[发明专利]电穿孔电极构造和方法

说明书

相关申请参照

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2010年6月3日提交的美国临时专利申请No.61/351,235和2011年4月1日提交的美国临时专利申请No.61/470,975的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。

发明背景

电穿孔是由于电场引起的细胞膜脂双层的透化。尽管未完全理解导致电穿孔的物理机制，但相信电穿孔引发电场显著增加细胞膜处的电势差，导致形成瞬间或永久的孔。孔形成的范围主要取决于脉冲电场的强度和持续时间，导致膜透化可逆或不可逆，作为电穿孔引发电场的强度和时间参数的函数。可逆电穿孔通常用于将诸如蛋白质、DNA和药品之类大分子的传送到细胞，而不可逆电穿孔的破坏特性使其适用于巴氏杀菌或消毒。

可逆电穿孔所需的典型电场强度的范围从约100V/cm至450V/cm。在不可逆电穿孔中，所需的电场范围可从200V/cm至高达60000V/cm。

如图1所示，典型的电穿孔设备具有粗略地彼此相对的电极（E）。在典型的电穿孔方法中，目标细胞被置于电极之间，将脉冲电压或电流或交流电压或电流施加在电极上以便在电极之间的体积中引发所需的电穿孔电场。产生的相关电穿孔电场粗略地正比于电穿孔电极之间的电势差并且反比于电极（E）之间的距离（d）。在这种典型的电穿孔电极构造中，电极之间的距离受到待电穿孔的细胞的尺寸的数量级或待电穿孔的体积的尺寸限制。当需要高电场时，诸如不可逆电穿孔，传统的设计原理导致需要电穿孔电极两端的高电势差。电极之间的大电势差具有缺点。它们包括需要能够产生这些大电势差并以精确模式传送的电源。这些设备可能制造昂贵并且浪费能源。此外，大电场所需的电势差通常大到足以导致水电解，致使电极耗尽和气泡形成或放电，这些都会不利地影响电穿孔过程。

期望开发一种电极构造，该电极构造能够以电极之间的低电势差传送高电场。

发明内容

本文介绍一种新的电极设计原理，该原理能以电极之间的低电势差实现高电场。中心思想是在奇点产生高电场。因此，产生奇点的电极构造能以电极之间的低电势差产生高电场。

本文中提供的概念是“基于奇点的构造”电极设计和方法能以电极之间的低电势差在离子物质中产生局部高电场。本文描述的基于奇点的构造包括：阳极电极；阴极电极；以及置于阳极电极和阴极电极之间的绝缘体。基于奇点的电极设计概念涉及其中阳极和阴极彼此相邻、基本共面地放置且由绝缘体分开的电极。基本共面的阳极/绝缘体/阴极构造限制感兴趣的体积的一个表面，并且局部地产生期望的电场，即，在阳极和阴极之间的界面附近。在理想的构造中，阳极和阴极之间的界面尺寸趋向于零，且变为奇点。

使用基于奇点的电极构造的一种可能的方法的示例包括用于电穿孔的设备：（1）提供包括一系列的共面阳极电极和阴极电极的通道，其中相邻的阳极电极和阴极电极由绝缘体分离；（2）使电解液流过微电穿孔通道；（3）使细胞流过微电穿孔通道；以及（4）在相邻的阳极电极和阴极电极之间施加电势差。使用基于奇点的电极构造的其它电穿孔构造是可能的。对利用基于奇点的电极的局部高电场的其它应用也是可能的。

附图简述

包含在本文中的附图构成本说明书的一部分。附图与说明书一起还用于解释所介绍的系统和方法的原理，并使本领域的技术人员能够利用所介绍的系统和方法。在附图中，类似的附图标记表示相同或功能相似的元件。

图1是典型的电穿孔电极构造的示意图。

图2A是具有由小绝缘体分离的相邻电极的微电穿孔构造的电场流线的示意图。

图2B是根据本文介绍的一个实施例的电极构造的示意图。

图3是根据本文介绍的一个实施例的电极构造的制备的示意图。

图4（a）是微电穿孔通道构造的示意图。

图4（b）示出在不存在细胞的情况下的模型域。

图4（c）示出在存在细胞的情况下的模型域。

图5示出在微电穿孔通道中生成的径向改变的电场。

图6示出在具有较小高度的微电穿孔通道中存在多大的电场量值。

图7示出对于小A值，大的无量纲电场轮廓更加聚焦，并且跨越微电穿孔通道的整个高度。

图8示出在存在细胞的情况下，无量纲电场轮廓如何因绝缘细胞膜而被压缩。

图9示出当细胞半径增加时，细胞如何经历指数增大的无量纲电场量值。

图10示出模型域中的温度分布。

图11示出在模型域中流动电解液速率箭头。