DE69634265T2 - Vorrichtung zum detektieren eines analyten und zur verabreichung einer therapeutischen substanz - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Diese Offenbarung liegt auf dem Gebiet der Blutglukoseüberwachung. Ausdrücklicher betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Probenahme von Blut und die Bestimmung von Glukose darin. Wahlweise beinhaltet die Vorrichtung außerdem ein Mittel zum Verabreichen von Insulin an den Patienten.
- Hintergrund der Erfindung
- Die Fähigkeit, Analyte im Blut genau zu messen, besonders Glukose, ist wichtig bei der Behandlung von Krankheiten wie Diabetes. Blutglukosespiegel müssen innerhalb eines engen Bereichs (etwa 3,5 – 6,5 mM) gehalten werden. Glukosespiegel, die kleiner sind als dieser Bereich (Hypoglykämie), können zu geistiger Verwirrung, Koma oder Tod führen. Hohe Glukosespiegel (Hyperglykämie) verursachen übermäßigen Durst und häufiges Wasserlassen. Anhaltende Hyperglykämie ist verknüpft worden mit mehreren der Komplikationen von Diabetes, wie zum Beispiel Nierenschaden, Nervenschaden und Blindheit.
- Die Blutglukose wird bei vielen Diabetikern mit routinemäßigen Injektionen von Insulin aufrecht gehalten. Im Gegensatz zu dem normalen Funktionieren des Glukosekontrollsystems des Körpers beinhalten Injektionen von Insulin keinen Rückkopplungsmechanismus. Das Kontrollieren von Glukosespiegeln erfordert daher fortlaufende oder häufige Messungen der Blutglukosekonzentration, um die richtige Menge und Häufigkeit von Insulininjektionen zu bestimmen.
- Herkömmliche Glukosemessverfahren erfordern, dass ein Teil des Körpers (normalerweise eine Fingerspitze) eingeschnitten wird, der Finger ausgedrückt wird, um einen Tropfen Blut an der Einspießstelle zu produzieren, und der Tropfen Blut auf eine Messvorrichtung (wie einem Analysenstreifen) aufgebracht wird. Dieses Einschneiden des Fingers ist bei einer typischen Messhäufigkeit von zwei bis vier Mal am Tag sowohl schmerzhaft als auch unsauber für den Patienten. Der Schmerz und die Unannehmlichkeit haben zusätzliche und ernsthaftere Implikationen der Nichteinhaltung insofern, als dass viele Patienten das empfohlene Behandlungsschema der Blutglukosemessung nicht einhalten werden und dadurch das Risiko von ungenauen Glukosespiegeln und folglich schädlichen Auswirkungen eingehen.
- Kurz gesagt, die inhärenten Beschränkungen herkömmlicher Blutglukosemessverfahren bedeuten, dass Patienten entweder unter diesem Schmerz und dieser Unannehmlichkeit leiden, oder die Glukoseüberwachung vernachlässigen und unter den nachteiligen physiologischen Auswirkungen von ungenauer Glukosekontrolle leiden. Deshalb gibt es einen offensichtlichen Bedarf nach einem Glukosemessverfahren, das Schmerz und Unannehmlichkeit für den Patienten minimiert oder beseitigt.
- Eines der Verfahren zum Verringern des Schmerzes und der Unannehmlichkeit der Glukosemessung für einen Patienten ist, die typische Lanzette durch die Verwendung einer Hohlnadel zu ersetzen. Für die Nadelverwendung ist berichtet worden, dass sie weniger schmerzhaft ist als die Lanzettenverwendung (B. H. Ginsberg, An overview of minimally invasive technologies, Clinical Chemistry 38:1596-1600, 1992). Der Schmerz der Probenahme wird weiter verringert durch Entnahme von Blut durch die Nadel statt Ausdrücken des Fingers, was weiteren Schmerz und Wundsein mit sich bringt. Zuletzt ergibt die Einschließung des Bluts in der Nadel einen viel saubereren und angenehmeren Test als herkömmliche Verfahren, welche Tropfen oder Schmieren von Blut auf einen Teststreifen erfordern.
- Aktuell bekannte Glukosemessvorrichtungen, die Nadeln verwenden, sind von zwei Typen. Der erste, wie der in US Patent 4.953.552 beschriebene, verwendet eine Nadel, die in dem Körper für einen längeren Zeitraum verbleibt – mehrere Tage in diesem Fall. Der zweite Typ, wie der in Internationaler Patentveröffentlichung 94/13203 beschriebene, verwendet eine Nadel mit einem elektrochemischen Sensor integriert in deren Spitze. Dieser zweite Typ entnimmt kein Blut oder andere Körperflüssigkeiten und muss in dem Körpergewebe des Patienten noch 5 – 100 Sekunden lang zurückgelassen werden, um das Ausgabesignal von dem Sensor zu messen.
