CN101516435A - 通过应用特定和选择性的电场和电磁场调节活细胞中转化生长因子-β(TGF-β)基因表达 - Google Patents

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CN101516435A CNA2007800202783A CN200780020278A CN101516435A CN 101516435 A CN101516435 A CN 101516435A CN A2007800202783 A CNA2007800202783 A CN A2007800202783A CN 200780020278 A CN200780020278 A CN 200780020278A CN 101516435 A CN101516435 A CN 101516435A
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Abstract

本发明描述了通过将特定和选择性电场电容耦合或电感耦合到骨细胞或其它组织来调节骨细胞和其他组织中转化生长因子(TGF)－β1、β2和/或β3蛋白质基因表达的方法和装置，这里特定和选择性的电场通过向相对于骨细胞或其它组织设置的电极或者一个或多个线圈或其它场生成装置应用特定和选择性的电信号和电磁信号而产生，从而促进患病或受伤的骨和其它组织的治疗。基因表达意指该过程的向上调节或向下调节，由此人类基因组(DNA)的特定部分(基因)转录成mRNA并随后翻译成蛋白质。本发明提供了靶向治疗受伤或患病的骨和其它组织的方法和装置，包括产生特定和选择性的电信号和电磁信号，它们在靶组织中产生最适于增加TGF－β1、β2和/或β3蛋白质基因表达的场，并使骨和其它组织暴露于由特定和选择性信号产生的场，从而调节所述组织中TGF－β1、β2和/或β3蛋白质的基因表达。所产生的方法和装置对于靶向治疗骨折、骨折风险、延迟愈合、骨折不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死或缺血性坏死是有益的，作为在上述一种或所有的治疗中、在骨质疏松的治疗中以及在可能牵涉TGF－β1、β2和/或β3蛋白质的其它状况中对其它治疗的辅助。

Description

通过应用特定和选择性的电场和电磁场调节活细胞中转化生长因子-β(TGF-β)基因表达
相关申请的交叉参引
本专利申请是2002年10月8日提交的美国专利申请No.10/257126的部分继续专利申请，该美国专利申请No.10/257126是2001年2月23日提交的美国国家阶段专利申请PCT/US01/05991，该美国国家阶段专利申请又要求2000年2月23日提交的美国临时专利申请No.60/18,4491的申请日的利益。
技术领域
本发明涉及一种通过应用由特定的和选择性的电信号和电磁信号产生的电场和电磁场来向上调节活细胞中转化生长因子-β(TGF-β)基因表达用于治疗受伤或患病的组织的方法，以及产生这样的信号的装置。
背景技术
被认为存在于多种生物组织和细胞中的生物电交互作用和活动是了解得最少的生理过程之一。然而，近来对这些交互作用和活动对于特定组织和细胞的生长和修复进行了许多深入的研究。特别是，许多研究深入到电场和电磁场的刺激作用及其对骨、软骨和各种生长因子的生长和修复作用。研究者相信这种研究对于开发多种医学问题的新疗法可能是有益的。
转化生长因子-β(TGF-β)是多效性生长因子，其存在于大部分组织中并且牵涉细胞的增殖、迁移、分化和生存。因此，TGF-β在多种状况诸如血管生成、自身免疫、骨修复(骨折、延迟愈合、不愈合)和骨维护(骨质疏松)、软骨维护(退行性关节炎)、肿瘤抑制以及伤口愈合中，具有临床应用(Kim等人，J of Biochemistry and MolecularBiology，38：1-8，(2005)；Janssens等人，Endocrine Reviews，26：743-774，(2005))。
在急性骨折、骨折的延迟愈合和不愈合中，以及在各种骨缺陷中，新愈合骨的形成取决于促使骨形成的骨形态生成蛋白(BMP)以及促使软骨形成的TGF-β的存在。在2005年1月11日提交的PCT专利申请No.PCT/US2005/00793(要求2004年1月12日提交的美国临时专利申请No.60/535,755的优先权)中，显示BMP的基因表达可通过特定的和选择性的电场和电磁场来向上调节，用于治疗受伤或患病的骨。此处显示TGF-β的基因表达也能通过特定的和选择性的电场和电磁场来向上调节。此处还显示用于BMP基因表达的最佳信号与TGF-β的稍有不同，而该差别使人们能够设计一种装置，该装置在骨折愈合的骨阶段期间提供最大地向上调节BMP的一种信号，而在骨折愈合的软骨阶段期间提供主要向上调节TGF-β的另一种信号。在骨折愈合中，例如在骨折骨痂最初由软骨构成而该软骨逐渐被骨代替的情形中，这是非常有用的。通过最大地向上调节TGF-β以在愈合过程的早期形成软骨，并最大地向上调节BMP以在愈合过程后期形成骨，人们能够优化急性骨折的愈合、加速延迟的骨折愈合中的愈合以及重新启动不愈合骨折中的愈合过程。
TGF-β的向上调节在通称为骨质疏松症的疾病的治疗中也可能是有益的，在骨质疏松症中，骨脱去矿物质并变得异常稀疏。骨包括有机成分的细胞和基质以及无机或矿物成分。细胞和基质包括胶原纤维框架，其浸润着矿物成分磷酸钙(85％)和碳酸钙(10％)，为骨提供坚硬度。在健康的骨头中，骨生成和骨吸收处于平衡。在骨质疏松症中，骨吸收超过骨生成，导致骨弱化以及可能的椎体骨折和塌陷。尽管通常认为骨质疏松症折磨老年人，但是某些类型的骨质疏松症可能影响其骨头不经受功能性应力的所有年龄的人。在这样的情形下，患者在长时期的固定不动期间可能经历骨皮质和松质骨的明显丢失。已知老年患者当骨折后固定不动时由于废用而导致骨丢失，并且这种骨丢失可能最终导致已经骨质疏松的骨骼的二次骨折。骨密度降低不仅可能导致椎骨塌陷，而且也可导致髋、下臂、腕、踝的骨折以及丧失能力的痛苦。对于这类疾病需要可选的非外科手术治疗。
自1979年通过食品和药品管理局(Food and Drug Administration)批准以来，脉冲电磁场(PEMF)和电容耦合(CC)已广泛地用于治疗不愈合骨折(骨不连)以及骨愈合中的相关问题。用于这种治疗形式的试验的原始基础是观察到骨上的物理性应力导致出现微小的电流，所述电流与机械应变一起被认为是物理性应力转导成促进骨生成的信号的基础机制。与成功治疗不愈合的直接电场刺激一起，发现使用PEMF和电容耦合的无创技术(将电极放在治疗区的皮肤上)也是有效的。PEMF在高传导性的细胞外液中产生小的感应电流(法拉第电流)，而电容耦合直接在组织中产生电流；从而PEMF和CC都模拟内源性电流。
内源性电流，最初被认为是由于在骨中的晶体表面产生的现象，已显示出主要是由于含有电解质的流体在含有带固定负电荷的有机成分的骨的通道中运动所致，产生所谓的“流动电势”。骨中的电现象的研究已证实了一种机电转导机制，当骨被机械压缩出现，导致流体和电解质在骨基质中蛋白聚糖和胶原中的固定负电荷的表面上运动。这些流动电势在骨中与机械应变一起起到的作用是引起信号转导，该信号转导能够刺激可钙化基质合成骨细胞，从而刺激骨生成。
