专利名称：通过应用特定和选择性的电场和电磁场调节活细胞中转化生长因子-β(TGF-β)基因表达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过应用由特定的和选择性的电信号和电磁信号 产生的电场和电磁场来向上调节活细胞中转化生长因子-(3 (TGF-P)基 因表达用于治疗受伤或患病的组织的方法，以及产生这样的信号的装 置。
背景技术：
被认为存在于多种生物组织和细胞中的生物电交互作用和活动是 了解得最少的生理过程之一。然而，近来对这些交互作用和活动对于 特定组织和细胞的生长和修复进行了许多深入的研究。特别是，许多 研究深入到电场和电磁场的刺激作用及其对骨、软骨和各种生长因子 的生长和修复作用。研究者相信这种研究对于开发多种医学问题的新 疗法可能是有益的。
转化生长因子-|3 (TGF-e)是多效性生长因子，其存在于大部分组 织中并且牵涉细胞的增殖、迁移、分化和生存。因此，TGF-e在多种 状况诸如血管生成、自身免疫、骨修复(骨折、延迟愈合、不愈合) 和骨维护(骨质疏松)、软骨维护(退行性关节炎)、肿瘤抑制以及伤口愈合中，具有临床应用(Kim等人，J of Biochemistry and Molecular Biology, 38: 1-8， (2005); Janssens等人，Endocrine Reviews, 26: 743-774， (2005))。
在急性骨折、骨折的延迟愈合和不愈合中，以及在各种骨缺陷中， 新愈合骨的形成取决于促使骨形成的骨形态生成蛋白(BMP)以及促使 软骨形成的TGF-e的存在。在2005年l月ll日提交的PCT专利申请No. PCT/US2005/00793 (要求2004年1月12日提交的美国临时专利申请 No.60/535,755的优先权)中，显示BMP的基因表达可通过特定的和选 择性的电场和电磁场来向上调节，用于治疗受伤或患病的骨。此处显 示TGF-e的基因表达也能通过特定的和选择性的电场和电磁场来向上 调节。此处还显示用于BMP基因表达的最佳信号与TGF-3的稍有不同， 而该差别使人们能够设计一种装置，该装置在骨折愈合的骨阶段期间 提供最大地向上调节BMP的一种信号，而在骨折愈合的软骨阶段期间 提供主要向上调节TGF-P的另一种信号。在骨折愈合中，例如在骨折 骨痂最初由软骨构成而该软骨逐渐被骨代替的情形中，这是非常有用 的。通过最大地向上调节TGF-P以在愈合过程的早期形成软骨，并最 大地向上调节BMP以在愈合过程后期形成骨，人们能够优化急性骨折 的愈合、加速延迟的骨折愈合中的愈合以及重新启动不愈合骨折中的 愈合过程。
TGF-0的向上调节在通称为骨质疏松症的疾病的治疗中也可能是 有益的，在骨质疏松症中，骨脱去矿物质并变得异常稀疏。骨包括有 机成分的细胞和基质以及无机或矿物成分。细胞和基质包括胶原纤维 框架，其浸润着矿物成分磷酸钙(85%)和碳酸钙(10%)，为骨提供坚硬 度。在健康的骨头中，骨生成和骨吸收处于平衡。在骨质疏松症中， 骨吸收超过骨生成，导致骨弱化以及可能的椎体骨折和塌陷。尽管通 常认为骨质疏松症折磨老年人，但是某些类型的骨质疏松症可能影响 其骨头不经受功能性应力的所有年龄的人。在这样的情形下，患者在 长时期的固定不动期间可能经历骨皮质和松质骨的明显丢失。已知老年患者当骨折后固定不动时由于废用而导致骨丢失，并且这种骨丢失 可能最终导致已经骨质疏松的骨骼的二次骨折。骨密度降低不仅可能 导致椎骨塌陷，而且也可导致髋、下臂、腕、踝的骨折以及丧失能力 的痛苦。对于这类疾病需要可选的非外科手术治疗。
