专利名称：将大分子物质导入活体目标细胞的方法以及系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种将大分子物质导入活体目标细胞的方法以及系统，特别是关于利用超声波调整细胞膜的通透性，使低剂量的大分子物质能有效地进入目标细胞的方法与系统。
背景技术：
肿瘤是人体内某一部分的组织细胞在外来或内在的有害因素刺激下，发生病变而快速增长，并转移至健康组织，最终危及生命的恶性疾病，通常分为良性和恶性两种。良性肿瘤一般对人体的危害较小，但恶性肿瘤则严重威胁着人类的健康和生命，且不易治疗，常带给患者及其家属沉重的精神负担和难以解脱的悲痛。
目前，全世界每年因肿瘤死亡的人数达500万以上，且恶性肿瘤的死亡率也居许多国家的各种死亡原因的首位。随着医学的发展，肿瘤诊断的手段越来越先进，治疗方法也日益丰富。肿瘤的治疗方法主要包括手术、化疗以及放射疗法。就化疗而言，由于药剂毒性的剂量限制，以及无法精准投药的缺点，常使患者本身的健康受到极大的损害。因此，如何使化疗的药剂以最小的剂量发挥最大的疗效，以及改善投药的精准度，一直是人们努力的目标。
已有相关研究发现，利用冲击波碎石法(Shock Wave Lithotripsy，SWL)所产生的能量可以形成微泡，并促使细胞膜产生暂时性的破洞，从而提高细胞膜的穿透性，以加强局部投药的吸收效果。美国第6,298,264号专利即揭示一种利用第一与第二脉冲波在细胞周缘产生微泡，并使细胞膜产生暂时性的破洞，以提高细胞膜的穿透性的方法。该方法虽然可将细胞膜的穿透性提升至90％，从而降低了投药剂量，但该方法并未提及如何精确定位目标细胞以及改善投药的精准度。因此，仍需要一种可以精确定位目标细胞并改善局部投药准确性的方法与系统。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种通过最佳途径注入大分子物质，使其有效进入目标细胞的方法以及系统。
本发明的另一目的在于提供一种可应用在基因转植并提升基因转植效率的方法以及系统。
本发明的又一目的在于提供一种可应用在基因治疗并增进疗效的方法以及系统。
本发明的再一目的在于提供一种可应用在局部投药并改善投药位置的准确性与药物效果的方法以及系统。
本发明另一目的在于提供一种可以使低剂量的药物正确且有效地进入肿瘤细胞的方法以及系统。
为达到上述及其它目的，本发明将大分子物质导入活体目标细胞的系统包括影像摄取单元，用于摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像，以及该目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像；影像融合单元，将该影像摄取单元所摄取的立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，借以选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；注射装置，通过导管将液体(该液体可以是微泡液体、超声波显影剂或人造血)注入至该目标细胞，以及利用选定的血管途径注入要导入该目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过该细胞膜的破洞进入该目标细胞；以及能量转换模块，其施加能量使该微泡液体产生生物效应，借以在该目标细胞的细胞膜上形成非永久性破洞。
通过上述本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统，执行本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的方法包括下列步骤首先，令该影像摄取单元摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像，以及该目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像；其次，令该影像融合单元将该影像摄取单元所摄取的立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，借以选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；再者，令该注射装置通过该导管将液体(该液体可以是微泡液体、超声波显影剂或人造血)注入至该目标细胞；接着，令该能量转换模块施加能量使该微泡液体产生生物效应，借以在该目标细胞的细胞膜上形成非永久性破洞；最后，利用选定的血管途径令该注射装置注入要导入该目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过该细胞膜的破洞进入该目标细胞。
与现有的定位目标细胞并改善局部投药准确性的技术相比较，本发明的方法以及系统利用目标细胞所在的器官组织的立体结构影像与3D血管摄影影像的影像融合，精确定位目标细胞，以选择最有效的血管途径，通过导管利用选定的血管途径注入要导入目标细胞的大分子物质；同时，利用分布在目标细胞周缘的微泡液体，借由能量的施加，使微泡或超声波显影剂产生生物效应，而在目标细胞的细胞膜形成非永久性破洞，使所注入的大分子物质能通过细胞膜的非永久性破洞有效地进入目标细胞，借以达成降低剂量、节省成本、精确投药以及有效治疗等目的。
图1是方块示意图，显示本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统的基本系统结构；以及图2是流程图，显示通过上述将大分子物质导入活体目标细胞的系统，执行将大分子物质导入活体目标细胞的方法时的流程步骤。