直流电、电容耦合以及PEMF的主要应用是矫形外科中不愈合骨折的愈合(Brighton等人，J.Bone Joint Surg.63：2-13，1981；Brighton和Pollack，J.Bone Joint Surg.67：577-585，1985；Bassett等人，Crit.Rev.Biomed.Eng.17：451-529，1989；Bassett等人，JAMA 247：623-628，1982)。已经在成年人的髋部缺血性坏死中以及儿童的Legg-Perthes病中报告了临床反应(Bassett等人，Clin.Orthop.246：172-176，1989；Aaron等人，Clin.Orthop.249：209-218，1989；Harrison等人，J.Pediatr.Orthop.4：579-584，1984)。还显示PEMF(Mooney，Spine 15：708-712，1990)和电容耦合(Goodwin，Brighton等，Spine 24：1349-1356，1999)能明显提高腰椎融合术的成功率。还报告了增加外周神经的再生和功能以及促进血管生成(Bassett，Bioessays 6：36-42，1987)。类固醇注射和其它常规措施难治性的持续肩袖肌腱炎患者，与安慰剂治疗的患者相比，显示了明显的益处(Binder等人，Lancet 695-698，1984)。最后，Brighton等人已表明在大鼠中，适当的电容耦合电场兼具预防和逆转腰椎中的椎骨骨质疏松的能力(Bringhton等人，J.Orthop.Res.6：676-684，1988；Brighton等人，J.Bone Joint Surg.71：228-236，1989)。
新近，该领域中的研究已经集中在刺激对组织和细胞的作用上。例如，已经设想直流电不穿透细胞膜，而这种控制是通过细胞外基质分化实现的(Grodzinsky，Crit.Rev.Biomed.Eng.9：133-199，1983)。与直流电形成对比，已经报告PEMF能穿透细胞膜并且或者刺激细胞膜或者直接作用于细胞内的细胞器。PEMF对细胞外基质和体内软骨内骨化的作用的考查发现，增加了软骨分子的合成以及骨小梁的成熟(Aaron等人，J.Bone.Miner.Res.4：227-233，1989)。近来，Lorich等人(Clin.Orthop.Related Res.350：246-256，1998)和Brighton等人(J.BoneJoint Surg.83-A，1514-1523，2001)报告电容耦合的电信号的信号转导是通过电压门控钙通道，而PEMF或混合电磁场的信号转导是通过钙从细胞内库的释放。在所有三种类型的电刺激中，都具有胞浆钙的增加，随后增加活性(细胞骨架的)钙调蛋白。
据1996年本发明人的报告，周期性双向0.17％机械应变在cooper皿中培养的MC3T3-E1骨细胞中产生TGF-β1mRNA的明显增加(Brighton等人，Biophys.Res.Commun.229：449-453，1996)。随后在1997年进行了几个重要的研究。在一项研究中报告了相同的周期性双向0.17％机械应变在相似的骨细胞中产生PDGF-A mRNA的明显增加(Brighton等人，Biochem.Biophys.Res.Commun.43：339-346，1997)。还报告了20mV/cm的60kHz电容耦合电场在cooper皿中相似的骨细胞中产生TGF-β1的明显增加(Brighton等人，Biochem.Biophys.Res.Commun.237：225-229，1997)。然而，文献中没有报告这种场对体内其它基因的作用。
在上文参引的标题为“通过应用特定的和选择性的电信号和电磁信号调节基因”(Regulation of Genes Via Application of Specific andSelective Electrical and Electromagnetic Signals)的母专利申请中，公开了确定特定的和选择性的电信号和电磁信号形成场来调节患病或受伤组织的靶基因的方法。本发明基于该申请中所描述的技术构建，所述技术描述了通过应用由特定的和选择性的电信号和电磁信号产生的场来调节一个靶基因家族、即TGF-β的基因表达的方法，用于治疗新骨折、骨折风险、延迟愈合、骨折不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死或缺血性坏死，在上述一种或所有的治疗中以及在骨质疏松症的治疗中，作为对其它治疗的辅助。
发明内容
本发明涉及通过应用向电极施加特定的和选择性的电信号和/或电磁信号产生的特定的和选择性的电场和/或电磁场来调节骨细胞(作为示例)中转化生长因子β(TGF-β)基因的表达。通过对电信号的持续时间、振幅、频率和占空比做出连续的剂量-反应曲线，在其中测量产生的电场的效应，发现了在骨细胞中向上调节TGF-β的最佳信号。该最佳信号产生的电容耦合电场具有20-40mV/cm的振幅、24小时的持续时间、60kHz的频率以及50％占空比。具体而言，本发明涉及通过应用由这样的信号产生的场来向上调节骨细胞中TGF-β1、2和3基因的表达。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了利用电容耦合电场、电磁场或混合场来特定和选择性地向上调节TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3的基因表达(通过mRNA测量)的方法。利用大约20-40mV/cm的电容耦合电场来治疗新骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合的骨折、骨缺陷、骨坏死、骨质疏松等，所述电容耦合电场具有大约24小时的电场持续时间、60kHz频率、大约50％占空比和正弦波构造，其导致TGF-β1、2和3的表达向上调节。根据本发明的方法，“特定和选择性”信号是具有向上调节TGF-β基因表达的预定的振幅、持续时间、占空比、频率和波形特征的信号(特定性)。这使人们能够选择不同的信号来向上调节TGF-β的基因表达，以便实现给定的生物或治疗反应(选择性)。本发明还涉及如下的装置，其采用此处所述的方法来产生特定和选择性信号，所述信号形成电场，向上调节TGF-β基因的表达。
在相关方面中，本发明涉及用于治疗新骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死的方法和装置，作为对治疗上述一种或多种的其它疗法以及在骨质疏松的治疗中的辅助。本发明的方法还包括一种方法学，其通过系统地改变已知增加或疑似增加细胞产生TGF-β的起始信号的持续时间，确定用于TGF-β基因表达的“特定和选择性的”信号。在找到最佳持续时间之后，信号的振幅针对通过TGF-β1、2和3的基因表达所确定的最佳持续时间而改变。占空比、频率和波形以与上述相同的剂量反应方式进行系统地改变，同时保持其它信号特征恒定。重复此过程，直到确定产生最大增加TGF-β表达的最佳信号为止。
本发明的这些和其它方面将在下文的本发明的详细描述中阐明。