自1979年通过食品和药品管理局(Food and Drug Administration) 批准以来，脉冲电磁场(PEMF)和电容耦合(CC)已广泛地用于治疗不愈 合骨折(骨不连)以及骨愈合中的相关问题。用于这种治疗形式的试 验的原始基础是观察到骨上的物理性应力导致出现微小的电流，所述 电流与机械应变一起被认为是物理性应力转导成促进骨生成的信号的 基础机制。与成功治疗不愈合的直接电场刺激一起，发现使用PEMF和 电容耦合的无创技术(将电极放在治疗区的皮肤上)也是有效的。PEMF 在高传导性的细胞外液中产生小的感应电流(法拉第电流)，而电容 耦合直接在组织中产生电流；从而PEMF和CC都模拟内源性电流。
内源性电流，最初被认为是由于在骨中的晶体表面产生的现象， 已显示出主要是由于含有电解质的流体在含有带固定负电荷的有机成 分的骨的通道中运动所致，产生所谓的"流动电势"。骨中的电现象 的研究已证实了一种机电转导机制，当骨被机械压縮出现，导致流体 和电解质在骨基质中蛋白聚糖和胶原中的固定负电荷的表面上运动。 这些流动电势在骨中与机械应变一起起到的作用是引起信号转导，该 信号转导能够刺激可钙化基质合成骨细胞，从而刺激骨生成。
直流电、电容耦合以及PEMF的主要应用是矫形外科中不愈合骨折 的愈合(Brighton等人，丄5owe Jo/"Z 63: 2-13， 1981; Brighton
和Pollack， ,5owe To/" 67: 577-585， 1985; Bassett等人，
i ev.5/omec/. ￡"g.l7: 451-529， 1989; Bassett等人，JJMv4 247: 623-628， 1982)。已经在成年人的髋部缺血性坏死中以及儿童的Legg-Perthes病 中报告了临床反应(Bassett等人，C"".OAo; .246: 172-176， 1989; Aaron等人，C"".OW/u /7.249 : 209-218 ， 1989 ; Harrison等人，
6丄iW她0—.4: 579-584， 1984)。还显示PEMF (Mooney， —e 15: 708-712， 1990)和电容耦合(Goodwin，Brighton等，5^'"e 24: 1349-1356, 1999)能明显提高腰椎融合术的成功率。还报告了增加外周神经的再 生和功能以及促进血管生成(Bassett，6: 36-42， 1987)。 类固醇注射和其它常规措施难治性的持续肩袖肌腱炎患者，与安慰剂 治疗的患者相比，显示了明显的益处(Binder等人，丄朋c^ 695-698， 1984)。最后，Brighton等人已表明在大鼠中，适当的电容耦合电场兼 具预防和逆转腰椎中的椎骨骨质疏松的能力(Bringhton等人， J.Orthop.Res. 6: 676-684， 1988; Brighton等人，J.Bone Joint Surg.71: 228-236， 1989)。
新近，该领域中的研究已经集中在刺激对组织和细胞的作用上。 例如，已经设想直流电不穿透细胞膜，而这种控制是通过细胞外基质 分化实现的(Grodzinsky， O".i ev.5/o附^.五wg. 9: 133-199， 1983)。 与直流电形成对比，已经报告PEMF能穿透细胞膜并且或者刺激细胞膜 或者直接作用于细胞内的细胞器。PEMF对细胞外基质和体内软骨内骨 化的作用的考查发现，增加了软骨分子的合成以及骨小梁的成熟 (Aaron等人，丄5o"e.M/weri 仏4: 227-233， 1989)。近来，Lorich等 人(C"".OAop.Ae/ared 7 e义350: 246-256， 1998)和Brighton等人(丄5owe 介WSwrg.83-A， 1514-1523， 2001)报告电容耦合的电信号的信号转导 是通过电压门控转通道，而PEMF或混合电磁场的信号转导是通过钙从 细胞内库的释放。在所有三种类型的电刺激中，都具有胞浆钙的增加， 随后增加活性(细胞骨架的)钙调蛋白。