- EP-A-0 317 847 offenbart eine Blutchemieanalysenvorrichtung, die Sensoren einschließt, die innerhalb einer besonders konfigurierten Nadel befestigt sind, wobei die Nadel einen relativ dünnen Schaft herkömmlicher Form an ihrem distalen Ende und einen vergrößerten Abschnitt in ihrem Mittelteil hat und ein herkömmliches Verbindungsstück an ihrem proximalen Ende. Der vergrößerte Abschnitt bildet einen verlängerten Hohlraum, der mit der Sensorfläche der Sensoren in Verbindung ist. Durch Herausziehen des Kolbens der Spritze füllt sich der vergrößerte Abschnitt und bringt das Blut in Kontakt mit den Sensoren. Die Sensoren befördern Daten zurück an eine elektronische Auslesevorrichtung, wo die Daten analysiert werden. Sobald die Daten gesammelt sind, kann das Blut durch Wiedereinschieben des Kolbens zurück in den Blutstrom des Patienten ausgestoßen werden.
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USP 4.020.830 offenbart eine Einfuhrvorrichtung vom Nadeltyp, die eine Hohlnadel einschließt und einen FET-Transducer, der in dem Nadellumen angeordnet ist, ausgesetzt gegenüber dem selektiven System. Eine Referenzelektrode wird für die Tranducer-Nadel-Anordnung bereitgestellt durch Einschließen einer Elektrode, die in dem elektrisch isolierten Rohr angeordnet ist, das in dem Lumen der Nadel angeordnet ist. Ein Ende des Rohrs erstreckt sich proximal in dem Lumen der Nadel bis zu einem Punkt, wo es aus der Nadel austritt, und ist an eine Quelle von Elektrolytlösung gekoppelt. Die Elektrolytlösung ist angepasst, um eine leitfähige Schnittstelle zwischen der Referenzelektrode und dem Tiergewebe einzurichten, in welches die Nadel eingeführt werden kann. - WO 91/16416 offenbart eine tragbare Vorrichtung zum fortlaufenden Überwachen der Plasmaglukosekonzentration, die eine Enzymelektrodenbaugruppe und eine Vielzahl von untereinander zusammenhängenden Pumpen umfasst, welche in einer vorherbestimmten Sequenz arbeiten, um eine Blutprobe von einem Patienten für die Analyse zu entnehmen und dann das gesamte Volumen der Blutprobe an den Patienten zurückzugeben. Die Vorrichtung kann eine intravenöse Kanüle in sich einschließen mit einem distalen oder extrakorporalen Abschnitt, welcher ein Gehäuse einschließt zum Halten einer Durchflusszelle und eines Sensors; ein Vorverstärker kann durch das Gehäuse gehalten werden, welcher operativ mit einer Quelle an Kalibrierlösung, Waschlösung und Kontrollmittel in Verbindung steht.
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DE 41 23 441 A offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von mindestens einer Substanz in organischem Gewebe einschließlich einer subkutanen Nadel zum Einführen in das Gewebe und einer Pump- und Saugeinheit, welche durch einen Mikroprozessor gesteuert wird. Die Vorrichtung schließt eine austauschbare Einheit ein, welche eine Sensoreinheit, eine Hauptkapillare, die durch die Sensoreinheit hindurchgeht, und Messampullen für die Durchströmungsflüssigkeit und Kalibrierlösung hält, und umfasst außerdem eine subkutane Nadel, die an der austauschbaren Einheit anzubringen ist. - Die vorliegende Offenbarung liefert einen Vorteil gegenüber den bestehenden Nadelglukosesensoren, die oben beschrieben sind, insofern, als dass sie eine Hohlnadel umfasst, mit welcher Blut von dem Patienten für die Überwachung entnommen wird. Die Verwendung der Nadel minimiert den Schmerz und die Unannehmlichkeit für den Patienten. Die Entnahme von Blut mit der Nadel ermöglicht es, dass die Nadel schnell aus dem Körper des Patienten herausgezogen wird.
- Die vorliegende Offenbarung beschreibt außerdem einen Glukoseinjektor. Da die Blutglukosemessung normalerweise vor einer Insulininjektion durchgeführt wird, ermöglicht diese Erfindung wahlweise, dass sowohl die Messung als auch die Injektion mit einem einzigen Nadeleinstich vorgenommen wird, was den Schmerz für den Patienten weiter verringert.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. -
2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. -
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. -
4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. -
5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung einschließlich einem Injektionssystem. -
6 zeigt einen Sauerstoffsensor, der in Ausführungsformen der Erfindung nützlich ist. -
7 zeigt die Ergebnisse, die unter Verwendung eines Sauerstoffsensors, wie beschrieben in6 , erhalten wurden. - Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Offenbarung stellt eine Flüssigkeitsprobenahmevorrichtung bereit für die Probenahme von Flüssigkeit von einem Patienten, wobei die Vorrichtung eine Probenahmenadel, einen Sensor eingeschlossen in der Probenahmenadel, welcher einen interessierenden Analyten in der Flüssigkeit detektiert, und ein Analysenmittel umfasst, welches ein Signal von dem Sensor empfängt und verarbeitet.