具体实施例方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式。
实施例1本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的方法以及系统，可应用在多种不同的领域，例如基因转植、基因治疗、药物输送、局部投药以及肿瘤治疗等。其中，本发明的方法以及系统特别适合应用在肿瘤的治疗，尤其是固体性肿瘤(soild tumor)的治疗。以固体性肿瘤的治疗为例，常需要借由计算机断层(Computed Tomography，又称为CT)或核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，又称为MRI)进行初步诊察，摄取肿瘤细胞所在器官组织的立体结构影像，作为后续治疗(例如，手术、化疗以及放射疗法等)的依据。
图1是本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1的基本系统结构，需特别说明的是，该图与本说明书中的其它附图同为简化示意图，为突出本发明的技术特征，仅以示意方式显示与本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1有关的构件，实际将大分子物质导入活体目标细胞的系统1的构件更加复杂。
本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1包括影像摄取单元100、影像融合单元110、注射装置120以及能量转换模块130。在本实施例中，该影像摄取单元100、该影像融合单元110、该注射装置120以及该能量转换模块130，都通过微处理单元140加以控制。
该影像摄取单元100，用于摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像，以及该目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像。在本实施例中，该影像摄取单元100是计算机断层扫描装置、核磁共振成像装置以及血管摄影装置所组群组中的一种，且该目标细胞是至少一肿瘤细胞。
其中，该计算机断层扫瞄(CT)装置利用校正成扇形的X-光照射身体某一个层面，通常是轴状方向，同时利用一整排的检测器接收穿射过来的信号。当X-光管固定不动时，检测器会接收到在这一层，某一方向的信号。当X-光管对着同一层面循序旋转，后面的检测器便会收到同层面，但不同方向的许多信号，经过计算机的运算，便可算出该层面的各个点的密度分布，再以深浅不同的点状图来表示，加强该层面的几何分辨率。就头部扫瞄而言，大约十五张一公分厚的切面即可以包括整个大脑及小脑，并可清楚地看到脑部的细小结构，可以容易地知道有没有水脑或血块。目前快速的全身型扫瞄器可以在病人闭气下，以三十秒的时间一次完成整个肝脏的扫描，大幅降低呼吸或肠蠕动等因素的干扰，对于较小型的病灶，例如小肝癌，肾上腺瘤，或者胰脏的小病灶，都能够清楚且快速的地完成。
而该核磁共振成像(MRI)装置用于提供清晰且多重平面的成像，其是利用电磁波刺激患者，再以检测器收集患者所释出的回波。在多次复杂的「刺激-回波」过程后，便可以根据这些庞大的资料重组出高分辨率的影像。由于不同的组织受到刺激后，释放出不同的回波，因此在影像上便产生非常良好的对比。相较于计算机断层扫瞄，通常只能扫描轴状断面(在头部顶多加上冠状面)，核磁共振成像可进行各个角度的扫瞄，对于特殊部位，如脑下垂体、脑干等部位的构造，都能清晰地呈现出来。另一方面，因为核磁共振成像不使用X光，可以减少辐射的危险，通常在十五分钟内便能完成检查。在神经系统方面，许多计算机断层扫瞄会遗漏的小病灶，例如脑干部的小中风，靠近髅底的小肿瘤，脊髓病变(如，急性脊髓外伤或椎间盘突出)都能轻易呈现。在骨骼肌肉方面，核磁共振成像非常适合用于如运动伤害等影响关节及软组织的检查。核磁共振成像也可用来检查胆道，患者仅需闭气二十秒便可得到胆道的影像，因此不必再忍受内视镜逆行性胆胰管摄影(ERCP)造成的痛苦。
承前所述，与该计算机断层扫瞄比较，核磁共振成像的费用较高，无法普遍地用于筛检，且对于配带心律调整器或其它生理监视器的病人，仍有许多限制。因此，进行治疗时，应视肿瘤的生成位置及患者的个人状况，选择适当的方法，摄取器官组织的立体结构影像。计算机断层扫瞄与核磁共振成像虽可有效地摄取肿瘤细胞所在器官组织的立体结构影像，但是通过注射方式进行投药时，常常无法控制药物的传送途径，就算是利用导管注入药物，也无法在事先确认所注入的药物是否可有效地送到达所有肿瘤细胞，从而导致疗效不明。故本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1，其影像摄取单元100还包括该血管摄影装置。
该血管摄影装置是将特殊显影剂注入血管后所产生的一系列血管影像。例如，要检查心脏血管系统时，通常是先从鼠蹊部穿刺股动脉，放入导管，然后在X-光透视下，将导管逆行操控到某特定的血管内，再将显影剂从导管快速注入，同时快速地连续照相，便可以获得该血管所灌注的某个器官，如大脑、心脏、肝、肾等的血流情形。其中，利用3D重建血管摄影法，可以获得三维血管摄影影像。例如，可以使用GE公司的诊断性及介入性血管成像系统(Advantx LCA+)、心血管及血管X光显影系统(Advantx LCV+)、双平面神经血管X光显影系统(Advantx LCN+)摄取肿瘤细胞所在器官组织的三维血管摄影影像。
