DE10234905B4 - Method for improving the acoustically induced molecule transfer - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Transferieren von Molekülen, insbesondere DNA oder Oligos, in Zellen von Menschen, Tieren oder Pflanzen, mit der Maßgabe, dass es sich nicht um humane embryonale Stammzellen handelt, mittels durch akustische Energie erzeugten Scherkräften, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherkräfte durch Einwirkung der akustischen Wellen auf in dem gesamten Probenvolumen verteilte Streukörper (1, 11, 12) erzeugt werden.method for transferring molecules, in particular DNA or oligos, in cells of humans, animals or Plants, with the proviso that they are not human embryonic stem cells, by means of shearing forces generated by acoustic energy, characterized that the shear forces by the action of the acoustic waves on the entire sample volume distributed scattering bodies (1, 11, 12) are generated.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Transferieren von Molekülen medizinisch wirksamer Stoffe (Agenzien)- wie zum Beispiel DNA, Oligos, bestimmte Chemikalien etc. -in Zellen von Menschen, Tieren und/oder Pflanzen mittels durch akustische Energie erzeugten Scherkräften, und zwar in vitro wie auch in vivo.The This invention relates to a method of transferring molecules medically active substances (agents) - such as DNA, oligos, certain Chemicals etc. in cells of humans, animals and / or plants by means of shear forces generated by acoustic energy, and although in vitro as well as in vivo.
Die Membran lebender Zellen bildet sowohl bei Einzellern in Nährlösungen wie bei Vielzellern im Gewebeverband einen natürlichen Schutz gegen das Eindringen unerwünschter Moleküle, Gene oder Viren.The Membrane of living cells forms in single cells in nutrient solutions such as in multicellular tissue in the tissue a natural protection against penetration undesirable molecules Genes or viruses.
Im Rahmen der Biotechnologie oder der Therapie ist es jedoch erforderlich, die Zellmembran zu überwinden und bestimmte Moleküle mit meist höherem Molekulargewicht – sogenannte Biomoleküle, Genabschnitte (Oligos) oder Gene – in das Zytoplasma der Zelle einzubringen, ohne die Lebens- und/oder die Proliferationsfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen. Hierzu kommen heute physikalische Verfahren, wie zum Beispiel die Elektroporation wie auch biologische Methoden, zum Beispiel in Form von viralen Vektoren zur Anwendung. Leider haben diese Verfahren auch Nachteile vor allem in Bezug auf die Überlebensrate der zu transfizierenden Zellen.in the Biotechnology or therapy, however, it is necessary to to overcome the cell membrane and certain molecules with mostly higher Molecular weight - so-called Biomolecules, gene segments (Oligos) or genes - in to introduce the cytoplasm of the cell, without the life and / or the proliferation ability affecting the cells. These come today physical methods, such as the Electroporation as well as biological methods, for example in the form of viral vectors for use. Unfortunately, these procedures also have Disadvantages especially in relation to the survival of the transfected Cells.
Seit
einiger Zeit verspricht auch der Einsatz akustischer Energie in
Form von Ultraschall oder Stoßwellen,
wie dies in der
Weiterhin
offenbart die
Aus der US 2002/0039783 A1 ist eine Vorrichtung zur Lyse von Zellensporen oder Mikroorganismen in einer flüssigen Probe bekannt, die eine Kartusche mit einer Lysezelle aufweist, in der die Probe aufgenommen wird. In der Lysezelle ist mindestens eine Festphase enthalten, um die aufzuschließenden Probenkomponenten zu fixieren. Ein Ultraschallwandler ist mit einer Wand der Lysezelle so gekoppelt, dass Ultraschallenergie auf die festgehaltenen Probenkomponenten übertragen wird. In dem Lysekanal oder der Lysekammer können außerdem Teilchen oder Perlen enthalten sein, die die Zellen bei der Ultraschallbeschallung aufbrechen.Out US 2002/0039783 A1 is a device for lysing cell spores or microorganisms in a liquid Sample having a cartridge with a lysis cell, in which the sample is taken. In the lysis cell is at least contain a solid phase to the aufzuschließenden sample components fix. An ultrasonic transducer is connected to a wall of the lysis cell coupled so that ultrasound energy is transferred to the retained sample components becomes. In the lysis channel or the lysis chamber can also particles or beads be contained, which break the cells in the ultrasonic irradiation.
