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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein chirurgische Instrumente
sowie Instrumente zur Injektion von Medikamenten in eine Körperwand
oder ein Körpergewebe.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
direkte Einführen
eines Arzneimittels, Präparats,
biologisch aktiven Peptids oder Proteins in die Zellen eines Patienten
kann von beträchtlichem therapeutischem
Nutzen sein. Jedoch hat dieser Ansatz auch einige Nachteile. Die
Hauptsorge dabei gilt dem Risiko einer möglichen Toxizität, insbesondere bei
Dosierungen, die zur Erzeugung einer biologischen Reaktion auf das
Peptid ausreichen. Aus praktischer Sicht besteht auch das Problem
der im Zusammenhang mit dem Isolieren und Aufreinigen oder der synthetischen
Herstellung der Peptide anfallenden Kosten. Darüber hinaus ist die klinische
Wirkung der Peptide auch durch ihre relativ kurze Halbwertszeit
in vivo begrenzt, die üblicherweise
auf ihren Abbau durch möglicherweise
im Zielgewebe vorhandene Proteasen zurückzuführen ist.
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Aus
diesen Gründen
stellt das Einführen
biologisch aktiver Wirkstoffe, einschließlich Proteine, in einen Patienten
durch Zuführung
eines Gens oder einer Zelle, die ein Gen enthält, das ein therapeutisches
Protein exprimiert, in den Patienten oder Wirt eine interessante
Alternative zur Verabreichung der Substanz dar.
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Bislang
umfasste das Hauptmittel zur Einführung fremden genetischen Materials
in einen Wirt die Integration des Gens in das Genom des Wirts, beispielsweise
durch Transformation der Zellen des Wirts mit einem viralen Vektor.
Es wurde ebenfalls eine direkte in vivo-Genübertragung in postnatale Tiere
berichtet, bei der in Liposomen eingekapselte DNA, einschließlich in
Virushüllrezeptorproteine
enthaltende Proteoliposome eingeschlossene DNA, verwendet wurde.
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Bei
Zuführungssystemen
für Gene
können Mittel
wie virale Vektoren, die das Gen in das Genom des Wirts einführen, mögliche Gesundheitsrisiken darstellen,
die im Zusam menhang mit einer Schädigung des genetischen Materials
in der Wirtszelle stehen. Die Verwendung kationischer Liposomen
oder eines „biolistischen" Geräts (d.h.
einer Impf-„Pistole", mit der an Perlen
(sog. „Beads") gebundene Polynukleotide
in Gewebe hinein „geschossen" werden) zur Zuführung von
Genen in vivo ist vorbereitungsintensiv und erfordert in einigen
Fällen
ein gewisses Experimentieren zur Auswahl richtiger Teilchengrößen für die Übertragung
in Zielzellen. Des Weiteren bringt jedes invasive Mittel zur Einführung von
Nukleotiden (z.B. Injektion) Probleme hinsichtlich Gewebetrauma (insbesondere
bei langfristigen Therapien) mit sich und ermöglicht auch nur begrenzten
Zugang zu bestimmten Zielgeweben, beispielsweise Organen.
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Mittel
zur nicht-invasiven Zuführung
pharmazeutischer Peptidpräparate,
wie Iontophorese und andere Mittel zur transdermalen Übertragung,
haben den Vorteil, dass es dabei zu geringerem Gewebetrauma kommt.
Man nimmt jedoch an, dass die biologische Verfügbarkeit von Peptiden nach
einer transdermalen oder über
die Schleimhaut erfolgten Übertragung
aufgrund der relativ hohen Konzentration von Proteasen in diesen
Geweben begrenzt ist.
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Die
Injektion „nackter
DNA" direkt in einen Muskel
ist ebenfalls bereits ausgiebig untersucht worden. 1984 wurde über eine
Arbeit an der US-Gesundheitsbehörde
NIH berichtet, mit der nachgewiesen wurde, dass eine intrahepatische
Injektion nackter, geklonter Plasmid-DNA gegen Eichhörnchen-Hepatitis
in Eichhörnchen
sowohl zu einer Virusinfektion als auch zur Bildung antiviraler
Antikörper
in den Eichhörnchen
führte
(Seeger et al., Proc. Nat'l.
Acad. Sci. USA, 81: 5849-5852, 1984). Mehrere Jahre später berichteten
Felgner et al., dass sie eine Expression von Protein aus in Skelettmuskelgewebe
injizierten „nackten" Polynukleotiden
(d.h. nicht an Liposomen oder einen viralen Expressionsvektor gebundene
DNA oder RNA) erzielt hatten (Felgner et al., Science, 247: 1465,
1990; siehe auch PCT-Anmeldung WO 90/11092). Felgner et al. vermuteten,
dass aufgrund des einzigartigen Aufbaus von Muskelgewebe, welches
aus vielkernigen Zellen, einem sarkoplasmatischen Retikulum und
einem tief in die Muskelzelle hinein verlaufenden querlaufenden
Tubulussystem besteht, Muskelzellen effizient Polynukleotide aufnehmen
und exprimieren.
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Heutzutage
wird die Injektion heterologer Nukleinsäure in Zellen eines quergestreiften
Muskels allgemein als wirkungsvoll zur Veranlassung einer Expression
von in die Zellen injizierter DNA oder RNA betrachtet. Ein Gentransfer
durch Injektion lebender Zellen mit Nukleinsäuren, die dann therapeutische
Gene in vivo exprimieren, in Patienten ist ebenfalls äußerst erwünscht, insbesondere
für Behandlungsstellen,
die sich in einer Körperhöhle befinden,
welche relativ nicht-invasiv unter Verwendung eines Katheters erreichbar
ist. Ein Gentransfer durch Injektion von Nukleinsäure oder
Zellen, die therapeutische Gene enthalten, ist jedoch kompliziert,
wenn die Injektionsstelle sowohl entlegen (d.h. in einer Körperhöhle) als
auch in Bewegung ist. Ein besonders schwieriges Ziel für derartige
therapeutische Techniken ist ein schlagendes Herz und zugehöriges arterielles
Gewebe.
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Obwohl
die einem Patienten injizierte Menge der bestimmten isolierten therapeutischen
Gene oder Zellen nur gering ist, sind zudem die im Zusammenhang
mit der Herstellung derartiger therapeutischer Substanzen anfallenden
Kosten hoch. Daher stellt jeder Injektatverlust während der Übertragung
auf den Patienten, beispielsweise durch Auslaufen infolge zu schneller Übertragung,
einen erheblichen Geldverlust dar.
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Die
FR-A-2,747,908 (Chout Philippe) beschreibt eine chirurgische Nadel,
die an ihrem proximalen Ende mit einem Nahtmaterial verbunden ist, das
zu einem perforierten Katheter und dann einem nicht-perforierten
Katheter wird und schließlich
in einem Rückschlagventil
endet, durch das Irrigationsflüssigkeiten
injiziert werden können.
Die Nadel besteht beispielsweise aus rostfreiem Stahl, Wolframkarbid
oder Titan, während
das Nahtmaterial bzw. der Katheter aus einem Polyamid, Nylon, Polyethylen, Polypropylen,
Polyglactin 910 oder aus Milchsäure- oder
Polyglykolsäurepolymer
oder aus reinen oder legierten Metallen, insbesondere rostfreiem
Stahl, Gold oder Titan bestehen kann. Der Außendurchmesser des Nahtmaterials
beträgt
dabei zwischen 150 μm
und 3 mm.
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In
der WO 99/04851 A (Emed Corp) ist eine chirurgische Nadel zur Zuführung eines
Wirkstoffs direkt in einen Herzmuskel beschrieben. Ein längliches Element
weist dabei ein Einsetzlumen und eine poröse distale Spitze auf. Eine
hohle Nadel mit geschlossener Spitze ist zum Einsetzen in den Herzmuskel konfiguriert.
Die Nadel ist funktions fähig
mit dem länglichen
Element verbunden. Die Nadel hat einen Seitenabschnitt und weist
in diesem Seitenabschnitt eine Auslassöffnung auf. Eine erste und
eine zweite Elektrode sind zum elektrischen Anschluss an eine Stromversorgung
konfiguriert. Dabei ist die erste Elektrode derart positioniert,
dass sie in direkter elektrischer Verbindung mit einem durch die
Auslassöffnung
fließenden
Wirkstoff steht.
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In
der WO 99/49926 A (Cardiogenesis Inc) ist die Verwendung entweder
eines perkutanen, intraoperativen oder minimal-invasiven Ansatzes
beschrieben, bei dem ein längliches
Element, das einen angiogenen Wirkstoff enthält, zu einer Herzwand geführt wird
und der Wirkstoff in das Herzgewebe abgegeben wird. Die Vorrichtung
hat ein offenes distales Ende, das zur Dissektion von Herzgewebe
und zum Eindringen in das Myokard konfiguriert ist.