该影像融合单元110，用于将该影像摄取单元100所摄取的立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，以精确定位该肿瘤细胞，选择完全涵盖肿瘤细胞的血管途径。承前所述，当该影像摄取单元100的计算机断层扫描装置与该血管摄影装置，及/或该核磁共振成像装置与该血管摄影装置，分别摄取到该肿瘤细胞立体结构影像与该3D血管摄影影像时，令该影像融合单元110进行影像融合。在本实施例中，先使该肿瘤细胞所在器官组织的立体影像与3D血管摄影影像进行影像融合(又称为组织对应(tissue mapping))，并利用经融合的影像，精确定位该肿瘤细胞，选择最有效的血管途径，再利用选定的血管途径通过导管注入药物，确保药物能够有效地送达该肿瘤细胞，达到彻底治疗、降低再复发机会的目的。
此外，进行影像融合后，可以精确地显示肿瘤与周围血管的相对位置，除了可以精确定位肿瘤细胞外，也可选择最有效的血管途径，通过导管注入治疗肿瘤的药物，并确保药物能够精确地送达所有肿瘤细胞。
该注射装置120，其用于通过导管将微泡液体注入至该目标细胞，以及注入要导入该目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过该细胞膜的破洞进入该目标细胞。承前所述，在本实施例中，所选定的血管途径，经该注射装置120的导管注入微泡液体，使其分布于肿瘤细胞周缘。该微泡的大小以10微米以下较佳，能顺利通过微血管。此外，通过导管注入治疗药物的步骤，可在细胞膜形成非永久性的破洞前进行，或在破洞形成后进行。由于药物是经过肿瘤细胞的细胞膜破洞进入细胞，因此可将投药剂量降低至100倍，同时发挥更佳的疗效，不但可以避免药物的毒性伤害其它细胞，也可大幅节省药价的花费。
该能量转换模块130，用于施加能量使该微泡液体产生生物效应，借以在该目标细胞的细胞膜上形成非永久性破洞。在本实施例中，该能量转换模块130可以是超声波转换模块，其可施加强度至少为1Mpa的超声波，在细胞膜上形成非永久性的破洞，使药物顺利地进入肿瘤细胞中。
图2是通过上述将大分子物质导入活体目标细胞的系统1执行将大分子物质导入活体目标细胞的方法时的流程图。
在步骤S201中，令该影像摄取单元100摄取该肿瘤细胞所在器官组织的立体结构影像，以及该目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像，接着进行步骤S202。
在步骤S202中，令该影像融合单元110将该影像摄取单元100所摄取的立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，借以精确定位该肿瘤细胞，选择完全涵盖肿瘤细胞的血管途径，接着进行步骤S203。
在步骤S203中，令该注射装置120利用选定的血管途径通过该导管将微泡液体注入至该肿瘤细胞，接着进行步骤S204。
在步骤S204中，令该能量转换模块130施加超声波能量，使该微泡液体产生生物效应，借以在该肿瘤细胞的细胞膜上形成非永久性破洞，接着进行步骤S205。
在步骤S205中，令该注射装置120利用选定的血管途径注入要导入该肿瘤细胞的大分子物质，使该大分子物质通过该细胞膜的破洞进入该肿瘤细胞。
实施例2本发明的另一实施例是经导管注入人造血作为微泡液体，由于人造血具有相当小的体积，大约150纳米，不但不会堵塞毛细血管，也不会进入血管的孔隙，可改善使用导管时造成血流量降低所导致的缺氧情况。
实施例3另一方面，也可注入超声波显影剂摄取得3D血管摄影影像。超声波显影剂是一些由特殊保护壳层包裹的微小气泡。第一代的显影剂是内部包裹着空气的气泡，例如，由白蛋白经超声波震荡而制成，平均体积4μ的Albunex(Mallinckrodt)。其它超声波显影剂的实例包括Echovist、Echogen、Levovist、Aerosomes等。新一代的超声波显影剂则使用不易溶于水的气体，例如以全氟碳或四氟化硫为核心，加上由磷脂类、白蛋白、聚合物或接口活性剂等制成的保护壳层共同组成，可延长超声波显影剂在血液中的寿命，并使其有更强的超声波散射作用。所使用的超声波显影剂的大小以不超过10微米较佳，这样便能顺利通过微血管。本发明的方法以及系统中所使用的超声波显影剂，可经由静脉注射，也可通过导管注入。
施加强度大于0.1Mpa的超声波时，显影剂的气泡会开始产生非线性的振动(Non-linear oscillation)，并发出谐波(Harmonics)信号。由于气泡的谐波信号远大于组织的谐波信号，因此，微循环内的显影剂信号就会和外围组织产生强烈的对比，组织的血流状态就能够被清楚的显示出来，包括心肌、肾脏的灌注状态，以及肿瘤的血管分布等。如上所述，使所摄取的立体结构影像与超声波显影剂的3D血管摄影影像进行影像融合后，可选择最有效的血管途径，通过导管利用选定的血管途径注入治疗肿瘤的药物。
通过导管注入治疗肿瘤的药物之后，立即施加强度至少为1MPa的超声波或适当强度的震波，会使微泡或超声波显影剂产生强烈的气泡运动，在细胞膜形成非永久性的破洞，从而增加细胞膜的通透性，而提升投药的吸收性，可大幅降低投药剂量，并维持高治疗效果。然而，药物的注入也可在肿瘤细胞的细胞膜形成非永久性破洞后进行，同样可使药物精确地送达肿瘤细胞，发挥治疗的效果。
