitro fertilization methods are used and the embryo transfer takes place at the uterine site without pregnancy success. Due to the gentle interaction of the carriers according to the invention with the surrounding tissues in the body, compared to the correct and bulky manipulation and imaging tools used today in various steps of the assisted reproductive process, starting with egg retrieval and further uterine implantation of the embryo or the laparoscopy-assisted intrafallopic Transfer, can significantly improve implantation rates and thus pregnancy outcomes.
  • the carrier can contain nanosensors that can measure and sometimes regulate various variables of the embryonic development process.
  • the present invention also has the advantage that essentially no non-biocompatible materials are used or that they do not come into direct contact with the gametes and/or zygotes and/or embryos. Since, according to the invention, the carriers are in any case detachable from the gametes and/or zygotes and/or embryos, non-biocompatible materials of the carriers do not have a detrimental influence on the gametes and/or zygotes and/or embryos and can be easily removed from the body .
  • Example 1 The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.
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  • Example 1 Example 1 :
  • a microcatheter with dimensions of 100 pm in diameter is made from PEGDA as a biocompatible material, which forms the outer shell of the microcatheter, using 3D printing.
  • a cavity for an embryo and a micropump and a sensor for optical/electronic monitoring of the embryo are integrated into the microcatheter.
  • an embryo with the surrounding fluid and nutrients is gently sucked into the cavity of the microcatheter outside of a body and then introduced through a cannula through the vagina into the cervix.
  • the microcatheter is then moved towards the uterine mucosa using ultrasound.
  • the position and condition of the embryo is monitored and its arrival at the desired location is determined.
  • the catheter After positioning the embryo, which is carried out without anesthesia or with local anesthesia and which takes approximately 1 hour, the catheter can be removed.
  • a microcapsule with a diameter of 500 pm is produced from gelatin as a biocompatible material as a carrier.
  • Both sperm and an egg cell are introduced into the microcapsule using droplet fluidics together with nanopropellers and nanosensors made of a magnetic material and nutrients.
  • the microcapsule is then moved via external magnetic fields through the vagina into the uterus and finally into the fallopian tube. At this point and time, the breakdown of the biocompatible material begins so that the sperm and egg are released and fertilization of the egg occurs during the lutheal phase of the estrous cycle.
  • the resulting zygote can then develop into an embryo under more natural conditions and the uterus in perfect synchronization with the Endometrial preparation can be achieved by the zygote moving further to the uterus through the peristalsis of the fallopian tube and can implant itself in the mucous membrane.
  • the zygote is positioned naturally without anesthesia, but it can also be carried out under local anesthesia.
  • the biocompatible material of the microcapsule is removed from the body in approximately 1 hour and together with the magnetic material with the surrounding fluid of the fallopian tube.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein Verfahren, wie es beispielsweise bei der in-vivo-Reproduktion und bei der Gesundheitsfürsorge angewandt werden kann, und eine Vorrichtung zur Realisierung der kontrollierten Bewegung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei dem die Vorrichtung deutlich weniger invasiv einsetzbar ist und durch das Verfahren deutlich höhere Implantationsraten realisierbar sind. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen mit einem oder mehreren Trägern lösbar verbunden werden, und die Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen selbständig oder mittels externer Einwirkungen gerichtet bewegt werden. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, mindestens enthaltend einen Träger mit maximalen Abmessungen in allen Raumrichtungen von 500 µm, der mindestens überwiegend aus biokompatiblen Materialien besteht.

Description

Verfahren und Vorrichtung mindestens zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften, der Biologie und der Medizin und betrifft ein Verfahren mindestens zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden, wie es beispielsweise bei der in-vivo-Reproduktion und bei der Gesundheitsfürsorge angewandt werden kann, wobei neben der kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen beispielsweise auch eine sichere Entwicklung der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen realisiert werden kann, und eine Vorrichtung zur Realisierung der kontrollierten Bewegung.
Unfruchtbarkeit ist ein Problem, von dem weltweit 48,5 Millionen Paare, ca. 11 % der Bevölkerungen, im reproduktiven Alter betroffen sind. Die möglichen Ursachen bei Frauen können Ovulationsstörungen, tubale Obstruktion, Endometriose sowie Uterus- und/oder zervikale Faktoren. Bei Männern wird die Unfruchtbarkeit normalerweise durch eine schlechte Spermienqualität verursacht, was sich in einer geringen Motilität oder abnormalen Morphologie oder in einer niedrigen Zahl an Spermien zeigt. Dadurch verringern sich die Möglichkeiten, die Eizelle in vivo zu befruchten.
Zu den bekannten Behandlungsverfahren der Unfruchtbarkeit gehören eine kostengünstige und minimal-invasive hormonelle Stimulation oder eine intrauterine Insemination, bei der Spermien in die Gebärmutter während des Eisprungs injiziert werden.
Weiter sind Verfahren der in-vitro-Fertilisation (IVF) oder der intrazytoplasmatischen Spermieninjektion (ICSI) bekannt, um Schwangerschaften zu realisieren. Diese Verfahren sind insbesondere indiziert, wenn eine Tubenunfruchtbarkeit oder eine schwere männliche Unfruchtbarkeit diagnostiziert wird.
Die Anwendung dieser Verfahren hat aufgrund der verbesserten Protokolle und besseren Gametenauswahltechniken rapide zugenommen und erreicht jetzt Befruchtungsraten von etwa 95%.
Der nachfolgende Embryotransfer ist jedoch immer noch das kritische Stadium, wobei nur 32% der Fälle zu klinischen Schwangerschaften führen. Darüber hinaus sind die Implantationsraten pro Embryo nach wie vor sehr niedrig (~ 17%), und oft muss der Eingriff mehrmals wiederholt werden, ohne Erfolg, was hohe wirtschaftliche und soziale Kosten mit sich bringt.
Selbst bei den ersten drei Embryotransfers eines genetisch getesteten euploiden Embryos im Blastozystenstadium und der Behandlung von Frauen mit anatomisch normaler Gebärmutter liegen die Implantationsraten nur zwischen 60,3-69,9 %.
Mögliche Ursachen für diese niedrigen Implantationsraten und damit Schwangerschaftsraten von übertragenen Embryonen, die durch IVF und ICSI gewonnen wurden, können der Stress sein, dem die Gameten während der In-vitro- Vorbereitungs- und Kultivierungsschritte ausgesetzt sind, oder Lebensstilfaktoren des behandelten Paares, Krankheiten, Gebärmutter- oder Endometriumanomalien, embryonale Faktoren oder auch verschiedene Techniken im IVF-Labor oder während des Embryotransfers. Dennoch wird in den meisten Fällen keine offensichtliche Erklärung gefunden. Bei diesen medizinischen Problemen könnten weitere Diagnostika, wie Hysteroskopie und Endometriumbiopsie oder die Behandlung von Endometriumverletzungen, Änderungen des Stimulationsprotokolls, Blastozystentransfer, unterstütztes Schlüpfen und Präimplantationsscreening helfen.
