使用电磁纳米颗粒和外部磁场杀灭癌细胞和细胞成像的方法技术

本发明专利技术提供一种使用电磁纳米颗粒实现高特异性杀灭靶细胞的方法。实施方案包括将加工好的电磁纳米颗粒(MENP)给予至患者的机体，其中所述电磁纳米颗粒更倾向于通过一个或多个物理力和/或生物学机理在靶细胞附近聚集或附着至靶细胞；将磁场施加至所述电磁纳米颗粒以产生足以引起靶细胞死亡的作用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及使用电磁材料杀灭癌症或患病细胞和用于细胞成像，更具体地，涉及控制穿透入或结合至癌细胞的电磁纳米颗粒(MENP)的行为或性质从而杀灭癌症或患病细胞；并且使用电磁纳米颗粒的电磁耦合用于细胞成像。
技术介绍
如同常规磁性纳米颗粒(MNP)，例如基于钆或磁石的磁性纳米颗粒，电磁纳米颗粒具有非零磁矩，因此其空间位置可通过施加磁场梯度而被远程控制。然而，不同于磁性纳米颗粒，电磁纳米颗粒具有另一特性，通过外部磁场对电磁纳米颗粒的内在电场进行能量上有效的控制。这一独特的能力归因于这一新类型纳米结构即使在体温也具有的内在电磁(ME)耦合(由于相关磁致伸缩和压电效应而引起)。因此，当引入生物学微环境时，电磁纳米颗粒起到局部磁场至电场纳米转换器的作用。所以，电磁纳米颗粒能够通过局部地探测细胞膜的电性质、利用癌细胞和健康细胞的(电穿孔)电势的不同，将癌细胞和健康细胞区分开来。已知癌细胞的膜孔度可通过施加相对高的电场(量级为1000V/cm)而显著增加(以允许颗粒和/或药物透过细胞膜进入胞质)，但这需要显著更高的场(3倍或更多倍的倍数)以达到相同药物进入健康细胞的穿透效应(Binggeli等人，1980)。这一效应众所周知为电穿孔(Cahill等人，2010)。常规宏观电穿孔效应在治疗癌症时的问题是，需要在相对较大区域的机体上施加相对高的电场(>1000V/cm)；因此，该治疗需要相对高的能量，且因为显著的能耗而伴有副作用，这继而显著限制了这种治疗的应用。现有技术(Guduru等人，2013)仅在所述电磁纳米颗粒附近高效地形成了一种远程磁场控制的电穿孔效应，因此当施加一定范围强度的外部磁场时，不需要破坏性的能耗，仅以很少的几分之一的能量就能够使癌细胞的高度选择性电穿孔成为可能。现有技术(Guduru等人，2013)使用涂覆药物的电磁纳米颗粒来将药物携带至癌细胞内，从而杀灭癌细胞。这些代表了显著的进展，然而，仍然使用了可能具有副作用的药物。现有技术没有提供使用本申请所述的方法或装置进行癌细胞靶向的机理和杀灭的机理。附图描述图1显示用以产生控制电磁纳米颗粒的外部磁场的磁盘和电磁铁装置。图2是功能性或诊断性成像方法或装置的一个实施方式的流程图，该实施方式使用纳米环境下电磁纳米颗粒的电磁耦合检测细胞水平的变化。图3是靶向杀灭癌症或患病细胞的一个实施方式的流程图，该实施方式使用纳米电穿孔的电磁纳米颗粒，其提供新的无毒或低毒的癌症治疗。图4显示来自患者体内靶向位置多重磁场的磁场矢量的构造性叠加放置，其足以沿着叠加放置的磁场梯度移动电磁纳米颗粒，或仅在焦点处(而不在别处)引起纳米电穿孔或杀灭。图5显示用于深入组织内部、以高精确度施加磁场的(a)磁性针状物，(b)磁场引导针状物和(c)磁线的技术方案。具体实施方式现在可参考附图，其中相同的数字贯穿全文指代相同的部位。现在可描述本专利技术的示例性实施方案。示例性实施方案用于描述本专利技术的各方面，不应理解为限制专利技术的范围。当参照框图或流程图描述示例性实施方案时，每个框可代表一种方法步骤或执行该方法步骤的装置元件。本专利技术提供这样的方法、处理或装置构造：其使用电磁纳米颗粒独特的物理性质，在一个或多个电磁纳米颗粒穿透癌细胞的膜之后，通过施加外部磁场产生电场和/或机械运动，来达到高特异性杀灭癌细胞的目的，而不需要在所述电磁纳米颗粒上装载或涂覆任何药物，并且对正常细胞不引起伤害或仅引起最低限度的伤害。在装载药物的电磁纳米颗粒或单独的电磁纳米颗粒这两种情况下，所述电磁纳米颗粒具有非零磁矩，因此若给予至患者的机体，则能够通过施加足够高的远程磁场梯度(例如>1000Oe/cm)经血液循环和/或淋巴系统被远程导航。所述电磁纳米颗粒可通过皮下(SC)瘤内(IT)、瘤周(PT)、腹膜内(IP)、或静脉(IV)注射、或口服(OI)、或通过其他方式给予。在IT、IP或PT注射的情况下，被动靶向是在外部启动的(通过直接注射进入肿瘤或注射至其附近)。