CZ20022024A3

CZ20022024A3 - Přístroj a způsob pro perkutánní odběr bilogické kapaliny a měření analytu

Info

Publication number: CZ20022024A3
Application number: CZ20022024A
Authority: CZ
Inventors: Borzu Sohrab
Original assignee: Lifescan, Inc.
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2003-12-17
Also published as: IL150097A0; AR034379A1; JP2003038464A; KR20020094899A; AU4445102A; AU784464B2; US6501976B1; US20030055326A1; TWI234451B; CA2390332A1; CN1273833C; MXPA02005619A; IL150097A; US20020188185A1; CN1391104A; PL354419A1; EP1266625A2; RU2002115713A; HK1049593A1; EP1266625A3

Description

Přístroj a způsob pro perkutánní odběr biologické kapaliny a měření analytů

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká přístrojů a způsobů pro perkutánní odběru biologické kapaliny a měření analytů.

Dosavadní stav techniky

Detekce analytů v biologických kapalinách má stále větší význam. Testy pro detekci analytů nacházejí použití v různých aplikacích, včetně klinického laboratorního testování, domácího testování atd., a výsledky takového testování mají významnou úlohu v diagnostice a léčbě různých onemocnění. Mezi časté analyty patří glukosa, například při léčbě diabetů, cholesterol, a podobně.

Běžnou technikou pro odběr vzorku krve pro stanovení analytů je propíchnutí kůže alespoň do podkoží pro narušení krevních cév za vzniku lokalizovaného krvácení na povrchu těla. Získaná krev se potom odebere do malé kapiláry a analyzuje se v testovacím přístroji, často ve formě příručního přístroje majícího testovací proužek, na který se umístí vzorek krve. Pro tento způsob odběru krve se nej častěji používá konec prstu, protože obsahuje velké množství malých kapilár. Tato metoda má významnou nevýhodu v tom, že je velmi bolestivá, protože podkožní tkáň na konečcích prstů má vysokou koncentraci nervových zakončení. Je nevhodná pro pacienty, kteří vyžadují časté monitorování analytů a není pro ně výhodný odběr krve. Například u diabetiků vede selhání předepsaného častého měření koncentrace glukosy k chybění informací nutných pro správnou kontrolu koncentrace glukosy.

• ·

I « ··

Nekontrolované koncentrace glukosy mohou být velmi nebezpečné až smrtící. Tato technika odběru krve má také riziko infekce a přenosu onemocnění na pacienta, zejména je-li prováděna často. Problémy s touto technikou jsou umocněny skutečností, že je omezen povrch kůže, který může být použit pro časté odběry krve.

Pro překonání nevýhod výše uvedené technik a jiných technik, které jsou spojeny s značnou bolestivostí byly vyvinuty některé protokoly a prostředky pro stanovení analytu, které používají mikrojehly nebo podobné nástroje pro dosažení přístupu k intersticiální kapalině v kůži. Mikrojehly penetrují do kůže do hloubky menší než je podkožní vrstva, takže se minimalizuje bolest pociťovaná pacientem. Intersticiální kapalina se potom odebere a testuje se na koncentraci cílové sloučeniny. Koncentrace sloučeniny v intersticiální kapalině odpovídá koncentraci sloučeniny v jiných tělesných kapalinách, jako je krev. Tak může být například - odběrem intersticiální kapaliny a měřením koncentrace glukosy v této kapalině určena příslušná koncentrace glukosy v krvi pacienta.

I přes pokroky v oblasti testování analytů trvá zájem o identifikaci nových metod pro detekci analytů, které by více splňovaly potřeby trhu. Zejména důležitý by byl vývoj minimálně invazivního systému pro detekci analytu, který by byl praktický, snadno vyrobitelný, přesný a snadno použitelný, stejně jako bezpečný a účinný.

Seznam relevantní literatury

U.S. Patenty: 5,161,532, 5,582,184, 5,746,217, 5,820,570,

5,879,310, 5,879,367, 5,942,102, 6,080,116, 6,083,196,

6,091,975 a 6,162,611. Další patenty a přihlášky: WO 97/00441, WO 97/42888, WO 98/00193 WO 98/34541, WO 99/13336, WO 99/27852, WO 99/64580, WO 00/35530, WO 00/45708, WO 00/57177, WO 00/747063 a WO 00/74765A1.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález poskytuje přístroje a systémy pro minimálně invazivní odběr biologické kapaliny a měření analytu, stejně jako způsoby jejich použití. Obecně, přístroje podle předkládaného vynálezu obsahují podlouhlý nástroj pro odběr vzorku umožňující získání biologické kapaliny, koncentricky uspořádané pracovní a referenční elektrody umístěné v podlouhlém nástroji pro odběr vzorku, které definují elektrochemickou komůrku pro měření koncentrace analytu v biologické kapalině. V některých provedeních přístroj dále obsahuje izolační materiál umístěný mezi koncentricky uspořádanými elektrodami. Přístroj také obsahuje zařízení pro elektrochemické měření analytu v elektrochemické komůrce, například pro coulometrické, amperometrické nebo potenciometrické měření.