Ein vielversprechendes Verfahren zur Verbesserung der Implantationsraten in RIF (Repeated implantation failure) scheint der intrafallopiane Transfer von Gameten oder Zygoten oder der in vitro befruchteten Eizelle (Embryo) zurück in den Eileiter durch Laparoskopie, auch Gameten/Zygoten-intrafallopianer Transfer (GIFT/ZIFT) genannt, zu sein. Es wird davon ausgegangen, dass der Vorteil dieses Verfahrens drin besteht, dass die geeignete physiologische Umgebung für die Embryonalentwicklung und eine optimale Synchronisation zwischen embryonaler und endometrialer Vorbereitung vorhanden ist. Dennoch ist die Reproduzierbarkeit dieser Verfahren sehr gering und hängt von den Fähigkeiten des Operateurs und den Kultivierungsbedingungen ab, bevor die Gameten oder der Embryo zurück in den Eileiter oder den Uterus übertragen werden.
Hinzu kommt, dass dieses Verfahren sehr invasiv ist und einen chirurgischen Eingriff und Anästhesie erfordert, um die makroskopische Bildgebungs- und Manipulationswerkzeuge für die Laparoskopie in den weiblichen Körper einzuführen. Dies kann zu Nebenwirkungen, wie Eileitertrauma, Entzündungen, Eileiterschwangerschaften, Infektionen oder intraluminale Pathologien, führen.
Nichtsdestotrotz scheint diese Behandlung zu vergleichsweise hohen Schwangerschaftsraten von 39,8 % bei Patienten mit RIF hoher Ordnung (verlängerte Unfruchtbarkeitsdauer und eine hohe Anzahl von fehlgeschlagenen Standard-IVF-ET- Zyklen) geführt zu haben, so dass dieses Verfahren möglicherweise noch ungenutzte Potenziale aufweisen könnte.
Zur Verbesserung der dargelegten Probleme sind weitere Verfahren bekannt, insbesondere zur Verbesserung der Mobilität von motilen Zellen, wie Spermien. Nach der DE 102012212427 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein oder mehrere motile Zellen in oder an ein magnetisches oder mehrere magnetische Partikel eingebracht oder angebracht werden, und nachfolgend durch Anlegen eines externen Magnetfeldes die magnetischen Partikel mit den in oder an ihnen eingebrachten oder angebrachten motilen Zellen gerichtet bewegt werden.
Mit diesem Verfahren wird die Aktivität und gesteuerte Mobilität von motilen Zellen verbessert und die Bewegung der motilen Zellen in eine gewünschte Richtung gesteuert.
Derartige Verfahren eignen sich nicht für immobile Zellen.
Immobile Zellen sind beispielsweise Spermien, die ihre Beweglichkeit verloren haben oder Eizellen generell.
Die Bewegung einer Eizelle erfolgt, in dem beim Eisprung (Ovaluation) sich die trichterförmige Fimbria über den Eierstock stülpt und die Eizelle aufnimmt. Dabei zieht sich der Eileiter in rhythmischen Bewegungen zusammen. Den Transport der Eizelle im Eileiter übernehmen winzige Flimmerhärchen (Ziliarzellen). Sie schieben die Eizelle in Richtung Gebärmutter (Wikipedia, Stichwort Bewegung einer Eizelle).
Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Ei oder ein Embryo mit einer Schicht aus magnetischen Partikeln versehen wird und durch Anlegen eines magnetischen Feldes über einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten das Ei oder der Embryo in der Gebärmutter stabilisiert wird (US 6,695,766 B4). Der Transport des Ei's oder des Embryos mit der Schicht aus magnetischen Partikeln in die Gebärmutter erfolgt mittels eines Katheters. Die magnetischen Partikel können einen Durchmesser von 0,1 bis 200 pm aufweisen. Diese magnetischen Partikel werden mit dem Ei oder dem Embryo zusammengebracht, so dass die reaktiven Gruppen an der Oberfläche der magnetischen Partikel mit reaktiven Gruppen auf der Oberfläche des Ei's oder des Embryo's reagieren können und so die Haftung der magnetischen Partikel an der Oberfläche des Ei's oder des Embryo's realisieren.
Ebenfalls bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung der Beweglichkeit von immobilen Zellen, bei dem die immobile Zelle, immobile Spermien mit einer Mikrostruktur verbunden wird, wobei die Mikrostruktur mindestens teilweise aus magnetischen Materialien besteht und mittels eines sich zeitlich verändernden dreidimensionalen externen Magnetfeldes eine nichtreziproke Bewegung der Mikrostruktur mit der immobilen Zelle ausgeführt wird (DE 10 2014 201 760 A1 ).
Weiter ist aus der US6050935 A eine Behälteranordnung für die intravaginale Befruchtung und den Embryotransfer bekannt, die bei der intravaginalen Befruchtung verwendet wird. Dazu wird der Behälter in das Scheidengewölbe eingesetzt.
Der Behälter weist einen Behälterkörper mit einer Öffnung zum Einführen eines Kulturmediums, einer oder mehrerer Eizellen und Spermien und zur anschließenden Entnahme eines Embryos oder mehrerer Embryos mit einem Entnahmekatheter auf. Der Behälterkörper weist eine Hauptkammer zur Aufnahme des Kulturmediums, der Eizellen und des Spermas und eine Mikrokammer zum Sammeln für die Entnahme eines oder mehrerer Embryonen auf. Der Behälter ist mit einer Kapsel aus weichem, elastischem Material umhüllt. Eine Schlaufe an einem Teil der Kapsel passt die Länge an die anatomischen Gegebenheiten an. Die Mikrokammer verfügt über einen Kanal, der die Katheterspitze aufnimmt, um die Entnahme der Embryonen zu erleichtern und gleichzeitig das Risiko einer Verletzung der Embryonen auszuschließen. Die Mikrokammer ermöglicht die mikroskopische Inspektion der Embryonen in situ vordem Transfer in die Gebärmutterhöhle.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen des Standes der Technik ist, dass einerseits invasive Verfahren zur Implantation von Embryonen bekannt sind und angewandt werden, und andererseits immer noch relativ niedrige Implantationsraten und damit Schwangerschaftsraten von übertragenen Embryonen realisiert werden. Ebenso werden bei den bekannten Verfahren vergleichsweise große Vorrichtungen eingesetzt, die zu Verletzungen der Embryonen und/oder des Gewebes führen können oder auch zur Einpflanzung des Embryonen an einer falschen Stelle, was zu einer ektopischen Schwangerschaft führt. Ebenso führt die geringe Genauigkeit der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Befruchtung und Geburt von mehreren Embryonen, was auch nicht wünschenswert ist, da Mehrlingsschwangerschaften ein hohes Risiko für Mutter und Baby darstellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung mindestens zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden anzugeben, bei dem die Vorrichtung deutlich weniger invasiv einsetzbar ist und durch das Verfahren deutlich höhere Implantationsraten und damit Schwangerschaftsraten realisierbar sind.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung miteinschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden werden Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen mit einem oder mehreren Trägern lösbar verbunden, und die Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen werden selbständig oder mittels externer Einwirkungen gerichtet bewegt.
