KR20010088797A - 입자송출 방법을 이용한 모니터링 방법 - Google Patents

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KR20010088797A
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Abstract

생물계에 존재하는 분석 시료(analyte)를 시료 추출(sampling)하는 방법이 제공된다. 그 방법은 계(system)로부터 중요한 분석 시료의 시료(sample)를 획득하는 입자송출(particle delivery) 방법을 포함한다.

Description

입자송출 방법을 이용한 모니터링 방법{Monitoring Methods Using Particle Delivery Methods}
지금까지 인간에게 주로 사용되는 검사법은 혈액 또는 다른 체액에 존재하는 물질(substance)의 존재나 그 양을 평가하는 것이다. 이들 검사법은 대개 주사기나 피부에 침을 놓음으로써 피실험자로부터 얻은 생리학적인 체액 시료(fluid sample)에 의존한다. 한 가지 특별한 검사는 당뇨병 환자의 혈당 수준을 자가 모니터링하는 것을 포함한다.
당뇨병은 건강의 주요 관심사이고, 더 심각한 상태인 유형 I 당뇨병(인슐린-의존성)의 치료를 위해 하루에 1회 또는 그 이상의 인슐린 주사를 요구한다. 인슐린은 혈액 내에서 당(suger)이나 포도당(glucose)의 이용을 조절하여 과혈당증(hyperglycemia)을 예방하며 보정되지 않았을 때는 케톤증(ketonsis)을 일으킬 수 있다. 반면에, 부적절한 인슐린 공급은 저혈당증(hypoglycemic episodes)을 초래할 수 있으며, 이는 혼수상태와 사망으로 이어질 수 있다. 당뇨병에서 과혈당증은 몇가지 장기적 효과(long-term effects) 즉, 심장병, 죽상 경화증(atherosclerosis), 실명(blindness), 발작(stroke), 고혈압(hypertension) 및 신부전증(kidney failure)과 관련이 되어 왔다.
유형 I 당뇨병의 합병증을 피하거나 최소화하기 위한 혈당의 빈번한 모니터링 효과는 잘 알려져 있다. 미 국립보건원에 의하면, 포도당 모니터링은 하루에 4-6회가 권장된다. 유형 II 당뇨병(비인슐린-의존성) 환자들 역시 식이(diet)와 운동으로 혈당 모니터링 효과를 볼 수 있다.
종래의 혈당 모니터링 방법은 검사를 위해 일반적으로 혈액 채취(예, 수침(finger prick)에 의함)를 요구하고, 전기 화학적 방법이나 비색계(colorimeter)를 이용하여 포도당 수준을 결정한다. 유형 I 당뇨병 환자는 엄격한 글리세민 기준(glycemic control)을 유지하기 위하여 매일 수 회 수침으로 혈당 측정을 행하여야 한다. 그러나, 엄격한 조절이 장기간의 당뇨병의 합병증을 급진적으로 감소시킨다는 확실한 증거에도 불구하고, 이러한 채혈로 저혈당증의 두려움과 함께 이와 관련한 불편과 고통은 환자들의 인내심을 저하시킨다. 사실상,이런 이유들로 종종 당뇨병 환자들에 의한 모니터링 과정이 약화될 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 수생계(aqueous biological system)에 존재하는 분석 시료(analyte)를 시료 추출하기 위한 방법을 제공한다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 하기의 각 단계를 포함하는, 개인의 표적 피부 또는 점막 표면 아래에 존재하는 분석 시료를 시료 추출하는 방법을 제공한다.
(a) 입자의 가속이 체액 시료를 표적 표면 아래로부터 표면까지 수송하는데 효과적이도록 전기 표적 표면 내부로 및/또는 표면을 교차하는 입자를 가속화시키는 단계; 및,
(b) 전기의 체액 시료에서 전기 분석 시료의 존재를 결정하는 단계.
본 발명은 전기 방법에 의해 개인의 표적 피부 또는 점막 표면 아래에 존재하는 분석 시료(analyte)를 시료 추출하기 위한 미립자 조성물(particulate composition)의 제조를 위한 불활성 물질(inert material)의 용도를 제공한다. 전기 방법은 생물계에서 중요한 분석 시료의 존재를 정성적으로 또는 정량적으로 결정하기 위해 사용될 수 있다. 전기 방법은 중요한 분석 시료의 양 또는 농도를 결정하는데도 사용될 수 있다. 부가적으로, 전기 방법은 분석 시료의 농도를 끊임없이(continually) 또는 연속적으로(continuously) 측정하기 위해 사용될 수 있다.
전기 방법은 생물계의 표적 표면 내부로 및/또는 표적 표면을 교차하는 입자의 가속을 수반하여 입자가 표적 표면 아래로부터 다량의 분석 시료를 전달하도록 한다. 그 다음, 분석 시료는 감응 장치와 접촉될 수 있어 그것으로부터 검출할 수있는 원신호(raw signal)를 유도하며, 원신호는 분석 시료의 존재를 표시하거나, 분석 시료 농도와 관련되어 있다. 원한다면, 분석 시료는 감응 장치와 접촉하기 전에 표적 표면으로부터 수집될 수 있다.
중요한 분석 시료는 생물계로부터 경피적(transdermally)으로 추출되도록 시료 추출이 수행된다. 이러한 점에서, "경피적 추출(transdermal extraction)"과 "경피적으로 추출되는(transdermally extracted)"이란 용어는, 후속적인 분석을 위한 피부 또는 점막 조직을 교차하는, 조직 표면 아래로부터 분석 시료의 추출 또는 그것의 표면으로부터의 수집 및 분석을 촉진시키기 위한 입자송출 기술을 이용하는 비 침습성 또는 적어도 최소한의 침습 방법을 의미한다. 이 용어는 피부 침투 증진제, 음압(negative pressure)(진공 또는 흡입), 또는 다른 추출 기술의 적용과 상관없이 더 큰 의미의 추출을 포함한다.
