DE10108799A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallimpfung von biologischem Zellmaterial - Google Patents

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

Aufgabenstellung

Es soll ein möglichst preiswertes und einfaches Verfahren entwickelt werden, um einzelne Zellen oder Zellverbände mit biologischen Molekülen und/oder pharmazeutischen Partikeln zu impfen.

Stand der Technik

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.

Erfindungsgemäße Lösung

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.