附图说明
图1是当骨细胞暴露于20mV/cm电容耦合电场下不同的持续时间时，TGF-β1、2和3的mRNA表达的图示。正如所示，在24小时持续时间的信号下出现各种TGF-βmRNA的最大表达。
图2是当骨细胞暴露于24小时持续时间下不同电容耦合电场振幅时，TGF-β1、2和3的mRNA表达的图示。正如所示，在20-40mV/cm的场振幅下出现各种TGF-βmRNA的最大表达。
图3是当骨细胞暴露于20-40mV/cm场振幅和24小时信号持续时间下不同的电容耦合电场频率时，TGF-β1、2和3的mRNA表达的图示。正如所示，在60kHz频率下出现各种TGF-βmRNA的最大表达。
图4是当骨细胞暴露于60kHz频率、20mV/cm场振幅和24小时信号持续时间下不同的电容耦合电场占空比时，TGF-β1、2和3的mRNA表达的图示。正如所示，在50％到100％的正弦波构造占空比下出现各种TGF-βmRNA的最大表达。
图5是当骨细胞24小时暴露于场振幅为20mV/cm或40mV/cm、频率为60kHz和正弦波构造的50％占空比的电容耦合电场时，TGF-β1蛋白质的图示。正如所示，在20或40mV/cm下，TGF-β1蛋白质的增加量是相同的。
图6是当骨细胞24小时暴露于场振幅为20mV/cm或40mV/cm、频率为60kHz和正弦波构造的50％占空比的电容耦合电场时，BMP-2蛋白质的图示。正如所示，与图5所示的TGF-β1反应不同，在40mV/cm的场处BMP-2蛋白质的生产与20mV/cm处出现的相比没有明显增加。
图7是当骨细胞暴露于50％占空比的电容耦合电场(20mV/cm、60kHz、正弦波)24小时时，BMP mRNA表达的图示。将此图与图2相比显示了在40mV/cm的场中骨细胞生产BMP蛋白质没有反应相对于40mV/cm的场中骨细胞生产TGF-β蛋白质有非常明显的增加之间的明确区别。
图8在与图2的TGF-β基因表达相同的图上示出了图7的BMP基因表达。
图9是示出根据本发明优选实施例，治疗膝盖骨关节炎的装置的图示。
具体实施方式
下文将参照图1-9来详细地描述本发明。本领域的技术人员将理解此处参照这些附图给出的描述仅仅是出于示例的目的，而不是意欲以任何方式限制本发明的范围。关于本发明的范围的所有问题可通过参考所附的权利要求来解决。
本发明基于如下发现，即某些基因的表达能通过应用由特定和选择性的电信号和/或电磁信号产生的场来调节。换言之，本发明人已经发现，存在特定的电信号和/或电磁信号，其产生场，用于调节骨、软骨和其它组织细胞中的每个基因，并且这些特定信号能够特定和选择性地调节所述细胞中的基因。具体说，支配组织或细胞的生长、维护、修复和退化或衰退的基因表达能根据本发明通过应用特定和选择性的电信号和/或电磁信号产生的场来调节，从而产生有益的临床效果。该发现在治疗方法的开发中是有用的，所述治疗方法以某些医疗状况为目标，包括新骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死，在上述的任意一种或多种治疗中以及在骨质疏松的治疗中作为辅助。
正如此处所用的，用语“信号”用于指示各种信号，包括由装置输出的机械信号、超声信号、电磁信号和电信号。要理解的是本文使用的术语“场”指的是靶向组织内的电场，无论它是混合场还是脉冲电磁场，或是通过直流电、电容耦合还是电感耦合产生。
用语“远程”用于意指从一定距离起作用、被作用或控制。“远程”调节指的是从一定距离控制基因的表达。“远程地”提供指的是从一定距离提供。例如，从远程源提供特定和选择性的信号指的是从距组织或细胞一定距离的源或者从身体的外部或外面的源提供信号。
术语“特定和选择性的”信号意指产生电场的信号，该电场具有向上调节或向下调节靶向基因或靶向功能互补基因的预定的振幅、持续时间、占空比、频率和波形特征(特定性)。这使人们能选择不同的“特定和选择性的”信号来向上调节或向下调节各种基因的表达，以便实现给定的生物或治疗反应(选择性)。
术语“调节”意指控制基因表达。调节理解为既包括向上调节又包括向下调节。向上调节意指增加基因的表达，而向下调节意指抑制或阻止基因的表达。
“功能互补”指的是在给定的细胞或组织中，两个或多个基因的表达是互补的或协同的。
“组织”指的是细胞连同它们的细胞外物质的聚合体，所述细胞外物质形成患者的结构材料中的一种。正如此处所用的，术语“组织”意欲包括身体的任何组织，包括肌肉和器官组织、肿瘤组织以及骨或软骨组织。而且，此处所用的术语“组织”还可指单个细胞。
“患者”指动物，优选哺乳动物，更优选人类。
本发明提供靶定某些组织、细胞或疾病的治疗方法和装置。具体而言，与受伤或患病的组织或细胞中修复过程相关的基因表达能通过应用由电信号产生的场来调节，所述电信号对于靶组织或细胞中要调节的基因是特定和选择性的。基因表达能通过应用对于每个基因或每组互补基因是特定和选择性的信号来向上调节或向下调节，从而产生有益的临床效果。例如，具体的特定和选择性信号可产生向上调节某个期望的基因表达的电场，而相同或另一种具体的特定和选择性信号可产生向下调节某个不需要的基因表达的电场。某个基因可通过由一个具体的特定和选择性信号产生的场来向上调节并且可通过由另一种特定和选择性信号产生的场来向下调节。本领域的技术人员将理解的是，通过调节那些支配组织的生长、维护、修复和退化或衰退的那些基因，某些患病或受伤的组织能靶向治疗。
本发明的方法和装置基于鉴别那些产生场的信号，所述场对于与某些靶向的患病或受伤组织相关联的基因表达是特定和选择性的。例如，通过针对每个所选基因改变所应用场的频率、振幅、波形或占空比，各种形式的电(例如，电容耦合、电感耦合、混合场)能特定和选择性地调节患者体内的靶向组织或细胞中的基因表达。暴露于电的持续时间也能影响电特定和选择性调节患者体内的靶向组织或细胞中基因表达的能力。特定和选择性的信号可产生电场，用于有系统地应用到每个基因，直至找到对基因表达提供期望作用的频率、振幅、波形、占空比和持续时间的合适组合。
要理解的是因为电场对于特定基因表达的特定性和选择性受到若干因素的影响，所以各种患病或受伤的组织或疾病状态都能被靶向治疗。特别地，频率、振幅、波形和/或占空比适当的电场对于某些基因的表达是特定和选择性的，从而提供靶向治疗。时间因素(例如，暴露于电场的持续时间)也能影响电场对于特定基因表达的特定性和选择性。通过应用特定持续时间的电场，基因表达的调节可更加有效(或成为可能)。因此，本领域的技术人员将理解的是，本发明提供改变电场应用的频率、振幅、波形、占空比和/或持续时间，直至发现该电场对于某些基因表达是特定和选择性的，以便提供多种患病或受伤的组织或疾病的靶向治疗。
因此，因为通过将频率、振幅、波形和/或占空比适当的特定和选择性信号产生的电场应用适当的持续时间，可以调节与特定的患病或受伤组织相关联的某些基因的表达，所以本发明能提供靶向治疗。因此可影响产生电场的信号的特定性和选择性，从而调节某些基因的表达，以便对特定的患病或受伤的组织或疾病状态进行靶向治疗。具体地，本发明提供新骨折、骨折风险、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死的靶向治疗，作为上述一种或任意种治疗以及骨质疏松治疗的辅助。
