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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verfahren zum Messen eines
Analyten, der in einer Körperflüssigkeit
enthalten ist, und speziell auf minimal-invasive Verfahren zum Messen
von Analyten, insbesondere Glucose, die in einer interstitiellen Flüssigkeit
eines Körpers
enthalten sind.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
Behandlung von Diabetes erfordert die häufige Messung der Gewebeglucosekonzentration. Dies
wird üblicherweise
durch Entnehmen einer kleinen Blutprobe (wie durch einen Fingerstich)
mehrmals täglich
erreicht. Ein Patient nutzt typischerweise eine Lanzette, um einen
Tropfen Blut zu entnehmen, und bringt den Tropfen auf einen Teststreifen,
der in einem kleinen Meßgerät abgelesen
wird. Das Verfahren ist offensichtlich schmerzhaft, invasiv, zeitaufwendig
und allgemein unangenehm.
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WO-A-98/22820 beschreibt
fluoreszierende Substanzen, die einem photoinduzierten Elektronentransfer
(PET) unterliegen und ein detektierbares Analytensignal als Reaktion
auf die Analytenkonzentration (wie von Glucose) in der Flüssigkeit
erzeugen können.
Die fluoreszierende Substanz wird auf einem Substrat immobilisiert,
das in der Haut im Kontakt mit dem Analyten plaziert wird. Das Substrat
ist bevorzugt ein biokompatibles Polymer. Die fluoreszierende Substanz
wird entweder in einer Polymermatrix eingeschlossen oder kovalent
an die Polymermatrix gebunden oder von dieser umgeben sein. Das Substrat
kann außerdem
ein Kalibrationsfluorophor umfassen, der ein Signal bereitstellt,
das nicht mit dem Signal aus den Amplifikationskomponenten interferiert.
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Intensive
Versuche wurden durchgeführt,
um den Blutzucker nicht-invasiv zu messen. Jedoch beruhen bis jetzt
vorgeschlagene nicht-invasive Verfahren auf einer intensiven Signalmanipulation,
um eine Glucosesignatur aus einem starken Hintergrund zu extrahieren.
Deshalb scheint es sehr schwierig zu sein, eine nicht-invasive Messung
mit der erforderlichen Spezifität,
Genauigkeit und Präzision
bereitzustellen.
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Die
Verfahren, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden,
stellen einen Kompromiß zwischen
den konventionellen Fingerstichtechniken und den potentiellen nicht-invasiven
Techniken bereit. Verfahren der vorliegenden Erfindung können die
diagnostische Leistung von stärker
intrusiven Messungen ohne Entnehmen von Proben bewahren, aber erfordern
den regelmäßigen Ersatz
von passiven implantierten Sensoren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein In-vivo-Glucose-Meßverfahren
zu entwickeln, das so wenig invasiv wie möglich ist. Es ist ebenso ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine In-vivo-Glucosemessung
bereitzustellen, die die klinisch erforderliche Spezifität, Genauigkeit
und Präzision
erfüllt.
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Folglich
stellt die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert,
Sensorteilchen zur Verwendung in einem Verfahren zum Bestimmen eines Analyten,
der in der interstitiellen Flüssigkeit
eines Körpers
enthalten ist, bereit. Das Verfahren umfaßt die Schritte:
- (a) Bereitstellen mindestens eines Sensorteilchens, das ein
detektierbares Analytensignal in Antwort auf die Analytenkonzentration
in dem Körper
erzeugen kann,
- (b) Plazieren des Sensorteilchens in der Haut des Körpers, damit
das Sensorteilchen in Kontakt mit der interstitiellen Flüssigkeit
des Körpers
gelangen kann, um ein detektierbares Analytensignal zu erzeugen,
- (c) Detektieren des erzeugten Analytensignals und
- (d) Bestimmen der Konzentration des Analyten, der in der interstitiellen
Flüssigkeit
enthalten ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann als eine Ersatzmessung für den Blutzucker
verwendet werden, um die Glucosekonzentration der interstitiellen
Flüssigkeit
in einem Menschen zu messen. Bevorzugt können die Sensorteilchen ebenso
ein detektierbares Referenzsignal für Hintergrundkorrekturen erzeugen.
