CN115980157A - 用于3-羟基丁酸酯检测的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了安培分析物传感器系统，该系统包括一个或多个电极，该电极被设计成监测3‑羟基丁酸酯(以及任选地，葡萄糖)的体内水平，以便促进糖尿病酮症酸中毒的管理。本发明还包括可与此类安培分析物传感器系统一起使用的组合物、元件和方法。

Description

用于3-羟基丁酸酯检测的传感器
技术领域
本发明涉及可与分析物传感器系统(诸如用于糖尿病管理的那些分析物传感器系统)一起使用的元件和方法。
发明背景
传感器用于监测各种环境中的多种化合物，包括体内分析物。对人类和哺乳动物中的分析物进行定量测定对许多病理状况的诊断和维持非常重要。在大量个体中通常监测的示例性分析物包括葡萄糖、乳酸、胆固醇和胆红素。体液中葡萄糖浓度的测定对糖尿病个体尤其重要，这些个体必须经常检查其体液中的葡萄糖水平以调节其饮食中的葡萄糖摄入量。这类测试的结果对于确定需要使用多少(如果有的话)胰岛素和/或其他药物至关重要。
分析物传感器典型地包括将与分析物的相互作用转换为可检测信号的部件，所述可检测信号可与分析物的浓度相关联。例如，一些葡萄糖传感器使用安培法来监测体内葡萄糖。一些安培型葡萄糖传感器包括涂覆有诸如葡萄糖氧化酶(GOx)的材料层的电极，葡萄糖氧化酶是催化葡萄糖和氧气之间的反应以产生葡萄糖酸和过氧化氢(H2O2)的酶。在该反应中形成的H2O2改变电极电流以形成可检测和可测量的信号。基于该信号，然后可以测量糖尿病个体中的葡萄糖浓度。
对于患有1型糖尿病的人，胰岛素不足引起的高血糖可能导致糖尿病酮症酸中毒(DKA)。糖尿病酮症酸中毒是严重的代谢疾病，通常需要强化治疗。由于DKA患者代谢状态的可变性，因此与DKA相关联的酮病的诊断可能是困难的。临床体征和明确诊断的识别对于正确治疗至关重要。然而，在1型糖尿病中，高血糖症也可由进食过多食物引起，这需要治疗以降低血糖水平但不导致DKA。在这两种临床现象之间进行确定的唯一方式是通过酮测试。
对糖尿病个体进行酮体测试有显著的医学益处。例如，对于使用胰岛素泵的患者，血酮测试可用于比平稳血糖监测更快且更准确地识别胰岛素流的中断，从而有助于泵用户预防糖尿病酮症酸中毒(参见例如Orsini-Federici等人，《糖尿病技术和治疗》(DiabetesTechnol Ther.)2006年2月；第8卷，第1期，第67-75页)。此外，已经显示，与尿酮监测相比，在患病日管理中使用血液3-羟基丁酸酯(3-OHB)减少了患有1型糖尿病的年轻人的医院就诊(参见例如Laffel等人，《糖尿病医学》(Diabetic Medicine)，第23卷，第3期，第278-284页，2006年)。常规地，通过手指针刺条和仪表方法测量酮。这些方法不被设计成连续监测患者体内的3-羟基丁酸酯水平。
鉴于以上所述，期望被设计成连续且监测血液等(例如，间质液)中的3-羟基丁酸酯以及葡萄糖水平的新系统和方法。
发明内容
本文公开的本发明具有多个实施方案，其被设计用于监测糖尿病个体的酮水平。本发明的实施方案可以由例如糖尿病个体用来识别来自他们的胰岛素泵的胰岛素递送的中断并帮助防止糖尿病酮症酸中毒。本发明的示例性实施方案包括安培分析物传感器系统，该电流分析物传感器系统包括具有本文公开的元件群集的3-羟基丁酸酯感测电极。通常，此类3-羟基丁酸酯感测电极包括电活性材料层；包含与电活性材料可操作地接触的3-羟基丁酸酯脱氢酶的酶层；与3-羟基丁酸酯脱氢酶可操作地接触的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/NADH)辅因子；以及与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可操作地接触的介体。该元件群集被3-羟基丁酸酯调节层涂覆，该调节层包含调节3-羟基丁酸酯通过其中的扩散的组合物。在本发明的示例性实施方案中，该3-羟基丁酸酯调节层包含乙酸纤维素聚合物、聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物、聚氨酯/聚脲聚合物、支链丙烯酸酯聚合物等。在本发明的某些实施方案中，传感器层堆叠中的分析物调节层或另一材料层充当抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸扩散出传感器的阻挡层。
在本发明的典型实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶、介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸共价或非共价地偶联至电极的电活性材料。例如，在本发明的实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶、介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可以被截留在设置于电活性材料上的聚合物内(例如，以便形成这些药剂的贮库)。在本发明的一个特定示例性实施方案中，介体可以截留在设置于电活性材料上的氧化还原聚合物内，该氧化还原聚合物可用于促进传感器中的电子传输。在本发明的某些实施方案中，介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可以经由抗生物素蛋白与生物素之间的相互作用偶联至电活性材料。在本发明的其他实施方案中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可以经由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸与包含苯基硼酸部分的化合物之间的相互作用偶联至电活性材料。在本发明的某些实施方案中，介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸共价地偶联至电活性材料(例如，经由连接剂)。任选地，介体、连接剂和/或包含苯基硼酸部分的化合物经由电聚合过程可操作地偶联至电活性材料；并且/或者连接剂包含偶联至电活性材料和介体和/或烟酰胺腺嘌呤的杂多官能化合物。在本发明的某些实施方案中，电活性材料包括具有嵌入其中的酶反应元素(诸如介体)的碳糊或碳墨。
本发明的实施方案包括被设计成监测3-羟基丁酸酯和葡萄糖的多模式安培分析物传感器系统。例如，本发明的实施方案包括本文公开的3-羟基丁酸酯感测系统，其还包括葡萄糖感测电极，例如包括以下各项的葡萄糖感测电极：由电抗性材料形成的基座；设置在基座上的电活性材料层；设置在电活性材料层上的葡萄糖氧化酶层；以及设置在葡萄糖氧化酶层上方的葡萄糖分析物调节层，其包含调节葡萄糖通过葡萄糖调节层的扩散的组合物。糖尿病患者可以使用此类系统同时监测3-羟基丁酸酯和葡萄糖。
本发明的其他实施方案包括使用本文公开的安培传感器系统在体内连续感测3-羟基丁酸酯的方法。此类方法可用于监测和/或预防糖尿病酮症酸中毒。在本发明的某些实施方案中，使用多模式分析物传感器同时感测3-羟基丁酸酯和葡萄糖。通常，这些方法包括将如本文所公开的分析物传感器植入哺乳动物体内(例如，在糖尿病个体的间质空间中)，在3-羟基丁酸酯的存在下感测3-羟基丁酸酯电极处的电流的改变(并且在某些实施方案中，还同时感测在葡萄糖存在下葡萄糖电极处的电流的改变)；然后单独地将3-羟基丁酸酯电极处的电流的改变与3-羟基丁酸酯的存在关联(并且在某些实施方案中，还将在葡萄糖存在下葡萄糖电极处的电流的改变关联)，使得感测3-羟基丁酸酯(并且在某些实施方案中，还有葡萄糖)的量并估计分析物的浓度。
对于本领域技术人员而言，本发明的其他目标、特征和优点将根据以下详细描述而变得显而易见。然而，应当理解，详细描述和具体示例虽然指示本发明的一些实施方案，但是它们是以例示而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。
附图说明
图1A-图1E提供示出由多个平面分层元件形成的传感器电极的示例性配置的示意图。图1A提供3-羟基丁酸酯与3-羟基丁酸酯脱氢酶之间的反应的示意图(左图)，以及示例性3-羟基丁酸酯电极的示意图(右图)，该电极包含材料的分层组合物，该材料包括聚酰亚胺基座、聚酰亚胺绝缘元件、金和铬电极材料、包含3-羟基丁酸酯脱氢酶、NAD和其他组分的层、以及3-羟基丁酸酯限制膜。图1B示出传感器电极配置，其中工作电极(“WE”)电活性材料涂覆有酶层(例如，包含3-羟基丁酸酯脱氢酶的酶层)，该酶层涂覆有包含烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)的材料层，该材料层进一步涂覆有分析物调节层(用于酮限制层的“KLM”)，其中粘附促进层设置在NAD层和KLM层之间。图1C示出传感器电极配置，其中电极电活性材料涂覆有包含烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)的材料层，该材料层进一步涂覆有NAD截留层/膜(例如，随时间推移降解的截留层/膜)，该截留层/膜涂覆有酶层(例如，包含3-羟基丁酸酯脱氢酶的酶层)，其中该酶层涂覆有分析物调节层(用于酮限制层的“KLM”)。图1D(现有技术)示出具有多个分层元件的传感器电极配置100，该分层元件包括基层102、电活性材料层104、分析物感测层110(例如，包含酶诸如3-羟基丁酸酯脱氢酶的分析物感测层)、蛋白质层116、粘附促进剂层114和分析物调节层112。图1E示出传感器电极配置，其示出所示的常规多层传感器堆叠和具有高密度胺层的传感器堆叠之间的差异。
图2A-图2D示出来自各种3HBD同种型(具有如表1和表2中所示的聚组氨酸标签)的研究的数据。图2A示出来自SDS凝胶的数据，图2B和图2C示出来自从Ni-NTA柱结合/洗脱的3HBD的毛细管电泳的数据；并且图2D示出来自不同生物体的3HBD酶的活性的荧光测定的比较数据。图2B提供的数据表明皮氏罗尔斯顿菌(Ralstonia pickettii)BDH3可在大肠杆菌(E.coli)中表达，制成可溶性产物，并从Ni-NTA结合/洗脱，并且作为单体：71.9％、二聚体17.7％和三聚体3.4％存在。图2C提供的数据表明莓实假单胞菌(Pseudomonas fragi)BDH3可在大肠杆菌中表达，制成可溶性产物，并从Ni-NTA结合/洗脱。图2D提供的数据表明莓实假单胞菌和皮氏罗尔斯顿菌BDH3表现出与3HBD的可商购获得的同种型(即，勒莫氏假单胞菌(Pseudomonas Lemoignei)3HBD)相当的活性。
图3提供了说明体现本发明特征的皮下传感器插入套件、遥测特征监测器发射器装置和数据接收装置的透视图。
图4示出了在本发明的实施方案中可用于测量电流的恒电位仪的示意图。如图4所示，恒电位仪300可包括运算放大器310，其连接在电路中以具有两个输入：V设定和V测量。如所示出，V测量是参比电极与工作电极之间的电压的测量值。另一方面，V设定是工作电极与参比电极之间的最佳期望电压。测量反电极与参比电极之间的电流，产生从稳压器输出的电流测量值(isig)。
图5A-图5B示出3-羟基丁酸酯与3-羟基丁酸酯脱氢酶以及NAD和介体在电活性电极材料表面处反应(图5A)和在电极处发生的电化学反应(图5B)的示意图。
图6A-图6C示出烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)固定化和再生策略的示意图。图6A示出使用PEG接头(左图)、电接枝的3-氨基苯基硼酸(APB)(中图)和抗生物素蛋白/生物素(右图)的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)固定化策略的示意图。图6B示出使用截留在微球内的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)的NAD固定化策略的示意图，该微球经由PEG接头偶联至电极(左图)或截留在分析物感测酶层内(右图)。图6C示出在酶层中使用心肌黄酶的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)再生策略的示意图。