本发明的装置能够将特定和选择性的信号产生的场直接施加于患病或受伤的组织和/或患者的皮肤。本发明的装置还可提供特定和选择性的场的远程应用(例如，距患病或受伤的组织一定距离施加场，而这仍在靶向细胞内产生期望的效果)，但要理解的是电容耦合装置必须接触对象的皮肤。在电容耦合的情况下，本发明的装置可包括用于将电极连接到患者身体上受伤或患病的组织附近的构件。例如，自粘性传导电极可贴附在折骨两侧的患者皮肤上。如图9所示，本发明的装置10可包括自粘性电极12，用于将装置连接到患者身体上。例如，本发明的装置10可包括连接到电力单元14的电极，该电力单元14在背侧上具有
Figure A20078002027800141
贴片16，使得电力单元14能连接到安装在患者上的模子周围的带(未示出)。在电感耦合的情形中，本发明的装置可包括连接到电力单元的线圈，代替电极。
本发明的装置10能以多种方式采用。装置10可以是便携式的或者可以临时或永久地连接患者的身体。本发明的装置10优选是非侵入式的。例如，本发明的装置10可应用于患者的皮肤，即通过应用适合与患者皮肤接触的电极施加由预定的特定和选择性的电信号产生的电场。这种信号也可通过线圈来施加，随时间变化的电流在所述线圈中流动，从而产生特定和选择性的电磁场，所述电磁场穿透组织并在靶组织中形成特定和选择性的电场。本发明的装置10还能够植入患者中，包括植入患者的皮下。
本领域的技术人员将进一步理解到，本发明的装置能以多种形式提供，包括：具有程序控制的多个可切换的特定和选择性信号的电容耦合电力单元，用于应用于一对或多对电极；电磁线圈或螺线管，其连接到具有可切换的多个特定和选择性信号的电力单元；以及具有电源的超声刺激器，用于产生特定和选择性的信号。一般而言，优选的装置基于患者的认可和患者的依从之上。目前在本技术领域可得到的最小和最便于携带的单元是电容耦合单元；然而，皮肤极为敏感的患者可优选使用电感耦合单元。另一方面，超声单元需要的患者配合最多，但是可能适合某些患者使用。
示例
本发明在下文的示例中进行证明，该示例是为了举例说明的目的，并非意欲限制本发明的范围。
材料和方法
将MC3T3-E1骨细胞(5×105个细胞/cm2)铺在特别修改的Cooper皿上。细胞生长七天，培养基仅在试验条件刚开始之前更换。在这些研究的自始至终，试验细胞培养物经受具有44.81V峰间输出的电容耦合的60kHz正弦波信号电场。这在20mV/cm皿中的培养基中产生电流密度300μA/cm2的计算的场强。除了电极不连接到信号发生器之外，对照细胞培养皿与刺激皿相同。
在试验的末期，根据制造商的说明书，使用TRIzol分离总RNA，并且使用SuperScriptII反转录酶执行反转录(RT)。在实时RT-PCR技术中使用的寡核苷酸引物从公布的cDNA序列中选择或者使用PrimerExpress软件程序设计。使用ABI
Figure A20078002027800151
7000序列检测系统来执行RT-PCR产物的定量实时分析。
如下系统性地发现了用于(TGF)基因——特别是包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3的基因——的期望向上调节的最佳信号。将已知导致给定蛋白质的细胞生成增加(或者即使是仅怀疑增加)的电场形成的电信号选取为起始信号，用于确定特定信号，该特定信号用于产生该蛋白质基因表达(mRNA)的电场。首先通过改变信号的持续时间同时保持所有其它的信号特征恒定(振幅、占空比、频率和波形)来做出剂量-反应曲线(图1)。这为该蛋白质的基因表达确定了起始信号的最佳持续时间。然后做出剂量-反应第二曲线，这次改变电场的振幅(mV/cm)同时保持该最佳持续时间和其它信号特征恒定(图2)。做出第三剂量-反应，这次改变信号频率同时保持先前得到的最佳持续时间和最佳振幅恒定(图3)。做出第四剂量-反应，将占空比从100％(恒定)变为10％或更少，同时保持先前得到的最佳持续时间、振幅和频率恒定(图4)。通过该方法，确定了在各种TGFβ的每一个的基因表达中产生最大增加的最佳信号。
使用连续的50％占空比(电容耦合、60kHz、正弦波)来执行第五试验，以比较20mV/cm场与40mV/cm场的TGF-β1蛋白质生产。正如所示，TGF-β1蛋白质明显增加并且在两个场中相等(图5)。执行第六试验以证实在与图5中所述相同的两个场(20mV/cm和40mV/cm)中，BMP-2蛋白质的生产增加。在利用50％占空比(电容耦合、60kHz、正弦波)场刺激24小时之后，在20mV/cm场中BMP-2蛋白质明显增加，但在40mV/cm场中BMP-2蛋白质没有明显增加(图6)。因此，这是非常重要的，人们能通过利用40mV/cm场刺激细胞，将TGF-β基因与BMP基因的表达分离，即使这些基因都属于同一TGF超家族。当人们将图2与图7相比较时，清楚地显示这一点。在图7中，在向上调节BMP的基因表达中，20mV/cm的场明显比任何其它场具有大得多的反应。相反，在图2中，显示出20mV/cm和40mV/cm的场在向上调节TGF-β的基因表达中是等效的。图8示出了在与图2的TGF-β基因表达相同的图上图7的BMP基因表达。因而，在骨折愈合中，人们具有在骨折愈合的骨生成阶段期间一起刺激骨和软骨生成或者在骨折愈合的软骨阶段期间仅刺激软骨的选择。
本发明清楚表明，示例中描述的最佳电场能非常明显地向上调节TGF-β1、2和3mRNA，因此增加了骨折愈合、延迟愈合、不愈合、骨缺陷、脊柱融合中以及骨质疏松中的骨生成。本领域的技术人员将理解的是，如此处所述利用电容耦合的适当电场对于利用电感耦合和产生相当或几乎相当的电场特性的所有电磁系统也是同等有效的。本领域的技术人员还将理解的是通过更多的试验利用更多的数据点(例如100±3％占空比30±3分钟)，可以发现更加独特的信号特征，但是认为这种每个信号特征的相对微小的变化据认为是本文给予教导的本领域技术人员的水平之内。
本领域的技术人员还将理解的是在本发明的范围内，可能对本发明进行许多其它的修改。例如，此处所述的最佳场能通过两个或多个适当表面电极，其成对或成条，结合到夹板、包裹物或模子中，施加于任意骨，并通过电容耦合传递。而且，此处所述的最佳场能通过结合到夹板、包裹物或模子中的线圈或螺线管施加于任意的骨，并通过电感耦合传递。因此，本发明的范围不意欲限制于上文所述的优选实施例，而仅仅通过所附的权利要求限定。

Claims (8)