Vorteilhafterweise wird eine Verbindung zwischen Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen und dem oder den Trägem realisiert, die mittels physikalischer oder chemischer Mittel realisierbar und/oder lösbar ist.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Träger oder Bauteile der Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen eingesetzt, die mit einem kraft- und/oder formschlüssigen, lösbaren oder nicht lösbaren Kontakt mit einer oder mehreren ex vivo angeordneten Vorrichtungen mechanisch oder digital verbunden sind, wobei noch vorteilhafterweise ex vivo angeordnete Vorrichtungen zur Steuerung und/oder Bewegung und/oder Beladung der Träger vor dem in vivo-Transfer eingesetzt werden.
Weiterhin vorteilhafterweise werden Träger eingesetzt, die sich selbständig bewegen, wobei sich mehrere Träger unabhängig voneinander in gleiche oder unterschiedliche Richtungen oder sich als Schwarm in die gleiche Richtung bewegen.
Und auch vorteilhafterweise werden die Träger mittels eines externen physikalischen Feldes, wie eines Magnet- oder Ultraschallfeldes, oder mittels chemischer, thermischer oder physikalischer Stimuli bewegt. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Position und Bewegung der Träger mittels bildgebender Verfahren überwacht wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mittels an oder in den Trägem befindlichen Sensoren oder Aktoren in situ Parameter aus der Umgebung der Träger ermittelt, übermittelt und überwacht und/oder ausgehend von ermittelten Parametern aus der Umgebung des Trägers Veränderungen der Parameter realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mindesten zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden enthält mindestens einen Träger mit maximalen Abmessungen in allen Raumrichtungen von 500 pm, der mindestens überwiegend aus biokompatiblen Materialien besteht.
Vorteilhafterweise weist der mindestens eine Träger Abmessungen in allen Raumrichtungen von 10 nm bis 100 pm, vorteilhafterweise von 1000 nm bis 80 pm, noch vorteilhafterweise von 10 bis 1000 nm auf.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind die biokompatiblen Materialen der Träger vollständig im Körper abbaubar.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht die Außenhülle der Träger vollständig aus biokompatiblen Materialien.
Und auch vorteilhafterweise sind als biokompatible Materialien Hydrogele, wie Gelatine, Methacrylate, Collagen, Seide, Alginate oder biologisch abbaubare Metalloxide, oder metallische Legierungen, wie FeMgSi oder FePt, mit oder ohne hartmagnetische Materialien, wie NdFeB, CrÜ2 oder BaFe^O , oder superparamagnetische Eisenoxid- Nanopartikel, wie SPIONs oder Eisen-Platin- Nanopartikel vorhanden, oder andere Materialien sind mit biokompatiblen Materialien beschichtet, wie Oberflächenbeschichtungen aus Proteinen, Gold oder Polymeren, wie Parylen oder Polyethylenglycoldiacrylat (PEGDA). Vorteilhaft ist es auch, wenn die Träger Bauteile aufweisen, die Halterungen, Greifer, Schlingen, Katheter, Hohlräume zur lösbaren Verbindung zu Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen, Sensoren und/oder Aktoren sind.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Träger Antriebsvorrichtungen zur selbständigen Bewegung aufweisen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Träger Mikro- oder Nanoroboter sind.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Träger Materialien aufweisen, mit denen die Träger durch externe oder lokale Einwirkungen bewegt werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Träger organische, anorganische und/oder magnetische Materialien enthalten.
Und auch von Vorteil ist es, wenn an oder in den Trägem Sensoren oder Aktoren vorhanden sind, die in situ Parameter aus der Umgebung der Träger ermitteln, übermitteln und überwachen und/oder ausgehend von ermittelten Parametern aus der Umgebung des Trägers Veränderungen der Parameter realisieren.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn der oder die Träger mit ex vivo angeordneten Vorrichtungen zur Steuerung und/oder Bewegung und/oder Beladung der Träger vor dem in vivo-Transfer verbunden sind, wobei die Verbindung über mechanische Vorrichtungen oder digital realisiert ist.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Träger funktionelle Materialien und/oder Biomoleküle zum Schutz und/oder zum Wachstum der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen aufweisen, wobei noch vorteilhafterweise die Träger Antioxidantien, Reifungsfaktoren, Nährstoffe, Schutzmoleküle zur Verringerung thermischer und mechanischer Belastungen aufweisen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden anzugeben, bei dem die Vorrichtung deutlich weniger invasiv einsetzbar ist und durch das Verfahren deutlich höhere Implantationsraten und damit Schwangerschaftsraten realisierbar sind.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden, bei dem Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen mit einem oder mehreren Trägern lösbar verbunden werden.
Gameten, auch als Geschlechtszellen oder Keimzellen bezeichnet, sind spezialisierte Zellen, von denen sich zwei bei der geschlechtlichen Fortpflanzung zu einer Zygote vereinigen.
Eine Zygote ist eine eukaryotische diploide Zelle, die bei der geschlechtlichen Fortpflanzung durch Verschmelzung zweier haploider Geschlechtszellen entsteht, meist aus einer Eizelle und einem Spermium.
Ein Embryo ist ein Lebewesen in der Frühphase seiner Entwicklung.
Die erfindungsgemäß zu bewegenden Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen können von Menschen und Tieren sein.
Die Verbindung und auch die Auflösung der Verbindung zwischen den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen und dem einen oder mehreren Trägem kann mittels physikalischer und/oder chemischer Mittel erfolgen.
Physikalische Mittel können mechanische Mittel sein, wie Halterungen, Greifer, Schlingen, Katheter, Hohlräume am oder im Träger. .
Ebenso können Nano- bis Mikroaktoren an oder in dem Trägermaterial vorhanden sein, beispielsweise mit Greifarmen oder Greiffingern, die durch elektrische, mechanische, thermische und/oder chemische Stimuli geöffnet oder geschlossen werden können. Derartige Nano- bis Mikroaktoren haben vorteilhafterweise Abmessungen in der Größenordnung der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen.
Dabei kann es vorteilhaft sein, dass der Träger auch Hohlräume oder Kapseln, möglichst mit durchlässigen oder halbdurchlässigen Wandungen, aufweist, in die die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen oder andere Materialien aufgenommen werden können.