一个实施方案施加外部磁场，以吸引肿瘤位点处的所述电磁纳米颗粒和/或引起所述电磁纳米颗粒穿透癌细胞膜。该磁场可通过永久磁铁或电磁铁施加，取决于肿瘤的大小和形状。在IT、IP或PT注射之前或同时施加所述外部磁场，然后将其保持一段时间。外部磁场的强度选取为使得：(1)强到足以克服细胞微环境的粘度，使得防止纳米颗粒通过体液循环移动至其他部位，以及防止进一步扩增已知的EPR(EnhancedPermeabilityandRetentioneffect)，从而使纳米颗粒相比于在正常组织中而言显著更多地倾向于聚集在肿瘤组织，(2)强到足以引起所述电磁纳米颗粒穿透癌细胞膜，但(3)不至于太强而引起所述电磁纳米颗粒穿透正常细胞的膜。在第二阶段，在所述电磁纳米颗粒位于癌细胞内部之后，一个实施方案施加外部磁场，以通过所述电磁纳米颗粒的电磁(ME)耦合特性对所述电磁纳米颗粒产生局部电场。当所述电场足够强时，其通过电震荡干扰癌细胞的机理或杀灭癌症细胞。在另一实施方案中，所述电磁纳米颗粒被药物涂覆，且电场和药物组合杀灭癌细胞。一个伴随IT、IP或PT注射而靶向操作的实施方案使用永久磁性盘10，其在中心具有孔11以供针状物穿过，如图1a所示。首先在注射之前或注射的同时将该盘施加至靶位点。该盘的形状和磁场强度可按靶位点来定制，其中所需磁场强度通过选择盘的材料和厚度来实现。伴随IT、IP或PT注射而靶向操作另一实施方案使用在中心具有孔16的电磁铁15，其大小和形状与靶位点相匹配，且所需磁场强度通过选择线圈的缠绕数和/或由CurrentDriver和Controller施加电流的量或频率来达到，参见图1b。在静脉给予的情况下，(包括静脉注射和使用导管进行静脉滴注)，也可通过施加磁场梯度进一步地将装载药物的电磁纳米颗粒和单独的电磁纳米颗粒导航至肿瘤细胞。在一个实施方案中，静脉注射使用足够小(例如<100nm)的并且具有较长形状(例如椭圆或纳米杆)的电磁纳米颗粒。我们注意到，纳米杆相比于同样大小的球体而言更易于在循环系统中传播。此类静脉注射的电磁纳米颗粒可有效地通过机体的循环系统到达体内每个细胞，甚至不需要施加外部磁场。然而，在一个实施方案中，施加外部磁性梯度场以将所述电磁纳米颗粒引导至癌症位点，从而进一步提高靶向能力。所述外部磁性梯度场可为静电场或动态场。一个实施方案施加一定强度水平的磁场，该强度足够高，从而可触发纳米电穿孔效应以在癌细胞内\驱动\电磁纳米颗粒(该颗粒可装载或不装载药物)，并且不影响正常细胞。所述磁场可在肿瘤附近局部地施加，或可整体施加至全身。施加所述场的持续时间可为数小时至数日不等，可以在静脉滴注的时长内维持，或在静脉注射或静脉滴注之后维持一段时间，取决于癌症的阶段和类型。此外，为了进一步改善活性靶向的能力，所述装载或不装载药物的电磁纳米颗粒可进一步与特异于某表面受体或在癌细胞周围过表达的其他生物标记的配体或抗体轭合。这使得循环系统中的电磁纳米颗粒连接至癌细胞，并且通过在外部施加的磁场促进纳米电穿孔。换言之，配体/抗体和电磁纳米颗粒的作用是彼此互补的：配体/抗体能够递送电磁纳米颗粒至癌细胞表面，同时电磁纳米颗粒诱导纳米电穿孔移动至通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现高特异性杀灭靶细胞的方法，其包括将加工好的电磁纳米颗粒给予至患者的机体，其中所述电磁纳米颗粒更倾向于通过一个或多个物理力和/或生物学机理在靶细胞附近聚集或附着至靶细胞；当一定量的电磁纳米颗粒已充分接近、附着至或穿过所述靶细胞的膜之后，将磁场施加至所述电磁纳米颗粒以通过所述电磁纳米颗粒产生一或多个电场，产生机械运动，升高所述电磁纳米颗粒的温度，其足以导致靶细胞的死亡。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.14 US 62/037,4471.一种实现高特异性杀灭靶细胞的方法，其包括将加工好的电磁纳米颗粒给予至患者的机体，其中所述电磁纳米颗粒更倾向于通过一个或多个物理力和/或生物学机理在靶细胞附近聚集或附着至靶细胞；当一定量的电磁纳米颗粒已充分接近、附着至或穿过所述靶细胞的膜之后，将磁场施加至所述电磁纳米颗粒以通过所述电磁纳米颗粒产生一或多个电场，产生机械运动，升高所述电磁纳米颗粒的温度，其足以导致靶细胞的死亡。2.如权利要求1所述的方法，其中，施加的磁场是交变场，其引起交变电场和/或机械运动从而干扰所述靶细胞的功能。