Bei der akustischen Transfektion, der sogenannten Sonication, stand an erster Stelle die zuerst von Delius vertretene Hypothese, dass die Ausbildung von Kavitationsjets das eigentliche Wirkprinzip sei; durch diese Jets würden die in der Umgebung der Zelle befindlichen Moleküle, Genabschnitte, Oligonukleotide oder Gene mitgerissen und im Zytoplasma der Zellen deponiert. Dieser Mechanismus erklärt einen Teil der Effekte angesichts der Erkenntnis, dass durch Überdruck der Molekültransfer erheblich reduziert werden kann. Diese Hypothese erklärt auch die Beobachtung, dass nur ein kleiner Teil der Zellen pro Puls transfiziert wird, jedoch ein erheblicher Teil der Zellen der Zerstörung anheimfällt. Ein Vergleich der Größenverhältnisse der zu transfizierenden Zellen (5 bis 30 μm) mit denjenigen der Kavitationsereignisse (40 bis 1000 μm) erklärt diese Problematik.at the acoustic transfection, the so-called Sonication stood First, the hypothesis first proposed by Delius that the formation of cavitation jets is the actual principle of action; through these jets would the surrounding molecules, gene segments, oligonucleotides or genes are entrained and deposited in the cytoplasm of the cells. This Mechanism explained a part of the effects given the realization that by overpressure the molecule transfer can be significantly reduced. This hypothesis also explains the observation that only a small part of the cells transfected per pulse but a significant portion of the cells will be destroyed. A comparison the proportions the cells to be transfected (5 to 30 μm) with those of the cavitation events (40 to 1000 μm) explained this problem.
Eine zweite Hypothese sieht in der Einwirkung von Scherkräften auf die Zellen den vorwiegenden Wirkungsmechanismus für den Molekültransfer, wobei die Scherkräfte sekundär durch Kavitationsereignisse hervorgerufen werden.A second hypothesis looks at the action of shear forces the cells have the predominant mechanism of action for molecule transfer, wherein the shear forces secondary caused by cavitation events.
Flotierende Zellen können physikalisch als eine Hülle mit hoher Formanpassungsfähigkeit betrachtet werden, die eine Flüssigkeit umschließt, die ihrerseits durch das Zytoskelett gegenüber der Umgebung eine erhöhte Viskosität mit höheren inneren Reibungsverlusten aufweist. Das Zytoskelett ist eine Art Faserstruktur, die den Innenraum der Zelle ausfüllt und mit der Zellmembran in Verbindung steht, was einer Formveränderung der Zelle durch äußere Kräfte entgegenwirkt. Bei einer Deformation der Zelle über eine bestimmte Schwelle hinaus kann es zu kurzzeitiger Durchlässigkeit der Zellmembran kommen; bei weiterer Deformation stellen sich jedoch irreversible Schäden an den Zellen ein.floated Cells can physically as a shell with high conformability to be considered a liquid encloses which in turn by the cytoskeleton to the environment an increased viscosity with higher internal friction losses having. The cytoskeleton is a type of fibrous structure that defines the interior filling in the cell and communicates with the cell membrane, causing a change in shape counteracts the cell by external forces. At a deformation of the cell over a certain threshold can lead to short-term permeability the cell membrane come; with further deformation, however, arise irreversible damage at the cells.
Die Deformation einer flotierenden Zelle wird bewirkt durch Zug- oder Scherspannungen, die in Fluiden durch inhomogene Strömungen erzeugt werden können.The Deformation of a floating cell is caused by tensile or Shear stresses generated in fluids by inhomogeneous flows can be.
Es wird heute davon ausgegangen, dass eine Zelle unter Einwirkung von Scherspannungen auslösenden Strömungen ihre Form derart ändert, dass sich dadurch kurzzeitig ihre Zellmembran für den Transfer von Molekülen aus dem extrazellulären Raum öffnet. Beobachtungen an Vollblut, das bei turbulenten Strömungen mit hohen Scherkräften der Hämolyse unterliegt, legt die Wirkung von Scherkräften auf Zellen nahe. Als Schwelle für die Zerstörung von roten Blutkörperchen werden Scherspannungen von 500 dyn/cm2 angegeben. Außerdem wurde in durchströmten Blutgefäßen mit turbulenzerhöhenden Hindernissen im Epithel die Abgabe von Wirkstoffen aus den Zellen gemessen. Physiologische Scherspannungen liegen dagegen im Bereich von 2 bis 5 dyn/cm2.Today it is assumed that a cell changes its shape under the influence of shear-induced currents in such a way that it briefly opens its cell membrane for the transfer of molecules from the extracellular space. Whole blood observations, which undergo hemolysis in turbulent high-shear flows, suggest the effect of shear on cells. Shear voltages of 500 dynes / cm 2 are given as the threshold for the destruction of red blood cells. It was also in Flowed through blood vessels with turbulence-increasing obstacles in the epithelium, the delivery of drugs from the cells measured. By contrast, physiological shear stresses are in the range of 2 to 5 dynes / cm 2 .
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, zur Verbesserung des Molekültransfers in Zellen von Lebewesen unter gleichzeitiger Erhöhung der Überlebensrate der Zellen beim Transferieren in der betreffenden Nährlösung bzw. Suspensionsflüssigkeit Scherkräfte zu erzeugen, die gleichmäßig über das gesamte Probenvolumen verteilt, vorteilhaft in der Größenordnung von 5 bis 500 dyn/cm2 liegen.The invention is thus based on the object to improve the molecule transfer in cells of living beings while increasing the survival rate of the cells when transferring in the respective nutrient solution or suspension fluid shear forces to produce that evenly distributed over the entire sample volume, advantageously in the order of 5 to 500 dyn / cm 2 lie.