图7A和图7B示出随时间推移从具有阻挡层的传感器结构的NAD浸出的图示数据。图7A示出来自使用HMDSO作为截留/阻挡膜层的配置中NAD浸出的研究的数据。图7B示出来自使用Paralyne作为截留/阻挡膜层的配置中NAD浸出的研究的数据。
图8A-图8C示出烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)的固定化策略的示意图。杂三官能连接分子可用于用介体(TBO)和醇脱氢酶进行NAD+和NADP+的固定化。NAD具有两个顺式二醇，因此NAD可以在两种可能的构象中与硼酸结合，这可能影响其结合到酶的能力并影响催化效率。硼酸酯与NAD之间形成的键相对不稳定，其中解离常数(Kd)为5.9×10-3M-1S-1。图8A示出NAD+结构，其具有N6-胺、磷酸主链和顺式二醇部分作为固定化位点。图8B示出硼酸酯接头上的NAD结合取向。在该示意图中，甲硫氨酸(Met)直接与电极结合，羧基苯基硼酸(CBA)和甲苯胺蓝O(TBO)介体通过酰胺键与Met结合，并且NAD通过其顺式二醇与CBA结合。图8C示出用于形成交联集成半胱氨酸-甲苯胺蓝O-苯基硼酸-NAD(P)+官能化金电极的方案(参见例如Hassler等人，《生物传感器与生物电子学》(Biosensors and Bioelectronics)，第21卷，2006年，第2146-2154页)。
图9A-图9G示出来自说明本发明的实施方案的功能的研究的数据。图9A示出来自感测各种浓度的3-羟基丁酸酯的3-羟基丁酸酯感测电极的研究的数据。图9B-图9G示出来自包括亲和力结合的NAD的3-羟基丁酸酯感测电极的研究的数据。
具体实施方式
除非另外定义，否则本文使用的所有的专门术语、符号和其他科学术语旨在具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。在一些情况下，为了清楚起见和/或为了便于参考而可能在本文中定义具有通常理解的含义的术语，并且本文中包括的这些定义不应被解释为表示与本领域通常理解的存在实质性差异。本文描述或引用的许多技术和程序是很好理解的，并且常常由本领域的技术人员使用常规方法来采用。在适当时，除非另外指明，否则涉及可商购的试剂盒和试剂的使用的程序一般根据制造商定义的方案和/或参数进行。下面定义了多个术语。
说明书和相关权利要求中所列举的指可以用除了整数之外的值进行数字表征的值(例如，测量单位，诸如组合物中组分的浓度)的所有数字应理解为由术语“约”修饰。在提供值范围的情况下，应当理解，介于所述范围的上限与下限之间的每个中间值(除非上下文另外明确规定，否则到下限的单位的十分之一)以及所述范围中的任何其他所陈述的值或中间值均涵盖在本发明内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在更小范围内，并且也涵盖在本发明内，服从表述的范围中的任何具体地排除的限制。在表述的范围包括这些限制中的一个或两个的情况下，排除那些包括的限制中的任一个或两个的范围也包括在本发明中。此外，本文提及的所有出版物均以引用方式并入本文，以公开和描述与所引用的出版物相关的方法和/或材料。本文所引用的出版物针对其在本申请的提交日期之前的公开内容而被引用。这里的任何内容都不应被解释为承认发明人无权凭借本发明的较早优先权日或在前的日期而早于所述出版物。此外，实际公开日可能与显示的不同，并且需要独立验证。
本文所使用的术语“分析物”是广义的术语并且以其普通意义使用，包括但不限于是指在诸如生物流体(例如，血液、间质液、脑脊液、淋巴液或尿液)等可以被分析的流体中的物质或化学成分。分析物可以包括天然存在的物质、人造物质、代谢物和/或反应产物。在普通实施方案中，分析物为3-羟基丁酸酯和/或葡萄糖。
术语“传感器”例如在“分析物传感器”中以其一般含义使用，包括但不限于用于检测化合物如分析物的装置。“传感器系统”包括例如被设计为有助于传感器使用和功能的元件、结构和架构(例如，分子元件的特定3维群集)。传感器系统可以包括例如组合物诸如具有选定材料性质的那些，以及电子组件诸如信号检测和分析中所使用的元件和装置(例如，电流检测器、监测器、处理器等)。
如以下所详细讨论的，本发明的实施方案涉及测量感兴趣的一种或多种分析物或指示流体中分析物的浓度或存在的物质的浓度的电化学传感器的用途。在一些实施方案中，传感器是连续装置，例如皮下、间质、经皮或血管内装置。在一些实施方案中，该装置可分析多个间歇样本。本文公开的传感器实施方案可使用任何已知的方法，包括侵入式、微创式和非侵入式感测技术，来提供指示感兴趣分析物的浓度的输出信号。通常，传感器是感测分析物与酶之间的酶促反应的产物或反应物以作为体内或体外分析物的量度的类型。此类传感器通常包括围绕酶的一个或多个膜，一种或多种分析物通过该膜迁移。然后使用电化学方法测量产物，并且因此电极系统的输出充当分析物的量度。
本文所公开的本发明的实施方案提供了例如用于皮下或经皮监测糖尿病患者的血糖水平的类型的传感器。已开发出用于治疗糖尿病和其他危及生命的疾病的多种可植入的电化学生物传感器。许多现有的传感器设计使用某种形式的固定化酶来实现它们的生物特异性。本文所描述的本发明实施方案可以利用各种各样已知的电化学传感器来适配并实施，该电化学传感器包含例如美国专利申请第20050115832号，美国专利第6,001,067号、第6,702,857号、第6,212,416号、第6,119,028号、第6,400,974号、第6,595,919号、第6,141,573号、第6,122,536号、第6,512,939号、第5,605,152号、第4,431,004号、第4,703,756号、第6,514,718号、第5,985,129号、第5,390,691号、第5,391,250号、第5,482,473号、第5,299,571号、第5,568,806号、第5,494,562号、第6,120,676号、第6,542,765号、第7,033,336号和PCT国际出版物号第WO 01/58348号、第WO 04/021877号、第WO 03/034902号、第WO 03/035117号、第WO 03/035891号、第WO 03/023388号、第WO 03/022128号、第WO 03/022352号、第WO 03/023708号、第WO 03/036255号、第WO03/036310号、第WO 08/042,625号和第WO 03/074107号，以及欧洲专利申请EP 1153571，所述文献中的每个文献的内容通过引用并入本文。
本发明的示例性实施方案和相关特征
糖尿病酮症酸中毒(DKA)是糖尿病的严重并发症，具有潜在的致命后果，其特征在于高血糖和由于酮体积累引起的代谢性酸中毒。酮体，即3-羟基丁酸酯(3-OHB)、乙酰乙酸酯和丙酮是小燃料底物，其在燃料和食物不足的条件下独特地可以用葡萄糖替代和交替。糖尿病酮症酸中毒可以在糖尿病患者中通过监测葡萄糖和酮体来管理。然而，尽管随着能够在体内直接监测间质液(ISF)中的葡萄糖的新一代连续葡萄糖监测(CGM)装置的出现而在糖尿病管理方面取得了重大进展，但酮体的连续监测仍有待解决。这在很大程度上是因为有效的生物电子界面的开发对于辅因子-脱氢酶尤其具有挑战性。
开发用于体内使用的安培酮传感器的一个挑战是用于检测酮3-羟基丁酸酯(3HB)的主要酶是3-羟基丁酸酯脱氢酶。与大多数脱氢酶类似，它需要辅因子NAD+，其本身作为酶反应的一部分被还原成NADH。常规地，通过类似于葡萄糖计测量的手指针刺条和仪表方法测量酮。这些条用来测量由酮-酶反应酶促产生的NADH。NADH继而被介体氧化，该介体继而被电极氧化。此反应的示意图呈现在图5中。一个关键问题是通常用于条中的介体是高毒性化合物，诸如二茂铁和亚铁氰化物，它们是条中的游离化学品(其中它们不固定或结合到任何物质)并因此可在水性环境中迁移。当考虑它们在连续体内测量中的使用时，这造成了重大问题。另一个关键问题是在酶促反应中需要过量的辅因子NAD+。通过供应多于适当反应化学计量所需的足够的NAD+，条避免了这样的问题。自然地，体内装置将需要类似的NAD+供应，或者更合理地，需要截留或结合NAD+并且还允许其从NADH再生的方法。
本文公开的本发明的实施方案提供了设计成包括组合物的电化学分析物传感器，该组合物为这些传感器提供增强的功能和/或材料性质，包括增强的酶反应化学计量。如以下详细讨论的，本发明的典型实施方案涉及传感器的用途，该传感器测量目标含水分析物的浓度或指示体内分析物(例如，3-羟基丁酸酯和葡萄糖)浓度或存在的物质的浓度。在本发明的一些实施方案中，传感器是皮下、肌内、腹膜内、血管内或经皮装置。
图5A-图5B示出3-羟基丁酸酯与3-羟基丁酸酯脱氢酶以及NAD和介体在电活性电极材料表面处反应(图5A)和在电极处发生的电化学反应(图5B)的示意图。本发明的实施方案被设计成克服3-羟基丁酸酯脱氢酶反应化学计量的挑战，以及NAD介体毒性和连续酮监测引起的其他问题。例如，本发明的实施方案被设计成将3-羟基丁酸酯脱氢酶、NAD+/NADH和介体定位在一起以在安培传感器系统中的电极上可操作地接触。这种元件群集允许传感器转换电流，并且还抑制任何潜在危险的介体扩散出传感器并进入传感器植入的组织中。如下文所讨论的，在该示例性实方案中，诸如介体之类的元件是电极的嵌入碳糊或碳墨。替代地，诸如介体之类的元件可以直接或经由连接分子与电极结合。替代地，诸如介体之类的元件可以被截留在聚合物中，例如氧化还原聚合物(诸如PEDOT)，其促进电子传输到电极。
本发明的实施方案包括安培分析物传感器系统，该电流分析物传感器系统包括具有本文公开的元件群集的3-羟基丁酸酯感测电极。通常，此类3-羟基丁酸酯感测电极包括电极电活性材料层(即电极的监测本发明的传感器中的电流变化的区域/部分)；包含与电活性材料可操作地接触的3-羟基丁酸酯脱氢酶的酶层；与3-羟基丁酸酯脱氢酶可操作地接触的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可操作地接触的介体；以及设置在酶层上方的3-羟基丁酸酯调节层，其中3-羟基丁酸酯调节层包含调节3-羟基丁酸酯通过3-羟基丁酸酯调节层的扩散的组合物。
各种工作电极、反电极、参比电极和背景电极可以包括在本文公开的传感器内并以多种不同配置形成。例如，在本发明的一些实施方案中，安培分析物传感器包括背景电极，例如这样的背景电极：其中该背景电极不包括本文公开的至少一个分层材料，诸如分析物感测层、分析物调节层；干扰抑制层。此类背景电极可以例如包括在本发明的各种安培分析物传感器实施方案中(例如，酮传感器和/或多模式葡萄糖和酮传感器)，以便将从这些背景电极获得的信号与从包括分析物感测酶的一个或多个工作电极获得的信号进行比较，以便分离和校正可以能混淆优化的传感器分析物检测的非分析物信号(即，以便允许分析物传感器系统结合对比信号校正)。另外，本发明的此类实施方案可以例如用于促进本文公开的安培分析物传感器的校准。具有此类背景电极的示例性系统公开于2021年1月29日提交的名称为“可与分析物传感器一起使用的干扰抑制膜(INTERFERENCE REJECTIONMEMBRANES USEFUL WITH ANALYTE SENSORS)”的美国专利申请序列号17/162,885中，其内容以引用方式并入。