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In
der WO 99/48545 A (Transvascular Inc.) ist ein Gerät zur direkten
Zuführung
eines Wirkstoffs in die gesamte oder einen Teil einer menschlichen oder
tierischen Gewebezelle beschrieben, in Form eines hohlen Röhrchens,
bei dem die mit dem Gewebe in Kontakt stehenden Wände des
Röhrchens
mit Perforationen versehen sind, dessen distales Ende verschlossen
ist, während
das proximale Ende derart geformt ist, dass es abnehmbare Verschlussmittel aufnimmt,
wobei das Röhrchen
einem Druck von mindestens 50 bar standhalten kann.
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Dementsprechend
besteht im Stand der Technik immer noch Bedarf an neuen und besseren Nadeln
und Injektionssystemen oder chirurgischen Aufbauten, die zur Mikroinjektion
kontrollierter Mengen therapeutischer Substanzen ohne nennenswerten
Injektatverlust und ohne nennenswerte Gewebeschädigung, selbst bei wiederholten
Injektionen, geeignet sind. Es besteht besonderer Bedarf an Nadeln,
die zur Anbringung an diversen Arten von Kathetern für eine derartige
kontrollierte Zuführung
therapeutischer Substanzen an entlegene Stellen im Körper ausgelegt
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
zahlreiche der Probleme im Stand der Technik, indem sie eine chirurgische
Nadel mit einer tröpfelnden
Spitze zur Mikroinjektion von Medikamenten in eine Körperoberfläche gemäß den nachstehenden
Ansprüchen
bereitstellt. Die erfindungsgemäße chirurgische Nadel
umfasst einen nichtporösen
hohlen Nadelschaft, dessen proximales Ende zum Zusammenstecken mit
einem chirurgischen Instrument ausgelegt ist, dessen poröser distaler
Abschnitt in flüssigkeitsdichter
Verbindung mit dem Nadelschaft steht und dessen Spitze offen, geschlossen
oder mit einem festen Teilstöpsel
versehen ist. Der poröse
distale Abschnitt der erfindungsgemäßen Nadel ist derart ausgelegt,
dass im eingesetzten Zustand von distalem Nadelabschnitt und Nadelspitze
in eine Körperoberfläche ein
flüssiges
Injektat unter Injektionsdruck in mehreren Richtungen aus diesem
heraus tröpfelt oder
rieselt. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Nadel Merkmale auf, mit
denen eine im Wesentlichen gleichmäßige Tröpfel- oder Rieselgeschwindigkeit
des Injektats entlang der Länge
ihres porösen
distalen Abschnitts erzielt wird.
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Die
erfindungsgemäße chirurgische
Nadel mit tröpfelnder
Spitze kann zur Anbringung an chirurgische Instrumente wie einer
Spitze ausgelegt sein, ist aber vorzugsweise zur Anbringung an der
distalen Spitze eines Katheters ausgelegt. Bei einer weiteren Ausführungsform
gemäß vorliegender
Erfindung werden ein oder mehrere chirurgische Aufbauten zur Verfügung gestellt,
die zur Injektion eines flüssigen Medikaments
an eine entlegene Stelle in einem Patienten, der dieses Medikament
benötigt,
benutzt werden können.
Der erfindungsgemäße chirurgische Aufbau
umfasst eine Nadel mit einer scharfen distalen Spitze mit oder ohne
Durchfluss sowie einen Katheter mit einem porösen distalen Abschnitt (beispielsweise
einem porösen
Polymer), der an dem distalen Ende der Nadel angebracht ist, wobei
der poröse
distale Abschnitt des Katheters dafür ausgelegt ist zu bewirken,
dass im eingesetzten Zustand in einer Körperoberfläche ein flüssiges Injektat unter Injektionsdruck
in mehreren Richtungen aus diesem in umliegendes Gewebe heraus tröpfelt oder
-rieselt. Der Rest des Katheters ist nichtporös, um sicherzustellen, dass
das Medikament lediglich Gewebe zugeführt wird, das mit dem porösen Abschnitt
des Katheters in Kontakt steht.
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Die
chirurgische Nadel und/oder der chirurgische Aufbau gemäß der Erfindung
eignen sich ideal zur Injektion von Medikamenten, die eine Nukleinsäure enthalten,
welche einen therapeutischen Wirkstoff codiert, (oder eine solche
Nukleinsäure
enthaltende Zellen), in Gewebe. Beispielsweise können die erfindungsgemäße Nadel
(bei Anbringung an einem geeigneten Katheter) oder der erfindungsgemäße chirurgische
Aufbau zur Injektion von Medikamenten) in die Wand eines schlagenden
Herzens oder eines anderen inneren Organs ohne nennenswerten Verlust
des Medikaments an der Oberfläche
der Körperwand
sowie ohne nennenswerten vom Injektat verursachten Schaden an Gewebe
an der Injektionsstelle verwendet werden.
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Verfahren
zur Injektion eines Medikaments in Gewebe eines Patienten, der das
Medikament benötigt,
werden ebenfalls beschrieben. Das Injektionsverfahren umfasst das
Einsetzen des distalen Abschnitts der erfindungsgemäßen Nadel
in das Gewebe des Patienten und das Bewirken des Herausrieselns
einer therapeutischen Menge des Medikaments in mehreren Richtungen
aus der Nadel heraus in das Gewebe ohne nennenswertes Auslaufen
oder Verlust des Medikaments an der Oberfläche des Gewebes. Das erfindungsgemäße Verfahren
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Nadel (oder des chirurgischen
Aufbaus) mit porösem
distalen Abschnitt ist zur Injektion geringer Flüssigkeitsmengen in Gewebe oder
in eine Körperwand
ausgelegt, daher auch die Verwendung des Begriffs „Mikroinjektion" im vorliegenden
Text.
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Es
werden auch Verfahren zur Injektion eines Medikaments in einen Patienten,
der dieses benötigt,
beschrieben, die das Einsetzen des distalen Abschnitts der erfindungsgemäßen Nadel
in eine Wand oder ein Gewebe im Inneren des Körpers des Patienten umfassen
sowie das Anlegen eines ausreichenden Drucks an ein in Flüssigkeitsverbindung
mit dem distalen Abschnitt der Nadel stehendes flüssiges Medikament,
um das Medikament derart herauszutreiben, dass es ohne nennenswertes
Auslaufen oder Verlust des Medikaments an der Oberfläche der Körperwand
in mehreren Richtungen aus den Poren im distalen Nadelabschnitt
heraus in die Wand oder das Gewebe im Inneren des Körpers rieselt.
Diese Verfahren sind besonders nützlich
zur Injektion von Medikament(en) in eine Wand oder ein Gewebe im Inneren
des Körpers,
bei der bzw. dem eine Bewe gung stattfindet, zum Beispiel die Wand
eines schlagenden Herzens während
elektrophysiologischer Tests, transmyokardialer Revaskularisation
und dergleichen.
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Ein
Verfahren zur Injektion eines Medikaments in Gewebe eines Patienten,
der dieses benötigt,
wird ebenfalls beschrieben und umfasst folgendes: Einsetzen des
distalen Abschnitts einer erfindungsgemäßen Nadel in das Gewebe des
Patienten und Bewirken des Herausrieselns einer therapeutischen
Menge des Medikaments in mehreren Richtungen aus der Nadel in das
Gewebe ohne nennenswerte durch das Injektat verursachte Schädigung am Gewebe
des Patienten.
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Es
ist eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen
bereitzustellen, mit denen ein Medikament aus mehreren Öffnungen
an einem Injektionsverlauf entlang heraus gleichzeitig injiziert
werden kann, anstatt eine Bolusinjektion durchzuführen, wie
sie bei traditionellen Subkutannadeln stattfindet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung in auseinandergezogener Perspektive der erfindungsgemäßen Nadel
mit tröpfelnder
Spitze und einem Katheter, an dem sie angebracht werden kann;
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2 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Nadel mit dem elektrischen
Verbinder zum Anschluss an ein Elektrokardiogramm;
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3 eine
Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen chirurgischen Aufbaus,
umfassend einen Katheter und eine Nadel, wobei sich der poröse distale
Abschnitt im flexiblen Katheter befindet.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
zahlreiche der Probleme aus dem Stand der Technik durch Bereitstellung
einer chirurgischen Nadel mit tröpfelnder Spitze
zur Mikroinjektion von Medikamenten in eine Körperoberfläche. Dabei umfasst die erfindungsgemäße chirurgische
Nadel einen nichtporösen,
hohlen Nadelschaft, dessen proximaler Abschnitt zur Verbindung mit
einem chirurgischen Instrument ausgelegt ist, einen porösen distalen
Abschnitt in flüssigkeitsdichter
Verbindung mit dem Nadelschaft und eine Spitze, die offen, geschlossen
oder mit einem festen Teilstöpsel
versehen ist. Der distale Abschnitt der erfindungsgemäßen Nadel
ist derart ausgelegt, dass im eingesetzten Zustand von distalem
Nadelabschnitt und Nadelspitze in einer Körperoberfläche ein flüssiges Injektat unter Injektionsdruck
in mehreren Richtungen aus diesen heraus sickert oder rieselt. Üblicherweise
bestimmt der beabsichtigte Verwendungszweck der Nadel die Länge ihres
porösen
distalen Abschnitts (z.B. ob sie zur Injektion eines Medikaments
in ein Blutgefäß oder eine
Niere und dergleichen gedacht ist). Im allgemeinen jedoch hat der
poröse
distale Abschnitt eine Länge
von ca. 1 mm bis ca. 20 mm und Poren mit einem durchschnittlichen Höchstmaß im Bereich
zwischen ca. 1,0 Mikron und ca. 200 Mikron, beispielsweise im Bereich
zwischen ca. 3 Mikron und ca. 100 Mikron, oder zwischen ca. 5 Mikron
und ca. 75 Mikron.