1.一种用于治疗骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死、骨质疏松症和/或其中患者牵涉转化生长因子(TGF)-β1、β2和/或β3蛋白质的其它状况的装置，所述装置包括：信号源，其产生至少一个特定和选择性的电信号；以及场生成装置，其可操作地相对于靶向组织设置，所述场生成装置在接收所述至少一个特定和选择性的电信号后，导致在所述靶向组织中产生特定和选择性的电场，在所述至少一个特定和选择性的电场以预定的间隔向所述靶向组织应用预定的持续时间后测量mRNA，所述电场明显向上调节所述靶向组织中TGF-β1、β2和/或β3蛋白质的基因表达。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括便携式电力单元，所述电力单元以第一和第二模式驱动所述信号源，所述第一模式中的输出信号导致在所述靶向组织中产生选定时段的20mV/cm的场，而所述第二模式中的输出信号导致在所述靶向组织中产生另一选定时段的40mV/cm的场。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述便携式电力单元可编程，使得在所述第一和第二模式期间产生的场能够以不同的时段和不同的顺序依次施加于靶向组织。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于将所述场生成装置连接到骨组织附近的患者身体的构件。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于将所述信号源连接到患者身体的构件。
6.根据权利要求1所述的装置，其中通过将所述至少一个特定和选择性的电信号应用于所述场生成装置而产生的电场通过电容耦合或电感耦合施加于所述靶向组织。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述特定和选择性的电信号具有正弦波构造、大约50％的占空比以及大约60kHz的频率，并且在所述靶向组织中，所产生的特定和选择性的电场具有大约20mV/cm-40mV/cm的振幅。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述场生成装置包括电极或者一个或多个线圈。
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7465566B2 (en) 2000-02-23 2008-12-16 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of genes via application of specific and selective electrical and electromagnetic signals
US8313908B2 (en) * 2000-02-23 2012-11-20 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of stem cell gene production with specific and selective electric and electromagnetic fields
US7429471B2 (en) * 2000-02-23 2008-09-30 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of matrix metalloproteinase gene expression using specific and selective electrical and electromagnetic signals
WO2005070136A2 (en) * 2004-01-12 2005-08-04 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Up-regulation of bone morphogenetic protein (bmp) gene expression in bone cells by electromagnetic signals
US7022506B2 (en) * 2000-02-23 2006-04-04 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Method and device for treating osteoarthritis, cartilage disease, defects and injuries in the human knee
US7465546B2 (en) 2000-02-23 2008-12-16 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of transforming growth factor-beta (TGF-β) gene expression in living cells via the application of specific and selective electric and electromagnetic fields
US7981611B2 (en) * 2000-02-23 2011-07-19 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of fibroblastic growth factor-2 (FGF-2) gene expression in living cells with the application of specific and selective electric and electromagnetic fields
US7374916B2 (en) 2000-02-23 2008-05-20 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of aggrecan gene expression using specific and selective electrical and electromagnetic signals
US9415233B2 (en) 2003-12-05 2016-08-16 Rio Grande Neurosciences, Inc. Apparatus and method for electromagnetic treatment of neurological pain
US8961385B2 (en) 2003-12-05 2015-02-24 Ivivi Health Sciences, Llc Devices and method for treatment of degenerative joint diseases with electromagnetic fields
US9656096B2 (en) 2003-12-05 2017-05-23 Rio Grande Neurosciences, Inc. Method and apparatus for electromagnetic enhancement of biochemical signaling pathways for therapeutics and prophylaxis in plants, animals and humans
US10350428B2 (en) 2014-11-04 2019-07-16 Endonovo Therapetics, Inc. Method and apparatus for electromagnetic treatment of living systems
