DE10108799A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallimpfung von biologischem Zellmaterial - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallimpfung von biologischem ZellmaterialInfo
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Abstract
Einschleusung von biologischem und pharmakologischem Material in die im Schallfeld vorhandenen Zellen durch von lokal induzierten Ultraschallschwingungen hervorgerufenen Kavitationen. Die Schwingungen werden durch geeignet geformte Glasfasern in die Nähe der Zellen gebracht.
Description
Es soll ein möglichst preiswertes und einfaches Verfahren entwickelt
werden, um einzelne Zellen oder Zellverbände mit biologischen
Molekülen und/oder pharmazeutischen Partikeln zu impfen.
Es ist bekannt, über mechanisch oder optisch gesteuerte
Mikromanipulatoren einzelne Zellen mittels Injektionsnadeln und/oder
Laserstrahlen punktuell zu eröffnen und über die so geschaffenen
Kanäle biologisches oder pharmazeutisches Material in die Zellen
einzuschleusen. Hierzu gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen
und Patentanmeldungen, die dem interessierten Fachmann bekannt
sind. Alle diese Verfahren haben jedoch gemeinsam, dass die
Vorgehensweise zur Eröffnung der Zelle mit extrem aufwendiger
Präzisionstechnologie zu erfolgen hat und daher die Kosten für eine
Einzelzellimpfung sehr hoch sind.
Erfindungsgemäß sollen daher ein Verfahren und eine Vorrichtung
entwickelt werden, die es ermöglicht, einzelne Zellen oder
Zellensembles bis hin zu Gewebeverbänden möglichst einfach mit
hoher Effizienz mit dem gewünschten biologischen oder
pharmakologischen Material zu impfen. Überraschenderweise hat sich
gezeigt, dass es möglich ist, durch lokal induzierte
Ultraschallschwingungen die Zellmembranen derart zu beeinflussen,
dass sie unter Einfluss eben dieser Ultraschalleinwirkung durchlässiger
werden und insbesondere einzelne natürlicherweise vorhandene Poren
so weit öffnen, dass in der Umgebung der Zelle vorliegendes
biologisches oder pharmakologisches Material in die Zelle eindringen
kann. Insbesondere wird dieser Vorgang in der Gegenwart von
Kavitation bevorzugt. Es hat sich nun auch für den Fachmann völlig
überraschend gezeigt, dass es möglich ist, mit geeignet
dimensionierten, flexiblen Glasfasern bzw. Faserbündeln
Ultraschallschwingungen im Frequenzbereich über 20 kHz im
Grundsatz bis zu einigen 50 MHz weiterzuleiten und dass abhängig von
der Viskosität der Umgebung der Faserspitze es bei
Ultraschallfrequenzen zwischen 20 und 100 kHz zu Kavitationen
kommen kann, wobei die entstehende Kavitationsdynamik den Vorgang
der Einschleusung von biologischem und pharmakologischem Material
in die im Schallfeld vorhandenen Zellen unterstützt und im Grundsatz
überhaupt erst möglich macht.
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden dabei ein oder mehrere
einzelne ultraschallführende Glasfasern in eine Suspension aus Zellen
und in Lösung befindlichem Impfmaterial eingeführt und über geeignet
angekoppelte elektrische oder magnetostriktive Ultraschallgeber
angeregt. Als besonders geeignet hat sich eine Anordnung aus einem
piezoelektrischen Verbundwandler erwiesen, der zusammen mit der
Glasfaser beziehungsweise dem Faserbündel ein akustisches System
bildet, das in Resonanz angeregt wird. Die Schalleinkopplung in die
Glasfaser beziehungsweise das Faserbündel erfolgt vorteilhaft durch
eine mechanische Verbindung wie Kleben oder Klemmen in einem
Punkt, an dem die Amplitude der mechanischen Spannung minimal ist
(Spannungsknoten). Die Glasfaser beziehungsweise das Faserbündel
muss in diesem Fall ein Vielfaches der halben Wellenlänge lang sein.
Da der Prozess der transmembranen Impfung von Zellen besonders
effektiv im Bereich der Einsatzschwelle der Kavitationsbildung ist,
befindet sich im akustischen System ein Ultraschallaufnehmer, der über
die rückgekoppelte Messung des sich ausbildenden
Ultraschallstehwellenfeldes den Einsatzpunkt der distal auftretenden
Kavitation erkennt und danach Amplitude und ggf. Frequenz des
Schwingers rückgekoppelt steuert.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann das Verfahren zur
Impfung einzelner Zellen oder Zellverbände auch für medizinische
Anwendungen der Gestalt benutzt werden, dass über einen
Führungskatheter Impfmaterial in die Zielregion eines biologischen
Gewebes eingeführt wird und über ebendiesen Katheter bzw. einen
zweiten Zugang die ultraschallführende Glasfaser eingeführt wird und
sodann in der zu behandelnden Zielregion ein Ultraschallfeld im
Einsatzbereich der Kavitation aufgebaut wird, um damit eine
beschleunigte Impfung des Zielgewebematerials auf zellulärer Ebene
mit biologisch/gentechnischem bzw. pharmakologischem Material zu
fördern.
In den Fig. 1 und 2 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen
Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel
bestehend aus einem Ultraschallwandler 2 mit einer Einrichtung 3 zur
Messung der Amplitude, die zum Beispiel aus einer zusätzlichen,
passiven Piezoscheibe bestehen kann, sowie der mechanischen
Ankopplung 4 der Glasfaser 5. Der Ultraschallwandler 2 wird durch den
elektrischen Ultraschallgenerator 1 angetrieben, der gleichzeitig das
Signal der Messeinrichtung 3 auswertet und die Frequenz und
Amplitude im Sinne einer optimalen Wirkung regelt. Das distale Ende
der Faser 5 befindet sich in der Suspension 7 aus den Zellen und dem
in Lösung befindlichem Impfmaterial, die sich in dem Reaktionsgefäß 6
befindet. Die durch den Ultraschall entsehenden Kavitationseffekte 8 in
der Suspension 7 ermöglichen beziehungsweise unterstützen die
Einschleusung des biologischen und oder pharmakologischen Materials
in die Zellen.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Impfung von Zellen im
Gewebeverband. Dabei überträgt der Ultraschallwandler 10, mit
Amplitudenmeßeinrichtung 11 und Ankopplung 12 eine
Ultraschallschwingung auf die flexible Glasfaser 13. Angetrieben wird
der Ultraschallwandler 10 durch den Der Generator 1, der gleichzeitig
mit Hilfe des Signals der Meßeinrichtung 11 die Amplitude und
Frequenz auf einen für die Wirkung optimalen Wert regelt. Die
Glasfaser 13 führt durch einen Führungskatheter 14 hindurch in das zu
behandelnde Gewebeareal 15. Durch den Führungskatheter 14 wird
das in Lösung befindliche zu impfende biologische beziehungsweise
pharmakologische Material injiziert 16, das durch die Ultraschalleffekte
17 in die Zellen eindringen kann.
Claims (2)
1. Verfahren und Vorrichtung zur ultraschallgestützten Impfung von
Zellen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ultraschallenergie über geeignet geformte Glasfasern in
die unmittelbare Nähe der zu impfenden Zellen in einem das
Impfmedium tragenden Fluid gebracht wird.
2. Verfahren und Vorrichtung nach 1 dadurch gekennzeichnet,
dass an der ultraschallführenden Faser ein Messsystem zur
Erkennung des Einsetzens der Kavitation durch
Ultraschallimpedanzmessung angebracht ist.
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