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Die
erfindungsgemäße chirurgische
Nadel mit tröpfelnder
Spitze kann zur Anbringung an bestimmte chirurgische Instrumente,
zum Beispiel eine Spritze, ausgelegt sein, ist aber vorzugsweise
zur Anbringung an der distalen Spitze eines nichtporösen Katheters
ausgelegt. Der Aufbau aus Nadel und Katheter ist vorzugsweise lenkbar.
Zum Beispiel kann die Nadel an der distalen Spitze eines lenkbaren
Katheters angebracht werden (d.h. eines am Griff mit einem Lenkmechanismus
zur Steuerung der Ablenkung des distalen Spitzenabschnitts des Katheterschafts
versehenen Katheters), wie er im Stand der Technik zur Injektion
von Medikamenten in eine entlegene Körperhöhle oder Organwand bekannt
ist. Alternativ kann die Nadel an einem Katheter mit einem porösen distalen
Abschnitt angebracht werden und dann diese Kombination in einen
lenkbaren Führungskatheter
eingeführt
werden, wie er bei zum Beispiel bei chirurgischen Techniken wie
der Angioplastie, der transmyokardialen Revaskularisation (TMR), der
perkutanen transmyokardialen Revaskularisation (PTMR) und dergleichen
eingesetzt wird, um die Nadel und den Katheter an die passende Stelle
zur Injektion eines Medikaments zu leiten. Zur Verwendung bei den
erfindungsgemäßen Aufbauten
und Verfahren geeignete Führungskatheter
sind im Handel erhältlich,
zum Beispiel von Firmen wie der Eclipse Surgical Technologies (Sunnyvale,
CA, USA) und der CardioGenesis Corp. (Sunnyvale, CA, USA).
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Bei
einer Ausführungsform
gemäß vorliegender
Erfindung ist die chirurgische Nadel aus einem Metall hergestellt,
das üblicherweise
zur Herstellung chirurgischer Nadeln verwendet wird, beispielsweise rostfreiem
Stahl, Nitinol, Tantal, Elgiloy und dergleichen, und mit einem distalen
Abschnitt mit einer Vielzahl von Poren versehen, wohingegen der
proximale Teil der Nadel (d.h. der nichtporöse, hohle Nadelschaft) flüssigkeitsdicht
ist, um ein Auslaufen von Flüssigkeit
aus diesem zu verhindern. Folglich ist es im Gebrauch wichtig, dass
vor und während
der Injektion eines Medikaments der gesamte poröse distale Abschnitt der Nadel
im Gewebe eingesetzt ist.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
gemäß vorliegender
Erfindung ist der poröse
distale Abschnitt der chirurgischen Nadel so ausgelegt, dass eine
abnehmende hydraulische Impedanz bei einem sich durch diesen hindurch
zur Spitze hin bewegenden Injektat entsteht, um eine größtenteils
gleichmäßige Austrittsgeschwindigkeit
des Injektats aus dem porösen
distalen Abschnitt an dessen Länge
entlang zu bewirken. Diese Abnahme der hydraulischen Impedanz kann
von jedweder Art sein, zum Beispiel linear, exponentiell, nach Gauß und dergleichen,
und einen Gradienten in jeder der beiden Längsrichtungen aufweisen.
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Zur
Erzeugung einer abnehmenden hydraulischen Impedanz entlang der Länge des
porösen
Abschnitts kann beispielsweise die Größe und/oder die Anzahl der
Poren im porösen
distalen Abschnitt entlang seiner Länge vom proximalen Ende zur
Spitze hin zunehmen. Eine Einstellung der Porosität entlang der
Länge des
porösen
distalen Abschnitts kann auch in Verbindung mit einem zunehmenden
Innendurchmesser entlang der Länge
des porösen
Abschnitts vom proximalen Ende zur Spitze hin erfolgen, wie es zum
Ausgleich eines Abfalls von Injektionsdruck auf Flüssigkeit,
die zum distalen Ende der Vor richtung hin austritt, erforderlich
ist. Wird ein anderes Gefälle
für das
Injektat gewünscht,
dann kann alternativ die Anzahl und/oder die Größe der Poren in jedweder zur
Erzielung eines derartigen Gefälles
geeigneten Richtung angeordnet werden.
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Die
scharfe Spitze der erfindungsgemäßen Nadel
kann offen, geschlossen oder mit einem festen Teilstöpsel versehen
sein, um ein Austreten des Injektats als einzelner Strahl zu verhindern.
Ist die Spitze der Nadel offen, dann lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit
aus der offenen Spitze heraus auch durch Einstellung der hydraulischen
Impedanz an der Länge
des distalen Abschnitts der Nadel entlang steuern, um zu verhindern,
dass die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms
an der Spitze die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms am porösen Abschnitt in
der Nähe
der Nadelspitze entlang stark übersteigt.
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Alternativ
kann die Nadelspitze auch offen, jedoch durch einen festen Teilstöpsel eingeschränkt sein,
sodass die distale Spitze der Nadel derart konstruiert ist, dass
sie ähnlich
der Spitze einer Gartenschlauchdüse
funktioniert, bei der der feste Teilstöpsel mit der offenen Spitze
zusammenwirkt, um den Austritt von Flüssigkeit zu beschränken, wodurch
der Austritt von Flüssigkeit
als einzelner Strahl verhindert wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform,
bei der die Nadel eine offene Spitze hat, kann die Spitze (und ein
distaler Abschnitt des Nadelschafts) mit einem porösen Material,
beispielsweise dem nachstehend beschriebenen porösen Sintermetallgitter, lose überdeckt
oder lose umhüllt
sein, um den porösen
distalen Nadelabschnitt zu bilden. Bei dieser Ausführungsform
ist die Umhüllung
am Nadelschaft befestigt (beispielsweise aufgeschmolzen oder angeschweißt), um
den porösen
Abschnitt zu bilden, aus dem dann Injektat heraus tröpfelt oder
rieselt (d.h. aus den Poren in der porösen Umhüllung).
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Das
proximale Ende des erfindungsgemäßen Nadelschafts
ist mit einem Verbinder versehen, beispielsweise einem Flansch,
einer Buchse oder dergleichen, wie er im Stand der Technik bekannt
ist, zur lösbaren
Befestigung der Nadel an einem chirurgischen Instrument, beispielsweise
einer Spritze oder einem Katheter. Das chirurgische Instrument dient
dabei als Vorratsbehälter
für das
flüssige
Medikament. Daher ist der Verbinder derart aufgebaut, dass eine
Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Nadel und dem chirur gischen Instrument besteht. Im Gebrauch
ist die erfindungsgemäße Nadel
an der distalen Spitze des chirurgischen Instruments angebracht,
welches derart ausgelegt ist, dass Druck auf das im nichtporösen, hohlen
Schaft der Nadel befindliche Medikament ausgeübt oder übertragen wird.
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Der
distale Abschnitt der Nadel kann aus jedwedem einer Anzahl verschiedener „offenzelliger" poröser Materialien
hergestellt werden (d.h. Materialien, bei denen die Poren miteinander
verbunden sind). Zum Beispiel kann der distale Abschnitt aus einem
porösen
Sintermetall hergestellt werden, das beispielsweise eine Vliesmatrix
aus Metallfasern bildet, ausgewählt
aus Metallen wie rostfreiem Stahl, Tantal, Elgiloy, Nitinol und
dergleichen, und geeignete Kombinationen aus beliebigen zwei oder
mehreren davon. Im allgemeinen haben die Metallfasern einen Durchmesser
im Bereich zwischen ca. 1,0 Mikron und ca. 25 Mikron. Eine Vliesmatrix
aus Metallfasern mit diesen gewünschten
Eigenschaften, die zur Herstellung des porösen distalen Abschnitts der
erfindungsgemäßen Nadel
verwendet werden kann, ist von der Bekaeart Corporation (Marietta,
GA, USA) erhältlich
und wird unter der Marke BEKIPOR®-Filtermedium
vertrieben.
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Der
distale poröse
Abschnitt der Nadel kann beispielsweise auch aus porösen Materialien
wie porösem
Polymer hergestellt werden, zum Beispiel aus porösem Polyimid, Polyethylen,
Polypropylen, Polytetrafluorethylen und dergleichen. Derartige poröse Polymere
sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,913,856 offenbart. Alternativ
kann auch ein poröses
Keramikmaterial verwendet werden, wie es im Stand der Technik zur
Verwendung bei keramischen Filtern und Trennmembranen bekannt ist,
oder ein poröses
Metall (auch als Streckgitter bekannt) oder Kohlenstoff, wie er
im Stand der Technik zur Verwendung bei Filtern oder Knochentransplantaten
bekannt ist. Poröse
Metalle zur Verwendung in diversen Arten von Filtern werden zum
Beispiel von der Mott Corporation (Farmington, CT, USA) hergestellt.