생물계에서 추출된 분석 시료(일반적으로 대량의 체액)는 중요한 분석 시료의 존재 및/또는 그 양을 표시하는 원신호를 획득하기 위한 감응 장치와 직접적으로 접촉되든지, 또는 수집되어 감응 장치와 접촉된다. 이 원신호는 적당한 감응 방법론, 예를 들어 생물계와 감응 장치의 직접적인 접촉에 의존하는 방법, 추출된 분석 시료의 수집된 양과의 접촉에 의존하는 방법등을 사용하여 획득될 수 있다. 전기 방법 중 어느 것과 함께 사용된 감응 장치는 적당한 감응 요소(sensing element), 여기에 한정되지는 않지만, 물리적, 화학적, 생화학적(예, 효소적, 면역학적 등), 전기 화학적, 광화학적, 흡광계(spectrophotometric), 편광계(polarimetric), 비색계(colorimetric), 또는 복사계(radiometric)적 등의요소를 포함한 원신호를 제공하는 적당한 감응 요소를 사용한다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서, 전기 화학적 감응 요소를 포함하는 생체 감응 장치가 사용된다.
분석 시료는 화학적, 물리적, 효소적, 또는 흡광도적 분석으로 검출 및/또는 측정하기를 원하는 특정 물질(substance)이나 구성 성분(component)이 될 수 있다. 전기 분석 시료는 여기에 한정되지는 않지만, 독소(toxin), 오염 물질(contaminant), 아미노산(amino acid), 효소 기질(enzyme substrate) 또는 질병 상태 또는 상황을 지시하는 산물(product), 질병의 상태나 상황(condition)을 위한 다른 표지(marker), 보양(recreation) 및/또는 남용 약물, 작위 증진 제제(performance-enhancing agent), 치료 및/또는 약리학적 제제, 전해질(electrolyte), 중요한 생리학적 분석 시료(예, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 염소, 중탄산염(bicarbonate)(CO2), 포도당, 요소(urea)(blood urea nitrogen), 유산염(lactate), 및 헤모글로빈(hemoglobin), 지질(lipid) 등을 포함한다. 바람직한 실시태양에서, 분석 시료는 중요한 생리학적 분석 시료(physiological analyte), 예를 들면 포도당, 또는 생리적 작용을 하는 화학물질, 예로 약물 또는 약리학적 제제이다. 본 명세서를 읽을 때 당업계의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이해된 대로, 본 방법을 이용하여 시료 추출될 수 있는 분석 시료는 대단히 많다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 생물계에 존재하는 분석 시료를 시료 추출하는방법을 제공하는 것이다. 분석 시료는 전형적으로 개인의 표적 피부 또는 점막 표면 아래에 존재한다. 본 발명의 방법은 시료 입자를 표적 표면 내부로 및/또는 표적 표면을 교차하여 가속화시키는 단계를 포함한다. 시료 입자의 표적 표면 내부로 또는 표면을 교차하는 가속은 다량의 분석 시료(전형적으로 분석 시료을 함유하는 체액 시료)를 표적 표면 아래로부터 표면까지 수송하는데 효과적이다. 시료는 진단할 수 있는 양의 분석 시료를 함유할 수 있다. 추출된 분석 시료의 존재 및/또는 양이나 농도는 감응 장치와의 직접적인 접촉에 의해 결정되거나, 분석 시료는 표적 표면으로부터 수집된 다음, 감응 장치와 접촉된다.
본 발명의 장점은 시료 추출 과정이 임상적 쎄팅(clinical setting)의 내외에서 고통 없이 쉽게 실행될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 양상, 실시태양 및 장점은 여기에 기재된 관점에 비추어 당업계의 통상적인 기술을 가진 자에게 쉽게 이해될 수 있다.
본 발명은 수생계(aqueous biological system)에서 표적 분석 시료(analytes)의 존재와 그 농도를 모니터링(monitoring)하는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 경피적으로 추출한 시료에서 한 가지 또는 그 이상의 분석 시료의 존재를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 한 가지 중요한 응용은 비 침습성(non-invasive) 또는 최소한의 침습으로 시료 추출(sampling)하는 기술을 이용하여 혈당을 모니터링하기 위한 시료의 추출법을 포함한다.
도 1은 생체 외 포도당 측정을 위해 실시예 1에서 사용한 변형된 Franz 세포의 모형도이다.
도 2는 공여 구획(donor compartment)에서 포도당 용액과 실시예 1의 생체 외 연구에서 3개의 다른 조직으로부터 추출한 포도당의 흡광도를 도시한 도이다.
도 3 내지 5는 실시예 2의 생체 내 연구로부터 3명의 각각 피실험자에 대한 포도당 내성(tolerance) 검사의 단면도(profile)이다.
도 6은 실시예 2로부터 정맥 포도당 값에 대한 흡광도를 도시한 도이다.
본 발명을 상세하게 기술하기 전에, 본 발명이 구체적으로 예시된 분석 시료 또는 다양한 과정 변수(process parameter)에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 전문용어는 오직 본 발명의 구체적인 본문을 기술할 목적으로 사용되고, 제한할 의도는 아니라는 것 역시 이해될 것이다.
여기에서 인용된 모든 문헌, 발명과 발명의 응용은 전기 또는 하기든지, 전체로서 참고문헌에 의해 삽입된다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 대로 단수형은 본문에서 명확하게 지적하지 않았다면 지시하는 대상의 복수형도 포함한다. 즉, 예를 들면, "입자(a particle)"에 관한 것은 2개 또는 그 이상의 입자들(particles)의 혼합물을 포함하고, "분석 시료(an analyte)"에 관한 것은 2개 또는 그 이상의 입자들(particles)의 혼합물을 포함한다.