- In ihrer bevorzugten Form verwendet die obige Ausführungsform einen Sensor, welcher ein elektrochemischer Sensor oder bevorzugter ein optischer Sensor ist, für die Detektion von Glukose. Wenn ein elektrochemischer Sensor eingesetzt wird, kann ein Enzym in einem Harz immobilisiert werden. Wenn ein optischer Sensor eingesetzt wird, kann ein Enzym in einer Membran immobilisiert werden und die Membran kann sich auf einer optischen Leitung befinden, z.B. einer faseroptischen Leitung.
- Zusätzliche Ausführungsformen umfassen ein Analysenmittel, welches eine Anzeigefunktion einschließt, und ein "Regelkreis"-System, wodurch die oben beschriebene Vorrichtung eine Steuervorrichtung einschließt zum Empfangen eines Signals von dem Analysenmittel und zum Senden eines Signals an einen Injektionsbetätiger, und einen Injektor zum Abgeben der erforderlichen Menge eines interessierenden Arzneimittels als Reaktion auf den Injektionsbetätiger.
- Weitere, zusätzliche, Merkmale der "Regelkreis"-Ausführungsformen umfassen solche, bei denen die Steuervorrichtung eine Benutzereingabe oder ein Analysenverfahren einschließt zum Bestimmen der erforderlichen Menge des Arzneimittels, die zu injizieren ist.
- Ebenfalls offenbart wird eine Vorrichtung zur Abgabe eines Arzneimittels direkt in den Körper eines Patienten, die eine Steuervorrichtung umfasst zum Senden eines Signals an einen Injektionsbetätiger und einen Injektor zur Abgabe der erforderlichen Menge des Arzneimittels als Reaktion auf den Injektionsbetätiger, worin der Injektor eine Nadel einschließt. Zusätzliche und wahlweise Merkmale schließen solche ein, bei denen die Steuervorrichtung eine Benutzereingabe oder ein Analysenverfahren einschließt zum Bestimmen der erforderlichen Menge des Arzneimittels, die zu injizieren ist.
- Ebenfalls offenbart wird ein Verfahren zur Probenahme von Flüssigkeit von einem Patienten, das folgendes umfasst: Bereitstellen einer Probenahmevorrichtung der Erfindung, Einführen der Probenahmenadel in den Patienten und Ermöglichen, dass die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Sensor kommt, wodurch die Anwesenheit oder Menge eines interessierenden Analyten in der Flüssigkeit detektiert wird und die Ergebnisse zu dem Analysenmittel für die Verarbeitung übertragen werden.
- Ebenfalls bereitgestellt wird ein Verfahren zur Probenahme von Flüssigkeit und Abgabe eines Arzneimittels an einen Patienten, das folgendes umfasst: Bereitstellen einer "Regelkreis"-Vorrichtung der Erfindung, Einführen der Probenahmenadel in den Patienten und Ermöglichen, dass die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Sensor kommt, wodurch die Anwesenheit oder Menge eines interessierenden Analyten in der Flüssigkeit detektiert wird und die Ergebnisse an das Analysenmittel für die Verarbeitung übertragen werden, Übertragen der Ergebnisse von der Verarbeitung zu einer Steuervorrichtung zum Senden eines Signals an einen Injektionsbetätiger und Abgabe der erforderlichen Menge des Arzneimittels als Reaktion auf den Injektionsbetätiger über die Probenahmenadel.
- Weiter wird ein Verfahren offenbart für die Zuführung eines Arzneimittels direkt an den Körper eines Patienten, das folgendes umfasst: Bereitstellen einer Arzneimittelzuführungsvorrichtung, welche eine Steuervorrichtung zum Senden eines Signals an einen Injektionsbetätiger und einen Injektor zur Abgabe der erforderlichen Menge des Arzneimittels als Reaktion auf den Injektionsbetätiger umfasst, wobei der Injektor eine Nadel einschließt, Einführen des Injektors in den Patienten und Zuführen der erforderlichen Arzneimitteldosierung als Reaktion auf den Injektionsbetätiger.