据1996年本发明人的报告，周期性双向0.17。/。机械应变在cooper皿 中培养的MC3T3-E1骨细胞中产生TGF-P imRNA的明显增加(Brighton 等人，肌o/ / ;^.i w.CowwM".229: 449-453， 1996)。随后在1997年进行 了几个重要的研究。在一项研究中报告了相同的周期性双向0.17%机械 应变在相似的骨细胞中产生PDGF-A mRNA的明显增加(Brighton等人， A'oc/zem.所op/y^.i e&CommM".43: 339-346， 1997)。还报告了20mV/cm的60 kHz电容耦合电场在co叩er皿中相似的骨细胞中产生TGF-e ,的明 显增力口 (Brighton等人，肠cA亂肠/ /^./^.Cowm亂237: 225-229， 1997)。然而，文献中没有报告这种场对体内其它基因的作用。
在上文参引的标题为"通过应用特定的和选择性的电信号和电磁 信号调节基因"(7 eg7^/""o" Gewes K/a q/" 6^e"y c
iSWec"ve ￡7e"r/ca/fl J￡7e"n mflg7^dc 5Vgwa/s)的母专禾U申请中，公开
了确定特定的和选择性的电信号和电磁信号形成场来调节患病或受伤 组织的靶基因的方法。本发明基于该申请中所描述的技术构建，所述 技术描述了通过应用由特定的和选择性的电信号和电磁信号产生的场
来调节一个靶基因家族、即TGF-e的基因表达的方法，用于治疗新骨 折、骨折风险、延迟愈合、骨折不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死 或缺血性坏死，在上述一种或所有的治疗中以及在骨质疏松症的治疗 中，作为对其它治疗的辅助。
发明内容
本发明涉及通过应用向电极施加特定的和选择性的电信号和/或 电磁信号产生的特定的和选择性的电场和/或电磁场来调节骨细胞(作 为示例)中转化生长因子(3 (TGF-e )基因的表达。通过对电信号的持 续时间、振幅、频率和占空比做出连续的剂量-反应曲线，在其中测量 产生的电场的效应，发现了在骨细胞中向上调节TGF-e的最佳信号。 该最佳信号产生的电容耦合电场具有20-40mV/cm的振幅、24小时的持 续时间、60kHz的频率以及50X占空比。具体而言，本发明涉及通过应 用由这样的信号产生的场来向上调节骨细胞中TGF-e 1、 2和3基因的 表达。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了利用电容耦合电场、电 磁场或混合场来特定和选择性地向上调节TGF-e 1、 TGF-P2和TGF-P3的基因表达(通过mRNA测量)的方法。利用大约20-40mV/cm的电 容耦合电场来治疗新骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合的骨折、骨缺陷、骨坏死、骨质疏松等，所述电容耦合电场具有大约24小时的电
场持续时间、60kHz频率、大约50%占空比和正弦波构造，其导致TGF-P 1、 2和3的表达向上调节。根据本发明的方法，"特定和选择性" 信号是具有向上调节TGF-e基因表达的预定的振幅、持续时间、占空 比、频率和波形特征的信号(特定性)。这使人们能够选择不同的信 号来向上调节TGF-e的基因表达，以便实现给定的生物或治疗反应(选 择性)。本发明还涉及如下的装置，其采用此处所述的方法来产生特 定和选择性信号，所述信号形成电场，向上调节TGF-P基因的表达。