A. 정의
여기에서 사용되는 기술적이고 과학적인 모든 용어는 본 발명이 관련하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에게 이해되는 동일한 의미를 가지고 있다. 여기에서 기술되는 것과 유사한 또는 동일한 다수의 방법과 재료가 본 발명에 사용될 수 있지만, 바람직한 재료와 방법이 여기에서 기술된다.
본 발명을 기술하는데 있어서, 다음의 용어들이 사용되고, 아래에서 지시된대로 정의하기로 한다.
"분석 시료(analyte)"라는 용어는 물리적, 화학적, 생화학적, 광화학적, 흡광계(spectrophotometric), 편광계(polarimetric), 비색계(colorimetric), 또는 복사계(radiometric)적 분석으로 검출되거나 측정되는 어떤 명확한 물질이나 구성성분(component)을 지시하기 위해 가장 넓은 의미로 사용된다. 그런 물질로부터 직접적 또는 간접적으로 검출신호가 얻어질 수 있다. 바람직한 표현으로서, 분석 시료는 중요한 생리학적 분석 시료(예, 생리학적으로 활성인 물질)이며, 예를 들면, 포도당 또는 생리학적 반응을 하는 화학물질, 약물 또는 약리학적 제제이다.
여기에서 사용된 대로, "약리학적 제제(pharmacological agents)"는 생물체(인간 또는 동물)에 공급되었을 때, 국부적 또는 전신 작용에 의하여 원하는 약리학적 또는 생리학적 효과를 유도하는 물질의 화합물 또는 혼합물을 의미하는 용어이다.
여기에서 사용된 대로, "시료 추출(sampling)"이라는 용어는 생물계에서 막(membrane), 주로 피부나 조직을 교차하는 물질의 추출(extraction)을 의미한다. 막은 자연적 또는 인위적일 수 있고, 일반적으로 자연적 또는 인위적 피부, 혈관 조직, 장조직(intestinal tissue) 등과 같은 자연상태의 동물이다. 즉, "생물계(biological system)"는 살아 있고 인위적으로 유지되는 계(system)를 포함한다.
"수집기(collection reservoir)"라는 용어는 본 발명의 방법을 이용하여 개인에서 추출한 시료를 저장하는 적당한 용기를 의미한다. 그러나 적당한 수집기는발착대(pad), 막(membrane), 계량봉(dipstick), 소제봉(swab), 관(tube), 바이알(vial), 큐벳(cuvette), 모세관 수집 장치(capillary collection device), 및 에칭(etched)되고, 절제되거나(ablated) 또는 주형 된(molded) 축소 유동 경로(flow paths)를 포함하나, 여기에 한정된 것은 아니다.
"감응 장치(sensing device)" 또는 "감응 기구(sensing apparatus)"라는 용어는 중요한 분석 시료의 농도를 측정하기 위해 사용될 수 있는 장치를 포함한다. 혈액 분석 시료(blood analyte)를 검출하기 위한 바람직한 감응 장치는 일반적으로 전기 화학적 장치와 화학적 장치를 포함한다. 전기 화학적 장치의 예는 Clark 전극계(electrode system)(참조: Updike et al.(1967) Nature214:986-988)와, 다른 전류계(amperometric), 전기량계(coulometric), 전위차계(potentiometric)적 전기 화학적 장치들을 포함한다. 화학적 장치의 예는 Lifescan포도당 모니터(glucose monitor)(참조: 미합중국특허 제 4,935,346호, Phillips et al.)에서 사용한 대로 종래의 효소에 의거하는(enzyme-based) 반응들을 포함한다.
"개인(individual)"이라는 용어는 항온(warm-blooded) 동물, 즉, 인간 및 침팬지, 유인원(ape), 다른 원숭이 류(monkey species); 소, 양, 돼지, 염소 및 말 등의 가축; 개와 고양이 등의 애완동물; 생쥐(mouse), 쥐(rat) 및 기니아 피그(guinea pig) 등과 같은 설치류를 포함하는 실험동물 같은 비인간 영장류(primate)의 다수 매말리아(Mammalia)군(class)을 포함하나, 여기에 한정되지는 않는다. 이 용어는 특별한 나이나 성을 의미하지는 않는다. 즉, 성인과 태아와 더불어 신생아 등의 피실험자는 남자든지 여자든지 모두 포함이 된다.
B. 방법
본 발명은 생물계에 존재하는 분석 시료, 즉, 개인의 표적 표면이나 점막 표면 아래에 존재하는 생리학적으로 활성인 물질, 를 추출하기 위해 사용하는 방법에 관한 것이다. 방법은 2가지 단계, 시료 추출 단계와 측정 단계를 포함한다. 시료 추출 단계는 하기한 대로 개괄될 수 있다. 소량 추출 입자는 표적 표면 내부로 및/또는 교차하여 가속화된다. 이들 입자들의 가속과 침투(penetration)는 상당량의 중요한 분석 시료를 유동시키고, 유출시키거나 표적 표면 아래로부터 표적 표면까지 전달하여 수송하기에 충분하다. 표적 표면은 일반적으로 약 0.1 내지 5 ㎠ 의 전체 크기를 가지고 있다.
입자의 시료 추출은 불활성 물질을 포함한다. 그 물질은 당(sugar)(예, 만니톨(mannitol), 설탕(sucrose), 유당(lactose), 트리할로스(trehalose) 등)같은 수용성 물질과 수용성 또는 비수용성 중합체(polymer)를 포함하는 통상 이용되는, 생리학적으로 수용할 수 있는 물질들처럼 녹을 수 있다. 선택적으로, 시료 입자는 녹말(starch), 산화 티타늄(TiO2), 탄산칼슘(calcium carbonate), 인산염(phosphate salt), 수산화 아파타이트(hydroxy apatite), 또는 심지어 중합체와 금, 백금(platinum), 또는 텅스텐(tungsten)같은 금속(metals) 등을 포함할 수 있다. 불용성 물질은 정상 피부 또는 점막 조직 생성과정으로 탈락된다. 바람직한 물질은 유당(lactose), 유산(lactic acid), 만니톨(mannitol) 및 PEG 8000같은 폴리 에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)이다.