- Ausführliche Beschreibung der Erfindung
- Die Flüssigkeitsprobenahmevorrichtung der Erfindung ist definiert in Anspruch 1 und umfasst im Allgemeinen einen Flüssigkeitsprobenahmeapparat
10 einschließlich einer hohlen Probenahmenadel12 , einem Sensor14 , einer Analysenvorrichtung16 und einer Entlüftung38 , wie inl veranschaulicht. - In Betrieb (nicht gezeigt) wird die Probenahmenadel verwendet, um die Haut an jedem geeigneten Ort zu durchstechen, z.B. einem Finger oder einem weniger mit Nerven versorgten Ort wie der Oberschenkel oder Oberarm. Blut oder eine andere Körperflüssigkeit fließt in die Nadel hinein durch Kapillarwirkung und/oder andere hydrodynamische Kräfte. Das Entlüftungsloch
38 wird verwendet, um den Fluss von Flüssigkeit in die Nadel hinein zu erleichtern, und kann in die Nadel12 integriert sein, wie in1 gezeigt, oder irgendwo sonst innerhalb der Vorrichtung, siehe z.B.3 . Der Flüssigkeit wird erlaubt, in die Nadel hinein zu fließen, bis sie in Flüssigkeitskontakt mit Sensor14 kommt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nadel12 an der Analysenvorrichtung16 befestigt und der Benutzer durchbohrt seinen Finger oder einen anderen geeigneten Teil seines Körpers mit der Nadel12 durch Drücken dieses Finger auf die Nadel12 . - Die hohle Probenahmenadel
12 ist von jeder beliebigen Abmessung, die für die beabsichtigte Verwendung geeignet ist. - Vorzugsweise wird eine 26-Gauge-Nadel mit einem Innendurchmesser von etwa 250 μm eingesetzt. Solche Nadeln sind ohne weiteres von vielen kommerziellen Quellen erhältlich.
- Der Sensor
14 kann ein elektrochemischer Sensor, ein optischer Sensor oder jeder andere Typ eines Analysensensors sein, der ausgelegt ist, die Konzentration eines gewünschten Analyten innerhalb des Bluts oder einer anderen Körperflüssigkeit zu bestimmen.2 zum Beispiel veranschaulicht den bevorzugten optischen Sensor14 , der an dem Ende einer faseroptischen Leitung60 befestigt ist, welche optische Informationen zu dem Analysenmittel16 überführt. In einer alternativen Ausführungsform,3 , wird die Analyse durch ein Analysenmessgerät (nicht gezeigt) durchgeführt, das Daten erfasst durch die Übertragung von sichtbarem, infrarotem oder anderem Licht durch ein transparentes Gehäuse40 , das mit der Körperflüssigkeit gefüllt ist, die durch die Nadel12 extrahiert wurde. In4 ist ein elektrochemischer Sensor14 in der Nadel12 befestigt. Geeignete elektrische Isolierung42 und elektrische Verbindungen44 ermöglichen es dem elektrochemischem Detektor14 , Informationen an die Analysenvorrichtung16 zu befördern. - Das Analysenmittel
16 ist im Allgemeinen eine elektronische, vorzugsweise Mikroprozessor-gesteuerte Vorrichtung, die in der Lage ist, ein elektronisches, optisches oder anderes Signal von dem Sensor14 zu empfangen und zu verarbeiten und die Konzentration des interessierenden Analyten für den Benutzer anzuzeigen. Das Analysenmittel kann mit werkseitig eingestellten Kalibrierkurven programmiert sein oder kann durch den Benutzer kalibriert werden unter der Verwendung von Kalibrier- und Kontrolllösungen mit bekannten Konzentrationen des interessierenden Analyten, der darin enthalten ist. Wahlweise und vorzugsweise kann das Analysenmittel16 außerdem ein Anzeigemittel einschließen, so dass die Konzentration des interessierenden Analyten in der Körperflüssigkeit des Patienten auf eine Art und Weise angezeigt. wird, die für den Benutzer nützlich ist, z.B. mg Glukose pro Deziliter Blut. Das Anzeigemittel kann visuell sein, zum Beispiel über eine Flüssigkeitskristallanzeige, oder akustisch, und kann einen ausgedruckten Bericht einschließen. Außerdem kann die Analysenvorrichtung Mittel einschließen zum Speichern der Ergebnisse, so dass der Benutzer oder der Arzt des Benutzers die Ergebnisse für Analyse, Befolgung (Compliance) usw. später wiederholen kann. - In einer beispielhaften Ausführungsform,