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In
der vorliegenden Erfindung umfassen die Sensorteilchen eine Substanz,
die einen Rezeptor und ein Signalfluophor einschließt, wobei
der Rezeptor vorzugsweise den Analyten erkennt und befähigt ist,
an den Analyten zu binden, und wobei das Binden des Rezeptors an
den Analyten dazu führt,
daß die Substanz
einen photoinduzierten Elektronentransfer (PET) eingeht, wodurch
ein detektierbares Analytensignal in Antwort auf die Analytenkonzentration
des Körpers
erzeugt wird, wobei der Signalfluophor auf das Binden des Rezeptors
an einen Analyten anspricht, so daß der in dem Analyt-gebundenen
Rezeptor enthaltene Signalfluophor ein erstes Signal erzeugt, und
der in dem Analyt-freien Rezeptor enthaltene Signalfluophor ein
zweites Signal, ein Referenzsignal, erzeugt, wobei beide Signale
auf die Konzentration des in der interstitiellen Flüssigkeit
enthaltenen Analyten ansprechen, wobei das erste und zweite Signal
durch deren optischen Eigenschaften unterscheidbar sind, wobei der
Rezeptor und der Signalfluophor an dem gleichen Molekül sind,
und wobei weiter das Sensorteilchen auch eine weitere Substanz umfaßt, die
befähigt
ist, ein detektierbares Referenzsignal, unabhängig von der Analytenkonzentration
in der interstitiellen Flüssigkeit
eines Körpers, zu
erzeugen.
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Verfahren
unter Verwendung von Sensorteilchen der vorliegenden Erfindung sind
weniger intrusiv als die konventionelle Fingerstichtechnik zum Messen
des Blutzuckers. Sie erfordern nur den regelmäßigen entsprechenden Ersatz
der Sensorteilchen in der Haut. Außerdem können, da die Sensorteilchen
mit den Analyten in Kontakt sind, relativ spezifische chemische
Interaktionen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung stellt
daher bessere Leistung als die vorgeschlagenen nicht-invasiven Verfahren
zum Messen des Blutzuckers bereit. Die nicht-invasiven Verfahren
beruhen auf einer intensiven Signalmanipulation, um eine Glucosesignatur
aus einem starken Hintergrund zu extrahieren.
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Die
Erfindung wird in ihrem vollsten Umfang in den anhängenden
Ansprüchen
definiert und wird in ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
obengenannten und anderen Merkmale dieser Erfindung und die Weise,
wie sie erhalten werden, werden in bezug auf die folgende Beschreibung und
die anhängenden
Zeichnungen klarer werden und besser verstanden, in denen:
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1 eine
Zeichnung eines Rezeptormoleküls
mit einem Signalfluophor ist, das in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird,
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2 eine
detaillierte Struktur eines Glucoserezeptormoleküls zeigt,
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3 die
Interaktion des Rezeptors von 2 mit Glucose
zeigt,
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4 ein
Diagramm ist, das Komponenten angibt, die verwendet werden können, um
ein Verfahren zur Bereitstellung von Sensorteilchen auszuführen,
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5 ein
Diagramm der Fluoreszenz einer Lösung
des Glucoserezeptormoleküls
gegenüber
der Glucosekonzentration über
dem physiologischen Bereich ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt, wie in den Ansprüchen definiert, Sensorteilchen
zur Verwendung in einem Verfahren zum Bestimmen eines Analyten,
der in der interstitiellen Flüssigkeit
eines Körpers
enthalten ist, bereit. Das Verfahren umfaßt die Schritte:
- (a) Bereitstellen mindestens eines Sensorteilchens, das ein
detektierbares Analytensignal in Antwort auf die Analytenkonzentration
des Körpers
erzeugen kann,
- (b) Plazieren des Sensorteilchens in der Haut des Körpers, damit
das Sensorteilchen in Kontakt mit der interstitiellen Flüssigkeit
des Körpers
gelangen kann, um ein detektierbares Analytensignal zu erzeugen,
- (c) Detektieren des erzeugten Analytensignals und
- (d) Bestimmen der Konzentration des Analyten, der in der interstitiellen
Flüssigkeit
enthalten ist.