在相关方面中，本发明涉及用于治疗新骨折、骨折风险、延迟愈 合、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死的方法和装置，作为对治疗 上述一种或多种的其它疗法以及在骨质疏松的治疗中的辅助。本发明 的方法还包括一种方法学，其通过系统地改变已知增加或疑似增加细 胞产生TGF-e的起始信号的持续时间，确定用于TGF-e基因表达的"特 定和选择性的"信号。在找到最佳持续时间之后，信号的振幅针对通 过TGF-P 1、 2和3的基因表达所确定的最佳持续时间而改变。占空比、 频率和波形以与上述相同的剂量反应方式进行系统地改变，同时保持 其它信号特征恒定。重复此过程，直到确定产生最大增加TGF-e表达 的最佳信号为止。
本发明的这些和其它方面将在下文的本发明的详细描述中阐明。
图1是当骨细胞暴露于20 mV/cm电容耦合电场下不同的持续时间 时，TGF-e 1、 2和3的mRNA表达的图示。正如所示，在24小时持续 时间的信号下出现各种TGF-emRNA的最大表达。
图2是当骨细胞暴露于24小时持续时间下不同电容耦合电场振幅 时，TGF-e 1、 2和3的mRNA表达的图示。正如所示，在20-40 mV/cm 的场振幅下出现各种TGF-emRNA的最大表达。
图3是当骨细胞暴露于20-40 mV/cm场振幅和24小时信号持续时间下不同的电容耦合电场频率时，TGF-e 1、 2和3的mRNA表达的图示。 正如所示，在60 kHz频率下出现各种TGF- P mRNA的最大表达。
图4是当骨细胞暴露于60 kHz频率、20mV/cm场振幅和24小时信号 持续时间下不同的电容耦合电场占空比时，TGF-e 1、 2和3的mRNA 表达的图示。正如所示，在50%到100%的正弦波构造占空比下出现各 种TGF-emRNA的最大表达。
图5是当骨细胞24小时暴露于场振幅为20 mV/cm或40 mV/cm、频 率为60kHz和正弦波构造的50Q/。占空比的电容耦合电场时，TGF-P l蛋 白质的图示。正如所示，在20或40 mV/cm下，TGF-Pl蛋白质的增加 量是相同的。
图6是当骨细胞24小时暴露于场振幅为20 mV/cm或40 mV/cm、频 率为60kHz和正弦波构造的5()Q/。占空比的电容耦合电场时，BMP-2蛋白 质的图示。正如所示，与图5所示的TGF-e l反应不同，在40mV/cm的 场处BMP-2蛋白质的生产与20 mV/cm处出现的相比没有明显增加。
图7是当骨细胞暴露于50%占空比的电容耦合电场(20mV/cm、 60 kHz、正弦波)24小时时，BMP mRNA表达的图示。将此图与图2相比 显示了在40 mV/cm的场中骨细胞生产BMP蛋白质没有反应相对于40 mV/cm的场中骨细胞生产TGF-e蛋白质有非常明显的增加之间的明确 区别。
图8在与图2的TGF-0基因表达相同的图上示出了图7的BMP基因 表达。
图9是示出根据本发明优选实施例，治疗膝盖骨关节炎的装置的图示。
具体实施例方式
下文将参照图l-9来详细地描述本发明。本领域的技术人员将理解 此处参照这些附图给出的描述仅仅是出于示例的目的，而不是意欲以 任何方式限制本发明的范围。关于本发明的范围的所有问题可通过参 考所附的权利要求来解决。