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Ist
das poröse
Filtermedium flexibel, dann kann der distale Abschnitt der erfindungsgemäßen Nadel
dadurch hergestellt werden, dass man das Filtermedium, welches im
Handel als dünne
Platte erhältlich
ist, ein- oder mehrmals um eine Achse herum wickelt, während gleichzeitig
ein hohler Mittelkern entsteht. Der poröse distale Abschnitt der Nadel
kann dann unter Anwendung von im Stand der Technik bekannten Verfahren
flüssigkeitsdicht
(z.B. durch Schweißen)
an einen nichtporösen,
hohlen Schaft angeschmolzen werden. Zur Bildung eines porösen Abschnitts
der Nadel mit abnehmender Impedanz für den Flüssigkeitsstrom kann ein poröses Filtermedium
oder Metallgitter mit geeignetem Porositätsgefälle bei der Herstellung des
porösen
Abschnitts verwendet werden.
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Alternativ
kann ein poröser
distaler Abschnitt für
die erfindungsgemäße Nadel
auch aus einem nichtporösen
Material (zum Beispiel einem Metall) geschaffen werden, wobei ein
Schneidelaser und im Stand der Technik bekannte Techniken zum Einsatz kommen,
um Poren im Nadelsegment auszubilden (d.h. durch einen Laserätzvorgang).
Zum Beispiel können
der nichtporöse
hohle Schaft, der poröse
Abschnitt und die Spitze der erfindungsgemäßen Nadel in einem Stück aus Metall
hergestellt werden, zum Beispiel aus einem herkömmlichen Hypotube. Bei diesem
Szenarium wird ein Metallschneidelaser zur Bildung eines Segments
der Nadel verwendet, das geeignete Porosität hat, zum Beispiel ein Porositätsgefälle innerhalb
eines Abschnitts der Nadel wie hierin offenbart zum Ausgleich von
Flüssigkeitsimpedanz an
der Länge
des porösen
Abschnitts der Nadel entlang.
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In
jedem Fall liegt die Porosität
des distalen Abschnitts im allgemeinen im Bereich zwischen ca. 50
% und ca. 85 %, und beträgt
zum Beispiel mindestens ca. 70 %.
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Somit
wird der in mehrere Richtungen aus der Nadel heraus verlaufende
Strom des Medikaments von mehreren Faktoren gesteuert, zum Beispiel
der Größe, der
Vielfalt und der Anordnung der Poren im distalen Abschnitt, der
Viskosität
des flüssigen
Medikaments, dem über
das chirurgische Instrument, an dem die Nadel befestigt ist, auf
das Medikament aufgebrachten Druck (d.h. dem „Injektionsdruck") und dergleichen.
Der Fachmann auf dem Gebiet weiß,
wie diese Faktoren auszuwählen
und zu kombinieren sind, um sicherzustellen, dass das Medikament
in mehreren Richtungen aus den Poren im distalen Abschnitt der Nadel
heraus in Gewebe, in das die Nadel eingesetzt ist, hinein rieselt,
ohne dass es dabei zu nennenswertem Auslaufen an der Oberfläche oder
auf das Injektat zurückzuführende Gewebeschädigung kommt.
Durch Abstimmen dieser Faktoren lässt sich der Strom eines flüssigen Medikaments
aus der Nadel heraus so einstellen, dass seine Geschwindigkeit langsam
genug ist, dass das Injektat im Gewebe an der Injektionsstelle absorbiert
wird, ohne dass es dabei zu einer größeren Zerstörung von Zell- und Membranstrukturen
kommt, wie sie durch eine Bolus- oder Schnellinjektion verursacht würde, insbesondere
aus einer Nadel mit nur einer Öffnung.
Eine Injektionsgeschwindigkeit im Bereich zwischen ca. 1,0 cc pro
Sekunde und ca. 2,0 cc pro Sekunde, zum Beispiel zwischen ca. 0,5
cc pro Sekunde und ca. 1,0 cc pro Sekunde, ist im allgemeinen zur
Erreichung dieser Ziele geeignet.
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Bei
der in 1 dieser Schrift dargestellten Ausführungsform
der Erfindung hat eine Nadel 2 einen nichtporösen, hohlen
Nadelschaft, einen porösen
distalen Nadelabschnitt 6 mit miteinander verbundenen Poren
und eine geschlossene, scharfe Spitze 8. Ein Injektat 12 rieselt
unter Injektionsdruck aus den Poren im distalen Abschnitt heraus.
Die scharfe Spitze 8 der Nadel 2 ist geschlossen,
damit kein Injektat aus der Nadelspitze herausfließen kann. Das
proximale Ende der Nadel 2 ist mit einem Flansch 10 zur
lösbaren
Befestigung an einem Katheter versehen. Das distale Ende eines Katheters 16,
der zumindest ein offenes Lumen 14 für den Durchtritt von Injektat
in die Nadel 2 hinein aufweist, lässt sich am proximalen Ende
der Nadel 2 anbringen. Bei weiteren Ausführungsformen
ist anstelle des Flansches am proximalen Ende der Nadel eine Buchse
zum Anschluss an eine Spritze vorgesehen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
gemäß vorliegender
Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Nadel des Weiteren einen
oder mehrere Sensorenverbinder zum elektrischen Anschluss an ein Elektrokardiogramm.
Das Elektrokardiogramm kann dazu verwendet werden, Kontakt zwischen
der Nadelspitze und dem Gewebe, oder bei Vorhandensein mehrerer
Elektroden, die Eindringtiefe zu bestimmen. Bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform
ist das Äußere des
Nadelschafts (das in dieser Figur nicht sichtbar ist) mit einem
Isolator 18 überzogen und
der Verbinder 19 ist direkt am (nicht überzogenen) proximalen Ende
des Nadelschafts angebracht. Eine elektrische Leitung 20 kann
zum Anschluss an ein Elektrokardiogramm durch das Lumen eines Katheters
gefädelt
werden. Es können
auch mehrere Leitungen zur Bestimmung der Tiefe der Nadel verwendet
werden. Bei dieser Konfiguration wird das Elektrokardiogramm von
allen Lei tungen aufgezeichnet. Das stärkere Signal kommt von den
intramyokardial gesetzten EKG-Leitungen. Alternativ kann der Verbinder
am Inneren der Spitze der Nadel befestigt sein, wobei ein isolierter
Verbindungsdraht durch das hohle Innere der Nadel und des Katheters
zum Anschluss an ein Elektrokardiogramm verläuft. Bei dieser Ausführungsform
dient die Nadel selbst als Elektrode für das Elektrokardiogramm und
kann zum monopolaren Erfassen elektrischer Ströme oder Impedanz im Herzen,
Gehirn, den Nerven, in proximalen Arterien und dergleichen verwendet
werden.
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Für das bipolare
Erfassen kann eine Rückleitelektrode
vorgesehen werden, indem ein elektrisch an das Elektrokardiogramm
angeschlossenes EKG-Pad am Äußeren des
Patienten angebracht wird, zum Beispiel am Äußeren der Brustwand. Im Umfang
der Erfindung wird ebenfalls erwogen, dass eine zweite Elektrode
oder ein zweiter Sensorverbinder an der Nadel befestigt werden kann,
beispielsweise am Äußeren der
Nadel, im Abstand von mindestens ca. 0,5 mm von der ersten Elektrode,
um zwei Elektroden zum Erfassen elektrischer Ströme innerhalb der Körperorgane
eines Patienten bereitzustellen. Es ist ebenfalls möglich, eine – beispielsweise
als Teil eines Herzschrittmachers – permanent in einem Patienten
eingesetzte Elektrode als Rückleitung
für die
bipolare Fernerfassung zu nutzen.
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Die
Verwendung der erfindungsgemäßen Nadeln
zur Durchführung
einer Erfassung bietet mehrere Vorteile. Zum Beispiel kann zur Injektion
in einen Muskel oder ein anderes Organ, durch das elektrische Impulse
verlaufen, ein an der erfindungsgemäßen Nadel angebrachter Elektrokardiogrammsensor
dazu verwendet werden, den Kontakt der Nadelspitze oder das richtige
Einsetzen der Nadel in die interessierende Körperwand (zum Beispiel der
Wand eines schlagenden Herzens) zu bestätigen, bevor das Medikament
in eine Behandlungsstelle injiziert wird. Die Eindringtiefe der
Nadel in das Gewebe wird durch eine Elektrodenanordnung bestimmt.