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Der
Analyt kann eine Glucose sein, und die Konzentration der Glucose
in der interstitiellen Flüssigkeit
wird als ein Maß für die Glucosekonzentration im
Blut des Menschen bestimmt. Glucose in der interstitiellen Flüssigkeit
liegt im Gleichgewicht mit dem Blutzucker vor. Obwohl es eine Verzögerung von
wenigen Minuten gibt, bevor die Veränderungen in der Blutzuckerkonzentration
in der interstitiellen Flüssigkeit
widergespiegelt werden, ist diese Verzögerung unwesentlich im Vergleich
zu der üblichen
Zeit zwischen den Messungen. Daher kann die Messung der Glucose
in interstitieller Flüssigkeit
ein adäquater
Ersatz für
die Messung von Kapillarblutzucker sein.
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Für den Zweck
der vorliegenden Erfindung kann ein Körper ein Körper eines Wirbeltiers sein. Beispiele
eines solchen Tiers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt: Menschen;
Vieh, wie Kühe, Ziegen,
Schafe, Hühner
usw.; und Laborforschungstiere, wie Ratten, Mäuse, Kaninchen, Affen usw.
Bevorzugt ist der Körper
ein menschlicher Körper.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das detektierbare Analytensignal ein optisch detektierbares
Signal. Bevorzugt sind die detektierbaren Signale Fluoreszenzsignale.
Am stärksten
bevorzugt emittieren Signalfluophore, die in einem Sensorteilchen
der vorliegenden Erfindung enthalten sind, in dem nahen Infrarotbereich
(IR) und sind gegenüber
Photobleichung relativ resistent. Wellenlängen im nahen Infrarotbereich
(IR) werden weniger leicht durch Gewebe absorbiert oder gestreut.
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Das
Sensorteilchen kann ein Teilchensubstrat umfassen, das an einen
Rezeptor mit einem Signalfluophor gebunden ist. Der Rezeptor erkennt
vorzugsweise den Analyten, und die Bindung des Rezeptors an den
Analyten ermöglicht,
daß der
Signalfluophor ein detektierbares Analytensignal erzeugen kann,
das auf die Konzentration des Analyten anspricht. Der Ausdruck „vorzugsweise
erkennt", wie hierin
verwendet, bedeutet, daß der
Rezeptor eine ausreichend höhere
Affinität
für den
Analyten als für andere
Moleküle
mit nennenswerter Konzentration, die in der interstitiellen Flüs sigkeit
enthalten sind, aufweist. Die Affinität ist ausreichend höher, wenn
das Signal aufgrund der Bindung von anderen Molekülen im Vergleich
zu dem Signal aufgrund der Bindung des Analyten unwesentlich ist.
Wenn der Analyt Glucose ist, ist die Selektivität eines Rezeptors wichtig, aber
nicht entscheidend, da Glucose bei viel höherer Konzentration als möglicherweise
interferierende Saccharide vorliegt.
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Es
sollte selbstverständlich
sein, daß die Suffizienz
der Affinität
durch Vergleichen der Rezeptoraffinität eines Analyten mit der von
anderen Molekülen,
die in einer Probe enthalten sind, bestimmt wird. Deshalb kann in
einigen Fällen
ein Rezeptor, der befähigt
ist, an verschiedene Moleküle
mit unterschiedlichen Affinitäten
zu binden, und der relativ wenig Affinität für einen Analyten aufweist,
ebenso für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet sein, wenn der Analyt
das einzige Molekül
ist, das an den Rezeptor bindet und das signifikante Veränderung
in seiner Konzentration in einer Probe aufweist. Deshalb kann der
Großteil
der Veränderung
im Signal den Veränderungen
in der Analytenkonzentration zugeschrieben werden, und die Konzentration
des Analyten kann bestimmt werden, sobald eine Basislinienkalibrierung
durchgeführt
wird.
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Sensorteilchen,
die eine Sammlung von Rezeptoren geringerer Spezifität mit unterscheidbarer Fluoreszenz
enthalten, können
ebenso verwendet werden. Jeder Rezeptor geringerer Spezifität reagiert auf
die Bindung von einer oder mehreren molekularen Spezies mit unterschiedlichen
Affinitäten.