Gelöst ist diese Aufgabe im wesentlichen durch das Kennzeichen des Patentanspruches 1. Die Erfindung ist damit primär darin zu sehen, dass die Scherkräfte durch Einwirkung der akustischen Wellen auf in dem gesamten Probenvolumen verteilte Streukörper erzeugt werden. Die Streukörper fungieren als akustische Hindernisse. Ihre Größenordnung entspricht in etwa derjenigen der Zellen. Ihre Schalldichte weicht jedoch von derjenigen der Nährlösung mit den darin enthaltenen Zellen und den zu transferierenden Molekülen deutlich ab. Die erfindungsgemäß zu erzeugenden Scherkräfte entstehen, sobald das Probenvolumen mit einer akustischen Welle durchschallt wird. Letztere kann in Form von gepulstem Ultraschall oder beispielsweise auch als akustische Stoßwelle eingestrahlt werden.This is solved Task essentially by the characterizing part of claim 1. The invention is thus primary to see in it that the shear forces by the action of the acoustic waves on the entire sample volume distributed scattering bodies be generated. The scattering bodies act as acoustic obstacles. Their size corresponds approximately that of the cells. Their sound density, however, differs from that the nutrient solution with the cells contained therein and the molecules to be transferred clearly from. The invention to be produced shear arise as soon as the sample volume is penetrated by an acoustic wave becomes. The latter can be in the form of pulsed ultrasound or for example also as an acoustic shockwave be irradiated.
Die erfindungsgemäß möglichst gleichmäßig in der Nährlösung verteilten Streukörper erfahren infolge ihrer unterschiedlichen Schalldichte bei der Pulsbeaufschlagung durch die Schallwelle eine Eigenbewegung, die dem Durchlauf der akustischen Welle nachfolgt. Die Eigenbewegung der Streukörper gipfelt in einer Relativbewegung gegenüber ihrer Umgebung, wodurch kurzzeitig lokale Scherspannungen in Streukörpernähe erzeugt werden bzw. entstehen. Die Scherspannungen können durch die Intensität und durch das Zeitprofil der akustischen Welle, durch die Größe und Schalldichte der erfindungsgemäßen Streukörper, durch die hydrophilen Eigenschaften der Oberfläche der Streukörper und durch die Viskosität der Probenflüssigkeit bedarfsweise modifiziert bzw. so eingestellt werden, dass sie die jeweilige Transferaufgabe so optimal wie möglich lösen.The according to the invention possible evenly in the Nutrient solution distributed diffuser experienced due to their different sound density in the pulse through the sound wave a proper movement, the passage of the acoustic wave follows. The proper movement of the scattering body culminates in a relative movement opposite their environment, causing short-term local shear stresses close to Streuerörpernähe be or arise. The shear stresses can be due to the intensity and through the time profile of the acoustic wave, the size and sound density the scattering body according to the invention, by the hydrophilic properties of the surface of the scattering body and by the viscosity the sample liquid If necessary, modified or adjusted so that they solve each transfer task as optimally as possible.
Weitere Einzelheiten im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 9.Further Details in the context of the method according to the invention arise from the claims 2 to 9.
In den Abbildungen ist die Erfindung zeichnerisch anhand von Beispielen erläutert.In In the figures, the invention is illustrated by way of example explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Gemäß
Wie
weiterhin aus der
Gemäß
Sobald
die Zellen
Die
Gemäß dem Probengefäß
Das
Probengefäß
Ein
weiteres Beispiel für
mögliche
Streukörperausbildungen
zeigt das Probengefäß
Streukörper in
Form von Netzen
- 11
- Streukörper (akustische Hindernisse)Scattering body (acoustic obstacles)
- 2a2a
- Zellen vor ihrem Transfercell before her transfer
- 2b2 B
- Zellen nach ihrem Transfercell after her transfer
- 33
- Zu transfizierende MoleküleTo transfecting molecules
- 44
- Nähr- bzw. SuspensionslösungNutrient or suspension solution
- 55
- Akustischer Puls (hier Stosswelle)audible Pulse (here shockwave)
- 66
- Stromlinienstreamlines
- 77
-
Ausschnittvergrößerung aus
1a Cutout enlargement1a - 88th
-
Ortskurve
eines Partikels
3 der Suspension4 Locus of a particle3 the suspension4 - 99
-
Ortskurve
des Streukörpers
1 ,11 ,12 Locus of the scatterer1 .11 .12 - 10a bis 10c10a to 10c
- Probengefäßesample containers
- 1111
- Streukörper in Form von NetzenScattering body in Form of networks
- 1212
- Streukörper in Form von Wolle bzw. GewebeScattering body in Shape of wool or fabric
- 1313
- Charakteristischer Durchmesser der Streucharacteristically Diameter of the litter
- körperbody
Claims (9)
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