Als mechanische Mittel können besonders vorteilhaft Träger sein, die an Mikrokatheter kraft- und/oder formschlüssig gebunden sind. Dabei ist der Mikrokatheder mit Vorrichtungen zur Steuerung und/oder Bewegung und/oder Beladung der Träger vor dem in vivo-Transfer verbunden sind. Ein erfindungsgemäßer Träger kann daher von einer herkömmlichen Kanüle oder einem Eizellentransferkatheter in den Körper eingesetzt werden. Durch die mindestens Mikro-Abmessungen von Katheter und Trägem können auch komplizierte und empfindliche Bereichen des Körpers, wie den Eileiter erreicht werden.
Diese Verbindung des Mikrokatheder nach außerhalb des Körpers kann vorteilhafterweise über mechanische Vorrichtungen oder digital realisiert sein.
In einem solchen Fall kann der erfindungsgemäße Träger lösbar oder unlösbar an das mechanische Mittel, wie den Mikrokatheter gebunden sein.
Weiter können frei bewegliche Träger, die sich selbständig bewegen können, als ungebundene Träger erfindungsgemäß vorhanden sein.
Derartige Träger können mobile Greifer und/oder Kapseln sein oder in Form von Stäben und/oder Zylindern vorliegen.
Die Träger können auch unterteilt sein, beispielsweise in verschiedene Module innerhalb desselben Trägers, wodurch verschiedene Komponenten (Gameten/Zygote/Embryo, magnetische Partikel, Kontrastmittel, Antioxidantien usw.) gehalten und auch separat gehalten werden können.
Der Transfer dieser Träger in den Körper kann über eine herkömmliche Kanüle oder einen Embryotransferkatheter in die Gebärmutter erfolgen.
Diese mobilen, ungebundenen Träger können beispielsweise durch die Einwirkung eines externen Feldes gerichtet bewegt werden. So können die Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen oder andere Materialien beispielsweise schwimmend, krabbelnd, gehend, rollend, aber ohne eine mechanische Verbindung nach außerhalb des Körpers, die gewünschten Bereiche und insbesondere auch die kompliziert zu erreichen und/oder empfindlichen Bereiche, wie beispielsweise den Eileiter.
Vorteilhafterweise wird die Bewegung der Träger mittels Bioimaging in Echtzeit mit einer möglichst hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung überwacht und dementsprechend gesteuert.
Chemisch kann die Verbindung über funktionelle Gruppen und/oder Gele realisiert werden, beispielsweise durch Aufnahme des Trägers in Hydrogele, Ankoppeln an reizempfindliche Linker, Ankoppeln über hydrophile/hydrophobe Wechselwirkungen, über hydrodynamische oder elektrostatische oder magnetische oder akustische Kräfte.
Die Auflösung der Verbindung zwischen Träger und mindestens Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen kann durch Lösen der physikalischen Verbindungen oder Auflösen der chemischen Verbindungen, aber auch dadurch, dass Trägermaterialien eingesetzt werden, deren Abbau und insbesondere biologischer Abbau im Körper realisiert wird. Die Abbaurate sollte dabei an den jeweiligen Transfer der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen bis an den Bestimmungsort und die dafür benötigte Verweilzeit angepasst und beispielsweise durch die Zusammensetzung der lokalen Umgebung oder lokal vorhandene Proteasen oder durch externe Einflüsse, wie den Einsatz von lokaler Temperaturerhöhung gesteuert werden. Sobald die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen den Bestimmungsort erreicht haben, kann sich dann das biologisch abbaubare Trägermaterial auflösen.
Erfindungsgemäß werden dann die Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen selbständig oder mittels externer Einwirkungen gerichtet bewegt.
Dabei können die Träger auch zuerst ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen außerhalb des Körpers bewegt werden oder sich bewegen und mit anderen Vorrichtungen, wie Kanülen oder Kathetern in den Körper eingebracht werden, um dann die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen aufzunehmen und festzuhalten und an den gewünschten Ort zu transportieren. Ebenso können die Träger durch lokale Einflüsse, wie Chemotaxis, Thermotaxis, Thigmotaxis oder Rheotaxis, bewegt und/oder ihre Bewegung gerichtet gesteuert werden. Die Träger können auch durch externe physikalische Felder wie Magnetfeld, Ultraschall und/oder Infrarotlicht gesteuert werden.
Es können die Träger aber auch bereits außerhalb des Körpers mit den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen verbunden werden und dann gemeinsam in den Körper transportiert werden. Dies kann ebenfalls über andere Mittel, wie Kanülen oder Katheter erfolgen, oder die Träger mit den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen bewegen sich selbständig oder werden mittels externer Einwirkungen bewegt.
Beispielsweise können die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in vitro mit einem Träger versehen werden und dann beispielsweise mit einem nichtchirurgischen Embryotransferset (NSET) oder einer flexiblen Kanüle durch den Gebärmutterhals zum Eingang der Gebärmutter transportiert werden.
Am gewünschten Ort, beispielsweise in der Gebärmutter können die Träger dann durch externe oder lokale chemische oder physikalische Auslöser von den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen getrennt werden. Solche externen Einwirkungen können vorteilhafterweise externe hydrodynamische, magnetische, elektrostatische und/oder akustische Felder sein.
Ebenfalls vorteilhafterweise können die Position und Bewegung der Träger mittels bildgebender Verfahren oder externer Sensoren überwacht werden. Dabei kann der Träger lokale Reaktionen oder Biomarker auslösen, die später in biologischen Flüssigkeiten nachgewiesen werden können. Dieser Nachweis kann beispielsweise durch externe Schnelltestsenoren oder PCR geführt werden. Ebenso kann es zu einer lokalen Formänderung oder Aktivierung eines „Report“ -Teils des Trägers kommen, was beispielsweise durch Magnetresonanz-Verfahren oder PET oder andere bildgebende Verfahren nachgewiesen werden kann.
Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden mindestens einen Träger mit maximalen Abmessungen in allen Raumrichtungen von 500 pm, der mindestens überwiegend aus biokompatiblen Materialien besteht. Vorteilhafterweise sind die maximalen Abmessungen der Träger in allen Raumrichtungen von 10 nm bis 100 pm, vorteilhafterweise von 1000 nm bis 80 pm, noch vorteilhafterweise von 10 bis 1000 nm.
Weiterhin werden Größe und Materialien des Trägers einerseits von den zu transportierenden Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen bestimmt, aber die Träger bestehen mindestens überwiegend auch aus biokompatiblen Materialien, die selbst die Mikroumgebung des Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryos wahrnehmen und auf diese reagieren können, beispielsweise durch Veränderung der Form oder der Oberflächeneigenschaften, um beispielsweise benötigte Substanzen freizusetzen, die einen sicheren Transport und eine sichere Entwicklung der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen während des Transfers in den Eileiter oder in die Gebärmutter gewährleisten. Ebenso sind die Trägermaterialien vorteilhafterweise permeabel für Nährstoffe, Antioxidantien und Wachstumsfaktoren, die durch die Trägermaterialien in vivo in den Körper oder aus der Eileiterflüssigkeit in den Träger gelangen können und sollen.