US9433797B2 (en) 2003-12-05 2016-09-06 Rio Grande Neurosciences, Inc. Apparatus and method for electromagnetic treatment of neurodegenerative conditions
US9427598B2 (en) 2010-10-01 2016-08-30 Rio Grande Neurosciences, Inc. Method and apparatus for electromagnetic treatment of head, cerebral and neural injury in animals and humans
US9440089B2 (en) 2003-12-05 2016-09-13 Rio Grande Neurosciences, Inc. Apparatus and method for electromagnetic treatment of neurological injury or condition caused by a stroke
US8936560B2 (en) * 2004-03-10 2015-01-20 Vision Quest Industries Incorporated Bracing and electrostimulation for arthritis
US8070703B2 (en) * 2004-03-10 2011-12-06 Vision Quest Industries Incorporated Electrically stimulating orthotic device and segmented liner
US8454543B2 (en) * 2004-03-10 2013-06-04 Vision Quest Industries Incorporated Electrodes for orthotic device
WO2005102188A1 (en) 2004-04-19 2005-11-03 Ivivi Technologies, Inc. Electromagnetic treatment apparatus and method
CN1976738B (zh) * 2004-04-23 2010-09-01 诺沃库勒有限公司 使用不同频率的电场治疗肿瘤等
US20090018613A1 (en) * 2006-08-02 2009-01-15 Genestim, Llc Regulation of vascular endothelial growth factor (vegf) gene expression in tissue via the application of electric and/or electromagnetic fields
CA2842852C (en) 2011-07-27 2020-07-14 Vision Quest Industries Incorporated Dba Vq Orthocare Electrostimulation system
US8343027B1 (en) 2012-01-30 2013-01-01 Ivivi Health Sciences, Llc Methods and devices for providing electromagnetic treatment in the presence of a metal-containing implant
US9320913B2 (en) 2014-04-16 2016-04-26 Rio Grande Neurosciences, Inc. Two-part pulsed electromagnetic field applicator for application of therapeutic energy
WO2018089795A1 (en) 2016-11-10 2018-05-17 Qoravita LLC System and method for applying a low frequency magnetic field to biological tissues
WO2019213667A1 (en) * 2018-05-04 2019-11-07 Spine Soft Fusion, Inc. Devices and methods for personalized percutaneous spine surgery
US20240033509A1 (en) 2022-08-01 2024-02-01 BonGenix, LLC Method and device for stimulating bone growth

Family Cites Families (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4105017A (en) * 1976-11-17 1978-08-08 Electro-Biology, Inc. Modification of the growth repair and maintenance behavior of living tissue and cells by a specific and selective change in electrical environment
US4442846A (en) * 1981-11-10 1984-04-17 University Of Pennsylvania Distributed port bone-piercing cathode for electrically stimulated osteogenesis
US4506674A (en) * 1981-11-10 1985-03-26 Trustees Of The University Of Pennsylvania Method of stimulating osteogenesis with distributed port cathode
US4430999A (en) * 1981-11-10 1984-02-14 Trustees Of The University Of Pennsylvania Osteogenesis stimulating cathode assembly for use with an internal fixation device
US4509520A (en) * 1982-02-22 1985-04-09 Biolectron, Inc. Electrical stimulating apparatus
US4549547A (en) * 1982-07-27 1985-10-29 Trustees Of The University Of Pennsylvania Implantable bone growth stimulator
US4467809A (en) * 1982-09-17 1984-08-28 Biolectron, Inc. Method for non-invasive electrical stimulation of epiphyseal plate growth