本领域已知的各种介体可适于与本发明的实施方案一起使用。示例性介体公开于Prieto-Simón等人，《生物传感器与生物电子学》(Biosens Bioelectron.)，2004年5月15日，第19卷，第10期，第1131-1138页；Kochius等人，“用于电化学NAD(P)+再生的固定化氧化还原介体(Immobilized redox mediators for electrochemical NAD(P)+regeneration)”，2012年，《应用微生物学与生物技术》(Applied Microbiology andBiotechnology)，第93卷，第6期，第2251-2264页；Immanuel等人，“关于还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的电化学再生的研究进展及观点(Recent Progress and Perspectiveson Electrochemical Regeneration of Reduced Nicotinamide Adenine Dinucleotide(NADH))”，《化学》(CHEMISTRY)，第15卷，第24期，2020年，第4256-4270页；Matsue等人，《生物物理学报》(Biochim Biophys Acta.)，1990年3月29日，第1038卷，第1期，第29-38页；以及美国专利申请公开第20070289881号、第20160083858号和第20180143155号中。
通常，传感器的3-羟基丁酸酯和/或葡萄糖调节层包含乙酸纤维素聚合物、聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物、聚氨酯/聚脲聚合物、支链丙烯酸酯聚合物等。在本发明的某些实施方案中，用于该层的材料被选择为限制/抑制酮扩散到传感器中的速率，同时限制NAD从传感器中浸出的速率的材料。在其他实施方案中，第一传感器层限制/抑制酮扩散到传感器中的速率，而第二传感器层限制NAD从传感器中浸出的速率。
在本发明的典型实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶、介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸偶联至电活性材料。例如，在本发明的实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶、介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可以被截留在设置于电活性材料上的聚合物内。在该上下文中，多种材料可用于截留本发明的元件并且/或者调节分子在传感器中，或离开传感器，或以其他方式在传感器内的扩散，例如乙酸纤维素聚合物、聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物、聚氨酯/聚脲聚合物、支链丙烯酸酯聚合物、六甲基二硅氧烷(HMDSO)、聚对二甲苯-C、薄膜陶瓷(例如，ALD TiO2)等。在本发明的某些实施方案中，形成传感器层的聚合物(例如，用于截留酶或NAD等的聚合物)可以交联以增强其材料特性。在该上下文中，可以在本发明的此类实施方案中使用各种不同的交联剂，例如MPP、戊二醛等(参见例如Maitra等人，《美国聚合物科学杂志》(American Journal of Polymer Science)，2014年，第4卷，第2期，第25-31页以及Tillet等人，《聚合物科学进展》(Progress in Polymer Science)，第36卷，第2期，2011年2月，第191-217页)。
在本发明的一些实施方案中，诸如介体之类的元素被截留在设置在电活性材料上方的氧化还原聚合物(例如，基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等的氧化还原聚合物)内。氧化还原聚合物是可以经历可逆氧化(电子损失)和还原(电子增益)过程的那些聚合物。这些聚合物含有维持这些氧化还原过程的电活性位点或基团，其可位于主要聚合物主链中，如在导电聚合物(诸如聚吡咯)的情况下，或位于聚合物的侧链中，如在带有二茂铁基团的聚合物的情况下。可适于在本发明的实施方案中使用的示例性氧化还原聚合物和相关联的试剂公开于Abdellaoui等人，《化学通讯》(Chem Commun(Camb))，2016年1月21日，第52卷，第6期，第1147-1150页；Yuan等人，《美国化学会·催化》(ACS Catal.)2019年，第9卷，第6期，第5486–5495页；以及美国专利申请公开第20060042944号、第20030168338号、第20060160100号、第20200295370号、第20200194190号、第20190233869号和第20170260560号中。
在本发明的某些实施方案中，介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可以经由抗生物素蛋白与生物素之间的相互作用偶联至电极电活性材料(例如，其中抗生物素蛋白偶联介体和/或烟酰胺腺嘌呤，并且生物素偶联至电活性材料，或者其中生物素偶联介体和/或烟酰胺腺嘌呤和抗生物素蛋白偶联至电活性材料)。在本发明的一些实施方案中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可以经由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸与包含苯基硼酸部分的化合物之间的相互作用偶联至电活性材料(参见例如Wang等人，《美国化学会志》(J.Am.Chem.Soc.)2016年，第138卷，第33期，第10394-10397页；Raitman等人，《美国化学会志》(J Am Chem Soc.)2002年6月5日，第124卷，第22期，第6487-6496页；以及Kip等人，《胶体表面B：生物界面》(Colloidsand Surfaces B:Biointerfaces)，第174卷，第1期，2019年2月，第333-342页)。图8A-图8C示出使用硼酸化合物的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)的固定化位点和策略的示意图。在文献中已知硼酸具有与通常存在于各种糖和碳水化合物上的二羟基或顺式二醇官能团结合的亲和力。辅因子NAD上两个核糖部分的存在促进NAD与电极的亲和力结合。这可以通过电接枝共价结合到电极的苯基硼酸物质或通过交替的杂双官能接头(也是电接枝的)来实现，这使辅因子和介体两者能够被拴系到电极。在前述方法中，将需要电聚合介体以便再生还原的辅因子。在本发明的某些实施方案中，介体和/或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸共价地偶联至电活性材料(例如，经由连接剂)。可以使用其他固定化策略。例如，图6A示出使用PEG接头(左图)、电接枝的3-氨基苯基硼酸(APB)(中图)和抗生物素蛋白/生物素(右图)的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)固定化策略的示意图。图6B示出使用截留在微球内的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)的NAD固定化策略的示意图，该微球经由PEG接头偶联至电极(左图)或截留在分析物感测酶层内(右图)。图6C示出在酶层中使用心肌黄酶的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(“NAD”)再生策略的示意图。
苯基硼酸化合物的电接枝可实现与NAD辅因子的亲和力结合，以防止或阻碍导致副因子损失的扩散。使用该策略，介体可以电聚合到电极上以抑制从电极表面浸出，同时保持再生辅因子的能力。本发明的附加实施方案包括杂三官能接头的电接枝，以使得能够用苯基硼酸官能化(用于与NAD辅因子的亲和力结合)以及与介体的附加交联。该实施方案允许与NAD辅因子的亲和力结合，其中介体非常接近NAD辅因子以允许再生。在该上下文中，在本发明的某些实施方案中，用于将酶、NAD和/或介体一起定位在传感器中的接头/拴系分子的大小被选择为促进酶促反应化学计量。可以将附加带正电荷的材料层(例如，带正电荷的聚电解质层)放在该硼酸亲和力-NAD层的顶部上以抑制浸出，因为NAD具有固有的负电荷。包含可充当膜或替代地交联聚乙烯基硼酸(或抗生物素蛋白/生物素偶联)的阳带正电荷的聚合物(例如，壳聚糖)的附加化学物质可用于将NAD辅因子截留在传感器层的堆叠内。在本发明的某些实施方案中，电活性材料包括具有嵌入其中的介体的碳糊或碳墨。任选地，介体、连接剂和/或包含苯基硼酸部分的化合物经由电聚合过程可操作地偶联至电活性材料；并且/或者连接剂包含偶联至电活性材料和介体和/或烟酰胺腺嘌呤的杂多官能化合物。
在本发明的实施方案中，3-羟基丁酸酯(或葡萄糖氧化酶)工作电极可被涂覆有至少一个另外的材料层，例如设置于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸上方的阻挡层，其中阻挡层抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸通过其中的扩散。图7A示出来自使用HMDSO作为截留/阻挡膜层的配置中NAD浸出的研究的数据。图7B示出来自使用Paralyne作为截留/阻挡膜层的配置中NAD浸出的研究的数据。这些电极的实施方案还可以包括本文公开的其他层，诸如干扰抑制层、蛋白质层、粘合促进层；以及包含分子量在30KDa和300KDa之间的聚-l-赖氨酸聚合物的层。例如，在本发明的某些实施方案中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸设置在由随着时间降解的材料形成的层内或其上方或下方，使得烟酰胺腺嘌呤二核苷酸在安培分析物传感器系统中随时间推移从基质中受控释放(参见例如，Del Sole等人，2010年，基于烟酰胺的分子印迹微球的合成和体外受控释放研究(Synthesis of nicotinamide-based molecularlyimprinted microspheres and in vitro controlled release studies)，《药物递送》(Drug Delivery)，第17卷，第3期，第130-137页)。
存在本领域中描述的许多微生物3-羟基丁酸酯脱氢酶(3HBD)酶，其可以适于与本文公开的本发明的实施方案一起使用。在本发明的某些实施方案中，特定3HBD酶被选择为具有与本文公开的酮传感器的实施方案一起使用相容的特性，例如对调节抑制剂不强烈感的3HBD酶。在一个这样的实施方案中，使用来自皮氏罗尔斯顿菌T1的3HBD的新型同种型(针对蛋白质序列，参见下表1)。该皮氏罗尔斯顿菌酶似乎专门参与3-羟基丁酸酯的代谢，并且可能比其他3HBD同种型更少参与调节细胞质氧化还原状态(参见例如Takanashi等人，Antonie van Leeuwenhoek，第95卷，第249-262页，2009年)。皮氏罗尔斯顿菌T1是与本文公开的本发明的实施方案一起使用的3HBD酶的期望同种型，并且与其他微生物中产生的3HBD酶相当不同(基于测序基因组的NCBI-BLAST搜索的结论)。
表1：来自具有聚组氨酸尾的皮氏罗尔斯顿菌T1的3HBD表达蛋白序列(SEQ ID NO: 3)
Figure BDA0003888222300000141
本发明的实施方案包括被选择为具有与本文公开的酮传感器的实施方案相容使用的稳定性和/或溶解度分布的3HBD酶。在一个示例性实施方案中，选择来自莓实假单胞菌的3HBD(针对蛋白质序列，参见表2)。该3HBD酶实施方案包括似乎有助于传感器稳定性的结构。
表2：来自具有聚组氨酸尾的莓实假单胞菌T1的3HBD表达蛋白序列(SEQ ID NO:4)
Figure BDA0003888222300000142