10本发明基于如下发现，即某些基因的表达能通过应用由特定和选 择性的电信号和/或电磁信号产生的场来调节。换言之，本发明人已经 发现，存在特定的电信号和/或电磁信号，其产生场，用于调节骨、软 骨和其它组织细胞中的每个基因，并且这些特定信号能够特定和选择 性地调节所述细胞中的基因。具体说，支配组织或细胞的生长、维护、 修复和退化或衰退的基因表达能根据本发明通过应用特定和选择性的 电信号和/或电磁信号产生的场来调节，从而产生有益的临床效果。该 发现在治疗方法的开发中是有用的，所述治疗方法以某些医疗状况为 目标，包括新骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合、骨缺陷、脊柱融 合、骨坏死，在上述的任意一种或多种治疗中以及在骨质疏松的治疗 中作为辅助。
正如此处所用的，用语"信号"用于指示各种信号，包括由装置 输出的机械信号、超声信号、电磁信号和电信号。要理解的是本文使 用的术语"场"指的是靶向组织内的电场，无论它是混合场还是脉冲 电磁场，或是通过直流电、电容耦合还是电感耦合产生。
用语"远程"用于意指从一定距离起作用、被作用或控制。"远 程"调节指的是从一定距离控制基因的表达。"远程地"提供指的是 从一定距离提供。例如，从远程源提供特定和选择性的信号指的是从 距组织或细胞一定距离的源或者从身体的外部或外面的源提供信号。
术语"特定和选择性的"信号意指产生电场的信号，该电场具有 向上调节或向下调节靶向基因或靶向功能互补基因的预定的振幅、持 续时间、占空比、频率和波形特征(特定性)。这使人们能选择不同 的"特定和选择性的"信号来向上调节或向下调节各种基因的表达， 以便实现给定的生物或治疗反应(选择性)。
术语"调节"意指控制基因表达。调节理解为既包括向上调节又 包括向下调节。向上调节意指增加基因的表达，而向下调节意指抑制或阻止基因的表达。
"功能互补"指的是在给定的细胞或组织中，两个或多个基因的 表达是互补的或协同的。
"组织"指的是细胞连同它们的细胞外物质的聚合体，所述细胞 外物质形成患者的结构材料中的一种。正如此处所用的，术语"组织" 意欲包括身体的任何组织，包括肌肉和器官组织、肿瘤组织以及骨或 软骨组织。而且，此处所用的术语"组织"还可指单个细胞。
"患者"指动物，优选哺乳动物，更优选人类。
本发明提供靶定某些组织、细胞或疾病的治疗方法和装置。具体 而言，与受伤或患病的组织或细胞中修复过程相关的基因表达能通过 应用由电信号产生的场来调节，所述电信号对于靶组织或细胞中要调 节的基因是特定和选择性的。基因表达能通过应用对于每个基因或每 组互补基因是特定和选择性的信号来向上调节或向下调节，从而产生 有益的临床效果。例如，具体的特定和选择性信号可产生向上调节某 个期望的基因表达的电场，而相同或另一种具体的特定和选择性信号 可产生向下调节某个不需要的基因表达的电场。某个基因可通过由一 个具体的特定和选择性信号产生的场来向上调节并且可通过由另一种 特定和选择性信号产生的场来向下调节。本领域的技术人员将理解的 是，通过调节那些支配组织的生长、维护、修复和退化或衰退的那些 基因，某些患病或受伤的组织能靶向治疗。
本发明的方法和装置基于鉴别那些产生场的信号，所述场对于与 某些耙向的患病或受伤组织相关联的基因表达是特定和选择性的。例 如，通过针对每个所选基因改变所应用场的频率、振幅、波形或占空 比，各种形式的电(例如，电容耦合、电感耦合、混合场)能特定和 选择性地调节患者体内的靶向组织或细胞中的基因表达。暴露于电的持续时间也能影响电特定和选择性调节患者体内的耙向组织或细胞中 基因表达的能力。特定和选择性的信号可产生电场，用于有系统地应 用到每个基因，直至找到对基因表达提供期望作用的频率、振幅、波 形、占空比和持续时间的合适组合。