5 , ist die Probenahmevorrichtung, die oben beschrieben wurde, an eine Injektionsvorrichtung18 gekoppelt, um Insulin an den Patienten abzugeben. Somit kann der Patient durch eine einzige Penetration der Haut sowohl Informationen bezüglich Glukosespiegeln innerhalb des Körpers erhalten als auch bei Bedarf die erforderliche Menge Insulin zuführen. In dieser Ausführungsform sendet das Analysenmittel16 außerdem ein elektronisches Signal, das repräsentativ für die Konzentration des interessierenden Analyten ist, an eine Steuervorrichtung20 . Wahlweise kann die Steuervorrichtung20 außerdem ausgelegt sein, ein elektronisches Signal von einer Benutzereingabevorrichtung52 und/oder von einem gespeicherten Steueralgorithmus54 zu empfangen. Die Funktion der Steuervorrichtung ist es, ein Ausgabesignal für einen Injektionsbetätiger56 zu erzeugen. Der Injektionsbetätiger56 steuert den Betrieb der Injektionsvorrichtung18 , welche fluidisch mit der Probenahmenadel12 über eine Flüssigkeitsleitung19 verbunden ist. Zum Beispiel kann der Sensor14 ein Sensor sein, der ausgelegt ist, die Konzentration von Glukose im Blut oder in einer anderen Körperflüssigkeit zu detektieren. Das Analysenmittel16 sendet ein Signal an die Steuervorrichtung20 , das diese Glukosekonzentration anzeigt. Der Benutzer kann die Glukosekonzentration von dem Analysenmittel16 ablesen und die Injektion von Insulin über die Benutzereingabe52 steuern. Alternativ kann ein gespeicherter Steueralgorithmus54 die erforderliche Menge Insulin beruhend auf der Ausgabe des Analysenmittels16 , z.B. der Konzentration von Glukose im Blut, automatisch berechnen. In jedem Fall sendet die Steuervorrichtung20 ein Signal, das die erforderliche Injektion von Insulin repräsentiert, an den Injektionsbetätiger56 . Der Injektionsbetätiger kann zum Beispiel ein Schubantrieb sein, der die Operation eines Kolbens in der Injektionsvorrichtung18 steuert. In diesem Fall verursacht der Injektionsbetätiger56 , dass der Kolben in der Injektionsvorrichtung18 in dem Ausmaß verschoben wird, das der erforderlichen Menge der Insulininjektion entspricht. Wenn der Kolben in der Injektionsvorrichtung verschoben wird, wird das Insulin über die Probenahmenadel12 injiziert, was Probenahme, Analyse und Steuerung von Blutglukose mit einer einzigen Hautdurchstechung bewirkt. - Beispiel 1 – Detektion von Glukose
- Eine Ausführungsform der Erfindung kann verwendet werden, um die Konzentration von Glukose im Blut eines Patienten zu messen. Bei Verwendung einer Ausführungsform der Vorrichtung ähnlich der, die in
2 veranschaulicht ist, führt der Patient das spitze Ende der Nadel12 in einen geeigneten Teil seines Körpers ein. Blut fließt in die Nadel12 hinein aufgrund von Kapillarwirkung und anderen hydrodynamischen Kräften, wobei es in Kontakt mit einem Glukosesensor14 kommt. Die Nadel12 kann dann herausgezogen werden. Der Sensor14 kann ein Sensor sein, der die Wechselwirkung von Glukose mit einem Sensormedium optisch misst. Zum Beispiel kann der Sensor aus Glukoseoxidase und Katalase bestehen, die in den Poren einer Membran immobilisiert sind. In der Anwesenheit einer Lösung, die Glukose enthält, wird die Glukose oxidiert und eine entsprechende Menge Sauerstoff wird abgebaut. Der Schwund von Sauerstoff kann durch die Verwendung einer lumineszenten Substanz gemessen werden wie beschrieben in US-Patent Nummer 5.043.286. Folglich entspricht der Schwund von Sauerstoff der Konzentration von Glukose im Blut des Patienten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor14 miniaturisiert in einem Ausmaß, dass er an dem Ende einer faseroptischen oder einer anderen optischen Leitung60 untergebracht werden kann. - In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein optischer Glukosesensor folgendermaßen konstruiert werden.
- Schritt 1 – Aminierung von Siliciumdioxid. 1 Gramm verdampftes Siliciumdioxid (fumed silica) (Sigma Chemical, St. Louis) zu einem Zentrifugenröhrchen hinzugeben und 8,0 Gramm steriles Wasser hinzugeben. 2,0 Gramm 3-Aminopropyltriethoxysilan ((AP)TES) (Sigma, St. Louis MO) zu dem Röhrchen hinzugeben und gründlich verwirbeln, bis das gesamte Siliciumdioxid in Lösung ist. 1 ml 6N HCl (Anachemia, Rouses Point NY) hinzugeben und verwirbeln. Das Reaktionsgemisch in dem 70°C-Wasserbad 1 Stunde lang erhitzen und die Lösung verwirbeln. Zentrifugieren und den Überstand drei Mal dekantieren, wobei jedes Mal 40 ml steriles Wasser hinzugegeben wird und die Lösung im Anschluss an das Dekantieren verwirbelt (gevortext) wird.