US4467808A (en) * 1982-09-17 1984-08-28 Biolectron, Inc. Method for preventing and treating osteoporosis in a living body by using electrical stimulation non-invasively
US4487834A (en) * 1982-09-17 1984-12-11 Biolectron, Inc. Electrical stimulation of articular chondrocytes
US5269746A (en) * 1982-12-20 1993-12-14 Jacobson Jerry I Therapeutic treatment of mammals for epilepsy and Parkinson's disease
US4535775A (en) * 1983-02-10 1985-08-20 Biolectron, Inc. Method for treatment of non-union bone fractures by non-invasive electrical stimulation
IT1159024B (it) * 1983-06-02 1987-02-25 Ruggero Cadossi Metodo e dispositivo per il trattamento di tessuti e cellule viventi mediante campi elettromagnetici pulsanti
US4600010A (en) * 1984-10-04 1986-07-15 Biolectron, Inc. Electric stimulator and test instrument therefor
US5014699A (en) * 1986-05-23 1991-05-14 Trustees Of The University Of Pennsylvania Electromagnetic method and apparatus for healing living tissue
US4998532A (en) * 1986-05-23 1991-03-12 Lti Biomedical, Inc. Portable electro-therapy system
US6120502A (en) * 1988-06-13 2000-09-19 Michelson; Gary Karlin Apparatus and method for the delivery of electrical current for interbody spinal arthrodesis
US5038797A (en) * 1990-02-20 1991-08-13 Romaine, Incorporated Electrical stimulation treatment device and method of use
US5273033A (en) * 1991-09-19 1993-12-28 Murray Electronics Associates Limited Partnership Electrical stimulation for treatment of osteoarthritis
US5338286A (en) * 1992-12-08 1994-08-16 Electro-Biology, Inc. Electromagnetic bioresponse by selective spectral suppression in pulsed field stimulation
US5374283A (en) * 1993-12-01 1994-12-20 Flick; A. Bart Electrical therapeutic apparatus
US5743844A (en) * 1996-11-01 1998-04-28 Amei Technologies, Inc. High efficiency pulsed electromagnetic field (PEMF) stimulation therapy method and system
US6132362A (en) * 1996-11-01 2000-10-17 Amei Technologies, Inc. Pulsed electromagnetic field (PEMF) stimulation therapy system with bi-phasic coil
US6261221B1 (en) * 1996-11-01 2001-07-17 Amei Technologies Inc. Flexible coil pulsed electromagnetic field (PEMF) stimulation therapy system
US5968527A (en) * 1997-02-27 1999-10-19 Catholic University Of America, The Protection of living systems from the adverse effects of stress
US6083149A (en) * 1997-10-22 2000-07-04 Emf Therapeutics, Inc. Magnetic field device and method for inhibiting angiogenesis and retarding growth rates of tumors in mammals
US6186940B1 (en) * 1998-05-18 2001-02-13 Robert N. Kirschbaum Energized trace elements
WO2000066068A2 (en) * 1999-04-29 2000-11-09 North Shore Long Island Jewish Research Corporation Method for inducing growth and enhancing survival of nervous tissue
DE19933719A1 (de) 1999-07-19 2001-01-25 Medigene Ag Strukturprotein in Adeno-assoziiertem Virus mit veränderten chromatographischen Eigenschaften, seine Herstellung und Verwendung
US7130692B2 (en) * 2000-02-23 2006-10-31 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Portable electrotherapy device for treating osteoarthritis and other diseases, defects and injuries of the knee joint