此外，本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1还可与具有数据处理能力的电子装置相结合或搭配，供本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1在操作时进行数据处理，该数据处理装置可以是个人计算机、笔记本型计算机、服务器、工作站、个人数字助理、液晶计算机或平板计算机等，且其中包括有显示单元，用于显示通过该影像摄取单元100与该影像融合单元110所摄取与融合的影像及其操作时的状况、该注射装置120执行注射时的操作状况、以及该能量转换模块130传输能量时的操作状况；以及输入单元，用于供使用者输入操作本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统1及所结合或搭配的该数据处理装置所需的指令及/或参数。
权利要求
1.一种将大分子物质导入活体目标细胞的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤(1)摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像；(2)摄取目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像；(3)使该立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；(4)利用选定的血管途径，通过导管注入微泡，使微泡分布于目标细胞周缘，并施加能量使目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞；以及(5)利用选定的血管途径，注入要导入目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过细胞膜的破洞进入目标细胞。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该立体结构影像利用计算机断层扫描获得。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该立体结构影像利用核磁共振成像获得。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该3D血管摄影影像利用X-光萤光显示获得。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该通过导管注入的微泡体积小于10微米。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括利用脉冲波使组织液产生微泡，且该产生微泡的步骤在目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞的步骤之前进行。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于使目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞的能量是强度为1Mpa以上的超声波。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，要导入目标细胞的大分子物质是借由导管注入。
9.一种将大分子物质导入活体目标细胞的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤(1)摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像；(2)摄取目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像；(3)使该立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；(4)利用选定的血管途径，通过导管注入人造血，并施加能量使目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞；以及(5)利用选定的血管途径，注入要导入目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过细胞膜的破洞进入目标细胞。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括利用脉冲波使组织液产生微泡，且该产生微泡的步骤是在目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞的步骤之前进行。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，用于使目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞的能量是强度为1Mpa以上的超声波。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，要导入目标细胞的大分子物质是借由导管注入。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，借由导管注入大分子物质的步骤是在目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞的步骤之前进行。