Für den Fachmann
ist klar, dass die erfindungsgemäße Nadel mit
daran befestigtem Elektrokardiogrammsensor auch zur Beurteilung
dessen verwendet werden kann, ob eine solche in Frage kommende Injektionsstelle
elektrisch aktiv ist oder nicht (d.h., ob das Gewebe tot ist, aufgrund
von Sauerstoffmangel „schläft" oder lebendig ist)
und dergleichen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
gemäß vorliegender
Erfindung werden chirurgische Aufbauten zur Verfügung gestellt, wie sie zur
Mikroinjektion eines flüssigen
Medikaments in eine entlegene Stelle in einem Patienten, der es
benötigt,
nützlich
sind. Der erfindungsgemäße chirurgische
Aufbau umfasst dabei eine Nadel mit einer scharfen distalen Spitze
sowie einen Katheter mit einem porösen distalen Abschnitt, der
am distalen Ende der Nadel angebracht ist, wobei der poröse distale
Abschnitt dafür
ausgelegt ist zu bewirken, dass ein flüssiges Injektat unter Injektionsdruck
in mehreren Richtungen aus diesem heraus in umliegendes Gewebe hinein
tröpfelt
oder rieselt, wohingegen der poröse
distale Abschnitt des Katheters in einer Körperfläche eingesetzt ist. Der Katheter
im erfindungsgemäßen chirurgischen
Aufbau kann ein lenkbarer Katheter mit einem Lenkmechanismus am
Griff zur Steuerung der Ablenkung des distalen Spitzenabschnitts
des Katheterschafts sein, wodurch dann in der Tat eine „lenkbare
Nadel" gebildet
wird.
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Alternativ
kann der erfindungsgemäße chirurgische
Aufbau des Weiteren einen Führungskatheter
der im Stand der Technik bekannten Art zur Führung von Instrumenten zur
Angioplastie umfassen, wie oben ausführlicher beschrieben wurde.
Bei dieser Ausführungsform
werden die Nadel und der Katheter mit porösem Endabschnitt in den Führungskatheter
eingeführt
(d.h. durch diesen hindurch gefädelt),
sodass Nadel und Katheter mit porösem distalen Abschnitt unter
Verwendung des lenkbaren Führungskatheters
an die Injektionsstelle geführt
(beispielsweise durch einen gewünschten
Gewebeabschnitt hindurch gefädelt)
werden können.
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Vorzugsweise
besteht der poröse
distale Abschnitt des Katheters aus einem flexiblen porösen Polymer,
beispielsweise einem porösen
Polyimid, Polyethylen, Polytetrafluorethylen oder Polypropylen und
dergleichen. Der poröse
distale Abschnitt kann des Weiteren Merkmale aufweisen, die eine
zunehmende hydraulische Impedanz für sich durch diesen hindurch
zur Nadel bewegendes Injektat bewirken, wodurch bei der Bewegung
des Injektats durch diesen hindurch ein gleichmäßiger Fluss des Injektats von
dort aus an der Länge
des porösen
distalen Abschnitts entlang bewirkt wird, um das Abfallen des auf die
Flüssigkeit
ausgeübten
Injektionsdrucks bei deren Bewegung zur Spitze der Vorrichtung hin
auszugleichen. Durch die Flexibilität des porösen Abschnitts im Auf bau wird
die Injektion von Medikamenten über
eine nichtlineare Strecke hinweg erleichtert.
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Wie
es bei dem porösen
Abschnitt der oben beschriebenen erfindungsgemäßen chirurgischen Nadel der
Fall ist, können
die Größe und/oder
die Anzahl der Poren im porösen
Abschnitt des Katheters beim erfindungsgemäßen chirurgischen Aufbau so ausgewählt werden,
dass jedwedes gewünschte
Gefälle
des Injektats am Verlauf der Injektionsstrecke entlang erzeugt wird.
Zum Beispiel kann die Größe und/oder
die Anzahl von Poren an der Länge
des porösen
Abschnitts entlang zur Verbindung mit der Nadel hin abnehmen, um
eine im Wesentlichen gleichmäßige Rieselgeschwindigkeit
des Injektats über
die Länge
des porösen
Abschnitts hinweg zu ermöglichen.
Bei dieser Konfiguration lässt
sich daher, wenn die Nadel erst einmal zum Fädeln des porösen Abschnitts
des Katheters durch das zu behandelnde Gewebe verwendet wird, eine
im Wesentlichen gleichmäßige Rieselgeschwindigkeit
der Flüssigkeit in
umliegende Gewebe über
die Injektionsstrecke hinweg erzielen. Als Alternative, oder in
Verbindung mit einem derartigen Porositätsgefälle, kann der poröse distale
Abschnitt auch einen abnehmenden Innendurchmesser entlang seiner
Länge vom
proximalen Ende zur Verbindung mit der Nadel hin aufweisen, um dasselbe
Ziel zu erreichen.
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3 dieser
Schrift zeigt den erfindungsgemäßen chirurgischen
Aufbau 22. Dabei ist eine nichtporöse Nadel 24 mit geschlossener
Spitze am distalen Ende eines flexiblen Katheters 26 angebracht, der
einen porösen
distalen Abschnitt 28 aufweist. Ein Injektat 30 rieselt
aus den Poren im flexiblen distalen Abschnitt 28 des Katheters 26 heraus.
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Ein
Verfahren zum Injizieren eines Medikaments in eine Körperwand
eines Patienten, der dieses Medikament benötigt, umfasst das Einsetzen
des porösen
distalen Abschnitts der erfindungsgemäßen Nadel in das Gewebe des
Patienten und das Anlegen eines ausreichenden Injektionsdrucks an
ein flüssiges
Medikament in Flüssigkeitsverbindung
mit dem porösen
distalen Abschnitt der Nadel, so dass das Medikament aus den Poren
in der Nadel in mehreren Richtungen heraus in das Gewebe rieselt.
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Alternativ
kann der erfindungsgemäße chirurgische
Aufbau, bei dem der poröse
Abschnitt nicht in der Nadel enthalten ist, sondern ein poröser distaler
Abschnitt eines ansonsten nichtporösen Katheters ist, zu einem ähnlichen
Zweck verwendet werden. Werden die Spitze und der poröse Abschnitt
der Nadel oder des chirurgischen Aufbaus vor der Injektion des Medikaments
in das Gewebe eingesetzt, dann kommt es bei der Injektion des Medikaments
zu keinem nennenswerten Auslaufen oder Verlust des Medikaments an
der Oberfläche
des Gewebes oder der Wand im Inneren des Körpers.
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Der
hierin verwendete Begriff „Medikament(e)" schließt alle
Arten flüssiger
Substanzen (zum Beispiel Lösungen
und Suspensionen) mit nützlicher
oder therapeutischer Wirkung ein. Nicht-einschränkende Beispiele für Medikamente, die
zur Verwendung bei den erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind,
schließen
biologisch aktive Wirkstoffe, beispielsweise Arzneimittel mit kleinen Molekülen, proteinische
Substanzen, Polynukleotide oder Nukleinsäuren (z.B. heterologe DNA,
oder RNA) sowie derartige Nukleinsäuren oder Polynukleotide enthaltende
Vektoren, Liposomen und dergleichen, und flüssige Präparate oder Mischungen dieser
ein.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
sind zur Injektion winziger Mengen flüssiger Medikamente in Gewebe
oder eine Körperwand,
zum Beispiel einer im Inneren des Körpers liegenden Körperwand,
ausgelegt. Dies erklärt
auch die Verwendung des Begriffs „Mikroinjektion" im vorliegenden
Text. Die therapeutische Menge des zu verabreichenden Medikaments
hängt dabei
vom angestrebten Therapieziel, Größe und Alter des Patienten,
der Pharmakokinetik des Injektats und dergleichen ab. Eine therapeutische
Menge liegt jedoch üblicherweise
im Bereich zwischen ca. 0,5 cc und ca. 2,0 cc.
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Unter
Injektionsdruck, der auf ein flüssiges Medikament
in der erfindungsgemäßen Nadel
oder dem erfindungsgemäßen chirurgischen
Aufbau ausgeübt
wird, tröpfelt
oder rieselt das Injektat in mehreren Richtungen aus dem porösen distalen
Abschnitt heraus in umliegendes Gewebe, in das die Nadel oder der
Aufbau eingesetzt ist. Dabei sollte jedoch ein Austreten des Injektats
aus den proximalen Abschnitten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen verhindert
werden. Ein Fließen
des Injektats in das umliegende Gewebe soll mit geringer Geschwindigkeit erfolgen,
zum Beispiel im Bereich zwischen ca. 0,1 cc pro Sekunde und ca.
2,0 cc pro Sekunde, um eine Absorption und ein sich Verbreiten des
Medikaments im Gewebe ohne nennenswerte, durch das Injektat verursachte
Gewebeschädigung
zu ermöglichen (dies
verhindert zum Beispiel eine poolartige Ansammlung des Medikaments).
Soweit das Injektat keine Teilchen (z.B. Zellen) enthält, die
größer als
die Poren im distalen Abschnitt der Nadel sind, ist der Gesamtfluss
des Medikaments in das Gewebe hinein proportional zur an das Injektat
angelegten Menge an Druck.
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Soweit
der poröse
Abschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht zur Erzielung eines zunehmenden Impedanzgefälles für den Flüssigkeitsstrom
bei der Bewegung der Flüssigkeit
distal durch den porösen
Abschnitt hindurch (d.h. zur Nadelspitze hin) ausgelegt ist, wird
jedoch das Medikament nicht mit gleichmäßiger Fließgeschwindigkeit an der Länge des
porösen
Abschnitts entlang heraus tröpfeln.