US7022506B2 (en) * 2000-02-23 2006-04-04 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Method and device for treating osteoarthritis, cartilage disease, defects and injuries in the human knee
US6919205B2 (en) * 2000-02-23 2005-07-19 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of type II collagen gene expression using specific and selective electrical and electromagnetic signals
US7429471B2 (en) * 2000-02-23 2008-09-30 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of matrix metalloproteinase gene expression using specific and selective electrical and electromagnetic signals
US7374916B2 (en) * 2000-02-23 2008-05-20 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of aggrecan gene expression using specific and selective electrical and electromagnetic signals
US7465546B2 (en) 2000-02-23 2008-12-16 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of transforming growth factor-beta (TGF-β) gene expression in living cells via the application of specific and selective electric and electromagnetic fields
US7465566B2 (en) 2000-02-23 2008-12-16 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Regulation of genes via application of specific and selective electrical and electromagnetic signals
WO2005070136A2 (en) * 2004-01-12 2005-08-04 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Up-regulation of bone morphogenetic protein (bmp) gene expression in bone cells by electromagnetic signals
US6485963B1 (en) * 2000-06-02 2002-11-26 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Growth stimulation of biological cells and tissue by electromagnetic fields and uses thereof
WO2002035985A2 (en) * 2000-11-02 2002-05-10 March Keith L Method and system for modulation of oscillating signals to enhance biologic effects
US6485113B2 (en) * 2001-03-08 2002-11-26 Delphi Technologies, Inc. Haptic braking method and system
AU2002318466A1 (en) * 2001-07-03 2003-01-21 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Device and method for electrically inducing osteogenesis in the spine
CA2470940C (en) * 2001-12-21 2014-01-14 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Device for treating osteoporosis,hip and spine fractures and fusions with electric fields
US6955642B1 (en) * 2002-11-26 2005-10-18 Ebi, Lp Pulsed electromagnetic field stimulation method and apparatus with improved dosing
WO2005049132A1 (en) * 2003-11-14 2005-06-02 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Method and device for treating osteoarthritis and cartilage disease, defects, and injuries in the human hip

Also Published As

Publication number Publication date
CA2653431A1 (en) 2007-12-13
US20060235473A1 (en) 2006-10-19
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IL195549A (en) 2014-05-28

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MXPA06007918A (en) Up-regulation of bone morphogenetic protein (bmp) gene expression in bone cells by electromagnetic signals

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