Mindestens ein Rezeptor geringerer Spezifität muß auf die Bindung an einen
Analyten ansprechen. Wenn es mindestens so viele Typen an Rezeptoren
geringerer Spezifität
gibt, wie es molekulare Spezies mit signifikanter Bindung gibt,
kann die Konzentration des Analyten aus den gemessenen Signalen
von jedem Typ des Rezeptors geringerer Spezifität und aus dem grundsätzlichen
Wissen über
relative Affinitäten
der Rezeptoren geringerer Spezifität für die unterschiedlichen molekularen
Spezies berechnet werden. Dies macht es erforderlich, daß die Signale
von jedem Typ an Rezeptor geringerer Spezifität voneinander unterscheidbar
sind. Die Signale können
durch Variationen der optischen Eigenschaften der Signale unterschieden
werden. Beispielsweise, wenn die Signale fluoreszent sind, können die
Unterschiede in den optischen Eigenschaften in der Emissionswellenlänge, in
der Anregungswellenlänge,
in der Fluoreszenzlebensdauer, in der Polarisation, in der Phase
oder in Kombinationen davon liegen.
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Es
ist bevorzugt, daß die
Bindung des Rezeptors an den Analyten umkehrbar ist, so daß sie einen
Gleichgewichtswert erreicht und auf Veränderungen in der Analytenkonzentration
anspricht.
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Das
Sensorteilchen kann ebenso ein oder mehrere Referenzsignale erzeugen,
die von dem Analytensignal unterscheidbar sind. Ein Referenzsignal
kann von dem Analytensignal durch optische Eigenschaften unterschieden
werden. Wenn die Signale fluoreszierend sind, können die Unterschiede in den
optischen Eigenschaften in der Emissionswellenlänge, in der Anregungswellenlänge, in
der Fluoreszenzlebensdauer, in der Polarisation, in der Phase oder
in Kombinationen davon liegen. Referenzsignale können verwendet werden, um Veränderungen in
der Leuchtintensität
und -einheitlichkeit, der beleuchteten Fläche, der optischen Dichte von überlagerndem
Gewebe, Fluoralterung und dergleichen zu korrigieren. Deshalb kann
man durch Vergleichen des Analytensignals mit dem Referenzsignal
die Konzentration des Analyten, der in der interstitiellen Flüssigkeit
enthalten ist, genau bestimmen. Es sollte selbstverständlich sein,
daß Referenzsignale
ebenso Informationen über
die Analytenkonzentration kodieren können, so daß die Konzentration durch die
Kombination des Analyten und der Referenzsignale oder ihrer Messungen
bestimmt werden kann.
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Die
Sensorteilchen können
so hergestellt werden, daß sie
auf die Analytenkonzentration ansprechen, indem spezifische Analytenrezeptoren
mit Signalfluophoren entweder auf die Oberfläche oder in den Körper der
Teilchen eingeführt
werden. Beispielsweise können,
wenn ein Analyt Glucose ist, Analytenrezeptoren der vorliegenden
Erfindung doppelte Diboronsäuren,
die an Fluophore konjugiert sind, sein, bevorzugt dort, wo die Fluophore
Anregungswellenlänge
in dem nahen Infrarotbereich (größer als
600 nm) aufweisen. Beispiele von solchen doppelten Diboronsäuren umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
N,N'-Bis(2-boronylbenzyl)-3,3,3',3'-tetramethylindolinchlorid
und 9,10-Bis[N-methyl-N-(o-boronobenzyl)amino]methyl]anthracen.
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Beispiele
eines Rezeptors, der vorzugsweise einen Glucoseanalyten erkennt,
werden ebenso von Tony James et al., in Journal of the American
Chemical Society, 1995, Bd. 117 S. 8982-8987, beschrieben, wobei
dessen relevante Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen ist. Kurz
gesagt, nutzen diese Rezeptoren einen photo-induzierten Elektronentransfer
(PET) zwischen einer Amingruppe und einem eingeführten Anthracenfluophor, was
durch das Binden von Saccharidhydroxylen an ein Paar von Boronsäuren moduliert
wird. Die doppelten Boronate verleihen eine zehnfache Spezifität an D-Glucose
im Vergleich zu D-Fructose.
