利用電場選擇性遷移細胞的系統的制作方法
【專利說明】利用電場選擇性遷移細胞的系統
[0001]1.政府權利聲明
本發明是在加州再生醫學研宄所的政府資助下完成的，合同號RB1-01417。政府在本發明中孚有一定的權利。
[0002]I1.發明領域
本發明大體上涉及利用電場在神經組織或其他類型組織中的細胞迀移。
[0003]II1.發明背景
腦損傷、腦退行性疾病和腦病通常對身體功能造成顯著影響。腦損傷的常見病因包括病變、創傷和中風。治療這種損傷、疾病和病癥困難增加，因為腦內的神經組織不可再生。
[0004]人體中大多數組織來源于被稱為干細胞的未分化細胞。這些基礎成分基于激素和其他局部信號而分化成特定的目標實質組織。科學證據表明，注射到特定組織中的干細胞會分化成對該宿主組織特異的細胞系。這種能力對于治療涉及器官的疾病是特別有興趣的，例如不能再生的脊髓、心臟和腦。
[0005]一個多世紀以來，電場已在實驗室中被用來引導多種細胞類型的迀移。但是，應用電刺激以用于人類和動物監控并未非常成功。主要的阻礙在于與直流電電刺激相關的內在有害作用，其顯著超過有利作用。電流在組織中產生熱，改變組織內的pH，并且產生對細胞有害的電極產物。因為人體組織是高度導電的，使得產生大電流流動，這明顯增加了對所刺激的組織的有害效果，這使得電刺激進一步復雜化。因此，目前商業上沒有實現直流電腦刺激的裝置來調節腦中神經干細胞和其他類型細胞的行為。
[0006]鑒于已知系統的缺陷，提供一種實現安全和有效的直流電刺激的系統和方法將是值得期待的。
[0007]IV.
【發明內容】
本發明克服了已知系統的缺陷，提供了用于在組織(如神經組織)中迀移細胞的系統和方法。該系統可包括被配置用于插入在組織中的第一和第二遞送電極(deliveryelectrode)以及操作性地連接至所述第一和第二遞送電極的直流(DC)電源。該系統可進一步包括操作性地連接至DC電源的可編程控制器，其中可編程控制器被編程以引導DC電源以足以造成細胞(如植入的細胞、內源性細胞)在組織內迀移的刺激與非刺激比率在第一遞送電極和第二遞送電極之間遞送電場。優選地，所述刺激與非刺激比率為20:1秒至1:1秒的范圍及其部分，電場為5 mV/mm至500 mV/mm，從而引導迀移而不傷害細胞(例如植入的和/或內源性干細胞，包括人神經干細胞(hNSC)和它們的子代細胞)和周圍組織。
[0008]該系統可包括被配置用于插入在組織中且用于監測電場的第一和第二監測電極。所述可編程控制器可被配置以接收代表所監測的電場的信號，并引導DC電源基于所接收到的信號遞送出經調節的電場。第一和第二監測電極可被連接至用來測定組織內電壓的電壓計，和/或連接至用于測定組織內電流的電流計。所述系統還可包括第一和第二腦電圖(EEG)電極，其被插入在神經組織內，或者可被設置在頭皮表面上。EEG電極被配置用來監測神經組織內的EEG。
[0009]根據本發明的一個方面，所述系統包括被配置以在操作性地連接至可編程控制器的計算機上運行的測量軟件。該測量軟件可被配置以監測來自可編程控制器的測量值，并控制可編程控制器。
[0010]可編程控制器可被配置從而以經選擇的刺激與非刺激比率來遞送電場，使得細胞在組織內迀移，而經選擇的天然細胞(例如星形膠質細胞、神經元、少突膠質細胞、內皮細胞、成纖維細胞、上皮細胞或它們的任何組合)不迀移或最小程度地迀移。可編程控制器可被編程以引導DC電源向第一遞送電極遞送正電荷以產生電場，或引導DC電源向第二遞送電極遞送正電荷從而產生電場，或兩者都是。這樣，可編程控制器可被編程以引導DC電源遞送電場，以使得干細胞向第一遞送電極或第二遞送電極或兩者迀移。此外，可編程控制器可被編程以引導DC電源以脈沖單相或非對稱雙相形式遞送電場。
[0011]根據本發明的另一個方面，本發明提供一種利用電場迀移細胞的方法。該方法可包括在組織中(例如神經組織)插入第一和第二遞送電極，該第一和第二遞送電極操作性地連接至直流(DC)電源；以及通過DC電源，以足以導致細胞在組織內迀移的刺激與非刺激比率在第一遞送電極和第二遞送電極之間遞送電場。該刺激與非刺激比率可被選擇以使得細胞在組織內迀移而經選擇的天然細胞不迀移或最小程度地迀移。