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Es
ist gegenwärtig
bevorzugt, dass die Kombination aus Nadel und chirurgischem Instrument,
an dem sie angebracht ist, derart ausgewählt wird, dass die Menge des
Medikaments, die aus den Poren der Nadel herausrieselt, von der
Bedienungsperson geregelt werden kann. Wird beispielsweise eine
abgemessene Menge des Medikaments zur Verabreichung in eine kalibrierte
Kammer des chirurgischen Instruments und/oder den Hohlraum der Nadel
gefüllt,
wird durch einen Druck auf das Medikament in der Kammer, der ausreicht,
um 2 cc des Medikaments aus den Poren im distalen Abschnitt der
Nadel heraus zuzuführen,
während
der distale Abschnitt in Gewebe des Patienten eingesetzt ist, im
Wesentlichen sichergestellt, dass der Patient 2 cc des Medikaments
erhält.
Dieses Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
ist besonders vorteilhaft, wenn es wichtig ist, die dem Patienten
verabreichte Menge des Medikaments genau zu überwachen, um beispielsweise
eine Verschwendung des Medikaments zu verhindern oder um die Wirksamkeit
der Behandlung genau zu beurteilen, und dergleichen.
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Es
können
Verfahren zur Verabreichung einer therapeutischen Menge eines Medikaments
mit einer isolierten therapeutischen Nukleinsäuresequenz, oder mit einem
eine derartige Nukleinsäuresequenz
enthaltenden Vektor, Liposom, oder Zelle und dergleichen, wobei
diese Nukleinsäuresequenz mit
einer Regulatornukleinsäure
zur Expression des codierten therapeutischen Proteins operativ verbunden
ist, an einen Patienten, der eine Gentherapie benötigt, zum
Einsatz kommen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können zur
Förderung
einer Gentherapie durch Injektion derartiger Medikamente selbst
bei einer im Inneren des Körpers
und/oder in ständiger
Bewegung befindlichen Injektionsstelle verwendet werden. Es werden
Verfahren zur Injektion einer therapeutischen Menge eines Medikaments in
eine innenliegende Körperwand
oder ein Gewebe eines Patienten, der dieses Medikament benötigt, beschrieben.
Diese umfassen das Einsetzen des distalen Abschnitts der erfindungsgemäßen Nadel
in eine innenliegende Körperwand
oder ein Gewebe des Patienten und das Anlegen von ausreichend Druck
auf ein flüssiges
Medikament in Flüssigkeitsverbindung mit
dem distalen Abschnitt der Nadel, um eine therapeutische Menge des
Medikaments derart herauszutreiben, dass das Medikament – ohne nennenswertes
Auslaufen oder Verlust des Medikaments an der Oberfläche der
Körperwand – in mehreren
Richtungen aus den Poren im distalen Abschnitt der Nadel heraus
in die innenliegende Körperwand
oder das Gewebe hinein rieselt. Dabei kann sich die Körperwand
innerhalb einer natürlichen
Körperhöhle oder einer
chirurgisch geschaffenen Öffnung
befinden.
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Die
erfindungsgemäße Nadel
mit tröpfelnder Spitze
ist besonders nützlich
zur Injektion von Medikamenten in die Wand eines inneren Organs,
das während
des Injektionsvorgangs eine Bewegung ausführt, zum Beispiel die Wand
eines schlagenden Herzens oder beieinanderliegende Arterienwände während elektrophysiologischer
Tests, transmyokardialer Revaskularisation und dergleichen. Weitere
innere Organe, bei denen eine Bewegung stattfindet und in die unter
Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren
Injektionen gesetzt werden können,
sind Magen, Speiseröhre,
Gallenblase, Leber, Darm, Niere, Lunge und dergleichen.
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Der
Begriff „isoliertes
Polynukleotid" oder „isolierte
Nukleinsäure" oder „isolierte
Nukleinsäuresequenz" bezeichnet ein Polynukleotid,
das nicht unmittelbar an die beiden codierenden Sequenzen angrenzt,
an die es im natürlich
auftretenden Genom des Organismus, aus dem es abgeleitet ist, unmittelbar
angrenzt (eine am 5'-Ende
und eine am 3'-Ende). Der
Begriff schließt
daher eine rekombinante DNA ein, die in einen Vektor; in ein autonom
replizierendes Plasmid oder Virus; oder in die genomische DNA eines Prokaryonten
oder Eukaryonten eingebaut ist oder die als separates Molekül (z.B.
eine cDNA) unabhängig
von anderen Sequenzen existiert. Zur Verwendung bei der praktischen
Umsetzung der vorliegenden Erfindung in Frage kommende therapeutische
Nukleinsäuren
sollen solche einschließen,
die Produkte codieren, welche für
die Zellen, in denen sie exprimiert werden, toxisch sind; solche,
die Produkte codieren, die bei einem Patienten eine nützliche
Eigenschaft vermitteln; und solche, die Nukleinsäuren transkribieren, die eine
Transkription und/oder Translation von endogenen Gene modulieren.
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Bevorzugte
Beispiele geeigneter therapeutischer Nukleinsäuren zur Verabreichung in Herzgewebe
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen schließen solche
ein, die Wachstumsfaktoren codieren, die Apoptose und Zellwachstum fördern, beispielsweise
bFGF (basischer Fibroblastenwachstumsfaktor, auch als FGF-2 bekannt),
aFGF (auch als FGF-1 bekannt), EGF (Epithelwachstumsfaktor), VEGF
(vaskulärer
Epithelwachstumsfaktor), Angiostatin, Ecchystatin, IGFs (insulinartige
Wachstumsfaktoren) und dergleichen. Diese Wirkstoffe können zur
Förderung
oder Verhinderung der Bildung neuer Blutgefäße, zur Verhinderung einer
Entzündung
(wie sie infolge einer direkten Injektion in die Wand einer Arterie
auftritt), zur Verhinderung einer neointimalen Hyperplasie oder
zur Förderung
oder Verhinderung des Wachstums neuer Myokardialzellen verwendet
werden.
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Weitere
therapeutische Nukleinsäuren,
die bei den Vorrichtungen gemäß vorliegender
Erfindung nützlich
sind, schließen
Gene ein, die interessierende biologisch aktive Proteine codieren,
beispielsweise sekretorische Proteine, die von dieser Zelle freigesetzt
werden können;
Enzyme, die eine toxische Substanz zur Erzeugung einer nichttoxischen
Substanz metabolisieren können
oder die eine inaktive Substanz zur Erzeugung einer nützlichen
Substanz metabolisieren; Regulationsproteine; Zelloberflächenrezeptoren;
und dergleichen. Nützliche
Gene schließen
Gene ein, die Blutgerinnungsfaktoren codieren, beispielsweise die
menschlichen Koagulationsfaktoren VIII und IX; Gene, die Hormone
codieren, beispielsweise Insulin, Parathyrin, luteinisierendes Hormon-Releasing-Hormon
(LHRH), Alpha- und Beta-Samen-Inhibine und menschliches Wachstumshormon;
Gene, die Proteine codieren, beispielsweise Enzyme, deren Nichtvorhandensein
zum Auftreten eines anormalen Zustands führt; Gene, die Zytokine oder
Lym phokine codieren, zum Beispiel Interferone, Granulozyten-Makrophagen-koloniestimulierender
Faktor (GM-CSF), koloniestimulierender Faktor-1 (CSF-1), Tumornekrosefaktor
(TNF) und Erythropoietin (EPO); Gene, die Inhibitorsubstanzen codieren,
zum Beispiel Alpha-Antitrypsin; Gene, die Substanzen codieren, welche
als Arzneimittel fungieren, z.B. Gene, welche die Diphtherie- und
Choleratoxine codieren, und dergleichen.
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Üblicherweise
lässt sich
Nukleinsäuresequenzinformation
für Proteine,
die durch therapeutische Nukleinsäure(n) codiert werden, wie
sie zur Verwendung hierin erwogen werden, in einer von zahlreichen öffentlich
zugänglichen
Datenbanken, z.B. GENBANK, EMBL, Swiss-Prot und PIR, oder in Veröffentlichungen
in zugehörigen
Fachzeitschriften auffinden. Somit haben Fachleute zu Sequenzinformation
für praktisch
alle bekannten Gene Zugang. Der Fachmann kann das entsprechende
Nukleinsäuremolekül direkt
von einer öffentlichen
Aufbewahrungseinrichtung oder von der Institution erhalten, welche die
Sequenz veröffentlicht
hat. Ist die ein gewünschtes
Protein codierende Nukleinsäuresequenz
erst einmal ermittelt, dann kann der Fachmann auf dem Gebiet fakultativ
Routineverfahren, z.B. die Amplifikation durch Polymerase-Kettenreaktion
(PCR), zur Isolierung des gewünschten
Nukleinsäuremoleküls aus der
geeigneten Nukleinsäurebank
einsetzen. Somit stehen alle bekannten Nukleinsäuren, die interessierende Proteine
codieren, zur Verwendung bei den hierin beschriebenen Produkten
zur Verfügung.