Die maximalen Abmessungen der Träger überschreiten in allen Raumrichtungen nicht die Mindestabmessungen der Eileiter, mit ca. 500 pm Durchmesser.
In jedem Fall weist der Träger so geringe Abmessungen wie möglich auf, jedoch können auch Träger mit Abmessungen bis ca. 500 pm möglich sein, da die Bereiche, in denen sich der Träger bewegen muss, anpassungsfähige Gewebe sind, die gefaltet und damit auch dehnbar sind.
Vorteilhafterweise weisen die Träger eine ähnliche Größe, wie die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen auf, um den Zugang zu den engsten Regionen des Eileiters zu ermöglichen, ohne das umgebende Gewebe zu schädigen.
Die Träger weisen derartige Abmessungen und Formen auf, dass sie die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen während des Transports, beispielsweise zur Ampulla, schützen, damit sie sich unter möglichst natürlicheren Bedingungen entwickeln können, bis sie das Gebärmutter-Endometrium, die Gebärmutter- Schleimhaut im Inneren der Gebärmutter erreicht haben. Dies kann beispielsweise durch Kapseln erreicht werden, in die die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen, aber auch andere Materialien, während des Transports eingeschlossen werden.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Außenhülle der Träger vollständig aus biokompatiblen Materialien besteht. Dies ist besonders wichtig, wenn ein Träger verwendet wird, der im Körper verbleiben und/oder dort abgebaut werden soll. Sofern der Träger aus dem Körper entfernt werden kann und soll, sind auch andere medizinisch unbedenkliche Materialien einsetzbar.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind die biokompatiblen Materialen des Trägers vollständig im Körper abbaubar.
Der Abbau der Trägermaterialien erfolgt erfindungsgemäß dann, wenn der Träger seine Funktion im Körper erfüllt hat und nicht durch andere Maßnahmen, Verfahren oder Vorrichtungen aus dem Körper entfernt wird.
Derartige biokompatiblen Materialien sind insbesondere Hydrogele, wie Gelatine, Methacrylate, Collagen, Seide, Alginate oder biologisch abbaubare Metalloxide, die alle möglichst biologisch abbaubar, durchlässig und/oder weich sind und eine sanfte Wechselwirkung mit dem umgebenden Gewebe im Körper ausüben.
Andere biokompatible Materialien sind beispielsweise metallische Legierungen, wie FeMgSi oder FePt, mit oder ohne hartmagnetische Materialien, wie NdFeB, CrÜ2 oder BaFe^O , oder superparamagnetische Eisenoxid- Nanopartikel, wie SPIONs oder Eisen-Platin-Nanopartikel. Oder es können andere Materialien eingesetzt werden, die mit biokompatiblen Materialien beschichtet sind, wie Oberflächenbeschichtungen aus Proteinen, Gold oder Polymeren, wie Parylen oder Polyethylenglycoldiacrylat (PEGDA).
Weiter können die Träger Materialien je nach Bedarf aufweisen, die Antioxidantien, Hormone, Medikamente sind oder beinhalten und/oder durchlässig für den Austausch von Nährstoffen aus den sekretorischen Zellen im Körper und insbesondere im Eileiter sind. Derartige Materialien können auch Faktoren für die epigenetische Regulierung, den Schutz des Immunsystems, den Schutz vor oxidativem Stress und Hitzestress, oder unterstützende Substanzen für die Spaltung und Entwicklung des Embryos (embryotrophe Faktoren, Wachstumsfaktoren) sein. Durch die für die Träger eingesetzten Materialien wird die Reibung des Trägers zu den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen deutlich reduziert, wodurch mögliche Schäden und Zytotoxizität und Stress für die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen vermieden wird. Ebenso wird vorteilhafterweise gleichzeitig der Durchgang/Austausch der Nährstoffe und der sezernierten Eileiterflüssigkeit für die Embryonalentwicklung und den Transport ermöglicht oder unterstützt.
Vorteilhafterweise weisen der oder die Träger funktionelle Materialien und/oder Biomoleküle zum Schutz und/oder zum Wachstum der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen auf. Derartige funktionelle Materialien können auch Nanosensoren zur Überwachung von Umgebungsparameter der Mikroumgebung, wie Sauerstoffgehalt, Glukosespiegel, Wachstumsfaktoren usw. sein, die auch durch den Nanoaktoren des Trägers oder darin enthaltene Materialien in-situ reguliert werden können.
Die Träger aus den biokompatiblen und vorteilhafterweise biologisch abbaubaren Materialien können mit Verfahren der Zwei-Photonen-Lithographie oder mittels Verfahren zur Herstellung von verspannten Materialien (strain engineering) oder mittels 3D- oder 4D-Drucktechnologien hergestellt werden.
Ebenfalls können die Träger mittels Tröpfchenmikrofluidik hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren bietet den Vorteil, dass Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen gleich mit in einzelne Tröpfchen aus biologisch abbaubaren oder reizreizempfindlichen Polymeren eingebracht werden können.
Weitere Möglichkeiten der Herstellung der Träger bestehen durch chemische Synthese oder durch templat-basierte Verfahren.
Später können diese Tröpfchen in den Körper überführt und dort mittels Ultraschallwellen oder durch magnetische Propeller oder durch lokale Stimuli, wie Temperaturgradienten, chemische Gradienten, Flüsse, gerichtet bewegt werden.
Die magnetischen Propeller können in mikrofluidischen Kanälen platziert werden, und so durch die Erzeugung von differentiellen Strömungen das Einfangen von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in die Tröpfchen erleichtern. Das Einfangen kann aber auch durch Selbstmontagetechniken oder durch Ausnutzung von Kapillarkräften, hydrodynamischen Kräften oder hydrophilen-hydrophoben Wechselwirkungen realisiert und/oder erleichtert werden. Ebenso kann das Einfangen der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen durch die Kopplung oder Beladung der Träger in vitro durch optische, magnetische oder akustische Pinzette realisiert werden.
Vorteilhafterweise können die Träger Antriebsvorrichtungen zur selbständigen Bewegung aufweisen. Dies können dann vorteilhafterweise Mikro- oder Nanoroboter sein.
Aber auch der Einsatz von magnetischen Propeller als Teil der Träger kann zu einer selbständigen Bewegung der Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen führen.
Als Träger in Form von Mikrorobotern können strukturelle Materialien, wie PEGDA eingesetzt werden, oder ausgehöhlte Hydrogel-Röhren oder 3D-gedruckte Elastomere, wie Silikon, Polyurethan, Polyolefin, Styrol-Block-Copolymere.
Als Materialien für den Antrieb der Mikroroboter können beispielsweise Fe, FePt, für die magnetische Bewegung, oder elektroaktive Polymere, wie Polypyrrol oder andere stimulierend reagierende Hydrogele, angewandt werden.