원한다면, 시료 입자가 국부적으로 활성인 제제로 피복될 수 있어 시료 추출 단계를 촉진한다. 예를 들면, 시료 입자는 혈관 작용제(vasoactive agent) 또는 소염제(anti-inflammatory agent)같은 약리학적 제제로 피복될 수 있다. 혈관작용제는 체액 접근을 최소화하기 위하여(분석 시료를 최대화한다) 일반적으로 단기동안 작용하는 혈관작용성(short-acting vasoactivity)을 제공하는데 사용되며, 반면에 소염제는 통상 표적 부위를 보호하기 위하여 국부적 소염 작용을 제공하는데 사용된다. 시료 입자는 역시 삼투적으로 활성인 제제로 피복될 수 있어 시료 추출 과정을 촉진한다.
시료 입자는 공동 소유의 국제 출원(International Publication Nos. WO 94/24263, WO 96/04947, WO 96/12513, 및 WO 96/20022 에 기재, 이 모두는 참고문헌에 기재되어 있다)에 개시된 것처럼 무바늘 주입기 계로부터 송출될 수 있다. 무바늘 주입기 계(needless syringe system)로부터 시료입자의 송출은 일반적으로 약 0.1 내지 250 ㎛ 크기를 갖는 입자로 실행되며, 10 내지 70 ㎛가 바람직하다. 약 250 ㎛ 크기 이상의 입자는 입자의 크기가 조직에 상처나 고통을 주는 점의 상극한(upper limitation)을 가진 장치로부터 송출될 수 있다.
송출된 입자가 표적 표면에 침투하는 실제 거리는 입자 크기(예, 거친 구면기하학(roughly spherical geometry)을 가정하는 입자 액면(nominal) 지름), 입자밀도, 입자가 표면에 영향을 주는 초기 속도, 및 표적 피부 조직의 동적 점성도(kinematic viscosity)에 의존한다. 이 점에서, 무바늘 주입에 사용되는 최적 입자 밀도는 일반적으로 약 0.1 내지 25 g/㎤ 이며, 약 0.9 내지 1.5 g/㎤ 가바람직하고, 주입 속도는 일반적으로 100 내지 3,000 m/sec 이다. 적당한 가스 압력으로, 평균 10 내지 70 ㎛ 의 지름을 갖는 입자는 노즐(nozzle)을 통해 구동 가스 유동(driving gas flow)이 초음파 속도에 근접하는 속도로 쉽게 가속화될 수 있다. 바람직하게는, 입자가 가속화될 때 사용되는 압력은 30 bar 이하일 것이며, 바람직하게는 25 bar 이하이며, 가장 바람직하게는 20 bar 또는 그 이하가 바람직하다.
선택적으로, 시료 입자가 기체 방전(gaseous discharge) 또는 전기 방전(electric discharge)을 사용하여 입자를 송출하는 소위 "유전자 총(gene-gun)" 유형 장치 같은 입자-매개 송출 장치(particle-mediated delivery device)로부터 송출될 수 있다. 기체 방전 장치의 한 예는 미합중국특허 제 5,204,253호에서 개시된다. 폭발형(explosive-type)장치는 미합중국특허 제 4,945,050호에서 개시된다. 헬륨 방전형(helium discharge-type) 입자 가속 장치의 한 예는 PowderJect XR기기(PowderJect Vaccines, Inc., Madison, WI)이며, 이 기기는 미합중국특허 제 5,120,657호에서 개시된다. 여기에서 사용하기에 적당한 전기 방전 장치는 미합중국 특허 제 5,149,655호에서 개시된다. 본 발명의 모든 명세는 참고문헌에 편입된다.
시료 입자가 표적 표면으로 송출된 후 체액 시료(fluid sample)는 표적 표면으로 전달된다. 이것은 전형적으로 간질액(interstitial fluid) 또는 그것을 포함하는 시료이다. 체액 시료의 표면으로의 전달은 실질적으로 순간적이거나, 어느 시간에 걸쳐서 이루어질 수 있다. 표적 표면으로 방출된 시료의 양은 시료 입자의크기 및/또는 밀도 그리고 입자의 송출에 사용되는 장치의 설정 같은 조건을 변화시킴으로써 달라질 수 있다. 방출된 체액의 양은 종종 1 ㎕ 미만- 일반적으로 분석 시료의 검출에 충분하다.-으로 소량일 수 있다.
일단 시료가 표적 표면에 전달되면, 시료에 있는 분석 시료의 존재 및/또는 그 양 또는 농도가 결정된다. 시료는 적당한 감응 장치와 접촉될 수 있다. 이 검출 단계는 물론 끊임없이 연속적인(continual 또는 continuous) 방식으로 수행될 수 있다. 계속적인 검출은 표적 분석 시료의 농도 변동을 모니터링한다. 더 나아가서, 분석 시료를 함유한다고 믿어지는 시료는 감응 장치로 접촉하기 전에 표적 표면으로부터 먼저 수집될 수 있다.
시료는 표적 표면으로부터 여러 가지 방법으로 수집될 수 있다. 예를 들어, 발착대(pad), 막(membrane), 계량봉(dipstick), 소제봉(swab), 관(tube), 바이알(vial), 큐벳(cuvette), 모세관 수집 장치(capillary collection device), 및 에칭(etched)되고, 절제되거나(ablated) 또는 주형 된(molded) 축소 유동 경로(flow path)가 수집기로서 사용될 수 있다. 바람직한 양상으로, 흡착제(absorbent material)는 분석 시료의 존재 또는 양의 연속적인 검출을 위하여 표적 표면으로부터 체액 시료를 흡수하기 위해 표적 표면을 거쳐 전달된다. 흡착제는 발착대 또는 소제봉의 형태일 수 있다. 흡착제는 효소 같은 분석 시료의 검출을 촉진하기 위하여 하기에서 더 자세히 기재된 대로 추가적으로 수단(means)을 편입(incorporate)할 수 있다.