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Weitere
Komponenten, die fakultativ in die erfindungsgemäßen Konstrukte eingebaut werden können, schließen auswählbare Marker
und Gene ein, die Proteine codieren, welche zur retroviralen Verpackung
erforderlich sind, z.B. das pol-Gen, das gag-Gen, das env-Gen und
dergleichen.
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Für den Einsatz
bei den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung erwogene auswählbare Marker
schließen
Antibiotikaresistenzgene, Gene, die Zellen zur Verarbeitung metabolischer
Zwischenprodukte befähigen,
und dergleichen ein. Beispielhafte Antibiotikaresistenzgene sind
Gene, die eine Tetrazyklinresistenz vermitteln, Gene, die eine Ampicillinresistenz,
eine Neomycinresistenz, eine Hygromycinresistenz, eine Puromycinresistenz
vermitteln, und dergleichen.
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Fakultativ
können
die Zellen dem Patienten oder Wirt entnommen (d.h. anstelle einem
Spender), auf die oben beschriebene Weise modifiziert und dann unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren wieder dem Patienten eingesetzt werden. Zum Beispiel
kann eine therapeutische Nukleinsäure direkt in einem Patienten
entnommene Zellen eingeführt
werden, und die modifizierten Zellen können dann dem Patienten injiziert werden.
Die therapeutische Nukleinsäure
kann stabil in Zellen eingebaut werden oder kann unter Verwendung
von im Stand der Technik bekannten Verfahren kurzzeitig exprimiert
werden.
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Modifizierte
Zellen werden unter Wachstumsbedingungen (im Gegensatz zu Proteinexpressionsbedingungen)
gezüchtet,
bis eine gewünschte Dichte
erreicht ist. Stabil transfizierte Säugerzellen können hergestellt
werden, indem Zellen mit einem Expressionsvektor, der ein selektierbares
Markierungsgen aufweist (beispielsweise das Gen für Thymidinkinase,
Dihydrofolatreduktase, Neomycinresistenz und dergleichen), transfiziert
werden und die transfizierten Zellen unter Bedingungen gezüchtet werden,
die für
Zellen, die das Markierungsgen exprimieren, selektiv sind. Zur Herstellung
transienter Transfektanten werden Säugerzellen mit einem Reportergen
(beispielsweise dem E. coli-Galaktosidase-Gen) transfiziert, um
die Transfektionseffizienz zu überwachen.
Selektierbare Markierungsgene sind üblicherweise nicht in den kurzzeitigen
Transfektionen enthalten, da die Transfektanten üblicherweise nicht unter selektiven
Bedingungen gezüchtet
werden, und üblicherweise
innerhalb von ein paar Tagen nach der Transfektion analysiert werden.
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Das
Konzept der Gensubstitutionstherapie für Menschen beinhaltet die Einführung funktionell aktiver
Nukleinsäuren
in die somatischen Zellen eines betroffenen Patienten zur Korrektur
eines Gendefekts oder einer genetischen Defizienz. Gene, die nützliche „Gentherapie"-Proteine codieren,
welche im Normalfall nicht aus der Zelle heraus transportiert werden,
können
bei der Erfindung verwendet werden, wenn diese Gene an eine Signalsequenz „funktionell
angehängt" oder mit einer solchen
operativ verbunden sind, welche das codierte Produkt über die
Zellmembran hinaus „transportieren" kann.
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Es
sind eine Vielzahl derartiger Signalsequenzen bekannt und können vom
Fachmann auf dem Gebiet ohne übermäßiges Experimentieren
verwendet werden.
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Bei
der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung zum Einsatz
kommende Regulatorelemente werden funktionsfähig mit einem geeigneten Promotor
zur Transkription eines therapeutischen Nukleinsäureprodukts bzw. -produkten
gekoppelt. Der hierin verwendete Begriff „Promotor" bezieht sich auf eine spezifische Nukleinsäuresequenz, die
von der RNA-Polymerase, also dem Enzym, das eine RNA-Synthese initiiert,
erkannt wird. Die Promotorsequenz ist die Stelle, an der unter geeigneten Konditionen
eine Transkription spezifisch initiiert werden kann. Bei der Einbringung
exogener Nukleinsäure(n),
die mit einem geeigneten Promotor operativ verbunden wurden, in
die Zellen eines geeigneten Wirts lässt sich die Expression der
exogenen Nukleinsäure(n)
häufig,
wenn auch nicht immer, durch das Vorhandensein von Liganden steuern,
welche normalerweise nicht in den Wirtszellen vorzufinden sind.
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Für die Steuerung
der Expression exogener Nukleinsäuren,
wie sie bei den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz
kommen, in Frage kommende Promotoren schließen induzierbare (z.B. CMV-Minimalpromotoren,
TK-Minimalpromotoren, modifizierte MMLV-LTR), konstitutive (z.B. β-Actin- (vom
Huhn) Promotoren, MMLV LTR (nicht-modifiziert), DHFR), und/oder
gewebespezifische Promotoren ein.
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Induzierbare
Promotoren, wie sie für
den Einsatz bei den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung in
Frage kommen, umfassen Transkriptionsregulatorregionen, die maximal
zur Promotion einer Transkription von mRNA unter induzierenden Bedingungen
wirken. Beispiele für
geeignete induzierbare Promotoren sind u.a. DNA-Sequenzen entsprechend:
dem E. coli lac-Operator, der auf IPTG anspricht (siehe Nakamura
et al., Cell, 18: 1109-1117, 1979); den Methallothionein-Promotor-Metallregulatorelementen,
die auf eine Schwermetall- (z.B. Zink) Induktion ansprechen (siehe
Evans et al., US-Patent Nr.
4,870,009), dem Phagen T7lac-Promotor, der auf IPTG anspricht (siehe
Studier et al., Meth. Enzymol., 185: 60-89, 1990; und US-Patent
Nr. 4,952,496), dem Hitzeschockpromotor; dem TK-Minimalpromotor;
dem CMV-Minimalpromotor, einem synthetischen Promotor und dergleichen.
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Beispielhafte
konstitutive Promotoren, wie sie für den Einsatz bei den Vorrichtungen
der vorliegenden Erfindung in Frage kommen, sind u.a. der CMV-Promotor,
der SV40-Promotor,
der DHFR-Promotor, der Maus-Mammatumorvirus (MMTV)-steroid-induzierbare
Promotor, das Moloney Mausleukämievirus
(MMLV)-Promotor, der Elongationsfaktor1 a (EF1 a)-Promotor, der
Albumin-Promotor, der APO-A1-Promotor, der zyklische AMP-abhängige Kinase
II (CaMKII)-Promotor, der Keratin-Promotor, der CD3-Promotor, die
Immunoglobulin-Leicht- oder Schwerketten-Promotoren, der Neurofilament-Promotor,
der neuronenspezifische Enolase-Promotor, der L7-Promotor, der CD2-Promotor,
der Myosin-Leichtketten-Kinase-Promotor, der HOX-Gen-Promotor, der
Thymidin-Kinase (TK) Promotor, der RNA-Pol-II-Promotor, der MYOD-Promotor,
der MYF5-Promotor, der Phosphoglyzerokinase (PGK)-Promotor, der
Stf1-Promotor, der Lipoprotein geringer Dichte (LDL)-Promotor, der β-Actin- (vom Huhn)
Promotor (z.B. in Verbindung mit einem Ecdyson-Response-Element
verwendet) und dergleichen.
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Wie
es dem Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres klar ist, bezieht sich
der Begriff „gewebespezifisch" auf die im Wesentlichen
ausschließliche
Initiierung einer Transkription in dem Gewebe, aus dem ein bestimmter
Promotor, der die Expression eines gegebenen Gens treibt, abgeleitet
ist (das z.B. nur in T-Zellen, Endothelzellen, glatten Muskelzellen
und dergleichen exprimiert wird). Beispielhafte gewebespezifische
Promotoren, wie sie für
den Einsatz bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung
in Frage kommen, sind u.a. der GH-Promotor, der NSE-Promotor, der
GFAP-Promotor, Neurotransmitter-Promotoren
(z.B. Tyrosinhydroxylase, TH, Cholinacetyltransferase, ChAT, und
dergleichen), Promotoren für
neurotrope Faktoren (z.B. ein Nervenwachstumsfaktor-Promotor, NT-3,
BDNF-Promotoren und dergleichen) usw.
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Wie
hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „operativ verbunden mit" auf das funktionelle
Verhältnis
von DNA zu Regulator- und Effektorsequenzen von Nukleinsäuren, beispielsweise
Promotoren, Verstärkern,
Transkriptions- und Translations-Terminationsstellen und anderen
Signalsequenzen. Zum Beispiel bezieht sich die operative Kopplung
von DNA an einen Promotor auf das physische und funktionelle Verhältnis zwischen
der DNA und dem Promotor, sodass die Transkription einer solchen
DNA vom Promotor durch eine RNA-Polymerase initiiert wird, welche
die DNA spezifisch erkennt, sich an diese bindet und diese transkribiert.