在3HBD酶的示例性实施方案的研究中，合成了编码来自皮氏罗尔斯顿菌T1的3HBD蛋白质序列和来自莓实假单胞菌T1的3HBD蛋白质序列的基因的大肠杆菌(K12)优化版本(具有羧基末端8-His标签)。将这些3HBD编码基因亚克隆到大肠杆菌表达载体中并在大肠杆菌菌株Origami B中表达。表达研究确定用这些3HDB克隆转染的细胞显示出旺盛的生长，并且质粒是稳定的。此外，使用SDS-聚丙烯酰胺凝胶的研究(图2A)显示28Kd的重组产物在很大程度上是可溶的。毛细管电泳结果(图2B)表明大多数酶是单体的。这些在酶中的酶活性与另一种可商购获得的3HBD同种型(来自勒莫氏假单胞菌的3HDB，西格玛公司(Sigma))相比是有利的，结果呈现于图2C。在该上下文中，技术人员可以使用各种测定来检查例如3HBD的不同实施方案的活性，测定诸如公开于Brashear等人，《分析生物化学》(AnalBiochem.)1983年6月，第131卷，第2期，第478-482页；美国专利申请公开第20180291354号和第20180346886号中的那些，以及可商购的试剂盒，诸如由CREATIVE ENZYMES公司(CREATIVE ENZYMES)销售的“使用分光光度法测定进行的3-羟基丁酸脱氢酶的酶活性测量(Enzyme Activity Measurement of 3-Hydroxybutyrate Dehydrogenase UsingSpectrophotometric Assays)”。图2C中的这些3HBD酶实施方案被涂覆在传感器架构上并测试。来自莓实假单胞菌的3HBD似乎表现出与本发明的实施方案一起使用的有利稳定性。
本发明的实施方案可以使用本领域已知的各种3-羟基丁酸酯脱氢酶(参见例如，Mountassif等人，《现代微生物学》，施普林格出版社(Current Microbiology,SpringerVerlag)，2010年，第61卷，第1期，第7-12页)。通常，3-羟基丁酸酯脱氢酶是得自勒莫氏假单胞菌、莓实假单胞菌或皮氏罗尔斯顿菌的3-羟基丁酸酯脱氢酶(例如，表现出与由勒莫氏假单胞菌、莓实假单胞菌或皮氏罗尔斯顿菌表达的3-羟基丁酸酯脱氢酶的至少90％序列同一性)。在本发明的某些实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶包含氨基酸序列，该氨基酸序列表现出与SEQ ID NO:1或SEQ ID NO:2的至少90％或95％序列同一性。在本发明的某些实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶包含氨基酸序列，该氨基酸序列表现出与SEQ ID NO:1或SEQ IDNO:2的100个氨基酸片段的至少90％或95％序列同一性。
SEQ ID NO:1
MTTTPSAAPLAGKTALVTGSTSGIGLGIAKALAQAGANLVLNGFGDAAGALAQIEALGVRAAHHGADMSRPAEIEAMLAFAAERFGAVDILVNNAGIQFVAPIEDFPAERWDAVIAINLSATFHAMRAALPGMRQRGWGRVINIASVHGVIASAGKSAYVAAKHGVIGLTKVAALETARTGVTVNAICPGWVLTPLVQQQIDALAAREGLTVEEASVKLLGEKQPSAQFVTPAQIGALAVFLCSDAASEMRGAELKIDGGWTAQ
SEQ ID NO:2
MLKGKVAVVTGSTSGIGLGIATALAAQGADIVLNGFGDAAEIEKVRAGLAAQHGVKVLYDGADLSKGEAVRGLVDNAVRQMGRIDILVNNAGIQHTALIEDFPTEKWDAILALNLSAVFHGTAAALPHMKKQGFGRIINIASAHGLVASANKSAYVAAKHGVVGFTKVTALETAGQGITANAICPGWVRTPLVEKQISALAEKNGVDQETAARELLSEKQPSLQFVTPEQLGGTAVFLASDAAAQITGTTVSVDGGWTAR
可以通过本领域的常规方法进行至少90％或95％序列同一性的确定。例如，NCBI主页包括诸如以下的信息：NCBI生物信息学资源：引言：BLAST：比较和识别序列。在该平台中，基本的局部比对搜索工具(BLAST)发现序列间的相似性区域。该程序比较核苷酸或蛋白质序列并计算匹配的统计显著性。BLAST可用于推断序列之间的关系。例如，BLASTp(蛋白质BLAST)：将一种或多种蛋白质查询序列与受试者蛋白质序列或蛋白质序列的数据库进行比较。在本发明的某些实施方案中，3-羟基丁酸酯脱氢酶包含SEQ ID NO:1或SEQ ID NO:2中所示的氨基酸序列。
本发明的安培分析物传感器系统具有许多期望的元件群集。在本发明的某些安培分析物传感器系统中，抗生物素蛋白偶联至电活性材料；生物素偶联至烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；酶层包含与3-羟基丁酸酯脱氢酶组合的抗生物素蛋白和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，该3-羟基丁酸酯脱氢酶截留在包含具有苯乙烯基吡啶侧链的聚(乙烯醇)(“PVA-SBQ”)的聚合物基质内；以及分析物调节层，其例如包含以下中的至少一者：乙酸纤维素聚合物、聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物、聚氨酯/聚脲聚合物、支链丙烯酸酯聚合物等。
在本发明的实施方案中，3-羟基丁酸酯电极可设置在适于接触间质流体的穿刺构件内；并且/或者3-羟基丁酸酯电极可包含比3-羟基丁酸酯脱氢酶分子的量高至少两倍、五倍或10倍的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸分子的量。在本发明的一些实施方案中，安培分析物传感器系统包括处理器；以及具有指令的计算机可读程序，该指令致使处理器评估从3-羟基丁酸酯电极获得的信号数据。在此类实施方案中，3-羟基丁酸酯电极和处理器被可操作地耦合，使得3-羟基丁酸酯电极监测存在于3-羟基丁酸酯电极处的3-羟基丁酸酯的水平；并且处理器使用算法来计算3-羟基丁酸酯的浓度。
本发明的实施方案包括被设计成监测3-羟基丁酸酯和葡萄糖的多模式安培分析物传感器系统。例如，本发明的实施方案包括本文公开的3-羟基丁酸酯感测系统，其还包括葡萄糖感测电极，例如包括以下各项的葡萄糖感测电极：由电抗性材料形成的基座；设置在基座上的电活性材料层；设置在电活性材料层上的葡萄糖氧化酶层；以及葡萄糖分析物调节层，该葡萄糖分析物调节层设置在葡萄糖氧化酶层上方并且包含调节葡萄糖通过葡萄糖调节层的扩散的组合物。此类实施方案还可包括处理器；以及具有指令的计算机可读程序，该指令致使处理器评估从葡萄糖电极和3-羟基丁酸酯电极获得的信号数据；其中：葡萄糖电极和处理器被耦合，使得葡萄糖电极监测存在于葡萄糖电极处的葡萄糖的水平；3-羟基丁酸酯电极和处理器被耦合，使得3-羟基丁酸酯电极监测存在于3-羟基丁酸酯电极处的3-羟基丁酸酯的水平；处理器使用第一算法来计算葡萄糖的浓度；并且处理器使用第二算法来计算3-羟基丁酸酯的浓度。
本发明的其他实施方案包括制造估计3-羟基丁酸酯的浓度的安培分析物传感器电极的方法。通常，此类方法包括通过以下方式形成3-羟基丁酸酯检测电极的步骤：提供基层；在基层上形成导电层，其中导电层包括电活性材料；将3-羟基丁酸酯脱氢酶、介体和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可操作地偶联至电活性材料；以及形成设置在电活性材料上方的分析物调节层，其中分析物调节层包括调节3-羟基丁酸酯穿过其中的扩散的组合物；以及还形成用于将电导管连接到3-羟基丁酸酯感测电极的接触垫；使得制成安培分析物传感器电极。在这些方法中的某些方法中，3-羟基丁酸酯电极进一步涂覆有至少一个另外的材料层，例如包括包含分子量在30KDa和300KDa之间的聚-l-赖氨酸聚合物的层的材料层，包括干扰抑制层的材料层；包括蛋白质层的材料层；包括粘附促进层的材料层等。任选地，这些方法还包括将3-羟基丁酸酯感测电极设置在穿刺构件内。
本发明的相关实施方案包括制造估计葡萄糖的浓度和3-羟基丁酸酯的浓度的安培分析物传感器的方法通常，这些方法包括通过以下方式形成葡萄糖检测电极的步骤：提供基层；在基层上形成导电层，其中导电层包括电活性材料；在工作电极上方形成分析物感测层，其中分析物感测层包含葡萄糖氧化酶；以及形成设置在分析物感测层上方的分析物调节层，其中分析物调节层包括调节葡萄糖穿过其中的扩散的组合物。这些方法还包括通过以下方式形成3-羟基丁酸酯检测电极：提供基层；在基层上形成导电层，其中导电层包括电活性材料；在工作电极上方形成分析物感测层，其中分析物感测层包含3-羟基丁酸酯脱氢酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；以及形成设置在分析物感测层上方的分析物调节层，其中分析物调节层包括调节3-羟基丁酸酯穿过其中的扩散的组合物；以及然后形成用于将电导管连接到葡萄糖感测电极和3-羟基丁酸酯感测电极的接触垫；使得制成安培分析物传感器。
本发明的实施方案还包括估计体内3-羟基丁酸酯浓度的方法。该方法适于连续地感测3-羟基丁酸酯一段时间(例如，至少一个1小时、至少1天、2天或3天等)。通常，这些方法包括将本文公开的安培分析物传感器系统设置到受试者(例如，诊断患有酮症酸中毒或糖尿病的受试者)的体内环境中，其中该环境包括3-羟基丁酸酯；以及估计3-羟基丁酸酯的浓度；使得估计体内3-羟基丁酸酯的浓度。在包括多模态传感器系统的本发明的实施方案中，这些方法包括在体内(例如，在间质空间内)设置葡萄糖感测电极和3-羟基丁酸酯感测电极；以及然后估计体内3-羟基丁酸酯和葡萄糖的浓度。图9A-图9D示出来自对本发明的实施方案的功能的研究的数据。
在典型的实施方案中，安培分析物传感器系统的葡萄糖工作电极和3-羟基丁酸酯工作电极涂覆有多个分层材料，包括分析物感测层，该分析物感测层包含在分析物的存在下产生敏感产物的酶(例如，酶葡萄糖氧化酶或酶3-羟基丁酸酯脱氢酶)。传感器中的这些电极也可以涂覆有其他层，诸如NAD阻挡层、干扰抑制层、蛋白质层、粘附促进层和/或分析物调节层，其包含调节扩散穿过其中的分析物的扩散的组合物。此类系统中的电极可以由各种材料形成并且以各种配置设置。例如，这些电极可以由但不限于以下材料或材料组合制成：碳(例如，碳糊电极)、金属(例如，铂、钯、钌、锇)；金属氧化物(例如，氧化铱、氧化银、氧化锡)；聚合物和导电聚合物(例如，离子载体、聚吡咯、聚苯胺)；和/或水凝胶(例如，聚丙烯酸、具有用酸性或碱性基团官能化的主链的壳聚糖)。电极可以以多种方式布置和配置：包括作为感测系统的一部分；沿着传感器探针分布；平行于其他分析物感测电极；在其他分析物感测电极之上或之下；在360度感测探针的一侧或两侧上；作为基于导线的电极配置和/或任何上述配置上的多个单独寻址的电极的一部分。
多种材料可用于截留本发明的元件，并且/或者调节分子在传感器中，或离开传感器，或以其他方式在传感器内的扩散。示例性材料包括例如乙酸纤维素聚合物、聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物、聚氨酯/聚脲聚合物、支链丙烯酸酯聚合物、六甲基二硅氧烷(HMDSO)聚合物、聚对二甲苯-C聚合物等。在本发明的某些实施方案中，诸如分析物调节层之类的层包括线性聚氨酯/聚脲聚合物。通常，分析物调节层由包含以下的混合物形成：二异氰酸酯化合物(通常为混合物中的反应物的约50摩尔％)；至少一种亲水性二醇或亲水性二胺化合物(通常为混合物中的反应物的约17摩尔％至45摩尔％)；以及硅氧烷化合物。任选地，聚氨酯/聚脲聚合物包括45摩尔％-55摩尔％(例如，50摩尔％)的二异氰酸酯(例如，4,4’-二异氰酸酯)、10-20(例如，12.5摩尔％)的硅氧烷(例如聚甲基氢硅氧烷、三甲基甲硅烷基封端)和30摩尔％-45摩尔％(例如，37.5摩尔％)的亲水性二醇或亲水性二胺化合物(例如平均分子量为600道尔顿的聚丙二醇二胺Jeffamine 600)。在分析物调节层的某些实施方案中，第一聚氨酯/聚脲聚合物与由包含以下的混合物形成的第二聚合物共混：5重量％-45重量％的2-(二甲基氨基)甲基丙烯酸乙酯化合物；15重量％-55重量％的甲基丙烯酸甲酯化合物；15重量％-55重量％的聚二甲基硅氧烷单甲基丙烯酰氧基丙基化合物；5重量％-35重量％的聚(环氧乙烷)甲基醚甲基丙烯酸酯化合物；以及1重量％-20重量％甲基丙烯酸2-羟乙酯，其中第一聚合物和第二聚合物以1:1与1:20之间的重量百分比比率共混在一起。