흡착제는 표적 표면에 적용될 수 있고 분석 시료를 검출하기 위한 검출 수단과 연속적으로 접촉될 수 있다. 흡착제는 하이드로 겔(hydrogel)을 함유한다. 하이드로 겔을 형성하기 위한 적당한 겔 제제(gelling agent)는 카보폴(carbopol), 락트산 칼슘(calcium lactate), 셀룰로스 껌(celllose gum), 클루셀(klucel)(HPMC), 나트로졸(natrosol), 젤라틴 분말(gelatin powder) 또는 알긴산 나트륨(sodium alginate)를 포함한다. 겔 제제는 물 속에 물의 중량 당 1% 수준으로 존재할 수 있다.
겔은 표적 표면에 적용될 수 있고 검출 단계전에 충분한 시간이 표적 표면으로부터 얻은 분석 시료에 주어져 겔 속에서 평형을 이룬다. 시간은 30초에서 5분까지 매우 짧을 수 있다. 그리고 나서, 검출은 하이드로 겔을 가진 분석 시료를 위한 적당한 효소계를 함유하는 막(membrane)과 접촉에 의해 감응 수단(sensing means)을 겔에 적용함으로써 수행될 수 있다.
결정단계는 하기대로 개괄될 수 있다. 초기 단계는 감응 장치로부터 원신호(raw signal)을 획득하는 것을 수반할 수 있으며, 신호는 생물계에 존재하는 표적 분석 시료에 관한 것이다. 원신호는 분석 시료에 관한 답, 예를 들어 분석 시료의 존재에 관하여 예 또는 아니오를 직접 얻기 위해 사용될 수 있거나, 추출된 분석 시료의 양 또는 농도를 표시하는 직접적인 측정이다. 원신호는 신호 처리 단계에서 시료 분석 시료의 측정과 생물계에서 분석 시료의 농도와 관련시키기 위하여 필요할 수 있다. 그런 관련 방법론은 당업계의 통상적인 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다.
검출은 유도 분석 시료(derived analyte)의 검출을 허용하는 적당한 방법에의해 수행될 수 있다. 분석은 물리적, 화학적, 생화학적, 전기 화학적, 광화학적, 흡광도계적, 편광계적, 비색계적 또는 복사계적 분석일 수 있다.
분석 시료의 검출을 촉진하기 위하여, 효소는 추출된 분석 시료(예, 분석 시료를 함유하는 추출된 시료)와 접촉되는 감응 장치의 활성 표면 또는 활성 부위에 충당되거나, 추출된 분석 시료를 수집하는 데 사용하는 한개 또는 그 이상의 수집기에 포함될 수 있다. 그런 효소들은 반응 산물이 감응될 수 있을 정도(예, 검출되고 반응하는 분석 시료의 양에 비례하는 전류의 발생으로부터 전기 화학적으로 검출됨)로 추출된 분석 시료(예, 포도당)와의 특이적인 반응을 촉매할 수 있어야 한다. 적당한 효소는 포도당 산화 효소로서 포도당을 글루콘산(gluconic acid)과 과산화수소(hydrogen peroxide)로 산화한다. 적당한 생체 감응 장치(biosensor) 전극에서의 과산화수소의 후속 검출은 과산화수소 분자 당 2개의 전자를 발생시켜 장치로 들어가는 포도당의 양과 관련되고 검출될 수 있는 전류를 일으킨다. 포도당 산화효소(GOx)는 쉽게 상업적으로 이용할 수 있고 잘 알려진 촉매적 특성을 가지고 있다. 그러나, 효소가 분석 시료 또는 중요한 물질과의 반응을 특이적으로 촉매하여, 반응하는 분석 시료의 양에 비례하여 검출할 수 있는 산물을 발생시키는 한 다른 효소들 역시 사용될 수 있다.
다수의 다른 분석 시료-특이적 효소계(analyte-specific enzyme system)가 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 과산화수소를 검출하는 통상의 생체 감응 장치 전극을 사용할 때, 적당한 효소계가 에탄올(알콜 산화 효소계), 또는 유사하게 요산(uric acid)(요산염(urate) 산화 효소계), 콜레스테롤(콜레스테롤산화 효소계)을 검출하는데 사용될 수 있다. 이들 분석 시료-특이적 효소계를 함유하는 하이드로 겔은 당업계의 통상적인 지식을 가진 자가 친숙한 기술을 이용함으로써 쉽게 준비될 수 있다.