要理解的是因为电场对于特定基因表达的特定性和选择性受到若 干因素的影响，所以各种患病或受伤的组织或疾病状态都能被耙向治 疗。特别地，频率、振幅、波形和/或占空比适当的电场对于某些基因 的表达是特定和选择性的，从而提供耙向治疗。时间因素(例如，暴 露于电场的持续时间)也能影响电场对于特定基因表达的特定性和选 择性。通过应用特定持续时间的电场，基因表达的调节可更加有效(或 成为可能)。因此，本领域的技术人员将理解的是，本发明提供改变 电场应用的频率、振幅、波形、占空比和/或持续时间，直至发现该电 场对于某些基因表达是特定和选择性的，以便提供多种患病或受伤的 组织或疾病的靶向治疗。
因此，因为通过将频率、振幅、波形和/或占空比适当的特定和选 择性信号产生的电场应用适当的持续时间，可以调节与特定的患病或 受伤组织相关联的某些基因的表达，所以本发明能提供靶向治疗。因 此可影响产生电场的信号的特定性和选择性，从而调节某些基因的表 达，以便对特定的患病或受伤的组织或疾病状态进行靶向治疗。具体 地，本发明提供新骨折、骨折风险、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨 坏死的靶向治疗，作为上述一种或任意种治疗以及骨质疏松治疗的辅 助。
本发明的装置能够将特定和选择性的信号产生的场直接施加于患 病或受伤的组织和/或患者的皮肤。本发明的装置还可提供特定和选择 性的场的远程应用(例如，距患病或受伤的组织一定距离施加场，而 这仍在耙向细胞内产生期望的效果)，但要理解的是电容耦合装置必 须接触对象的皮肤。在电容耦合的情况下，本发明的装置可包括用于将电极连接到患者身体上受伤或患病的组织附近的构件。例如，自粘 性传导电极可贴附在折骨两侧的患者皮肤上。如图9所示，本发明的装
置10可包括自粘性电极12，用于将装置连接到患者身体上。例如，本 发明的装置10可包括连接到电力单元14的电极，该电力单元14在背侧 上具有VELCR0^贴片16，使得电力单元14能连接到安装在患者上的模 子周围的VELCRC^带(未示出)。在电感耦合的情形中，本发明的装 置可包括连接到电力单元的线圈，代替电极。
本发明的装置10能以多种方式采用。装置10可以是便携式的或者 可以临时或永久地连接患者的身体。本发明的装置10优选是非侵入式 的。例如，本发明的装置10可应用于患者的皮肤，即通过应用适合与 患者皮肤接触的电极施加由预定的特定和选择性的电信号产生的电 场。这种信号也可通过线圈来施加，随时间变化的电流在所述线圈中 流动，从而产生特定和选择性的电磁场，所述电磁场穿透组织并在耙 组织中形成特定和选择性的电场。本发明的装置10还能够植入患者中， 包括植入患者的皮下。
本领域的技术人员将进一步理解到，本发明的装置能以多种形式
提供，包括具有程序控制的多个可切换的特定和选择性信号的电容
耦合电力单元，用于应用于一对或多对电极；电磁线圈或螺线管，其 连接到具有可切换的多个特定和选择性信号的电力单元；以及具有电
源的超声刺激器，用于产生特定和选择性的信号。 一般而言，优选的 装置基于患者的认可和患者的依从之上。目前在本技术领域可得到的 最小和最便于携带的单元是电容耦合单元；然而，皮肤极为敏感的患 者可优选使用电感耦合单元。另一方面，超声单元需要的患者配合最 多，但是可能适合某些患者使用。
示例
本发明在下文的示例中进行证明，该示例是为了举例说明的目的， 并非意欲限制本发明的范围。
14将MC3T3-E1骨细胞(5Xl()S个细胞/cm2)铺在特别修改的Cooper 皿上。细胞生长七天，培养基仅在试验条件刚开始之前更换。在这些 研究的自始至终，试验细胞培养物经受具有44.81 V峰间输出的电容耦 合的60 kHz正弦波信号电场。这在20 mV/cm皿中的培养基中产生电流 密度300y A/ci^的计算的场强。除了电极不连接到信号发生器之外， 对照细胞培养皿与刺激皿相同。