在本发明的一些实施方案中，分析物调节层可包含由包含以下的混合物形成的聚氨酯/聚脲聚合物的共混混合物：二异氰酸酯；亲水性聚合物，该亲水性聚合物包括亲水性二醇或亲水性二胺；以及硅氧烷，该硅氧烷在末端具有氨基、羟基或羧酸官能团。任选地，将聚氨酯/聚脲聚合物与由包含以下的混合物形成的支链丙烯酸酯聚合物共混：丙烯酸丁酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸乙酯或丙烯酸甲酯；氨基-丙烯酸酯；硅氧烷-丙烯酸酯；和聚(环氧乙烷)-丙烯酸酯。任选地，分析物调节层表现出膜重量的40％-60％的水吸附曲线。在本发明的某些实施方案中，分析物调节层的厚度为5um-15um。在一些实施方案中，分析物调节层包含由包含以下的混合物形成的聚氨酯/聚脲聚合物：二异氰酸酯；亲水性聚合物，该亲水性聚合物包括亲水性二醇或亲水性二胺；硅氧烷，该硅氧烷在末端处具有氨基、羟基或羧酸官能团；以及聚氨酯/聚脲聚合物稳定化合物，其被选择用于其抑制由混合物形成的聚氨酯/聚脲聚合物的热和氧化降解的能力，其中聚氨酯/聚脲聚合物稳定化合物的分子量小于1000g/mol；并且包含具有羟基部分(ArOH)的苄基环。在本发明的典型实施方案中，聚氨酯/聚脲聚合物稳定化合物表现出抗氧化剂活性(例如，包含酚类抗氧化剂的实施方案)。任选地，聚氨酯/聚脲聚合物稳定化合物包含具有羟基部分的至少两个苄基环。
本发明的示例性传感器部件和系统
在本发明的典型实施方案中，电化学传感器可操作地耦合到能够从电化学传感器接收信号的传感器输入；以及处理器，该处理器耦合到传感器输入，其中处理器能够表征从电化学传感器接收的一个或多个信号。在本发明的某些实施方案中，电极的电导管耦合到恒电位仪(参见，例如图4)。任选地，使用脉冲电压获得来自电极的信号。在本发明的某些实施方案中，处理器能够将响应于第一工作电势从工作电极接收的第一信号与响应于第二工作电势从工作电极接收的第二信号进行比较。任选地，电极耦合到处理器，该处理器适于将通过观察电流的波动而获得的数据从第一格式转换为第二格式。此类实施方案包括例如处理器，其被设计成将传感器电流输入信号(例如，以nA为单位测量的ISIG)转换为血糖浓度。
在本发明的许多实施方案中，传感器包括适于植入体内的生物相容区域。在一些实施方案中，传感器包括刺穿体内环境的分立的探针。在本发明的实施方案中，生物相容区域可包括接触体内组织的聚合物。任选地，该聚合物是亲水性聚合物(例如，吸收水的聚合物)。以这种方式，在本发明的系统中使用的传感器可以用于感测不同水性环境中的多种分析物。在本发明的一些实施方案中，电极耦合到适于植入体内的穿刺构件(例如，针头)。尽管本发明的传感器实施方案可以包括一个或两个穿刺构件，但是任选地，这类传感器设备可以包括3个或4个或5个或更多个穿刺构件，这些穿刺构件耦合到基底元件并从其延伸，并且可操作地耦合到3个或4个或5个或更多个电化学传感器(例如，微针阵列，其实施方案公开在例如美国专利第7,291,497号和第7,027,478号，以及美国专利申请第20080015494号中，其内容以引用方式并入)。
本发明的实施方案包括设计成利用本文公开的组合物的分析物传感器设备。此类设备通常包括基座，电极在该基座上形成(例如，被配置为形成工作电极的导电构件阵列)。任选地，该基座包括多个凹痕，并且多个导电构件单独地定位在多个凹痕内，并且导电构件包括适于感测电活性表面处的电流的波动的电活性表面。
在其中电极由导电构件阵列形成的本发明的一些实施方案中，多个导电构件由被选择为避免尖锐边缘和拐角的形状、其中电荷可累积的电极结构形成。在本发明的典型实施方案中，导电构件可以形成为表现出椭圆形几何形状。例如，在本发明的一些实施方案中，导电构件包括椭圆形、圆形盘或椭圆形和圆形盘的组合。通常，此类导电构件形成为具有至少1μm的直径，例如1μm至100μm的直径(例如，直径为30μm、40μm或50μm的圆形盘)。任选地，阵列包括至少5个、10个、20个、50个或100个导电构件。
在本发明的一些实施方案中，导电构件的阵列耦合到公共电导管(例如，使得阵列的导电构件不被分开地布线，而是作为一组被电链接)。任选地，电导管耦合到适于感测工作电极阵列的电流的波动的电源。通常，设备包括参比电极；以及反电极。任选地，这些电极中的一个或多个还包括以阵列形式设置在基底上的多个导电构件。在一些实施方案中，电极(例如，反电极)的导电构件中的每一个包括适于感测在电活性表面处电流波动的电活性表面；并且一组导电构件耦合到电源(例如，稳压器等)。
在本发明的一些实施方案中，设备包括多个工作电极、对立电极和参比电极，它们以基本上由一个工作电极、一个对立电极和一个参比电极组成的单元聚集在一起；并且聚集的单元以重复的单元模式在基层上纵向分布。在一些传感器实施方案中，分布式电极被组织/设置在柔性电路组件(即，利用柔性而不是刚性材料的电路组件)内。这样的柔性电路组件实施方案供了元件(例如，电极、电导管、接触垫等)的互连组件，其被配置为有助于穿着者的舒适度(例如，通过减小垫刚度和穿着者的不适感)。
通常，本发明的传感器电极涂覆有多种材料，这些材料具有例如有助于分析物感测的特性。在本发明的一些实施方案中，分析物感测层设置在导电构件上方，并且包括试剂，该试剂因为其在存在分析物的情况下可检测地改变工作电极处的电流的能力而被选择。在本文公开的本发明的工作实施方案中，试剂是葡萄糖氧化酶，一种在葡萄糖存在下发生化学反应的蛋白质，该化学反应导致工作电极处电流的改变。这些工作实施方案还包括设置在分析物感测层上方的分析物调节层，其中当葡萄糖从体内环境迁移到分析物感测层时，分析物调节层调节葡萄糖的扩散。在本发明的某些实施方案中，分析物调节层包含亲水性梳型共聚物，其具有中心链和偶联至中心链的多个侧链，其中至少一个侧链包含硅氧烷部分。在本发明的某些实施方案中，分析物调节层包含以下物质的共混混合物：线性聚氨酯/聚脲聚合物和支链丙烯酸酯聚合物；并且线性聚氨酯/聚脲聚合物和支链丙烯酸酯聚合物按重量百分比计以介于1:1和1:20之间(例如，1:2)的比率共混。通常，该分析物调节层组合物包含由包含以下的混合物形成的第一聚合物：二异氰酸酯；至少一种亲水性二醇或亲水性二胺；以及硅氧烷；其与由包含以下的混合物形成的第二聚合物共混：2-(二甲基氨基)甲基丙烯酸乙酯；甲基丙烯酸甲酯；聚二甲基硅氧烷单甲基丙烯酰氧基丙基；聚(环氧乙烷)甲基醚甲基丙烯酸酯；以及甲基丙烯酸2-羟乙酯。这类设备中可以包括附加的材料层。举例来说，在本发明的一些实施方案中，设备包括设置在分析物感测层与分析物调节层之间的粘附促进层。
本发明的实施方案包括在包括多个分层材料的传感器中形成粘附促进(AP)层的干法等离子体方法(参见例如国际专利申请号PCT/US2013/049138)。PCT/US2013/049138中公开的干法等离子体方法具有优于用于形成粘附促进层的常规湿化学方法的许多优点，包含减少和/或消除某些有害化合物的使用，由此减少可能由此类方法产生的有毒废物。本发明的实施方案还包括由这些方法形成的粘附促进组合物、表现出期望的材料性质，包含相对薄且高度均匀的结构轮廓的组合的组合物。
图1A-图1E提供示出由多个平面分层元件形成的传感器电极的示例性配置的示意图。在本发明的一些实施方案中，该层被组织成使得分析物感测层设置在导电层上方并且粘附促进层被设置在分析物感测层上方。图1D中示出的一种传感器实施方案是具有多个分层元件的安培传感器100，其包括基层102、设置在基层102上和/或与基层102结合的导电层104(例如，包括多个导电构件的导电层)。通常，导电层104包括一个或多个电极。分析物感测层110(典型地包括酶，诸如葡萄糖氧化酶)设置在导电层104的一个或多个暴露电极上。蛋白质层116设置在分析物感测层110上。分析物调节层112设置在分析物感测层110之上，以调节分析物(例如，葡萄糖)与分析物感测层110的接近。如图1D所示，粘附促进剂层114设置在诸如分析物调节层112与分析物感测层110的层之间，以有助于它们的接触和/或粘附。该实施方案还包括覆盖层106，诸如可以设置在传感器100的部分上的聚合物涂层。孔108可以形成在此类传感器的一层或多层中。具有这种类型设计的安培型葡萄糖传感器公开在例如美国专利申请公开第20070227907号、第20100025238号、第20110319734号和第20110152654号中，这些专利申请公开中的每个的内容以引用方式并入本文。
本发明的实施方案还提供了用于观测分析物浓度的制品和试剂盒。在示例性实施方案中，试剂盒包括传感器，该传感器包括如本文讨论的组合物。在典型的实施方案中，传感器设置在密封的无菌干燥包装内的试剂盒中。可选地，试剂盒包括有助于传感器插入的插入装置。试剂盒和/或传感器套件典型地包括容器、标签和如上所述的分析物传感器。合适的容器包括例如由诸如金属箔的材料制成的易于打开的包装、瓶、小瓶、注射器和试管。容器可以由多种材料形成，诸如金属(例如，箔)纸产品、玻璃或塑料。容器上或与容器相关的标签指示该传感器用于分析所选分析物。试剂盒和/或传感器套件可包括从商业和用户角度出发期望的其他材料，包括缓冲液、稀释剂、过滤器、针头、注射器和带有使用说明的包装插入物。
在以下部分中详细讨论本发明的实施方案的具体方面。
本发明的典型元件、构造和分析物传感器实施方案
A.在本发明的实施方案中存在的典型元件
图1D示出常规传感器实施方案100的横截面。传感器的部件在本文中典型地以该多层电化学传感器堆叠的层为特征，因为，例如，它可以简单地表征诸如图1D所示的常规传感器结构，及其与图1E(即，包括HDA层的传感器结构)所示的本文公开的本发明的另一个实施方案的区别。技术人员将理解，在本发明的某些实施方案中，传感器成分被组合成使得多种成分形成一个或多个异质层。本领域技术人员将理解，在某些实施方案中，本发明包括在常规传感器中存在的材料和/或元件/层，而排除其他材料和/或元件/层，并且/或者包括新的材料层/元件。例如，图1D中公开的某些元件也可在本文公开的发明中存在(例如，基层、分析物感测层、分析物调节层等)，而如图1E所示，其他元件则不存在(例如，分离的HSA蛋白层，包含硅氧烷粘附促进剂的层等)。类似地，本发明的实施方案包括具有以独特配置设置的材料的层/元件，这在常规传感器中是不存在的(例如，高密度胺(HDA)聚合物层)。
图1D所示的常规实施方案包括支撑传感器100的基层102。基层102可以诸如如金属和/或陶瓷和/或聚合物衬底等材料制成，该基层可以是自支撑的或可以由本领域已知的另一种材料进一步支撑。实施方案可包括设置在基层102上和/或与基层102组合的导电层104。通常，导电层104包括用作电极的一个或多个导电元件。操作传感器100典型地包括多个电极，诸如工作电极、对电极和参比电极。其他实施方案还可包括多个工作电极和/或反电极和/或参比电极和/或执行多种功能的一个或多个电极，例如既用作参比电极又用作反电极的电极。
如下面详细讨论的，可以使用许多已知的技术和材料来产生基层102和/或导电层104。在本发明的某些实施方案中，通过将设置的导电层104蚀刻成所需的导电路径图案来限定传感器的电路。用于传感器100的典型电路包括两个或更多个相邻的导电路径，该导电路径具有在近端处的区域以形成接触垫以及在远端处的区域以形成传感器电极。电绝缘覆盖层106如聚合物涂层可以设置在传感器100的部分上。用作绝缘保护覆盖层106的可接受聚合物涂层可以包括但不限于无毒生物相容性聚合物，如硅酮化合物、聚酰亚胺、生物相容性焊料掩模、环氧丙烯酸酯共聚物等。在本发明的传感器中，可以形成一个或多个穿过覆盖层106的暴露区域或孔108，以将导电层104向外部环境敞开，并例如允许分析物如葡萄糖透过传感器的层并被感测元件感测。孔108可以通过多种技术形成，包括激光烧蚀、带掩蔽、化学研磨或蚀刻或光刻显影等。在本发明的某些实施方案中，在制造期间，还可以将第二光刻胶施加到保护层106，以限定待移除的保护层的区域，以形成一个或多个孔108。暴露的电极和/或接触垫还可以经受如另外的电镀处理等二次加工(例如，穿过孔108)以制备表面和/或加强导电区。