Einige anorganische Schichten aus oder mit beispielsweise aus Au oder Pt, Legierungen oder Kern-Schale-Nanopartikeln sind auch für die Sensorik einsetzbar, oder für die Bildgebung können Nanomaterialien auf Au-Basis oder als quantum dots (QDs) eingesetzt werden, oder zur Vermeidung der Biofilmbildung kann Ag eingesetzt werden.
Durch die selbständige Bewegung können die Träger selbst eine leichte Strömung realisieren, durch die die Träger in der Lage sind, sich in den Fluiden im Körper, die meist viskoelastischen Medien sind, zu bewegen. Und sie können sich insbesondere auch gegen die Strömung oder gegen Rückflüsse, wie beispielsweise im Eileiter durch dessen peristaltische Bewegung und das Zinlienschlagen, bewegen.
Sofern die Träger magnetische Materialien aufweisen, können sie auch über externe Magnetfelder transportiert werden. Dies kann auch erfolgen, wenn die Träger in Tröpfchenform sind. Ebenso können die Träger Fluide enthalten, durch die mittels Einwirkung von Ultraschall von außerhalb des Körpers oder durch einen künstlichen und/oder biohybriden flagellarähnlichen Antrieb eine gerichtete Bewegung der Träger realisiert wird.
Weiter können Träger in Tröpfchenform auch multifunktional sein, indem zusätzliche Mittel während ihrer Bildung integriert werden. Bei diesen Mitteln kann es sich um Wirkstoffe handeln, die in Mikrokapseln vorhanden sind, ebenso wie magnetische Materialien in Perlen und/oder Infrarot-Reporter, Reflektoren oder Absorber, um die Träger bei ihrer Bewegung und insbesondere In-vivo verfolgen zu können.
Die Träger können auch Antioxidantien und Östrogen enthalten, um die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen während ihres Transports zu schützen.
Darüber hinaus ist auch die Verwendung metallorganischer Materialien oder sauerstoffempfindlicher Partikel als Bestandteile der Träger möglich, um den Stoffwechsel von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen während seiner Reise in vivo zu überwachen. Derartige Materialien und Bestandteile des Trägers können auch als Nanosensoren oder Nanoaktoren bezeichnet werden.
Derartige Nanosensoren oder Nanoaktoren können die Konzentrationen von insbesondere schädlichen Metaboliten, den Glukosespiegel und den Oxidationszustand des Embryos messen und in situ Medikamente oder Substanzen, wie Antioxidantien, Nährstoffe und Wachstumsfaktoren, freisetzen, um schädliche Metaboliten zu bekämpfen.
Ebenso können über die Nanosensoren oder Nanoaktoren in situ Parameter aus der Mikroumgebung, wie beispielsweise der pH-Wert, sezernierte Proteine, Wachstumsfaktoren, reaktive oxidative Spezies (ROS), Hormone, vom Eileiter sezernierte Substanzen, überwacht und eine entsprechende Reaktion des Trägers, wie beispielsweise die lokale Freisetzung von Medikamenten/Molekülen/Antioxidantien/Wachstumsfaktoren oder ihre Formänderung, beispielsweise für die Freisetzung der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen aktiviert werden. Darüber hinaus können solche detektierten Parameter durch Bioimaging oder durch körperexterne Biofluid-Analyse, wie beispielsweise über Lateral-Flow-Sensoren oder PCR, ermittelt werden. Ebenfalls vorteilhafterweise können die Träger Bauteile aufweisen, die Halterungen, Greifer, Schlingen, Katheter, Hohlräume zur lösbaren Verbindung zu Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen und/oder Sensoren, Aktoren sind.
Dabei können diese Bauteile direkt vom Träger über on-board-Energieversorgungen, aber auch extern über Felder angesteuert werden,
Dies könnte auch dazu führen, dass die Träger in Zukunft in der Lage sind, ihre Umgebung zu spüren, die Umgebung und die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen während der Reise im Körper zu analysieren und tiefere Einblicke in die Funktion und Struktur des weiblichen Fortpflanzungstraktes in den verschiedenen Stadien des Östruszyklus zu erhalten.
Ebenso können durch die erfindungsgemäßen Träger Sensoren in den Bereich der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen gebracht werden, die zur Durchführung der In-situ-Überwachung der Embryonalentwicklung dienen können, oder es sind mechanische, optische und/oder elektrische Aktoren für Zellreize oder für die in-situ Molekülfreisetzung vorhanden. Derartige Sensoren können nicht nur die Entwicklung des Embryos überwachen, sondern auch Parameter der Umgebung, wie den lokalen pH-Wert, die Temperatur, den Glukosespiegel usw. sowohl in vivo und insbesondere im Eileiter messen und die Messwerte nach außerhalb des Körpers weiterleiten.
Weiterhin vorteilhafterweise können der oder die Träger mit ex vivo angeordneten Vorrichtungen zur Steuerung der Bewegung und/oder der Bauteile an den Trägem, mechanisch oder digital verbunden sein.
Die erfindungsgemäßen Träger können außerhalb des Körpers angebunden sein, beispielsweise an Katheter oder Halteleinen und so oder ungebunden sich im Körper bewegen oder bewegt werden. Die Bewegung kann schwimmend, rollend, gleitend und/oder gehend sein, oder eine peristaltische Bewegung oder durch eine Wanderwelle der umgebenden Flüssigkeit ausgelöste Bewegung sein.
Die externen Einwirkungen sind vorteilhafterweise externe Magnetfelder oder externer Ultraschall oder deren Kombination, wobei diese externen Einwirkungen gleichzeitig für die Anwendung von bildgebenden Verfahren genutzt werden können. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen höchster Qualität in vivo nicht-invasiv transportiert und freigesetzt werden. Die dazu eingesetzten Träger sind vorteilhafterweise multifunktionale Mikroroboter mit maximalen Abmessungen in allen Raumrichtungen von 500 pm, die mindestens überwiegend aus intelligenten, biokompatiblen Materialien bestehen und mittels fortschrittlicher Mikrotechnologien hergestellt worden sind.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann die Befruchtung und Embryonenimplantation in vivo unterstützt und verbessert werden.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Lösung insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen des Fortpflanzungssystems, wie den Eileitern, erfolgreich angewandt werden. Der Eileiter ist ein Organ, das eine wichtige Rolle bei der Migration/ Unterstützung der Gameten und Zygoten während der Befruchtung. Ebenso ist der Eileiter wichtig bei der Entwicklung und dem Transport eines Embryos zur Gebärmutter, und insbesondere auch genau dann, wenn das Endometrium für die Embryonenimplantation bereit ist.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zielten bisher nicht auf den Eileiter ab, der ein winziges und intrinsisches Organ ist, das schwer zugänglich ist.