바람직한 감응 장치는 효소 또는 검출할 수 있는 색깔 변화 또는 다른 화학적 신호를 만들기 위해 추출된 중요한 분석 시료와 반응하는 다른 특이적 시약을 포함하는 패치(patch)이다. 색깔 변화는 분석 시료의 양을 결정하기 위해 표준(standard)과의 비교로 평가될 수 있거나, 표준 전자 반사율(electronic reflectance) 측정 기기를 이용하여 색깔 변화를 검출할 수 있다. 한가지 계는 경피적 포도당 모니터링 계(transdermal glucose monitoring system)로서 Technical Chemicals and Products, Inc(TCPI)(Pompano Beach, FL)로부터 이용할 수 있다. 다른 적당한 계는 양(Yang) 등의 미합중국특허 제 5,267,152호(근 적외선 방사 확산 반사율 레이져 흡광도계(near-IR radiation diffuse-reflection laser spectroscopy)를 이용한 혈당 농도 측정을 위한 장치 및 방법)에 개시된다. 유사한 근 적외선 흡광도 장치 역시 로젠탈(Rosenthal) 등의 미합중국특허 제 5,086,229호와 로빈슨(Robinson) 등의 미합중국특허 제 4,975,581호에 개시된다. 스텐리(Stanley) 등의 미합중국특허 제 5,139,023호는 간질액과 수용 매질(receiving medium)사이에 정착된 농도 구배를 따라 포도당의 경피적 이동을 촉진하기 위해 투과성 증진제(enhancer)(예, 담즙산염(bile salts)에 의존하는 혈당 모니터링 장치를 기재한다. 셈브로이치(Sembrowich) 등의 미합중국특허 제 5,036,861호는 에크린 땀선(eccrine sweat gland)으로부터 증산(perspirationsecretion)을 자극하기 위해 사용되는 콜린 효능성 제제(cholinergic agent)가 사용되는 피부 패치를 통해 발한(perspiration)을 수집하는 수동적 포도당 모니터링기를 개시한다. 유사한 발한 수집 장치는 스코엔도퍼(Schoendorfer)의 미합중국특허 제 5,076,273호와 스크로에더(Schroeder)의 미합중국특허 제 5,140,985호에 개시된다. 추출된 포도당의 검출은 표준 화학물질(예, 효소적)의 비색계 또는 흡광계적 기술을 이용하여 수행된다.
또 다른 방법으로, 전리적 경피성 시료 추출계(iontophoretic transdermal sampling system)가 본 발명과 관련하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 순간 입자 방법(instant particle method)은 피부 부위를 전 처치(pre-treat)하기 위해 사용되어 GlucoWatch 계(Cygnus, Redwood, CA)로부터의 향상된 시료 추출을 촉진할 수 있다. 이 전리계(iontophoretic system)는 글리엡펠드(Gliebfeld) 등의 [Pharm. Res., 6(11):988(1989)]과 미합중국특허 제 5771890호에 개시된다.
C. 실험
하기는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 실시예이다. 이들 예는 설명 목적으로만 제공되며, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한할 의도는 아니다.
사용된 수치(예, 양, 온도 등)에 대한 정확성을 확실하게 하기 위한 노력을 해 왔으나 몇몇 실험적 오차와 편차 역시 허용되었다.
실시예 1:
서론
간질액은 피부의 맨 위 표면 층에 있는 세포들 사이의 깨끗한 체액이다. 이 체액의 포도당 수준은 직접적으로 혈액의 포도당 수준을 가리킨다. 무바늘 주입 장치는 이들 층(layers) 속으로 확산 경로를 발생시킬 수 있으며 포도당 수준이 측정될 수 있는 간질액의 소량(1 ml 이하)의 수집을 허용할 것이다.
재료 및 방법
유당 모노하이드레이트(lactose monohydrate), NF, grade는 Amresco(Solon, OH)로부터 공급되었다. 유당 분말은 미국 Standard Sieve(chicago, IL)를 사용하여 38 - 53 ㎛로 걸렀다. D-(+)포도당은 Sigma(St. Louis, MO)로부터 공급되었다. 인간 사체(cadaver) 피부는 New York Firefighter Skin Bank(New York, NY)로부터 공급되었으며, 80% 평형 염 용액(balanced salt solution), 10% 송아지 혈청(calf serum) 및 10% 글리세롤(glycerol)로 전처치(pretreated)되었으며, 피부 은행(skin bank)에서 동결되었다. 피부는 실온(room temperature)에서 해동(thawing)한지 1 내지 2시간 후에 공급된 채로 사용되었다.
변형된(modified) Franz 세포(6.9 ml)는 생체 외(in vitro) 포도당 추출 조사를 위하여 설계되었다(도 1). 세포의 바닥에 있는 공여 단편(donor part)은 10 내지 500 mg/dl의 범위의 다른 포도당 농도로 채워졌다. 포도당 용액의 온도는 실험하는 동안 32℃에서 유지되었다. 인간 사체 피부는 200 내지 30mm의 두께로 사용되었다. 피부는 1인치(2.54cm)짜리 따내는 기구(die cutter)를 사용하여 천공(punched out)되었고 변형된 Franz 세포 위에 놓여졌다.
평형을 위해 수 시간 후, 38 내지 53㎛의 유당 입자 2mg이 20㎛ 다탄산염 막(polycarbonate membrane)의 3-층 카세트(tri-laminate cassette)속에 채워졌고 초음파 노즐로 끼워 맞춰진(fitted) PowderJect ND1 무바늘 주입 장치를 사용하여 피부 조직위에 주입되었다. 입자 투여를 위한 장치 압력은 20 bar였다. 그리고 나서, 하이드로 겔 5㎕가 주입된 피부의 맨 위에 놓여졌고 One Touch 효소 막(enzymatic membrane)(Lifescan, Milpitas, CA)은 1분간 겔과 접촉되었다. 막의 흡광도(optical density)는 Densitometer(Hercules, CA)로 측정되었다.
결과
표 1은 공여 단편(Franz 세포의 바닥 부분) 또는 처치된(treated) 피부의 맨 위에 있는 하이드로 겔과 접촉된 막의 흡광도를 측정하여 요약한 것이다. 보는 바와 같이, 3개의 다른 피부 시료의 맨 위로부터 추출된 포도당의 흡광도는 공여 단편의 흡광도가 0.10에서 0.71로 증가된 것만큼, 0.04 내지 0.08에서 0.6 내지 0.89로 비례하여 증가된다. 도 2는 공여 단편에 대한 3개의 피부 시료의 흡광도를 요약 도시한 것이다. 상관관계(correlation)(r2값)는 3개 피부 시료에 걸쳐 2이다.
생체 외 실험결과는 본 발명의 입자 추출 방법을 이용하여 추출된 포도당의 측정값과 인간 간질액을 자극하는 공여 구획(donor compartment) 사이에 좋은 상관관계가 있다는 것을 증명한다.