在图1D中所示出的传感器配置中，分析物感测层110设置在导电层104的所暴露电极中的一个或多个所暴露电极上。通常，分析物感测层110包括能够产生和/或利用氧和/或过氧化氢的酶(例如，葡萄糖氧化酶)。任选地，分析物感测层中的酶与载体蛋白(诸如人类血清白蛋白、牛血清白蛋白等)组合。在说明性实施方案中，分析物感测层110中的氧化还原酶(诸如葡萄糖氧化酶)与葡萄糖反应以产生过氧化氢，一种随后调节电极处的电流的化合物。由于电流的这种调节取决于过氧化氢的浓度，并且过氧化氢的浓度与葡萄糖的浓度相关，所以可通过监测电流的这种调节来确定葡萄糖的浓度。在本发明的具体实施方案中，过氧化氢在作为阳极的工作电极(本文也称为阳极工作电极)处被氧化，产生的电流与过氧化氢浓度成比例。由过氧化氢浓度变化引起的电流的此调制可以通过多种传感器检测器设备中的任一种传感器检测器设备来监测，如通用传感器安培型生物传感器检测器或本领域已知的其他各种类似装置之一，诸如由美敦力公司糖尿病部门(Medtronic Diabetes)生产的葡萄糖监测装置。
在本发明的实施方案中，分析物感测层110可以施加在导电层的部分上方或导电层的整个区域上方。通常，分析物感测层110设置在工作电极上，该工作电极可以是正极或负极。可选地，分析物感测层110也设置在对电极和/或参比电极上。用于产生薄分析物感测层110的方法包括将该层刷到衬底(例如，铂黑电极的反应性表面)上，以及旋涂工艺、浸涂和干燥工艺、低剪切喷涂工艺、喷墨印刷工艺、丝网工艺等。在本发明的某些实施方案中，刷涂用于：(1)允许层的精确定位；以及(2)将层推入到电极的反应性表面(例如，通过电沉积工艺产生的铂黑)的架构中。
通常，分析物感测层110被涂覆和/或设置在一个或多个附加层附近。任选地，一个或多个附加层包括设置在分析物感测层110上的蛋白质层116。通常，蛋白质层116包含蛋白质，如人血清白蛋白、牛血清白蛋白等。通常，蛋白质层116包括人血清白蛋白。在本发明的一些实施方案中，附加层包括分析物调节层112，其设置在分析物感测层110上方以调节分析物与分析物感测层110的接触。举例来说，分析物调节膜层112可以包括葡萄糖限制膜，其调控与存在于分析物感测层中的酶(诸如葡萄糖氧化酶)接触的葡萄糖的量。此类葡萄糖限制膜可以由多种已知适合于此类目的的材料制成，例如，如聚二甲基硅氧烷等硅酮化合物、聚氨酯、聚脲乙酸纤维素、全氟磺酸、聚酯磺酸(例如，Kodak AQ)、水凝胶或本领域技术人员已知的任何其他适合的亲水膜。
在本发明的典型实施方案中，如图1D所示，粘附促进剂层114设置在分析物调节层112与分析物感测层110之间，以便有助于它们的接触和/或粘附。在本发明的具体实施方案中，如图1D中所示出的，粘附促进剂层114设置在分析物调节层112与蛋白质层116之间，以促进其接触和/或粘附。粘附促进剂层114可以由本领域已知的多种材料中的任一种材料制成，以促进此类层之间的接合。粘附促进剂层114通常包括硅烷化合物。在替代实施方案中，分析物感测层110中的蛋白质或类似分子可以被充分交联或以其他方式制备，以允许在不存在粘附促进剂层114的情况下将分析物调节膜层112设置成与分析物感测层110直接接触。
B.在本发明的实施方案中使用的典型分析物传感器成分
以下公开提供了在本发明的传感器实施方案中使用的典型元件/成分的示例。虽然这些元件可以描述为离散单元(例如，层)，但是本领域技术人员要理解，传感器可以被设计成含有具有下文所讨论的元件/成分(例如，充当支撑基底成分和/或导电成分的元件和/或用于分析物感测成分两者并且进一步用作传感器中的电极的基质)的材料特性和/或功能的某些或全部的组合。本领域技术人员要理解，这些薄膜分析物传感器可以适用于许多传感器系统，诸如下文所描述的传感器系统。
基础成分
本发明的传感器通常包括基底成分(参见例如图1D中的元件102)。术语“基底成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指设备中的成分，该成分通常为堆叠在彼此之上并且包括功能传感器的多个成分提供支撑基质。在一种形式中，基础成分包括绝缘(例如，电绝缘和/或不透水)材料的薄膜片。此基础成分可由具有所需质量(诸如介电特性、不透水性和气密性)的多种材料制成。一些材料包括金属和/或陶瓷和/或聚合物衬底等。
导电成分
本发明的电化学传感器通常包括设置在基底成分上的包含至少一个电极的导电成分，该至少一个电极具有接触待测定的分析物或其副产物(例如，氧和/或过氧化氢)的电活性材料(参见例如图1D中的元件104)。术语“导电成分”在本文根据本领域公认的专用词使用，并且是指设置在基层上的导电传感器元件，诸如多个导电构件(例如，以形成微阵列电极)并且该导电成分能够测量可检测信号并将其传导至检测设备。其示例性示例是形成工作电极的导电成分，与不经历分析物浓度变化的参比电极相比，该工作电极可以响应于暴露于刺激(诸如分析物或其副产物的浓度变化)来测量电流的增加或减少，该分析物是当分析物与分析物感测成分110中存在的组合物(例如，酶葡萄糖氧化酶)相互作用时使用的一种共反应物(例如，氧气)，或者该分析物是此相互作用的反应产物(例如，过氧化氢)。此类元件的说明性示例包括能够在可变浓度的分子(诸如过氧化氢或氧)的存在下产生可变的可检测信号的电极。
除了工作电极和工作电极之外，本发明的分析物传感器通常还包括参比电极或组合的参比电极和反电极(也称为准参比电极或反电极/参比电极)。如果传感器不具有反电极/参比电极，则其可以包含单独的反电极，该反电极可以由与工作电极相同或不同的材料制成。本发明的典型传感器具有一个或多个工作电极和一个或多个反电极、参比电极和/或反电极/参比电极。本发明的传感器的一个实施方案具有两个、三个或四个或更多个工作电极。传感器中的这些工作电极可整体连接，也可保持分离。可选地，电极可设置在传感器结构的单个表面或侧面上。替代地，电极可设置在传感器结构的多个表面或侧面上(并且例如可以通过穿过传感器材料的通孔连接到其上设置电极的表面)。在本发明的某些实施方案中，电极的反应性表面具有不同的相对面积/尺寸，例如1X参比电极、2.6X工作电极和3.6X反电极。
干扰抑制成分
本发明的电化学传感器任选地包括设置在电极表面与待检定环境之间的干扰抑制成分。具体来说，某些传感器实施方案依赖于在恒定的施加电势下通过在工作电极的表面上的酶促反应产生的过氧化氢的氧化和/或还原。因为基于直接氧化过氧化氢的安培检测要求相对高氧化电势，采用此检测方案的传感器可经历存在于生物流体的可氧化物质(诸如抗坏血酸、尿酸和乙酰胺苯酚)的干扰。在此上下文中，术语“干扰抑制成分”在本文中根据本领域公认的术语使用，并且指的是传感器中的涂层或膜，其用于抑制由这种可氧化种类产生的虚假信号，该虚假信号干扰由待感测的分析物产生的信号的检测。某些干扰抑制成分通过尺寸排阻(例如通过排除特定尺寸的干扰物种)起作用。干扰抑制成分的示例包含一个或多个化合物层或涂层，如亲水性聚氨酯、醋酸纤维素(包含并入以下试剂的醋酸纤维素：诸如聚(乙二醇)、聚醚砜、聚四氟乙烯、全氟离聚物NafionTM、聚苯二胺、环氧树脂等)。
分析物感测成分
本发明的电化学传感器包含设置在传感器的电极上的分析物感测成分(参见例如图1D中的元件110)。在本文公开的本发明的工作实施方案中，该成分包括3-羟基丁酸酯脱氢酶(例如，SEQ ID NO:1或SEQ ID NO:2)和/或葡萄糖氧化酶。术语“分析物感测成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指包括能够识别待由分析物传感器设备检测其存在的分析物或与之反应的材料的成分。通常，分析物感测成分中的此材料在与待感测的分析物相互作用后通常经由导电成分的电极产生可检测信号。就这一点而言，分析物感测成分和导电成分的电极以组合方式工作以产生通过与分析物传感器相关联的设备读取的电信号。通常，分析物感测成分包括能够与可以通过测量导电成分(例如，酶3HBD或葡萄糖氧化酶)的电极处的电流的变化测量浓度的变化的分子反应和/或产生该分子的酶。能够产生分子(诸如过氧化氢)的酶可根据本领域已知的许多方法设置在电极上。分析物感测成分可涂覆传感器的所有或部分不同电极。在这种情况下，分析物感测成分可同等程度地涂覆电极。可替换地，分析物感测成分可不同程度地涂覆不同的电极，例如工作电极的涂覆表面大于反电极和/或参比电极的涂覆表面。
本发明的实施方案包括由具有所选择的分子量和成分比率的PVA-SbQ聚合物形成的分析物调节层。一般来讲，可用于分析物传感器的PVA-SbQ材料的结构是足够致密和稳定以在水性介质中(例如，体内)随时间推移保持其完整性的结构。分子量范围为31kDa至50kDa的低分子量“LMW”PVA可以商业购买(例如，Aldrich#36313-8)以及分子量范围为85kDa至146kDa的高分子量“HMW”PVA(Aldrich#36314-6)。PVA-SbQ方法和材料是本领域已知的(参见例如美国专利第7,638,157号、第7,415,299号和第6,379,883号、美国专利公开第20190094169号和第20170311858号，以及Ichimura等人，《聚合物科学杂志A辑：聚合物化学》(Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry)，第50卷，第19期，第4094-4102页(2012年))。例如，如本领域已知的，PVA可用N-甲基-4-(对-甲酰基苯乙烯基)吡啶甲基硫酸盐(SbQ)进行缩醛化。光敏化合物1-甲基-4-[2-(4-二乙基乙酰基苯基)乙烯基]吡啶甲基硫酸盐(SbQ-A盐)可以由硫酸二甲酯、对苯二甲酸酯单-(二乙缩醛)和4-甲基吡啶合成。SbQ-A盐可以与聚(乙烯醇)(PVA)在水性溶液中与作为催化剂的磷酸反应，以得到具有不同SbQ含量和分子量的光敏PVA-SbQ。
本发明的该元件的一些传感器实施方案利用已经以固定比率(例如通常针对葡萄糖氧化酶稳定性质而优化的比率)任选地与第二蛋白质(例如，白蛋白)组合并且然后施加于电极的表面以形成薄的酶成分的酶(例如，3-羟基丁酸酯脱氢酶和/或葡萄糖氧化酶)。在典型实施方案中，分析物感测成分包括GOx和HSA混合物。
如上所述，在本发明的一些实施方案中，可以对酶和第二蛋白(例如，白蛋白)进行处理以形成交联基质(例如，通过向蛋白混合物中添加交联剂)。如本领域已知的，交联条件可被操纵以调节诸如酶的保持生物活性、其机械和/或操作稳定性的因素。示例性交联程序描述于美国专利申请序列号10/335,506和PCT公开WO 03/035891中，其以引用方式并入本文。例如，可以向蛋白质混合物中添加胺交联试剂(诸如但不限于戊二醛)。向蛋白质混合物中添加交联试剂会产生蛋白质糊。待加入的交联剂的浓度可根据蛋白质混合物的浓度而变化。虽然戊二醛是一种说明性的交联剂，但是还可使用其他交联剂或可使用其他交联剂来代替戊二醛。也可使用其他合适的交联剂，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
如上所述，在本发明的一些实施方案中，分析物感测成分包括能够产生可由导电元件感测的信号的试剂(例如，3HBD或葡萄糖氧化酶)。然而，其他有用的分析物感测成分可以由能够在与待检测其存在的目标分析物相互作用后产生可以由导电元件感测的可检测信号的任何组合物形成。在一些实施方案中，组合物包括在与待感测的分析物反应时调节过氧化氢浓度的酶。可替换地，该组合物包括在与待感测的分析物反应时调节氧浓度的酶。在这种情况下，在与生理分析物的反应中使用或产生过氧化氢和/或氧的多种酶在本领域中是已知的，并且这些酶可容易地结合到分析物感测成分组合物中。本领域已知的多种其他酶可产生和/或利用其调节可被导电元件检测的化合物，该导电元件诸如结合到本文描述的传感器设计中的电极。