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1 ist
eine Zeichnung eines Rezeptormoleküls mit einem Signalfluophor,
angepaßt
aus der Referenz von Dr. Tony James. Sie zeigt: Analytbindungsgruppen,
umfassend getrennte doppelte Phenylboronsäuren, die Spezifität für α-D-Glucopyranose
(Glucose) verleihen; eine fluoreszierende Gruppe, die an Bindungsgruppen
gebunden ist; und Stickstoffatome mit assoziierten einsamen Paarelektronen,
die an die fluoreszierende Gruppe gebunden sind. In Abwesenheit
von Glucosebindung (obere Teil der Figur) wird die Fluoreszenz durch
die fluoreszierende Gruppe gequencht. Wenn Glucose gebunden wird
(untere Teil), wird die Fluoreszenz verstärkt. Die ausführliche
Struktur des Glucoserezeptormoleküls, wie in der Referenz von
Tony James beschrieben, wird in 2 gezeigt. 3 zeigt
die Interaktion des Rezeptors von 2 mit Glucose,
wie in der Referenz von Tony James beschrieben.
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Das
Analytensignal und das Referenzsignal können durch dasselbe Molekül oder durch
unterschiedliche Moleküle,
die in oder auf den Sensorteilen enthalten sind, erzeugt werden.
Beispielsweise kann das Sensorteilchen einen Rezeptor mit einem Signalfluophor
und einem Referenzfluophor enthalten. Der Rezeptor erkennt vorzugsweise
den Analyten. Wenn der Rezeptor an den Analyten gebunden ist, wird
der Signalfluophor ein detektierbares Signal erzeugen, das auf die
Konzentration des Analyten, der in der interstitiellen Flüssigkeit
enthalten ist, anspricht. Jedoch wird das Signal, das durch den
Referenzfluophor erzeugt wird, durch die Bindung des Rezeptors an
den Analyten nicht beeinflußt.
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Alternativ
kann ein Rezeptor mit einem Signalfluophor verwendet werden. Der
Signalfluophor reagiert auf die Bindung des Rezeptors an einen Analyten.
In diesem Fall ist der Rezeptor, der an den Analyten gebunden ist,
ein gebundener Rezeptor, und der Rezeptor, der nicht an den Analyten
gebunden ist, ein freier Rezeptor. Der Signalfluophor erzeugt ein
erstes Signal, wenn er in einem gebundenen Rezeptor enthalten ist.
Er erzeugt ein zweites Signal, wenn er in einem freien Rezeptor
enthalten ist. Die ersten und zweiten Signale sind in ihren optischen
Eigenschaften unterscheidbar. In diesem Fall kodiert das Referenzsignal,
das zweite Signal, ebenso Informationen über die Analytenkonzentration. Beide
Signale sprechen auf die Konzentration des Analyten, der in der
interstitiellen Flüssigkeit
enthalten ist, an, da die relative Verteilung von gebundenen und
freien Rezeptoren durch ein chemisches Gleichgewicht, das durch
die Analytenkonzentration bestimmt wird, gesteuert wird. Messungen
dieser zwei Signale können
mathematisch kombiniert werden, um die Analytenkonzentration zu
bestimmen, die außer
für zufällige Schwankungen
von dem Anregungslichtniveau, dem optischen Transmissionsweg und der
absoluten Anzahl oder Aktivität
der Sensorteilchen unabhängig
ist. Eine notwendige Bedingung dafür ist, daß die Sensorteilchen nicht
signifikant die Konzentration an Analyt in der interstitiellen Flüssigkeit
verändern.
Dies kann erreicht werden, indem die Zahl an gebundenen Rezeptoren
im Vergleich zu der Zahl an Analytenmolekülen klein gehalten wird. Diese
Bedingung wird bei Analyten mit angemessener Konzentration leicht
erfüllt.
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Außerdem kann
das Sensorteilchen eine erste Substanz umfassen, die befähigt ist,
ein Signal zu erzeugen, das auf die Analytenkonzentration eines
Körpers
anspricht, und eine zweite Substanz, die befähigt ist, ein Referenzsignal
zu erzeugen, das von der Analytenkonzentration eines Körpers unabhängig ist.