[0012]該方法可包括利用具有電場參數和刺激與非刺激比率的程序對可編程控制器進行編程，其中遞送電場包括根據所述程序遞送電場和刺激與非刺激比率。所述方法可進一步包括在組織中插入第一和第二監測電極；利用第一和第二監測電極監測電場；在可編程控制器處接收代表所監測的電場的信號；以及基于所接收的信號遞送經調節的電場。
[0013]根據一個方面，所述細胞包括移植的干細胞，所述方法進一步包括在移植位點移植干細胞，例如在吻側迀移流(rostral migrat1n stream)、腦室下區或腦部其他位置。此夕卜，遞送電場可能因為疾病或損傷、腦損傷或它們的任何組合而導致細胞迀移至嗅球、腦室下區、受損腦組織。
[0014]V.附圖簡述
圖1表示根據本發明的原理構建的示例性細胞迀移系統的部件。
[0015]圖2表示示例性遞送電極和示例性監測電極的遠端區域。
[0016]圖3為根據本發明的示例性實施方式的設置在外殼內的電路和部件的示意圖。
[0017]圖4為根據本發明的原理利用電場(EF)迀移細胞的示例性方法。
[0018]圖5A顯示移植細胞的儀器，圖5B顯示根據本發明的原理構建的示例性細胞迀移系統。
[0019]圖6為顯示方向性迀移的時移圖像，當電場極性逆轉時迀移方向也逆轉。
[0020]圖7和圖8圖示了細胞在不同的EF施加強度時的迀移。
[0021]圖9圖示了在大鼠體內的用于遞送和監測電流參數的示例性裝置。
[0022]圖10顯示了測量的電流、電壓和電壓梯度隨時間的變化。
[0023]圖11顯示與刺激前和刺激后EEG相比，間歇式電刺激對腦電圖的影響。
[0024]圖12顯示對于具有不同厚度的所刺激的組織，溫度和pH值隨時間變化的圖表。
[0025]圖13顯示與連續刺激相比，間歇式電刺激達到明顯的引導效果。
[0026]圖14顯示間歇式電刺激維持細胞存活率，而連續刺激可使細胞過熱并殺死細胞。
[0027]圖15A無EF施加時的腦部圖像，圖15B施加電刺激引導人神經干細胞的迀移。
[0028]圖16顯示間歇式電刺激選擇性地引導人神經干細胞(NSC)的迀移，但與NSC相比，人胚胎腎細胞(HEK)很少迀移。
[0029]圖17顯示間歇式電刺激選擇性地引導人NSC迀移，但對于這種刺激，人星形膠質細胞不迀移或最小程度地迀移。
[0030]圖18顯示間歇式刺激選擇性地引導細胞迀移，從而誘導血管緩解(remiss1n)和使血管生長(血管生成)。
[0031]V1.發明詳述
本發明提供了用于再生醫學和創傷愈合的松動和引導細胞迀移的系統和方法。該系統和方法可被用在組織(如神經組織)上，從而治療例如腦損傷(如損害、創傷、中風)、腦退行性疾病(如艾爾茲海默癥、帕金森癥)和/或腦部疾病(例如癲癇、抑郁癥)。有利的是，本發明可被用來刺激組織從而通過改變電場(EF)的波形和/或刺激與非刺激比率來選擇性地迀移不同細胞類型(例如干細胞(包括神經干細胞及其子代)、星形膠質細胞、神經元、少突膠質細胞、內皮細胞、成纖維細胞、上皮細胞)。不同于非選擇性的刺激裝置(被處理組織中的所有或大多數類型細胞響應刺激導致非必要的細胞刺激，甚至對愈合和修復產生不利影響)，本發明選擇性地引導期望類型的細胞至組織內期望的位點以實現再生。本文所述的系統和方法預期提供安全、節能和有效的組織刺激裝置。
[0032]參考圖1，其提供了本發明的細胞迀移系統100的總覽圖。在圖1中，該系統的部件沒有按絕對或相對比例圖示。細胞迀移系統100包括多個電極、電路外殼110和基于軟件的測量系統160。在所圖示的實施方式中，測量系統160由醫護人員或醫院安裝和運行于常規膝上型電腦上。電路外殼110可通過無線或有線連接至測量系統160，因而測量系統160可接收和傳送數據至電路外殼110。
[0033]電路外殼110被配置用來罩住控制電路以及電源、測量部件、通信部件和界面部件，這在下文將詳細描述。電路外殼I1還優選包括數據接