14.一种将大分子物质导入活体目标细胞的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤(1)摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像；(2)注入超声波显影剂，并摄取目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像；(3)使该立体结构影像与该3D血管摄影影像进行影像融合，选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；(4)施加能量，使目标细胞周缘的超声波显影剂产生生物效应，在目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞；以及(5)利用选定的血管途径，注入要导入目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过细胞膜的破洞进入目标细胞。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该超声波显影剂小于10微米。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法还包括利用脉冲波使组织液产生微泡，且该产生微泡的步骤是在目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞的步骤之前进行。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，要导入目标细胞的大分子物质是借由导管注入。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，借由导管注入大分子物质的步骤是在目标细胞的细胞膜产生非永久性破洞之前进行。
19.如权利要求1、9或14所述的方法，其特征在于，该方法用于基因转植、基因治疗、药物输送、局部投药以及治疗固体性肿瘤其中的一种。
20.一种将大分子物质导入活体目标细胞的系统，其特征在于，该系统包括影像摄取单元，用于摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像，以及该目标细胞所在器官组织的3D血管摄影影像；影像融合单元，用于融合该影像摄取单元所摄取的立体结构影像与该3D血管摄影影像，借以选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；注射装置，通过导管注入液体至该目标细胞，以及注入要导入该目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过该细胞膜的破洞进入该目标细胞；以及能量转换模块，用于施加能量使该微泡液体产生生物效应，借以在该目标细胞的细胞膜上形成非永久性破洞。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，该影像摄取单元是计算机断层扫描装置、核磁共振成像装置以及血管摄影装置中的一种。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，该血管摄影装置所取得的3D血管摄影影像是利用X-光萤光显示获得。
23.如权利要求20所述的系统，其特征在于，该液体是微泡液体、人造血以及超声波显影剂中的一种。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，该微泡液体、人造血以及超声波显影剂的体积小于10微米。
25.如权利要求20所述的系统，其特征在于，该能量转换模块所施加的能量是脉冲波。
26.如权利要求20或25所述的系统，其特征在于，该能量转换模块是超声波转换模块。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，该超声波转换模块可生成1Mpa以上的超声波脉冲波。
28.如权利要求20所述的系统，其特征在于，该系统用于基因转植、基因治疗、药物输送、局部投药以及治疗固体性肿瘤其中的一种。
29.如权利要求20所述的系统，其特征在于，该将大分子物质导入活体目标细胞的系统与数据处理装置相结合。
30.如权利要求20所述的系统，其特征在于，该将大分子物质导入活体目标细胞的系统与数据处理装置相搭配。
31.如权利要求29或30所述的系统，其特征在于，该数据处理装置包括显示单元，用于显示通过该影像摄取单元与该影像融合单元所摄取与融合的影像及其操作时的状况、该注射装置执行注射时的操作状况、以及该能量转换模块传输能量时的操作状况；以及输入单元，用于供使用者输入操作本发明的将大分子物质导入活体目标细胞的系统及所结合或搭配的该数据处理装置所需的指令及/或参数。
32.如权利要求29或30所述的系统，其特征在于，该数据处理装置是个人计算机、笔记本型计算机、服务器、工作站、个人数字助理、液晶计算机及平板计算机中的一种。
全文摘要
本发明提供一种将大分子物质导入活体目标细胞的方法以及系统，该系统包括影像摄取单元、影像融合单元、注射装置以及能量转换模块；该方法包括令影像摄取单元摄取目标细胞所在器官组织的立体结构影像及其3D血管摄影影像；融合该立体结构影像与该3D血管摄影影像，以选择完全涵盖目标细胞的血管作为大分子物质的输送途径；通过导管注入微泡液体至该目标细胞；施加能量使该微泡液体产生生物效应，以在该目标细胞的细胞膜上形成非永久性破洞；以及注入要导入该目标细胞的大分子物质，使该大分子物质通过该细胞膜的破洞进入该目标细胞；本发明特别适合应用在基因转植、基因治疗以及局部投药，可大幅提升准确性与效果。
文档编号C12N15/87GK1683542SQ20041003272
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月16日 优先权日2004年4月16日
发明者田德扬 申请人:田德扬