蛋白质成分
本发明的电化学传感器任选地包含设置在分析物感测成分与分析物调节成分之间的蛋白质成分(参见，例如图1D中的元件116)。术语“蛋白质成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指含有载体蛋白等的成分，该成分被选择为与分析物感测成分和/或分析物调节成分相容。在典型的实施方案中，蛋白质成分包括白蛋白，诸如人血清白蛋白。HSA浓度可在约0.5％-30％(w/v)之间变化。通常地，HSA浓度为约1％-10％w/v，并且最通常地为约5％w/v。在本发明的替代实施方案中，在这些上下文中使用的胶原蛋白或BSA或其他结构蛋白可代替HSA或除了HSA之外使用。根据本领域公认的协议，此成分典型地在分析物感测成分上交联。
粘合促进成分
本发明的电化学传感器可以包含一种或多种粘附促进(AP)成分(参见例如图1D中的元件114)。术语“粘附促进成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指包括被选择为能够促进传感器中邻接成分之间的粘附的材料的成分。典型地，粘合促进成分设置在分析物感测成分与分析物调节成分之间。典型地，粘合促进成分设置在可选的蛋白质成分与分析物调节成分之间。粘合促进剂成分可由本领域已知的多种材料中的任何一种制成，以促进这些成分之间的粘结，并且可通过本领域已知的多种方法中的任何一种来施加。通常，粘附促进剂成分包含硅烷化合物，诸如γ-氨基丙基三甲氧基硅烷。
高密度胺成分
本发明的电化学传感器可以包括一个或多个高密度胺成分层(参见例如图1E)，其为传感器提供多种有益功能。这样的层可以优化传感器功能，例如，通过充当邻近HDA层的层的粘合促进成分，通过减少葡萄糖传感器中可能出现的波动，通过改善传感器初始化配置等。通常，高密度胺成分设置在分析物感测成分与分析物调节成分之间，并与分析物感测成分和分析物调节成分直接接触。在典型实施方案中，高密度胺层包括分子量在30KDa与300KDa之间(例如，150KDa与300KDa之间)的聚-l-赖氨酸。聚-l-赖氨酸在此类高密度胺层中的浓度通常为0.1重量到重量％到0.5重量到重量％，并且高密度胺层为0.1到0.4微米厚。
分析物调节成分
本发明的电化学传感器包含设置在传感器上的分析物调制成分(参见，例如图1D中的元件112)。术语“分析物调制成分”根据本领域公认的专用词在本文中使用，并且是指通常在传感器上形成膜的成分，该膜的作用是调制一种或多种分析物(诸如葡萄糖)穿过该成分扩散。在本发明的某些实施方案中，分析物调节成分是分析物限制膜，其用于防止或限制一种或多种分析物(诸如葡萄糖)通过成分的扩散。在本发明的其他实施方案中，分析物调节成分用于促进一种或多种分析物通过该成分的扩散。任选地，可以形成此类分析物调节成分以抑制或限制一种类型的分子(例如，葡萄糖)扩散穿过该成分，而同时允许或甚至促进其他类型的分子(例如，O2)扩散穿过该成分。在本发明的示例性实施方案中，这是3-羟基丁酸酯调节层，其包含乙酸纤维素聚合物、聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物、聚氨酯/聚脲聚合物、支链丙烯酸酯聚合物等。在本发明的某些实施方案中，传感器层堆叠中的分析物调节层或另一材料层充当抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(或介体)扩散出传感器的阻挡层。
关于葡萄糖传感器，在已知的酶电极中，来自血液的葡萄糖和氧气以及一些干扰物(诸如抗坏血酸和尿酸)穿过传感器的初级膜扩散。当葡萄糖、氧和干扰物到达分析物感测成分时，酶(诸如葡萄糖氧化酶)催化葡萄糖转化为过氧化氢和葡糖酸内酯。过氧化氢可以穿过分析物调节成分扩散回去，或者其可以扩散到电极，在该电极处，过氧化氢可以反应形成氧气和质子以产生与葡萄糖浓度成比例的电流。分析物调节传感器膜组合件用于若干功能，包含选择性地允许葡萄糖通路从中穿过(参见例如美国专利申请第2011-0152654号)。
覆盖成分
本发明的电化学传感器可包括一种或多种通常为电绝缘保护性成分的覆盖成分(参见，例如图1D中的元件106)。通常地，此类覆盖成分可以呈涂层、鞘或管的形式并且被设置在分析物调节成分的至少一部分上。用作绝缘保护覆盖成分的可接受的聚合物涂层可包括但不限于无毒的生物相容性聚合物，诸如硅氧烷化合物、聚酰亚胺、生物相容性阻焊膜、环氧丙烯酸酯共聚物等。进一步，这些涂层可为可光成像的，以便于光刻形成通过导电成分的孔。典型的覆盖成分包括旋涂硅氧烷。如本领域已知的，此成分可以是可商购的RTV(室温硫化)硅酮组合物。在这种情况下，典型的化学物质是聚二甲基硅氧烷(乙酰氧基)。
C.本发明的典型分析物传感器系统实施方案
传感器元件和传感器的实施方案可以可操作地耦合到典型地与分析物传感器一起使用的多种其他系统元件(例如，结构元件如穿刺构件、插入套件等，以及电子部件如处理器、监测器、药物输注泵等)，例如使它们适于在各种环境(例如，植入哺乳动物体内)中使用。本发明的一种实施方案包括使用本发明的实施方案监测用户的生理特征的方法，该实施方案包括输入元件，其能够从传感器接收基于用户被感测到的生理特征值的信号，以及用于分析接收到的信号的处理器。在本发明的典型实施方案中，处理器确定生理特征值的动态行为，并且基于如此确定的生理特征值的动态行为提供可观察的指示器。在一些实施方案中，生理特征值是用户的血糖浓度的量度。在其他实施方案中，分析所接收信号并且确定动态行为的过程包括重复测量生理特征值以获得一系列生理特征值，以便例如以设计成提供关于传感器功能、分析物浓度测量、干扰的存在等的确认信息的方式将比较冗余结合到传感器装置中。
本发明的实施方案包含以以下方式和格式处理来自所感测的生理学特性(例如，血糖浓度)的测量结果的显示数据的装置：该方式和格式被定制成允许装置的用户容易地监测并且(在必要时)调制所述特性的生理学状态(例如，通过胰岛素施用调制血糖浓度)。本发明的示例性实施方案是一种设备，该设备包括能够接收来自传感器的信号的传感器输入，该信号基于感测到的用户的生理特征值；存储器，用于存储从来自传感器的所接收信号中感测到的用户生理特征值的多个测量值；以及显示器，用于呈现感测到的生理特征值的多个测量值的文本和/或图形表示(例如，文本、线图等、条形图等、网格图案等或其组合)。典型地，图形表示显示所感测的生理特征值的实时测量。这种设备可用于多种环境中，例如与其他医疗装置组合使用。在本发明的一些实施方案中，该装置与至少一个其他医疗装置(例如，葡萄糖传感器)组合使用。
示例性系统实施方案由葡萄糖传感器、发射器和泵接收器以及葡萄糖仪组成。在此系统中，可以每5分钟将来自发射器的无线电信号发送到泵接收器，以提供实时的传感器葡萄糖(SG)值。值/曲线图在泵接收器的监测器上显示，使得用户可以使用其自己的胰岛素泵自我监测血糖并且递送胰岛素。典型地，本文公开的设备的实施方案通过有线或无线连接与第二医疗设备通信。无线通信可包括例如接收发射的辐射信号，如同通过RF遥测、红外传输、光传输、声波和超声波传输等传输信号时发生的那样。任选地，装置是药物输注泵(例如，胰岛素泵)的一体化部分。通常，在此类装置中，生理特征值包括血糖的多个测量结果。
图3提供了根据本发明的一种示例性实施方案的皮下传感器插入系统的一个广义实施方案的透视图和传感器电子器件装置的框图。与这样的传感器系统实施方案通常一起使用的附加元件例如公开于美国专利申请第20070163894号中，其内容以引用方式并入。图3提供了遥测特征监测系统1的透视图，该系统包括皮下传感器套件10，其被提供用于将柔性传感器12等的活性部分经皮下放置在用户身体的选定部位处。传感器套件10的皮下或经皮部分包含具有尖锐尖端44的中空开槽插入针14和套管16。套管16内部是传感器12的感测部分18，以通过套管16中形成的窗口22将一个或多个传感器电极20暴露给用户的体液。感测部分18接合到终止于导电接触垫等的连接部分24，该导电接触垫等也通过绝缘层之一暴露。连接部分24和接触垫通常适于直接有线电连接到合适的监测器200，该监测器耦合到显示器214，以响应于源自传感器电极20的信号以监测用户的状况。连接部分24可以通过连接器块28(或类似物)方便地电连接到监测器200或特征监测器发射器100。
如图3所示，根据本发明的实施方案，皮下传感器套件10可以被配置或形成为与有线或无线特征监测系统一起工作。传感器12的近端部分安装在适用于放置到用户的皮肤上的安装基座30中。安装基座30可为具有下表面的衬垫，该下表面涂覆有合适的压敏粘合剂层32，剥离纸带34通常用于覆盖和保护粘合剂层32，直到传感器组10准备好使用。安装基座30包括上层36和下层38，柔性传感器12的连接部分24夹在层36与层38之间。连接部分24具有结合到传感器12的有源感测部分18的前部，该前部被成角度地折叠以向下延伸穿过形成在下基层38中的孔40。任选地，粘合剂层32(或与体内组织接触的设备的另一部分)包括抗炎剂以减少炎性反应和/或抗细菌剂以减少感染机会。插入针14适于通过形成在上部基层36中的针口42以及通过下部基层38中的下孔40滑动配合接收。插入后，拔出插入针14，使套管16和传感部分18以及传感器电极20留在选定的插入位点处的位置。在此实施方案中，遥测特性监测器发射器100通过连接器104经电缆102耦合到传感器套件10，该连接器电耦合到传感器套件10的连接器部分24的连接器块28。
在图3所示的实施方案中，遥测特征监测器100包括外壳106，其支撑印刷电路板108、电池110、天线112以及具有连接器104的电缆102。在一些实施方案中，外壳106由上壳体114和下壳体116形成，该上壳体和下壳体被超声焊接密封以形成防水(或耐水)密封，从而允许通过用水、清洁剂、酒精等进行浸入(或擦拭)来清洁。在一些实施方案中，上壳体114和下壳体116由医用塑料形成。然而，在替代实施方案中，上壳体114和下壳体116可通过其他方法(诸如卡扣配合、密封环、RTV(硅氧烷密封剂)并且结合在一起等)连接在一起，或者由其他材料(诸如金属、复合材料、陶瓷等)形成。在其他实施方案中，可以省去单独的壳体，并且将组件简单地封装在环氧树脂或其他可模塑材料中，该环氧树脂或其他可模塑材料与电子器件兼容并且合理地防潮。如图所示，下壳体116可以具有涂覆有适合的压敏粘合剂层118的下侧表面，其中通常提供剥离纸带120以覆盖并保护粘合剂层118，直到传感器套件遥测特性监测器发射器100准备使用为止。
在图3示出的示例性实施方案中，皮下传感器套件10有助于精确放置用于监测表示用户状况的特定血液参数的一类柔性薄膜电化学传感器12。传感器12监测身体内的葡萄糖水平并且可以与如美国专利第4,562,751号、第4,678,408号、第4,685,903号或第4,573,994号中所述的外部或植入式类型的自动或半自动药物输注泵结合使用，来控制对糖尿病患者的胰岛素递送。
在图3中示出的示例性实施方案中，传感器电极10可用于多种感测应用并且可通过多种方式来配置。例如，传感器电极10可用于其中一些类型的生物分子被用作催化剂的生理参数感测应用中。例如，传感器电极10可用在葡萄糖和氧传感器中，该传感器具有催化与传感器电极20反应的葡萄糖氧化酶。传感器电极10以及生物分子或一些其他催化剂可放置在人体内的血管或非血管环境中。例如，传感器电极20和生物分子可以放置在静脉中并且经受血流，或可以放置在人体的皮下或腹膜区。
在图3示出的本发明的实施方案中，传感器信号的监测器200也可以称为传感器电子器件装置200。监测器200可以包含电源、传感器接口、处理电子器件(即，处理器)和数据格式化电子器件。监视器200可以经电缆102通过连接器耦合到传感器套件10，该连接器电耦合到连接部分24的连接器块28。在替代实施方案中，可省略电缆。在本发明的这个实施方案中，监视器200可包括适当的连接器，用于直接连接到传感器组10的连接部分104。传感器组10可被修改成使连接器部分104位于不同的位置处，例如，在传感器组的顶部，以便于将监视器200放置在传感器组上方。