Mit anderen Worten, der Referenzfluophor kann im Hinblick auf den
Signalfluophor, der auf die Analytenkonzentration anspricht, ein
separates Molekül
sein. Beispielsweise kann die erste Substanz ein Rezeptor sein,
der vorzugsweise den Analyten erkennt, und die zweite Substanz kann
ein fluoreszierendes Molekül
sein, das nicht befähigt
ist, an einen Rezeptor zu binden. Beispiele eines solchen fluoreszierenden
Moleküls
umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Oxazin 750, IR140, IR143
und IR144, wobei alle von Exciton Inc. aus Dayton Ohio kommerziell
erhältlich
sind; Cy2, Cy3, Cy3.5, Cy5, Cy5.5 und Cy7, wobei alle von Amersham
Pharmacia Biotech aus Schweden und Groß Britannien kommerziell erhältlich sind.
Zusätzliche
Beispiele von fluoreszieren den Molekülen umfassen Phthallocyanin-Farbstoffe, LaJolla
Blue (Si-Phthallocyanin mit PEG-Axialliganden), Fluoreszeinisothiocyanat
(„FITC"), Rhodaminisothiocyanat;
2,4-Dinitrofluorbenzol, Phenylisothiocyanat, Dansylcholorid, substituierte
Rhodaminisothiocyanate („XRITC"), Tetraethylrhodaminisothiocyanat
(„TRITC") und Phycobiliprotein-Fluorophore
(z. B. Allophycocyanin, HDITCP (1,1',3,3,3',3'-Hexamethyl-4,4',5,5'-dibenzo-2,2'-indotricarbocyaninpercholoat)
und Phycoerythrin), erläutert
in
US-Patent Nr. 4,877,965 .
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Der
Referenzfluophor kann dasselbe Molekül wie der Signalfluophor sein;
die Referenz ergibt daher ein Maß für die Rezeptorintegrität. In diesem Fall
ist es erforderlich, daß Signale
aus den gebundenen und freien Rezeptoren optisch unterscheidbar sind.
Beispielsweise, wenn die Signale fluoreszierend sind, können die
Unterschiede in den optischen Eigenschaften in der Emissionswellenlänge, in
der Anregungswellenlänge,
in der Fluoreszenzlebensdauer, in der Polarisation, in der Phase
oder in Kombinationen davon liegen. Wenn jedoch der Referenzfluophor
ein separates Molekül
ist, können
Abweichungen der Leuchtintensität
und des Lichtweges noch korrigiert werden, während die Sensorteilchenalterung
aufgrund von Photobleichung nur indirekt korrigiert werden kann.
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Das
Sensorteilchen der vorliegenden Erfindung kann ein hydrophiles Teilchen
sein, wie, aber nicht darauf beschränkt, Controlled-Pore-Glass-Kügelchen
(CPG-Kügelchen)
oder ein Polymergel. Es kann ebenso ein hydrophobes Teilchen mit
entsprechenden Weichmachern sein, um freie Permeation durch kleine
Analyten zu erlauben. Alternativ kann es eine semidurchlässige Membran
sein, wie, aber nicht darauf beschränkt, ein Liposom. Um den Abbau
des Rezeptors zu vermeiden, kann der Rezeptor an die Innenseite
eines hydrophilen Teilchens gebunden werden, wie Poren von CPG-Küglchen oder
eines Polymergels. Die Rezeptoren können ebenso im Inneren eines
hydrophoben Teilchens mit entsprechenden Weichmachern eingeschlossen
sein, um freie Permeation durch kleine Analyten zu erlauben. Der Rezeptor
kann ferner in das Innere der semidurchlässigen Membran gepackt sein.
Für den
Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein Weichmacher geeignet, wenn
er die freie Permeation von kleinen Analyten in ein hydrophobes
Teilchen erlaubt. Beispiele eines solchen Weichmachers umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Dioctyladi pat, Diisodecyladipat und dergleichen. Ein Rezeptor der
vorliegenden Erfindung kann ebenso an die Oberfläche von hydrophoben oder anderen
unlöslichen
Teilchen gebunden sein.
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Die
Teilchensensoren der vorliegenden Erfindung liegen in einer Größe vor,
die ihre Einkapselung durch Narbengewebe verhindert. Bevorzugt werden
die Teilchensensoren im selbem Maßstab wie die Zellen im Körper aufgebaut.
In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegen die Sensorteilchen in einem Größenbereich
von etwa 1 bis 10 Mikrometern vor.
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Die
Teilchen sind bevorzugt rund und einheitlich, wie üblicherweise
erhältliche
Polystyrollatexteilchen, die durch Emulsionspolymerisation gebildet werden.