- Schritt 2 – Immobilisierung von Katalase auf aminiertem Siliciumdioxid. 4,7 mg Katalase (Rinderleber, Sigma, St. Louis MO) wird hinzugegeben zu 0,75 ml PESK 7,5 (eine Lösung von 100 mM NaCl, 50 mM Natriumphosphat, 1 mM EDTA, 0,05% Antimikrobiotikum Kathon CG (Rohm und Haas, Philadelphia PA), Lösung bei einem pH von 7,5). 12,5 mg 1,2,4,5-Benzentetracarbonsäuredianhydrid (PMA) (Aldrich, Milwaukee WI) wird zu 1 ml PESK 7,5 hinzugegeben. Das PMA durch Verwirbeln suspendieren. 50 μl der PMA-Lösung zu der Enzymlösung hinzugeben, verwirbeln und 1 Stunde lang bei Raumtemperatur rotieren. 0,75 ml aminierte Siliciumdioxidlösung (25 mg/ml Siliciumdioxid) hinzugeben. Zentrifugieren und Überstand drei Mal dekantieren, wobei jedes Mal 1 ml 50 mM 2[N-Morpholino] ethansulfonsäure (MES) (Sigma, St. Louis MO), pH 5,5, hinzugegeben wird und verwirbelt wird. 1,5 mg 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid-HCl (EDC) (Pierce, Rockford IL) hinzugeben und 1 Stunde lang rotieren. Zentrifugieren und Überstand zwei Mal dekantieren, wobei jedes Mal 1 ml steriles Wasser hinzugegeben wird und die Lösung nach der ersten Zugabe von sterilem Wasser verwirbelt wird.
- Schritt 3 – Immobilisierung von Glukoseoxidase auf aminiertem Siliciumdioxid. 25 mg Glukoseoxidase (aspergillus niger, Boehringer Mannheim, Indianapolis IN) in 2,5 ml PESK 7,5 einwiegen. 2,5 mg 1,2,4,5-Benzentetracarbonsäuredianhydrid (PMA) (Aldrich, Milwaukee WI) zu der Glukoseoxidaselösung hinzugeben. Die Lösung wird verwirbelt und 1 Stunde lang bei Raumtemperatur rotiert. 5 ml aminierte Siliciumdioxidlösung (25 mg/ml Siliciumdioxid) hinzugeben. Zentrifugieren und Überstand drei Mal dekantieren, wobei jedes Mal 4 ml 50 mM MES, pH 5,5, hinzugegeben wird, und Lösung im Anschluss an das Dekantieren verwirbeln. 5 mg EDC hinzugeben und 1 Stunde lang rotieren. Zentrifugieren und Überstand drei Mal dekantieren, wobei nach jedem Dekantieren 4 ml PESK 7,5 hinzugeben wird und die Lösung jedes Mal, bis auf die letzte Zugabe von sterilen Wasser, verwirbelt wird.
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- 80 mg des Flüssigharzes werden kombiniert mit 15 mg immobilisierter Katalse, 134 mg immobilisierter Glukoseoxidase und 347 mg Wasser, das 0,085 M Trehalose (Sigma, St. Louis MO) enthält. Ein kräftiges Mischen der drei Komponenten erfolgt durch heftiges Schütteln unter Verwendung eines Amalgamators (WIG-L-BUG, Crescent Dental Co., Lyons IL) 3 Minuten lang. Dieses Harz und andere geeignete Alternativen sind offenbart in Internationaler Patentveröffentlichung WO 95/22057. Das darin beschriebene Verfahren lagert die Partikel in einer Harzmatrix ein (auch als "Anstrichstoff" bezeichnet) und hat die Vorzüge, auf Wasserbasis zu sein, um Enzymaktivität zu erhalten. Es ergibt außerdem eine Flüssigkeit, was Dispensieren und leichte Herstellung vereinfacht. Ein Mikroliter des Anstrichstoffs wird auf eine Polycarbonatmatrix (Poretics, Livermore CA) mit Poren von 0,6 Mikron Durchmesser abgegeben. Der Tropfen wird über der Oberfläche der Membran ausgebreitet, um die Poren zu benetzen. Die Oberfläche wird dann mit einem Tuch abgewischt, wodurch nur der Anstrichstoff in den Poren übrigbleibt. Der Anstrichstoff wird dann in den Poren trocknen gelassen, wobei eine wasserunlösliche Matrix gebildet wird, um die Glukoseoxidase und Katalase festzuhalten.