尽管本文所公开的分析物传感器和传感器系统通常被设计成可植入哺乳动物体内，但是本文所公开的发明并不限于任何特定的环境，而是可以在多种上下文中使用，例如用于分析大多数体内和体外液体样品，包含生物流体，诸如组织液、全血、淋巴液、血浆、血清、唾液、尿液、粪便、汗液、粘液、眼泪、脑脊液、鼻分泌物、宫颈或阴道分泌物、精液、胸膜液、羊水、腹膜液、中耳积液、关节液、胃液等。另外，可以将固体或干燥样品溶解在适当的溶剂中，以提供适合于分析的液体混合物。
应该理解，本发明不限于所描述的具体实施方案，因为它们当然可以变化。还应当理解，本文所用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，而不旨在进行限制，因为本发明的范围将仅受所附权利要求书的限制。在对优选实施方案的描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中以例示方式示出可实践本发明的具体实施方案。应当理解，可以利用其他实施方案，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构改变。

Claims (25)

1.一种安培分析物传感器系统，包括：
3-羟基丁酸酯感测电极，所述3-羟基丁酸酯感测电极包括：
电活性材料层；
包含与所述电活性材料可操作地接触的3-羟基丁酸酯脱氢酶的酶层；
与所述3-羟基丁酸酯脱氢酶可操作地接触的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；
与所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可操作地接触的介体；以及
设置在所述酶层上方的3-羟基丁酸酯调节层，其中所述3-羟基丁酸酯调节层包含调节3-羟基丁酸酯通过所述3-羟基丁酸酯调节层的扩散的组合物。
2.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中所述介体和/或所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸偶联至所述电活性材料。
3.根据权利要求2所述的安培分析物传感器系统，其中：
所述介体和/或所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸被截留在设置于所述电活性材料上方的聚合物内；
所述介体和/或所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸经由抗生物素蛋白与生物素之间的相互作用偶联至所述电活性材料；
所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸经由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸与包含苯基硼酸部分的化合物之间的相互作用偶联至所述电活性材料；
所述介体和/或所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸共价偶联至所述电活性材料；或者
所述电活性材料包括具有嵌入其中的所述介体的碳糊或碳墨。
4.根据权利要求3所述的安培分析物传感器系统，其中所述介体被截留在设置于所述电活性材料上方的氧化还原聚合物内。
5.根据权利要求3或4所述的安培分析物传感器系统，其中：
所述介体、连接剂和/或包含苯基硼酸部分的所述化合物经由电聚合过程可操作地偶联至所述电活性材料；并且/或者
所述连接剂包含偶联至所述电活性材料和所述介体和/或所述烟酰胺腺嘌呤的杂多官能化合物。
6.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中：
所述安培分析物传感器系统还包括设置在所述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸上方的阻挡层，其中所述阻挡层抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸通过其中的扩散。
7.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸设置在由随着时间推移降解的材料形成的层中或层下方，使得烟酰胺腺嘌呤二核苷酸随时间从所述安培分析物传感器系统中的基质释放。
8.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中所述3-羟基丁酸酯脱氢酶包括表现出与由勒莫氏假单胞菌、莓实假单胞菌或皮氏罗尔斯顿菌表达的3-羟基丁酸酯脱氢酶的至少90％序列同一性的3-羟基丁酸酯脱氢酶。
9.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中所述3-羟基丁酸酯脱氢酶包含氨基酸序列，所述氨基酸序列表现出与SEQ ID NO:1或SEQ ID NO:2的至少90％序列同一性。
10.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中：
抗生物素蛋白偶联至所述电活性材料；
生物素偶联至烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；
所述酶层包含与3-羟基丁酸酯脱氢酶组合的抗生物素蛋白和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，所述3-羟基丁酸酯脱氢酶截留在包含具有苯乙烯基吡啶侧链的聚(乙烯醇)的聚合物基质内；并且
所述分析物调节层包含乙酸纤维素、聚氨酯、聚碳酸酯或聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，其中：
3-羟基丁酸酯电极设置在适于接触间质流体的穿刺构件内；并且/或者
所述3-羟基丁酸酯电极包含比3-羟基丁酸酯脱氢酶分子的量高至少两倍的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸分子的量。
12.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，还包括：
处理器；以及
具有指令的计算机可读程序，所述指令致使所述处理器评估从所述3-羟基丁酸酯电极获得的信号数据；其中：
所述3-羟基丁酸酯电极和所述处理器被耦合，使得所述3-羟基丁酸酯电极监测存在于所述3-羟基丁酸酯电极处的3-羟基丁酸酯的水平；
所述处理器使用算法来计算3-羟基丁酸酯的浓度。
13.根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统，还包括葡萄糖感测电极，所述葡萄糖感测电极包括：
由电抗性材料形成的基座；
设置在所述基座上的电活性材料层；
设置在所述电活性材料层上的葡萄糖氧化酶层；以及
葡萄糖分析物调节层，所述葡萄糖分析物调节层设置在所述葡萄糖氧化酶层上方并且包含调节葡萄糖通过所述葡萄糖调节层的扩散的组合物。
14.根据权利要求13所述的安培分析物传感器系统，其中所述葡萄糖电极或所述3-羟基丁酸酯电极涂覆有至少一个另外的材料层，所述材料层包括：
干扰抑制层；
蛋白层；以及
粘附促进层；以及
包含分子量在30KDa和300KDa之间的聚-l-赖氨酸聚合物的层。
15.根据权利要求13所述的安培分析物传感器系统，还包括：
处理器；以及
具有指令的计算机可读程序，所述指令致使所述处理器评估从所述葡萄糖电极和所述3-羟基丁酸酯电极获得的信号数据；其中：
所述葡萄糖电极和所述处理器被耦合，使得所述葡萄糖电极监测存在于所述葡萄糖电极处的葡萄糖的水平；
所述3-羟基丁酸酯电极和所述处理器被耦合，使得所述3-羟基丁酸酯电极监测存在于所述3-羟基丁酸酯电极处的3-羟基丁酸酯的水平；
所述处理器使用第一算法来计算葡萄糖的浓度；并且
所述处理器使用第二算法来计算3-羟基丁酸酯的浓度。
16.一种制造估计3-羟基丁酸酯的浓度的安培分析物传感器电极的方法，所述方法包括以下步骤：
通过以下方式形成3-羟基丁酸酯检测电极：
提供基层；
在所述基层上形成导电层，其中所述导电层包括电活性材料；
将3-羟基丁酸酯脱氢酶、介体和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可操作地偶联至所述电活性材料；以及
形成设置在所述电活性材料上方的分析物调节层，其中所述分析物调节层包括调节3-羟基丁酸酯穿过其中的扩散的组合物；以及
(c)形成用于将电导管连接到所述3-羟基丁酸酯感测电极的接触垫；
使得制成所述安培分析物传感器电极。
17.根据权利要求16所述的方法，其中分析物调节层包括：
聚氨酯/聚脲聚合物；
支链丙烯酸酯聚合物；
乙酸纤维素聚合物；或者
聚-2-羟基乙基甲基丙烯酸酯聚合物。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述3-羟基丁酸酯电极进一步涂覆有至少一个另外的材料层，所述材料层包括：
干扰抑制层；
蛋白层；以及
粘附促进层；以及
包含分子量在30KDa和300KDa之间的聚-l-赖氨酸聚合物的层。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述3-羟基丁酸酯感测电极设置在穿刺构件内。
20.一种制造估计葡萄糖的浓度和3-羟基丁酸酯的浓度的安培分析物传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)通过以下方式形成葡萄糖检测电极：
提供基层；
在所述基层上形成导电层，其中所述导电层包括电活性材料；
在所述工作电极上方形成分析物感测层，其中所述分析物感测层包含葡萄糖氧化酶；以及
形成设置在所述分析物感测层上方的分析物调节层，其中所述分析物调节层包括调节葡萄糖穿过其中的扩散的组合物；以及
(b)通过以下方式形成3-羟基丁酸酯检测电极：
提供基层；
在所述基层上形成导电层，其中所述导电层包括电活性材料；
在所述工作电极上方形成分析物感测层，其中所述分析物感测层包含3-羟基丁酸酯脱氢酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；以及
形成设置在所述分析物感测层上方的分析物调节层，其中所述分析物调节层包括调节3-羟基丁酸酯穿过其中的扩散的组合物；以及
(c)形成用于将电导管连接到所述葡萄糖感测电极和所述3-羟基丁酸酯感测电极的接触垫；使得制成所述安培分析物传感器。
21.一种估计体内3-羟基丁酸酯浓度的方法，所述方法包括：
将根据权利要求1所述的安培分析物传感器系统设置到受试者的体内环境中，其中所述环境包含3-羟基丁酸酯；以及
估计3-羟基丁酸酯的所述浓度；
使得估计体内葡萄糖和3-羟基丁酸酯的所述浓度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中：
所述安培分析物传感器系统是根据权利要求13所述的安培分析物传感器系统；并且
所述方法包括估计体内3-羟基丁酸酯和葡萄糖的所述浓度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述安培分析物传感器系统的电极设置在间质空间内。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括选择所述受试者作为被诊断患有酮症酸中毒的受试者。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括选择受试者作为被诊断患有糖尿病的受试者。
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