在试验的末期，根据制造商的说明书，使用TRIzol分离总RNA， 并且使用SuperScriptII反转录酶执行反转录(RT)。在实时RT-PCR技 术中使用的寡核苷酸引物从公布的cDNA序列中选择或者使用Primer Express软件程序设计。使用ABI Prism 7000序列检测系统来执行 RT-PCR产物的定量实时分析。
如下系统性地发现了用于(TGF)基因一一特别是包括TGF-ei、 TGF-P2、 TGF-P3的基因一一的期望向上调节的最佳信号。将已知导 致给定蛋白质的细胞生成增加(或者即使是仅怀疑增加)的电场形成 的电信号选取为起始信号，用于确定特定信号，该特定信号用于产生 该蛋白质基因表达(mRNA)的电场。首先通过改变信号的持续时间同 时保持所有其它的信号特征恒定(振幅、占空比、频率和波形)来做 出剂量-反应曲线(图l)。这为该蛋白质的基因表达确定了起始信号的 最佳持续时间。然后做出剂量-反应第二曲线，这次改变电场的振幅 (mV/cm)同时保持该最佳持续时间和其它信号特征恒定(图2)。做 出第三剂量-反应，这次改变信号频率同时保持先前得到的最佳持续时 间和最佳振幅恒定(图3)。做出第四剂量-反应，将占空比从100% (恒 定)变为10%或更少，同时保持先前得到的最佳持续时间、振幅和频率 恒定(图4)。通过该方法，确定了在各种TGF(3的每一个的基因表达中 产生最大增加的最佳信号。使用连续的50%占空比(电容耦合、60kHz、正弦波)来执行第五 试验，以比较20 mV/cm场与40 mV/cm场的TGF-0 l蛋白质生产。正如 所示，TGF-e l蛋白质明显增加并且在两个场中相等(图5)。执行第 六试验以证实在与图5中所述相同的两个场(20 mV/cm和40 mV/cm) 中，BMP-2蛋白质的生产增加。在利用50%占空比(电容耦合、60kHz、 正弦波)场刺激24小时之后，在20mV/cm场中BMP-2蛋白质明显增加， 但在40mV/cm场中BMP-2蛋白质没有明显增加(图6)。因此，这是非 常重要的，人们能通过利用40 mV/cm场剌激细胞，将TGF-e基因与 BMP基因的表达分离，即使这些基因都属于同一TGF超家族。当人们 将图2与图7相比较时，清楚地显示这一点。在图7中，在向上调节BMP 的基因表达中，20 mV/cm的场明显比任何其它场具有大得多的反应。 相反，在图2中，显示出20 mV/cm和40 mV/cm的场在向上调节TGF-P 的基因表达中是等效的。图8示出了在与图2的TGF-P基因表达相同的 图上图7的BMP基因表达。因而，在骨折愈合中，人们具有在骨折愈合 的骨生成阶段期间一起刺激骨和软骨生成或者在骨折愈合的软骨阶段 期间仅刺激软骨的选择。
本发明清楚表明，示例中描述的最佳电场能非常明显地向上调节 TGF-P 1、 2和3 mRNA，因此增加了骨折愈合、延迟愈合、不愈合、 骨缺陷、脊柱融合中以及骨质疏松中的骨生成。本领域的技术人员将 理解的是，如此处所述利用电容耦合的适当电场对于利用电感耦合和
产生相当或几乎相当的电场特性的所有电磁系统也是同等有效的。本 领域的技术人员还将理解的是通过更多的试验利用更多的数据点(例 如100±3%占空比30±3分钟)，可以发现更加独特的信号特征，但是 认为这种每个信号特征的相对微小的变化据认为是本文给予教导的本 领域技术人员的水平之内。