Sie können
aus anderen Materialien und durch andere Verfahren, die in der Technik
bekannt sind, hergestellt werden. Beispiele der Materialien und
Verfahren umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, weichgemachte
Polyvinylchloridteilchen (PVC-Teilchen),
hergestellt durch Tröpfchengießen von
gelösten
Polymeren, oder glasartige Teilchen, hergestellt aus Solgelen. Außerdem können die
Sensorteilchen aus einem bio-resorbierbaren Polymer hergestellt
werden. Beispiele eines bio-resorbierbaren Polymers umfassen, sind
aber nicht darauf beschränkt,
Polyglyconsäure
(PGA), Poly-DL-Lactid-co-glycolid (PLGA), Stärke, Gelatine und dergleichen.
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Die
Sensorteilchen der vorliegenden Erfindung können in der Haut durch irgendein
Verfahren plaziert werden, das den Kontakt der Sensorteilchen mit
der interstitiellen Flüssigkeit
erlaubt. Beispielsweise können
die Sensorteilchen auf die Haut tätowiert werden. Wenn die Sensorteilchen
aus bio-absorbierbaren Materialien hergestellt werden, können sie
in Kontakt mit der Haut unter Bedingungen gebracht werden, bei denen
die Haut das bio-absorbierbare Polymer in der Haut absorbieren kann.
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Sobald
sich die Sensorteilchen in Kontakt mit der interstitiellen Flüssigkeit
befinden, kann eine Laserlichtquelle verwendet werden, um Laserlicht
zu emittieren, das die Signalfluophore anregt. Eine Laserlichtquelle
kann ein Laser im nahen Infrarotbereich (NIR-Laser), ein Laser im
sichtbaren Lichtbereich oder ein UV-Laser sein, obwohl der NIR-Laser bevorzugt
ist. Laserdioden können
als eine Lichtquelle verwen det werden, da sie preisgünstige,
kompakte, intensitätsstarke
Quellen von Anregungslicht für Signalfluophore
der vorliegenden Erfindung sind. Kommerziell erhältliche Laserdioden, die zur
Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt, den
Diodenlaser, verkauft von Toshiba America Electronics Components,
Inc. unter den Modellnummern TOLD9211F und TOLD9441MC.
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Die
Erfindung nutzt ein externes Meßgerät, um Analyten-
und Referenzsignale zu detektieren. Dieses Meßgerät kann kontinuierlich in der
Nähe der Haut,
die über
den Sensorteilchen liegt, gehalten werden, oder es kann stärker bevorzugt
zu dem Zeitpunkt in diese Nähe
gebracht werden, zu dem die Analytenbestimmungen gewünscht sind.
Die Analyten- und Referenzsignale können durch Verfahren detektiert
werden, die in der Technik allgemein bekannt sind, sobald ein Sensorteilchen
der vorliegenden Erfindung in der Haut plaziert ist und das Sensorteilchen
mit der interstitiellen Flüssigkeit
in Kontakt ist. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung strahlt das externe Meßgerät Licht
auf die Haut und sammelt rückgeführtes Licht
von der Haut. Dieses rückgeführte Licht
umfaßt
Komponenten, die durch das Gewebe und durch die Teilchen rückgestrahlt
wurden, plus einen Teil des Signal- und Referenzlichts, das durch
die Teilchen erzeugt wird. Das Meßgerät mißt den rückgeführten Teil des Signal- und
Referenzlichts durch in der Technik allgemein bekannte Verfahren,
wie die Verwendung von wellenlängenselektiven
Filtern, phasenempfindlicher Detektion oder zeitgesteuerter Detektion.
Das Meßgerät kann mehrere
Messungen von Signal- und Referenzlicht während einer einzelnen Bestimmung
vornehmen, wodurch die Wirkungen von zufälligen Schwankungen und anderen
Rauschquellen verringert werden. Das Meßgerät kann die Messungen von Signalfluoreszenzlicht
mit den Messungen von Referenzfluoreszenzlicht kombinieren, um die
Veränderungen der
Leuchtintensität,
optischen Dichte von darüberliegenden
Gewebe, Fluophoralterung und dergleichen zu korrigieren. Ein Beispiel
eines solchen Meßgeräts umfaßt: eine
Quelle, bevorzugt eine Laserdiode; ein Paar von Detektoren, wie
Photovervielfacher, Lawinenphotodetektoren oder Photodioden; ein
Paar von optischen Filtern, die jeweils mit einem der Detektoren
verbunden sind, um das emittierte Licht nach der Wellenlänge abzutrennen;
eine Sammeloptik, um das empfangene Licht durch die Filter und auf die
Photodetektoren zu richten; und einen Regler, um die Niveaus auf
Basis der Stärke
der gemessenen Signale zu bestimmen.