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电场和/或机械运动对未由所述电磁纳米颗粒靶向的细胞不造成伤害或造成最小伤害。4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述电磁纳米颗粒上加载一个或多个药物，以增强所述靶细胞的杀灭。5.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用具有非零磁矩的电磁纳米颗粒，且在将所述电磁纳米颗粒给予至患者的机体之后，施加足够高的磁场梯度以将所述电磁纳米颗粒通过血液循环和/或淋巴系统远程导航朝向靶位点和/或远离一个或多个需要避免的组织或区域。6.如权利要求1所述的方法，其中，所述电磁纳米颗粒通过皮下、瘤内、瘤周、腹膜内或静脉注射，或口服，或通过其他方式给予。7.如权利要求1所述的方法，其中，当所述电磁纳米颗粒局部注射至靶位点或其附近时，其进一步包括施加外部磁场同时注射所述电磁纳米颗粒以吸引所述靶位点处的电磁纳米颗粒并引起所述电磁纳米颗粒穿透癌细胞的膜。8.如权利要求7所述的方法，进一步包括在注射后将外部磁场保持一段时间。9.如权利要求1所述的方法，进一步包括向靶位点施加具有所需形状、磁场强度和在中心有孔的的永久磁性盘，和使用穿透该孔的针状物注射入靶位点。10.如权利要求1所述的方法，进一步包括向靶位点施加具有所需形状、磁场强度和在中心有孔的的电磁铁，和使用穿透该孔的针状物注射入靶位点。11.如权利要求1所述的方法，其中，所述电磁纳米颗粒具有纳米杆形状。12.如权利要求1所述的方法，进一步包括施加外部磁性梯度场以朝向所述靶位点引导所述电磁纳米颗粒，其中所述外部磁性梯度场是静电场和/或动态场。13.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁场局部地施加在靶位点周围和/或全局地施加至全身。14.如权利要求1所述的方法，其中，磁场的施加进一步包括局部施加第一磁场至靶位点，并且全局施加第二磁场至全身，其中同时或依次施加所述两个磁场。15.如权利要求1所述的方法，进一步包括用结合至某些受体或其他生物标记的抗体或配体涂覆或轭合所述电磁纳米颗粒，所述某些受体或其他生物标记对于靶细胞是特有的或者是在靶细胞中过表达的。16.如权利要求1所述的方法，其中，磁场的施加进一步包括施加旋转或律动磁场，以对所述电磁纳米颗粒产生旋转或律动极化，以促进靶向的纳米电穿孔，其中选择旋转或律动极化的强度和/或频率以诱导靶细胞的选择性纳米电穿孔。17.如权利要求1所述的方法，其中，磁场的施加进一步包括施加交变磁场，以刺激所述电磁纳米颗粒的一个或多个铁磁性共振频率，以干扰、杀灭所述靶细胞机体或引起所述靶细胞机体的损伤。18.如权利要求17所述的方法，进一步包括通过改变所述电磁纳米颗粒的内在和/或外在性质给定其特定的铁磁性共振频率。19.如权利要求17所述的方法，进一步包括施加另一磁场以控制所述电磁纳米颗粒的铁磁性共振频率。20.一种用于实现高特异性杀灭靶细胞的系统，其包括纳米颗粒，所述纳米颗粒在受磁场作用时因电磁耦合产生电场，且在给予至患者机体后更倾向于通过一个或多个物理力和/或生物学机理在靶细胞附近聚集或附着至靶细胞；且包括能够将磁场施加至所述纳米颗粒的装置，所述纳米颗粒已充分接近、附着至或穿过所述靶细胞的膜，以诱导纳米颗粒产生一个或多个干扰性作用，包括梯度电场、交变电场、所述电磁纳米颗粒的一个或多个铁磁性共振频率处的交变电场、热和机械运动，所述干扰性作用足以引起靶细胞的死亡。21.如权利要求20所述的系统，进一步包括通过如下方式制备的纳米颗粒：首先通过溅射沉积、蒸镀或另一沉积技术来沉积具有所需性质的薄膜，然后使用离子束接近式光刻或刻印或其他光刻方法切割所述薄膜为所需形状和大小的纳米颗粒。22.如权利要求20所述的系统，其中，用于将磁场施加至纳米颗粒的装置使用一或多个磁性针状物，所述针状物用于注射电磁纳米颗粒和产生磁场以将所述电磁纳米颗粒保持在注射区域，包括纳米电穿孔和/或干扰性作用。23.如权利要求20所述的系统，其中，用于将磁场施加至纳米颗粒的装置使用一个或多个高度传导磁场的针状物，以使外部...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁平，
申请(专利权)人：梁平，
类型：发明
国别省市：美国;US