本领域的技术人员还将理解的是在本发明的范围内，可能对本发 明进行许多其它的修改。例如，此处所述的最佳场能通过两个或多个 适当表面电极，其成对或成条，结合到夹板、包裹物或模子中，施加耦合传递。而且，此处所述的最佳场能通过结 合到夹板、包裹物或模子中的线圈或螺线管施加于任意的骨，并通过 电感耦合传递。因此，本发明的范围不意欲限制于上文所述的优选实 施例，而仅仅通过所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种用于治疗骨折、骨折风险、延迟愈合、不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死、骨质疏松症和/或其中患者牵涉转化生长因子(TGF)-β1、β2和/或β3蛋白质的其它状况的装置，所述装置包括信号源，其产生至少一个特定和选择性的电信号；以及场生成装置，其可操作地相对于靶向组织设置，所述场生成装置在接收所述至少一个特定和选择性的电信号后，导致在所述靶向组织中产生特定和选择性的电场，在所述至少一个特定和选择性的电场以预定的间隔向所述靶向组织应用预定的持续时间后测量mRNA，所述电场明显向上调节所述靶向组织中TGF-β1、β2和/或β3蛋白质的基因表达。
2. 根据权利要求l所述的装置，进一步包括便携式电力单元，所 述电力单元以第一和第二模式驱动所述信号源，所述第一模式中的输 出信号导致在所述耙向组织中产生选定时段的20 mV/cm的场，而所述 第二模式中的输出信号导致在所述靶向组织中产生另一选定时段的40 mV/cm的场。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中所述便携式电力单元可编程， 使得在所述第一和第二模式期间产生的场能够以不同的时段和不同的 顺序依次施加于耙向组织。
4. 根据权利要求l所述的装置，进一步包括用于将所述场生成装 置连接到骨组织附近的患者身体的构件。
5. 根据权利要求l所述的装置，进一步包括用于将所述信号源连 接到患者身体的构件。
6. 根据权利要求1所述的装置，其中通过将所述至少一个特定和 选择性的电信号应用于所述场生成装置而产生的电场通过电容耦合或电感耦合施加于所述耙向组织。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中所述特定和选择性的电信号 具有正弦波构造、大约50。/。的占空比以及大约60kHz的频率，并且在 所述靶向组织中，所产生的特定和选择性的电场具有大约20 mV/cm-40 mV/cm的振幅。
8. 根据权利要求l所述的装置，其中所述场生成装置包括电极或 者一个或多个线圈。
全文摘要
本发明描述了通过将特定和选择性电场电容耦合或电感耦合到骨细胞或其它组织来调节骨细胞和其他组织中转化生长因子(TGF)-β1、β2和/或β3蛋白质基因表达的方法和装置，这里特定和选择性的电场通过向相对于骨细胞或其它组织设置的电极或者一个或多个线圈或其它场生成装置应用特定和选择性的电信号和电磁信号而产生，从而促进患病或受伤的骨和其它组织的治疗。基因表达意指该过程的向上调节或向下调节，由此人类基因组(DNA)的特定部分(基因)转录成mRNA并随后翻译成蛋白质。本发明提供了靶向治疗受伤或患病的骨和其它组织的方法和装置，包括产生特定和选择性的电信号和电磁信号，它们在靶组织中产生最适于增加TGF-β1、β2和/或β3蛋白质基因表达的场，并使骨和其它组织暴露于由特定和选择性信号产生的场，从而调节所述组织中TGF-β1、β2和/或β3蛋白质的基因表达。所产生的方法和装置对于靶向治疗骨折、骨折风险、延迟愈合、骨折不愈合、骨缺陷、脊柱融合、骨坏死或缺血性坏死是有益的，作为在上述一种或所有的治疗中、在骨质疏松的治疗中以及在可能牵涉TGF-β1、β2和/或β3蛋白质的其它状况中对其它治疗的辅助。
文档编号A61N1/40GK101516435SQ200780020278
公开日2009年8月26日 申请日期2007年5月29日 优先权日2006年5月31日
发明者卡尔·T·布莱顿 申请人:宾夕法尼亚大学理事会