실시예 2:
서론
실시예 1에서 상설한 인간 사체 피부를 이용한 생체 외 연구는 전체(systemic) 포도당 수준과 입자송출 방법(r2= 0.92)으로 평가된 체액 시료사이에 확실한 상관관계가 있다는 것을 증명한다. 그러므로, 본 연구는 2개의 혈액원(blood source)(정맥 혈당과 모세혈관 혈당)의 포도당 수준을 인간 피실험자에허 무바늘 주입 장치를 통해 평가된 간질액의 포도당 수준과 비교하기 위해 수행되었다.
부가적으로, 무바늘 주입 부위에서, 육안으로 확인한(visual grade) 홍반(erythema) 또는 Draize scale을 이용한 부종(edema), 경피성 표피수 손실 (transepidermal water loss)(TEWL)과 모든 통감(sensation of pain)(VAS)에서의변화가 각질층(stratum corneum) 파괴를 지시(indicate)하고, 입자 침투를 확정(confirm)하기 위해 측정되었다. 측정은 입자 주입 직후와 시료 추출 후(post-sampling) 24시간과 48시간에 실행되었다. 이런 측정들은 정맥 포도당(venous glucose), 모세혈관 포도당(capillary glucose) 및 피부 내성(skin tolerability)을 갖는 간질성 포도당(interstitial glucose) 사이에 어떤 상관관계가 있음을 암시한다.
재료 및 방법
120명의 당뇨병 피실험자가 본 연구에 포함되었다. 피실험자는 18 내지 70세의 유형 I 또는 유형 II의 당뇨병이 있는 남자 또는 여자였고 시험 부위에서의 습진(eczema), 건선(psoriasis) 등을 포함하는 피부질환(skin disorder), 또는 재발성 피부 감염(recurrent skin infection) 경험을 가진 당뇨병 환자는 제외하였다. 시료 추출 부위는 전주와(antecubital fossa)(정맥성), 손가락 끝(fingertip)(모세혈관) 및 손바닥의 전완(volar forearm)(입자송출)이었다.
무바늘 주입 입자송출 장치(needless syringe particle delivery device)와 혼합물은 하기와 같았다.
분말: 유당, 20-38mm의 채로 거른 입자
카세트; 10㎛ 다탄산염 막(위쪽(upstream) 막은 길게 베어졌다(slit))을 가진 3-층상(trilaminate)이며, 1.0mg 분말은 무균 실험실 환경에서 유상하중(payload), 조제(prepared) 및 포장(packaged)되었고 마지막에 감마선(γ radiation)으로 멸균되었다.
장치: 피부에 대한 PowderJect™ND1 무바늘주입 장치는 초음파 노즐, 3층상 카세트를 수용하기 위한 변형된 5cc 팽창실(expansion chamber), 10 bar의 압축된 공기 압력, 누르는 단추의 스테인리스 기체 실린더(push button stainless gas cylinder)로 설비되었다.
무바늘 주입 장치는 가능한 한 피부에 단단하게 위치된 노즐에 수직으로 지탱되었고, 피부와 장치의 말단 사이에 틈(gap)이 없게 하였다. 장치는 맨 위에 있는 단추를 누름으로써 작동되었다.
TEWL과 색도(chromaticity)는 분말 송출 전에 각 손바닥의 전완(volar forearm) 주입 부위에서 평가되었다. 분말이 그 부위에 송출된 후에, TEWL은 각 주입 부위에서 측정되었다. 각 피실험자는 투여할 때의 감각을 몇 개의 단어로 기재하도록 요청 받았고 100mm 영상 아날로그 계(visual analog scale(VAS))로 감각수준을 녹화하였으며, 100명이 수침(finger-stick)시에 고통이 있었고, 고통이 없는 사람은 0명이었다.
LifeScan™포도당 검출 막 조각(membrane strip)은 5㎕의 하이드로 겔로 적셔졌고 1분간 분말이 주입된 부위에 적용이 되었다. 처치된 부위는 소제(swabbed)되고 색도는 전 처치 값과의 비교로 측정되었다. 모세혈관에서 얻은 시료는 LifeScan One-Touch 계를 이용한 포도당 분석을 위해 수침에 의해 수집되었다. 시료 혈액은 포도당 분석을 위해 전주와에서 정맥으로부터 수집되었다. 막의 색도(color intensity)는 Bio-Rad 농도계(densitometer)로 정량되었다. 주입 부위의 TEWL과 색도(chromaticity)는 주입 후 24시간과 48시간에 측정되었다.
구강 포도당 내성(oral glucose tolerance) 검사에 사용되는 실험 계획안(protocol)은 하기와 같았다. 검사에 영향을 줄 수 있는 약물치료는 검사 전 적어도 3일 동안 중지되었다. 피실험자는 검사 전 3일 동안 적어도 150g/day의 탄산염을 섭취하고, 14 내지 15시간(검사 전날 오후 6시부터 검사 날 오전 8 내지 9시까지 동안 금식하도록 지시 받았다. 피실험자는 검사하는 동안 담배, 커피, 차, 음식, 및 술을 삼가하였다. 피실험자는 검사하는 동안 조용히 곧 바르게(quietly upright) 앉았다. 느린 걸음은 허용이 되었지만 과격한 운동은 피하였다. 포도당 부하(load)가 주어지기 전에, 절식 혈장 포도당(Fasting Plasma Glucose)(FPG)은 정맥, 모세혈관 및 간질성 포도당 시료는 상기된 추출 기술에 의해 측정되었다. 포도당 75g이 25%용액(400ml)으로서 주어졌다. 시료는 수집되었고 모세혈관과 간질성 포도당 수준은 상기한대로 30, 60, 90, 120분에 측정되었다.
결과
3명의 피실험자의 포도당 내성 검사 결과는 도 3 내지 도 5에 묘사되었다. 간질액 속의 포도당과의 반응으로부터 얻은 혈당 농도(mg/ml)와 흡광도가 보여진다. 이 결과들을 같은 그래프로 적용시키기 위하여, 흡광도는 1000을 곱하였다.