- Schritt 5 – Konstruktion des Sauerstoffsensors. Eine sauerstoffsensitive Farbstofflösung wird hergestellt, indem 100 mg Platintetrapentafluorphenylporphin (Pt(TFPP)) (Porphyrin Products, Logan Utah) in 25 ml einer Siliciumpolymervorratslösung gelöst wird. Letztere wird hergestellt durch Lösen von 10 Gramm Dimethylsiloxan-Bisphenol-A-Polycarbonat-Blockcopolymer (GE, Waterford NY) in 100 ml Tetrahydrofuran. Ein Mikroliter der Farbstofflösung wird auf eine Polycarbonatmembran
104 (Poretics, Livermore CA) mit Poren von 0,4 Mikron Durchmesser abgegeben. Die Lösung wird trocknen gelassen. Wie in6 veranschaulicht wird die Membran104 , die den sauerstoffsensitiven Farbstoff102 enthält, um das Ende eines 250-Mikron-Lichtwellenleiterkabels60 gewickelt. Die Membran104 wird auf dem Kabel mit einem kleinen O-Ring106 gesichert. Eine zweite Membran108 , die das Enzym in der Anstrichstoffmatrix enthält, wird auf der Membran104 platziert, die den sauerstoffsensitiven Farbstoff enthält. Membran108 wird ebenfalls mit einem kleinen O-Ring (nicht gezeigt) gesichert. - Der Sauerstoffsensor arbeitet folgendermaßen: Pt(TFPP)-Farbstoff absorbiert Licht bei < 570 nm und hat eine phosphoreszierende Emission zentriert bei 650 nm. Da Sauerstoff die Emission löscht, hängt die Lebensdauer der Emission von der Menge an vorhandenem Sauerstoff ab. Die Lebensdauer der Emission ist daher eine Funktion der Sauerstoffkonzentration. Die Lebensdauer der Emission wird quantifiziert durch Vergleich der Menge von Licht, das in kurzen Zeiten (etwa 0–20 μs) emittiert wird, mit der Menge von Licht, das langzeitig emittiert wird (etwa 0–270 μs). Das Verhältnis der zwei Signale (Langzeit/Kurzzeit) ist das gemessene Ausgangssignal und dieses Verhältnis erhöht sich bei abnehmenden Gehalten von Sauerstoff. Die Sauerstoffkonzentration wiederum wird beeinträchtigt durch die Konzentration von Glukose wegen der Anwesenheit der Glukoseoxidase und Katalase.
- Eine Sonde wird wie oben beschrieben hergestellt, mit einer sauerstoffsensitiven Farbstoffmembran nahe an dem Lichtwellenleiterbündel und einer Enzym-haltigen Membran auf der Farbstoffmembran. Die Sonde wird in Lösungen eingetaucht, die verschiedene Gehalte von Glukose in Phosphat-gepufferter Salzlösung von pH 7,5 bei 37°C enthalten. Die Reaktion des Sensors auf verschiedene Gehalte von Glukose wird zwei Minuten lang aufgezeichnet und die Ergebnisse sind in
7 veranschaulicht. Es wird ein guter Korrelationskoeffizient von 0,993 gefunden für die grafische Darstellung des Verhältnisses über der Glukosekonzentration mit einer Steigung von 0,000353 und einem Schnittpunkt der y-Achse von 1,004. Diese Ergebnisse zeigen an, dass ein Sensor auf einem 250-Mikron-Lichtwellenleiterbündel nützlich ist für die Messung von Glukosekonzentrationen und nützlich ist in Ausführungsformen dieser Erfindung. - Beispiel 2 – Optische Detektion von Glukose
- In einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung, ähnlich der, die in
3 gezeigt ist, wird die Nadel12 in einen geeigneten Teil des Körpers eines Patienten eingeführt. Blut oder eine andere Körperflüssigkeit fließt in die Nadel12 aufgrund von Kapillarwirkung und/oder anderen hydrodynamischen Kräften hinein, wobei die Kammer, die durch das optisch transparente Gehäuse40 umgeben wird, gefüllt wird. Die Nadel12 kann dann aus dem Körper des Patienten herausgezogen werden, und die Nadel und die Gehäusebaugruppe können in oder neben ein optisches Analysenmessgerät (nicht gezeigt) gesetzt werden. Solche Messgeräte messen die Konzentration von Glukose oder eines anderen interessierenden Analyten mittels Leiten eines Strahls von sichtbarem, infrarotem oder anderem Licht durch das transparente Gehäuse40 hindurch, das mit dem Blut oder einer anderen Körperflüssigkeit gefüllt ist. Beschreibungen von Analysenverfahren, die mit dieser Ausführungsform eingesetzt werden können, sind zu finden in US-Patenten 5.209.231 (Messung der Glukosekonzentration über Polarisationsmessungen), 5.383.452 (Messung der Glukosekonzentration über die Detektion von innerer Lumineszenzpolarisation) und 4.882.492 (Messung der Glukosekonzentration über subtraktive Korrelationsspektroskopie von reflektiertem oder durchgelassenem nahen Infrarotlicht). Zusätzliche Analysenmittel werden dem Fachmann offensichtlich sein, oder werden offensichtlich werden nach Lesen der vorliegenden Offenbarung. - Beispiel 3 – Elektrochemische Detektion von Glukose
- Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Vorrichtung ähnlich der, die in
4 veranschaulicht ist. In dieser Ausführungsform ist der Sensor14 ein elektrochemischer Sensor, der innerhalb der Nadel befestigt ist und der die Konzentration von Glukose im Blut detektiert. Ein Beispiel für einen derartigen Sensor ist derjenige, das in der mit anhängigen US-Patentanmeldung beschrieben ist, die am gleichen Datum hiermit eingereicht wurde (Attorney Docket-Nummer 5843.US.01). - Beispiel 4 – Glukoseprobenahme und Insulininfusion