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Gentransfervektoren
(auch als „Expressionsvektoren" bezeichnet), wie
sie zur Verwendung hierin in Frage kommen, sind rekombinante Nukleinsäuremoleküle, die
zum Transport von Nukleinsäure
in Wirtszellen zu deren Expression und/oder Replikation verwendet
werden. Expressionsvektoren können entweder
ringförmig
oder linear sein, und sind in der Lage, eine Vielzahl von Nukleinsäurekonstrukten
in sich einzuschließen.
Expressionsvektoren liegen üblicherweise
in Form eines Plasmids vor, das bei Einführung in eine geeignete Wirtszelle
die Expression der eingesetzten Nukleinsäure bewirkt.
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Geeignete
Expressionsvektoren zur Verwendung hierin sind dem Fachmann auf
dem Gebiet wohlbekannt und schließen rekombinante DNA- oder RNA-Konstrukt(e)
ein, beispielsweise Plasmide, Phagen-, rekombinante Virus- oder
andere Vektoren, die bei Einführung
in eine geeignete Wirtszelle die Expression der eingesetzten DNA
bewirken. Geeignete Expressionsvektoren sind dem Fachmann auf dem
Gebiet wohlbekannt und schließen
solche ein, die in eukaryontischen Zellen und/oder prokaryontischen
Zellen replizierbar sind, und solche, die episomal bleiben, oder
solche, die sich in das Genom der Wirtszelle integrieren. Expressionsvektoren
enthalten üblicherweise
des Weiteren andere funktionell wichtige Nukleinsäuresequenzen,
die Antibiotikaresistenz-Proteine
codieren und dergleichen.
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Die
Menge der in einen Patienten eingeführten therapeutischen Nukleinsäure kann
vom Fachmann auf dem Gebiet variiert werden. Wird beispielsweise
ein viraler Vektor zur Bewirkung eines Gentransfer verwendet, dann
kann die Menge der eingeführten
Nukleinsäure
durch Verändern
der Menge der plaque-bildenden Einheiten (engl. plaque forming units,
PFU) des viralen Vektors variiert werden.
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Beispielhafte
eukaryontische Expressionsvektoren schließen eukaryontische Konstrukte
ein, beispielsweise das pSV-2-gpt-System (Mulligan, et al, Nature
277: 108-114, 1979); pBlueSkript (Stratagene, La Jolla, CA, USA),
den vom Genetics Institute be schriebenen Expressionsklonierungsvektor
(Science: 228: 810-815, 1985) und dergleichen. Jeder dieser Plasmidvektoren
ist in der Lage, eine Expression des Proteinprodukts in der interessierenden
Nukleinsäure
zu fördern.
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Geeignete
Mittel zur Einführung
(Transduktion) von Expressionsvektoren, die therapeutische Nukleinsäurekonstrukte
enthalten, in Zellen eines Patienten, der mit den erfindungsgemäßen Verfahren
behandelt wird, schließen
eine Infektion unter Verwendung viraler Vektoren ein (siehe z.B.
US-Patente 4,405,712 und 4,650,764). Die transduzierte Nukleinsäure kann
fakultativ auch Sequenzen aufweisen, die ihre extrachromosomale
(d.h. episomale) Erhaltung ermöglichen,
oder die transduzierte Nukleinsäure kann
Spender-Nukleinsäure
sein, die sich in das Genom des Wirts integriert.
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Ein
zur Verwendung hierin erwogener Gentransfervektor ist ein viraler
Vektor, beispielsweise Adenovirus, adeno-assoziiertes Virus, ein
Vektor auf der Grundlage des Herpes-Simplex-Virus, ein synthetischer
Vektor zur Gentherapie und dergleichen (siehe z.B. Suhr et al.,
Arch. of Neurol. 50: 1252-1268, 1993). Vorzugsweise ist ein hierin
verwendeter Gentransfervektor ein retroviraler Vektor. Zur Verwendung
hierin in Frage kommende retrovirale Vektoren sind Gentransferplasmide,
die ein Expressionskonstrukt mit einer exogenen Nukleinsäure zwischen
zwei retroviralen LTRs enthalten. Retrovirale Vektoren enthalten üblicherweise
geeignete Verpackungssignale, die eine Verpackung des retroviralen
Vektors, oder einer unter Verwendung des retroviralen Vektors als
Matrize transkribierten RNA, in ein virales Virion in einer geeigneten
Verpackungszelllinie ermöglichen
(siehe z.B. US-Patent 4,650,764).
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Geeignete
retrovirale Vektoren zur Verwendung hierin sind zum Beispiel in
den US-Patenten 5,399,346 und 5,252,479; und in den WIPO-Veröffetnlichungen
WO 92/07573, WO 90/06997, WO 89/05345, WO 92/05266 und WO 92/14829
beschrieben. Diese Dokumente enthalten eine Beschreibung von Verfahren
zur effizienten Einführung von
Nukleinsäuren
in menschliche Zellen unter Verwendung derartiger retroviraler Vektoren.
Andere retrovirale Vektoren sind zum Beispiel Maus-Mammatumorvirus-Vektoren
(z.B. Shackleford et al, PNAS, USA, 85: 9655-9659, 1988), das menschliche
Immunschwächevirus
(z.B. Naldini et al. Science: 272 165-320, 1996) und dergleichen.
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Ebenfalls
wohlbekannt im Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Bereitstellung
von Helferzellen, die retrovirale Vektorpartikel erzeugen, welche
größtenteils
frei von replizierendem Virus sind. Siehe beispielsweise das US-Patent
4,650,764; Miller, Human Gene Therapy, 1: 5-14, 1990; Markowitz, et
al, Journal of Virology, 61 (4): 1120-1124, 1988; Watanabe, et al, Molecular
and Cellular Biology, 3: 2241-2249, 1983; Danos, et al., PNAS, BJ: 6460-6464;
1988; und Bosselman, et al, Molecular and Cellular Biology: 7(5)
1797-1806, 1987, in denen Prozeduren zur Erzeugung viraler Vektoren
und Helferzellen offenbart sind, mit denen sich die Wahrscheinlichkeit
einer Erzeugung eines viralen Vektors, der ein replizierendes Virus
enthält,
minimieren lassen.
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Rekombinante
Retroviren, die bei Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden können,
werden unter Verwendung wohlbekannter Verfahren zur Erzeugung retroviraler
Virionen hergestellt. Siehe beispielsweise US-Patent 4,650,764;
Miller, wie oben angegeben, 1990; Markowitz, et al, wie oben angegeben,
1988; Watanabe et al, wie oben angegeben, 1983; Danos, et al, PNAS, 85:
6460-6464, 1988; und Bosselman, et al, Molecular and Cellular Biology,
7(5): 1797-1806, 1987.
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Durch
Einführung
der gesamten notwendigen Regulatormaschinerie plus exogener Nukleinsäure, selektierbaren
Markern und einer Nukleinsäure,
die das erfindungsgemäße chimäre Protein
codiert, z.B. in einen MARV-Retrovirus, lässt sich eine äußerst effiziente
Einsetzung exogener Nukleinsäuren
in Zielzellen bewerkstelligen.
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Somit
nehmen sich die oben beschriebenen viralen Konstrukte mehrerer wichtiger
Probleme an, welche beim Einsatz von Retroviren bei der Anwendung
therapeutischer Gentransferstrategien auf eine Vielzahl menschlicher
Krankheiten auftreten. Zum Beispiel sind die retroviralen Vektoren
zu einer längeren
Genexpression unter Bedingungen in der Lage, bei denen auf herkömmliche
Weise integrierte Retroviren nicht mehr transkriptional aktiv sind.
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Der
hierin im Bezug auf Nukleinsäuren
verwendete Ausdruck „exogen
für den
Säugerwirt" oder einfach nur „exogen" bezieht sich auf
Nukleinsäuren, die
in der Natur nicht in Mengen vorkommen, die zur Bereitstellung einer
Funktion in der bestimmten Zelle, bei der eine Transkription gewünscht wird,
ausreichen.
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Zum
Beispiel können
exogene Nukleinsäuren
entweder natürliche
oder synthetische Nukleinsäuren
sein, die dem Patienten in Form von DNA oder RNA zugeführt werden.
Die interessierenden Nukleinsäuren
können
einem Patienten direkt oder indirekt zugeführt werden, zum Beispiel durch Übertragung
transformierter Zellen auf einen Patienten unter Verwendung beschriebener
Verfahren.
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Der
hierin verwendete Begriff „Patient" und „Wirt" bezieht sich auf
einen Säugerpatienten,
dem ein Medikament verabreicht werden muss. Zu den Säugerpatienten
gehören:
Menschen; domestizierte Tiere, z.B. Ratte, Maus, Kaninchen, Hund,
Katze und dergleichen; Bauernhoftiere, z.B. Hühner, Rinder, Schaf, Schweine
und dergleichen; Tiere von zoologischem Interesse, z.B. Affen, Paviane
und dergleichen. Obwohl die Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme
auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurde, liegen selbstverständlich auch
Modifikationen und Variationen im Umfang dessen, was beschrieben
und beansprucht wird.