피실험자 1의 동적 포도당(dynamic glucose) 범위는 150 내지 270 mg/dl이었다. 혈당값에 따른 흡광도는 정맥 포도당 농도와 잘 관련되어 있다(참조: 도 3). 피실험자 2의 동적 포도당(dynamic glucose) 범위는 160 내지 4000mg/dl이었다. 정맥 포도당과 흡광도 사이에 1시간 점을 제외하고는, 상관관계가 있었다(참조: 도 4). 유사한 경향이 피실험자 3에서 관찰될 수 있었다(참조: 도 5).
도 6에서, 간질액 포도당으로부터 읽은 흡광도는 모든 피실험자의 정맥 혈당에 대해 도시되었다. 오차 그리드(error grid) 방법은 수집된 자료에 적용되어 도시되었다. 대부분의 데이타 점(data points)은 임상적으로 관련된 영역인 A영역과 B영역에 위치해 있다. 선형 회귀 분석에서 r값은 0.76이었다. 표 2는 침습성 Glucometer인, 전리적(iontophoretic) GlucoWatch 방법과 본 발명에 따른 입자송출 방법 사이의 오차 그리드 분석을 비교한다.
고통에 대해서는, 대부분의 피실험자(90%이상)가 Glucometer와 GlucoWatch보다 본 발명에 따른 입자송출 방법을 선호하였다. 그러나, 몇몇 피실험자에서 어느 정도 홍반이 관찰되었지만, 본 발명의 방법으로 3 내지 4일 후에 해결되었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (22)

  1. 하기의 각 단계를 포함하는 개인의 표적 피부 또는 점막 표면 아래에 존재하는 분석 시료(analyte)를 추출하는 방법:
    (a) 입자의 가속이 체액 시료(fluid sample)를 표적 표면 아래로부터 표면까지 수송하는데 효과적이도록 전기 표적 표면 내부로 및/또는 표면을 교차하는 입자를 가속화시키는 단계; 및,
    (b) 전기의 체액 시료에서 전기 분석시료의 존재를 결정하는 단계.
  2. 제 1항에 있어서,
    분석 시료가 생리학적으로 활성인 물질인 것을 특징으로 하는
    방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    제 1항의 단계(a)에서 입자의 표적 표면으로의 가속화가 표적 표면의 투과성을 증가시키는 것을 특징으로 하는
    방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서,
    제 1항의 단계(a)에서 무바늘 주입 장치(needless syringe device)를사용하여 입자를 표적 표면으로 가속화시키는
    방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    입자는 표적 표면으로 약 100 내지 2500 m/sec의 속도로 가속화되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서,
    입자의 크기는 약 0.1 내지 250㎛인 것을 특징으로 하는
    방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항의 어는 한 항에 있어서,
    입자는 국부적으로 활성인 제제로 피복된 것을 특징으로 하는
    방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    입자는 삼투적으로 활성인 제제 또는 약리학적 제제로 피복된 것을 특징으로 하는
    방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    약리학적 제제는 혈관 작용제(vasoactive agent) 또는 소염제(anti-inflammatory agent)인 것을 특징으로 하는
    방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항의 어느 한 항에 있어서,
    제 1항의 단계(a)에서 표적 표면이 약 0.1 내지 5.0 ㎠ 의 전체 크기를 가지는 것을 특징으로 하는
    방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항의 어느 한 항에 있어서,
    체액 시료는 간질액(interstitial fluid)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항의 어느 한 항에 있어서,
    제 1항의 단계(b)는 표적 표면으로부터 시료을 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    수집 단계에서 표적 표면과 흡착제(absorbent material)의 접촉을 수반하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    흡착제는 분석 시료와 선택적으로 반응하여 검출 신호(detectable signal)를 발생시키는 효소로 피복되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    생리학적으로 활성인 물질이 포도당(glucose)이고, 효소는 포도당 산화 효소(glucose oxidase)인 것을 특징으로 하는
    방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    검출 신호는 정량적이며, 개인의 혈당 수준과 관련될 수 있는 것을 특징으로 하는
    방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    생리학적으로 활성인 물질은 에탄올(ethanol)이며, 효소는 알콜 산화 효소(alcohol oxidase)인 것을 특징으로 하는
    방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    검출 신호가 정성적이며 개인의 에탄올 존재 유무를 표시하거나, 검출 신호가 정량적이며 개인의 혈중 알콜(alcohol) 수준과 관련될 수 있는 것을 특징으로 하는
    방법.
  19. 제 12항 내지 제 18항의 어느 한 항에 있어서,
    시료는 입자가 표적 표면으로 가속화된 후에 전기 표면과 접촉되는 수집 도구에 수집되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  20. 제 12항 내지 제 19항의 어느 항에 있어서,
    가속화와 수집단계는 개인의 생리학적 활성 물질을 계속적으로 모니터링(monitoring)하기 위해 하루에 적어도 1회 반복하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  21. 제 1항 내지 제 20항의 어느 한 항에 있어서,
    단계(b)는 전기 분석 시료의 존재 또는 그 양을 검출하는 감응 장치와 표적 표면으로 전달된 시료를 접촉시키는 단계를 포함하는
    방법.
  22. 하기의 각 단계를 포함하는 개인의 표적 피부 또는 점막 표면 아래에 존재하는 분석 시료(analyte)를 추출하기 위한 미립자 조성물(particulate composition) 제조를 위한 불활성 물질의 용도:
    (a) 입자의 가속이 체액 시료를 표적 표면 아래로부터 표면까지 수송하는데 효과적이도록 전기 표적 표면 내부로 및/또는 표면을 교차하는 입자를 가속화시키는 단계;
    (b) 전기의 체액 시료에서 전기 분석 시료의 존재를 결정하는 단계.
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