- Eine weitere optionale Ausführungsform der Erfindung wird verwendet, um die Konzentration von Glukose im Blut zu messen und die erforderliche Menge Insulin oder einer anderen therapeutischen Substanz automatisch zu injizieren. Bei Verwendung einer Ausführungsform der Vorrichtung ähnlich der, die in
2 oder4 veranschaulicht ist, führt der Patient die Nadel12 in einen geeigneten Teil seines Körpers ein. Blut fließt aufgrund von Kapillarwirkung und/oder anderen hydrodynamischen Kräften in die Nadel12 hinein, bis es den Sensor14 erreicht. In dieser Ausführungsform bleibt die Nadel12 in dem Körper eingeführt. Der Sensor14 ist ein elektrochemischer Sensor oder optischer Sensor, der innerhalb der Nadel befestigt ist, und der die Konzentration von Glukose im Blut detektiert und ein Signal, das diese Konzentration repräsentiert, über das Analysenmittel16 an die Steuervorrichtung20 sendet, wie in5 veranschaulicht. Die Steuervorrichtung20 , die wie durch den Patienten über die Benutzersteuerung52 oder durch einen gespeicherten Algorithmus54 oder beides angewiesen arbeitet, sendet ein Signal an den Injektionsbetätiger56 , das die erforderliche Menge Insulin anzeigt. Der Betätiger56 verursacht, dass die Injektionsvorrichtung18 die erforderliche Menge Insulin über die Probenahmenadel12 injiziert. Während der Injektion kann ein Ventil (nicht gezeigt) das Entlüftungsloch38 verschließen, um sicherzustellen, dass das Insulin in den Patienten hinein injiziert wird. - Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf bevorzugte und/oder alternative Ausführungsformen beschrieben worden. Ein Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass Veränderungen, Abänderungen oder Modifikationen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.
- Wo technischen Merkmalen, die in irgendeinem Anspruch erwähnt sind, Bezugszeichen folgen, sind diese Bezugszeichen eingeschlossen worden für den alleinigen Zweck, die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen, und dementsprechend haben solche Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf die Auslegung von jedem Element, das beispielhaft durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet ist.
Claims (12)
- Eine Fluidprobenahmevorrichtung für die Probenahme von Fluid von einem Patienten, die folgendes umfasst: (a) eine Probenahmenadel (
12 ); (b) einen Sensor (14 ), der in der Probenahmenadel eingeschlossen ist, welcher angepasst ist, um einen interessierenden Analyten in dem Fluid zu detektieren und ein Signal bereitzustellen, das die Konzentration dieses Analyten in dem Fluid anzeigt; (c) ein Analysemittel, welches das Signal von dem Sensor (14 ) empfängt und verarbeitet; wobei das Analysemittel (16 ) der Fluidprobenahmevorrichtung angepasst ist, das Signal von dem Sensor (14 ) zu empfangen und dieses Signal zu verarbeiten entweder während Fluid von dem Patienten entnommen wird oder erst nachdem die Probenahmenadel (12 ) der Fluidprobenahmevorrichtung von dem Patienten entfernt worden ist, wobei die Fluidprobenahmevorrichtung gekennzeichnet ist durch (d) eine Entlüftung (38 ), die bereitgestellt wird, um eine Probenahme von Blut oder eines anderen Körperfluids über eine Nadel zu erleichtern dadurch, dass Fluid in die Nadel (12 ) hinein durch Kapillarwirkung strömt. - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Sensor (
14 ) ein optischer Sensor oder ein elektrochemischer Sensor ist. - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin das Analysemittel (
16 ) weiter eine Anzeigefunktion umfasst. - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin der interessierende Analyt Glukose ist.
- Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, worin der optische Sensor ein Enzym immobilisiert in einer Membran einschließt.
- Die Vorrichtung gemäß Anspruch 5, worin sich das immobilisierte Enzym auf einer Leitung (
60 ) zum Senden von Licht befindet. - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, worin das Enzym Glukoseoxidase ist.
- Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, worin der elektrochemische Sensor ein Enzym immobilisiert in einem Harz einschließt.
- Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter folgendes umfasst: eine Steuervorrichtung (
20 ) zum Empfang eines Signals von dem Analysemittel und zum Senden eines Signals an einen Injektionsbetätiger (56 ); einen Injektor (18 ) zur Abgabe einer erforderlichen Menge (5 ) eines interessierenden Arzneimittels als Reaktion auf den Injektionsbetätiger (56 ). - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, worin die Steuervorrichtung (
20 ) eine Benutzereingabe einschließt zum Bestimmen der erforderlichen Menge des Arzneimittels, die zu injizieren ist. - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, worin die Steuervorrichtung (
20 ) angepasst ist, die erforderliche Menge des Arzneimittels, die zu injizieren ist, mit einem Analyseverfahren zu bestimmen. - Die Vorrichtung gemäß Anspruch 11, worin das Analyseverfahren ein Algorithmus ist.
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