Im Gegensatz zu den etablierten In-vitro-Techniken können mit der vorgeschlagenen Erfindung unterstützte Reproduktionsverfahren in vivo übertragen werden. Das Verfahren und die Vorrichtung können auch auf andere medizinische Szenarien ausgedehnt werden, beispielsweise zur Verabreichung von Medikamenten zur Behandlung von Krankheiten, wie Krebs, Endometriose und/oder anderen Problemen der weiblichen und männlichen Fortpflanzungsmedizin und/oder für die Übertragung auf andere Organe, z. B. zur Entnahme von Proben für die Diagnose oder für die lokale Diagnose.
Die erfindungsgemäßen Träger, die vorteilhafterweise Nano- bis Mikroroboter sind, i) haben die Fähigkeit, den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryo während des Transports zwischen verschiedenen Umgebungen zuverlässig einzufangen und zu sichern, ii) ermöglichen den Zugang der sezernierten Moleküle entweder durch die Ziliarzellen des Eileiters oder durch den Embryo selbst, iii) sind biokompatibel und/oder vorteilhafterweise biologisch abbaubar, iv) sind in der Lage, sich in den Fluiden, die meist viskoelastischen Medien sind, und gegen Rückflüsse im Eileiter zu bewegen, und v) schädigen den Eileiter, der ein sehr empfindliches Organ ist, nicht, vi) ermöglichen die in-situ-Erfassung des Fortpflanzungsorgans und des lokalen Mikroumgebung der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen, vii) können ihre Funktion (z. B. die Freisetzung von Molekülen, Formveränderung, Permeabilitätsrate usw.) entsprechend der wahrgenommenen Mikroumgebung und dem Gesundheitszustand der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryos anpassen, viii) können potenziell Medikamente tragen, beispielsweise um genetische Defekte der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryos während des Transports zu korrigieren oder ihre Entwicklung in einem frühen Stadium zu stoppen, wenn eine auffällige, nicht heilbare Fehlfunktion des Embryos vorliegt.
Als Bauteile am Träger können beispielsweise Mikrokatheterwerkzeuge vorhanden sein, die durch extern oder intern ausgelöste Mechanismen die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen an den gewünschten Positionen freisetzen, die aber auch dazu verwendet werden können, um die komplizierten Biegungen des Eileiters auf minimal-invasive Weise zu passieren.
Die erfindungsgemäßen Träger können mittels einer Kanüle oder einem Katheter durch die Vagina in die Gebärmutter oder den Eileiter eingebracht werden. Dort können sie dann Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen beispielsweise mittels sphärischer Mikrogreifer oder kapselartigen Embryoträgem diese einfangen und transportieren.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass insbesondere Gameten und/oder Zygoten, also Geschlechtszellen und frühe Embryonen, neben späteren Embryonen, gerichtet bewegt und auch für den Gameten- Intraeileiter-Transfer (GIFT) oder den Zygoten-Intraeileiter-Transfer (ZIFT) eingesetzt werden können. Neben der bekannten Stabilisierung von Embryonen in der Gebärmutter können nun auch Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen wenig bis nichtinvasiv gerichtet bewegt werden. Diese gerichtete Bewegung kann erfindungsgemäß bis in den Eileiter erfolgen.
Die dazu erfindungsgemäß eingesetzten Träger, vorteilhafterweise Mikroroboter, müssen nicht im Körper verbleiben und müssen auch während des Kontaktes mit den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen nicht im direktem Kontakt stehen. Die Gamten und/oder Zygoten und/oder Embryonen können beispielsweise in einer Kapsel vorhanden sein, die dann mit dem Träger in direktem Kontakte steht.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber der Laparoskopie und dem intrauterinen Embryotransfer sind:
- weniger invasiv bis nicht invasiv
Die erfindungsgemäßen Träger weisen geringere Abmessungen als aktuelle chirurgische Werkzeuge auf. Sie können angebunden sein, beispielsweise als Roboterkatheter, oder als ungebundene, schwimmende, rollende, gleitende und/oder gehende Nano- bis Mikroroboter.
- Auswahl von Materialien
Die erfindungsgemäßen Träger sind biokompatibel und vorteilhafterweise biologisch abbaubar, was beispielsweise an die für den Transfer von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen an den gewünschten Ort benötigte Verweilzeit angepasst werden kann.
- weiter funktionale Möglichkeiten
Die erfindungsgemäßen Träger auch mit anderen funktionellen Materialien und/oder Biomolekülen beladen werden, um die Embryonalentwicklung zu unterstützen (z. B. Antioxidantien, Reifungsfaktoren, Nährstoffe, Schutzmoleküle zur Verringerung thermischer und mechanischer Belastungen).
- weitere Bauteile
Die erfindungsgemäßen Träger können auch mit mechanischen, optischen und/oder elektrischen Mikro- oder Nanosensoren oder -aktoren ausgestattet sein.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen vor allem bei multiplen Embryonenimplantationsfehlern von hoher Relevanz zum Tragen, wo herkömmliche In-vitro-Fertilisationsmethoden eingesetzt werden und der Embryotransfer an der Gebärmutterstelle ohne Schwangerschaftserfolg erfolgt. Aufgrund der sanften Wechselwirkung der erfindungsgemäßen Träger mit dem umgebenden Gewebe im Körper, verglichen mit den richtigen und sperrigen Manipulations- und Bildgebungswerkzeugen, die heutzutage in verschiedenen Schritten des assistierten Reproduktionsprozesses verwendet werden, beginnend mit der Eizellentnahme und der weiteren Uterusimplantation des Embryos oder dem laparoskopiegestützten intrafallopischen Transfer, können deutlich bessere Implantationsraten und damit die Schwangerschaftsergebnisse.
Weiterhin kann erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass nur ein hochwertiger Embryo mit dem Träger verbunden wird und in den Eileiter eingebracht wird.
Zur Sicherstellung, dass die Embryonen/Gameten von hoher Qualität sind und diese auch während des Transportes behalten, kann der Träger Nanosensoren enthalten, die verschiedene Variablen des Embryonalentwicklungsprozesses messen und teilweise auch regeln können.
Die vorliegende Erfindung hat zudem den Vorteil, dass im Wesentlichen keine nichtbiokompatiblen Materialien eingesetzt werden, oder diese mit den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen nicht direkt in Kontakt geraten. Da die Träger erfindungsgemäß in jedem Fall lösbar von den Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen sind, haben dadurch auch nichtbiokompatible Materialien der Träger keinen nachteiligen Einfluss auf die Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen und können problemlos aus dem Körper entfernt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können höhere Implantationsraten realisiert und damit die Schwangerschaftsergebnisse deutlich verbessert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Beispiel 1 :
Als Träger wird ein Mikrokatheter mit Abmessungen von 100 pm Durchmesser aus PEGDA als biokompatibles Material, welches die Außenhülle des Mikrokatheters bildet, mittels 3D-Druck hergestellt. In dem Mikrokatheter sind ein Hohlraum für ein Embryo und eine Mikropumpe und ein Sensor zur optischen/elektronische Überwachung des Embryo integriert.