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Damit
das Meßgerät richtig
auf die Region der Haut, die über
den Sensorteilchen liegt, ausgerichtet wird, ist es wünschenswert,
daß die
Region so markiert wird, daß der
Nutzer sie ohne weiteres lokalisieren kann. Diese Markierung kann
mit einem Oberflächenmarker,
wie einem Stift, aufgebracht werden, oder die Markierung kann als
Teil des Sensorimplantats aufgebracht werden. Die Rezeptormoleküle selbst
können
als ein Marker fungieren, aber es wird erwartet, daß sich dies
im Anbetracht der begrenzten Menge an implantierten Rezeptormolekülen und
den bevorzugten Wellenlängen
im nahen IR-Bereich nicht als hinreichend erweist. Die Teilchen
können
an einen ohne weiteres sichtbaren Farbstoff oder ein Pigment angelagert
oder damit beladen werden, oder sie können mit anderen Teilchen,
die an einen solchen Farbstoff oder ein solches Pigment angelagert
oder damit beladen sind, co-implantiert werden.
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Regelmäßig werden
die Sensorteilchen durch neue Teilchen ersetzt. Die Sensorteilchen müssen regelmäßig ersetzt
werden, da sie aufgrund der Photobleichung, der Resorption durch
den Körper
oder anderer Abbauprozesse altern. Der Ersatz von Sensorteilchen
kann durch einen Fachmann im Gesundheitswesen durchgeführt werden.
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4 ist
ein Diagramm, das Komponenten angibt, die verwendet werden können, um
ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sensorteilchens, wie hierin
beschrieben, auszuführen.
In 4 werden Sensorteilchen 1 in die Haut 2 implantiert.
Nach der Implantation wird Anregungslicht 3 durch die zwischenliegenden
Hautteile von der Außenseite
des Körpers
gestrahlt, um die Signalfluophore, die in den Sensorteilchen enthalten
sind, anzuregen. Infolgedessen wird Signallicht 4 durch
die Sensorteilchen als Antwort auf das Anregungslicht emittiert.
Ein Teil des Signallichts 4 wird durch Detektionsoptiken 5 zum
Messen eines Teils des Signallichts, das durch die zwischenliegenden
Teile der Haut gestrahlt wird, detektiert. Eine Analyseeinheit 6 wird
zum Umwandeln der Signallichtmessungen in Bestimmungen der Glucosekonzentration
verwendet.
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5 ist
ein Diagramm der Fluoreszenz einer Lösung des Glucoserezeptormoleküls von 2 gegenüber der
Glucosekonzentration über
dem physiologischen Bereich. Das Glucoserezeptormolekül wird in
verdünntem,
Glucose-abgereichertem Caprinserum als ein Stimulans für das interstitielle
Milieu gelöst. 5 zeigt,
daß die
Glucosekonzentration des interstitiellen Milieus durch Messen der
Fluoreszenzintensität
der Signalfluophore, die mit den Glucoserezeptormolekülen assoziiert
sind, bestimmt werden kann.
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Das
Vorhergehende soll den Umfang der Erfindung veranschaulichen, aber
nicht einschränken. Tatsächlich kann
sich der Fachmann ohne weiteres weitere Ausführungsformen vorstellen und
herstellen, basierend auf den Lehren hierin, ohne übermäßige Experimente.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen speziellen Formen ohne Abweichung
von ihren wesentlichen Merkmalen ausgeführt werden. Die beschriebene
Ausführungsform
soll in allen Bezügen nur
illustrativ und nicht einschränkend
sein. Der Umfang der Erfindung wird daher eher durch die anhängenden
Ansprüche
als durch die vorhergehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen,
die innerhalb der Bedeutung und im Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen,
sollen innerhalb ihres Umfangs enthalten sein.