Durch die Mikropumpe wird außerhalb eines Körpers ein Embryo mit der Umgebungsflüssigkeit und Nährstoffen in den Hohlraum des Mikrokatheter sanft eingesaugt und dann durch eine Kanüle durch die Vagina in den Gebärmutterhals eingebracht. Nachfolgend wird mittels Ultraschall der Mikrokatheter zur Uterusschleimhaut gerichtet bewegt. Mittels des Sensors und externer Bildgebungsvorrichtungen wird die Position und der Zustand des Embryos überwacht und der die Ankunft am gewünschten Ort festgestellt.
Nach Positionierung des Embryos, was ohne Anästhesie oder mit lokaler Anästhesie durchgeführt wird und wofür ca. 1 h benötigt wird, kann der Katheder entfernt werden.
Beispiel 2:
Mittels Tröpfchenfluidik wird als Träger eine Mikrokapsel mit einem Durchmesser von 500 pm aus Gelatine als biokompatiblem Material hergestellt.
Sowohl Spermien als auch eine Eizelle werden mittels Tröpfchenfluidik zusammen mit Nanopropellern und Nanosensoren aus einem magnetischen Material sowie Nährstoffen in die Mikrokapsel eingebracht.
Dann wird die Mikrokapsel über externe Magnetfelder durch die Vagina in die Gebärmutter und schließlich in den Eileiter bewegt. An dieser Stelle und zu diesem Zeitpunkt beginnt der Abbau des biokompatiblen Materials, so dass die Spermien und die Eizelle freigesetzt werden und die Befruchtung der Eizelle während der Luthealphase des Brunstzyklus stattfindet.
Danach kann sich die entstandene Zygote unter natürlicheren Bedingungen zu einem Embryo entwickeln und den Utherus in perfekter Synchronisation mit der Endometriumpräparation erreichen, indem die Zygote durch die Peristaltik des Eileiters weiter zur Gebärmutter wandert und kann sich in die Schleimhaut einnisten kann.
Die Zygote wird somit natürlich ohne Betäubung positioniert, sie kann aber auch in örtlicher Betäubung durchgeführt werden.
Das biokompatible Material der Mikrokapsel wird in ca. 1 Stunde und zusammen mit den magnetischen Material mit der umgebenden Flüssigkeit des Eileiters aus dem Körper entfernt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren mindestens zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden, bei dem Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen mit einem oder mehreren Trägern lösbar verbunden werden, und die Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen selbständig oder mittels externer Einwirkungen gerichtet bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Verbindung zwischen Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen und dem oder den Trägem realisiert wird, die mittels physikalischer oder chemischer Mittel realisierbar und/oder lösbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Träger oder Bauteile der Träger mit oder ohne Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen eingesetzt werden, die mit einem kraft- und/oder formschlüssigen, lösbaren oder nicht lösbaren Kontakt mit einer oder mehreren ex vivo angeordneten Vorrichtungen mechanisch oder digital verbunden sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ex vivo angeordnete Vorrichtungen zur Steuerung und/oder Bewegung und/oder Beladung der Träger vor dem in vivo- Transfer eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Träger eingesetzt werden, die sich selbständig bewegen, wobei sich mehrere Träger unabhängig voneinander in gleiche oder unterschiedliche Richtungen oder sich als Schwarm in die gleiche Richtung bewegen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Träger mittels eines externen physikalischen Feldes, wie eines Magnet- oder Ultraschallfeldes, oder mittels chemischer, thermischer oder physikalischer Stimuli bewegt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Position und Bewegung der Träger mittels bildgebender Verfahren überwacht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem mittels an oder in den Trägern befindlichen Sensoren oder Aktoren in situ Parameter aus der Umgebung der Träger ermittelt, übermittelt und überwacht und/oder ausgehend von ermittelten Parametern aus der Umgebung des Trägers Veränderungen der Parameter realisiert werden.
9. Vorrichtung mindesten zur kontrollierten Bewegung von Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen in Fluiden, mindestens enthaltend einen Träger mit maximalen Abmessungen in allen Raumrichtungen von 500 pm, der mindestens überwiegend aus biokompatiblen Materialien besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der mindestens eine Träger Abmessungen in allen Raumrichtungen von 10 nm bis 100 pm, vorteilhafterweise von 1000 nm bis 80 pm, noch vorteilhafterweise von 10 bis 1000 nm aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die biokompatiblen Materialen der Träger vollständig im Körper abbaubar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Außenhülle der Träger vollständig aus biokompatiblen Materialien besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der als biokompatible Materialien Hydrogele, wie Gelatine, Methacrylate, Collagen, Seide, Alginate oder biologisch abbaubare Metalloxide, oder metallische Legierungen, wie FeMgSi oder FePt, mit oder ohne hartmagnetische Materialien, wie NdFeB, CrÜ2 oder BaFe^O , oder superparamagnetische Eisenoxid- Nanopartikel, wie SPIONs oder Eisen-Platin- Nanopartikel vorhanden sind, oder andere Materialien mit biokompatiblen Materialien beschichtet sind, wie Oberflächenbeschichtungen aus Proteinen, Gold oder Polymeren, wie Parylen oder Polyethylenglycoldiacrylat (PEGDA).
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Träger Bauteile aufweisen, die Halterungen, Greifer, Schlingen, Katheter, Hohlräume zur lösbaren Verbindung zu Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen, Sensoren und/oder Aktoren sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Träger Antriebsvorrichtungen zur selbständigen Bewegung aufweisen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Träger Mikro- oder Nanoroboter sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Träger Materialien aufweisen, mit denen die Träger durch externe oder lokale Einwirkungen bewegt werden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Träger organische, anorganische und/oder magnetische Materialien enthalten.
19. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der an oder in den Trägem Sensoren oder Aktoren vorhanden sind, die in situ Parameter aus der Umgebung der Träger ermitteln, übermitteln und überwachen und/oder ausgehend von ermittelten Parametern aus der Umgebung des Trägers Veränderungen der Parameter realisieren.
20. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der oder die Träger mit ex vivo angeordneten Vorrichtungen zur Steuerung und/oder Bewegung und/oder Beladung der Träger vor dem in vivo-Transfer verbunden sind, wobei die Verbindung über mechanische Vorrichtungen oder digital realisiert ist.
21 . Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Träger funktionelle Materialien und/oder Biomoleküle zum Schutz und/oder zum Wachstum der Gameten und/oder Zygoten und/oder Embryonen aufweisen.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , bei der die Träger Antioxidantien, Reifungsfaktoren, Nährstoffe, Schutzmoleküle zur Verringerung thermischer und mechanischer Belastungen aufweisen.
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