V přesnějším provedení přístroj podle předkládaného vynálezu obsahuje prvek umožňující penetraci do kůže složený z koaxiálně uložených pracovní a referenční elektrody, které tvoří elektrochemickou reakční komůrku, kde reakční zóna je lokalizována mezi elektrodami. Elektrochemická komůrka je určena pro elektrochemické měření analytu ve vzorku biologické kapaliny, který se získá prvkem umožňujícím průnik do kůže a který je transportován do elektrochemické komůrky. V prostoru mezi elektrodami je umístěn porózní materiál, který definuje reakční zónu a který zajišťuje optimální uložení elektrod navzájem, obvykle v paralelním uspořádání. Porózní materiál obsahuje mnoho pórů, které působí na odebraný vzorek kapilárními silami, což způsobuje transport vzorku do porózního materiálu.

Příkladný způsob podle předkládaného vynálezu zahrnuje použití alespoň jedné mikrojehly podle předkládaného vynálezu mající otevřený distální konec a obsahující elektrochemickou komůrku. Elektrochemická komůrka může dále obsahovat systém redukčních činidel a koncentricky uspořádané elektrody, například koaxiálně uložené pracovní a referenční elektrody. Mikrojehla se zavede do kůže do vybrané hloubky, výhodně do takové hloubky, ve které nedojde ke kontaktu s nervovými zakončeními a krevními cévami. Potom se vzorek biologické kapaliny přítomné na otevřeném distálním konci mikrojehly nasaje - působením kapilárních sil - do elektrochemické komůrky. Potom se provede elektrochemické měření mezi pracovní a referenční elektrodou, které generuje elektrický signál odpovídající koncentraci cílové složky ve vzorku. Koncentrace složky v krvi pacienta se potom odvodí ze získaného elektrického signálu. Numerická hodnota představující tuto koncentraci může být zobrazena na obrazovce. Software, který je součástí přístroje, například v řídící jednotce přístroje, může být použit pro stanovení úrovně signálu přenášeného řídící jednotkou do komůrky a pro odvození koncentrací cílového analytu.

V některých provedeních obsahuje předkládaný vynález systém obsahující jeden nebo více přístrojů, každý ve formě mikroprvku pro penetraci do kůže, řídící jednotky, obrazovky a obalu. Vynález také poskytuje kity pro použití při provádění způsobů podle předkládaného vynálezu· • ·

·· · ·

Prostředky, systémy a metody podle předkládaného vynálezu jsou použitelné pro měření koncentrací různých analytů a zejména jsou vhodné pro měření koncentrací glukosy v intersticiální kapalině.

Popis obrázků na připojených výkresech

Obr. 1 zahrnuje obr. ΙΑ, 1B, IC a ID, kde obr. 1A je podélný řez mikrojehlou podle předkládaného vynálezu, obr. 1B je příčný řez mikrojehlou z obr. 1A v rovině šipek b-b, obr.

IC je příčný řez mikrojehlou z obr. 1A v rovině šipek c-c a obr. ID je pohled shora na mikrojehlu z obr. 1A v rovině šipek d-d; a

Obr. 2 je schématické znázornění měřícího a odběrového přístroje podle předkládaného vynálezu.

Podrobný popis vynálezu

Předkládaný vynález poskytuje perkutánní přístroje a systémy, stejně jako způsoby jejich použití. Charakteristickým rysem přístrojů podle předkládaného vynálezu je přítomnost prvku umožňujícího penetraci do kůže, který obsahuje koncentrické pracovní a referenční elektrody, které definují elektrochemickou komůrku mající reakční plochu či zónu, do které natéká získaná kapalina a ve které se provádí elektrochemické stanovení analytu přítomného v získané kapalině. Předkládaný vynález je použitelný pro odběr složek nacházejících se v biologických kapalinách jako je krev a intersticiální kapalina, a v detekci a měření různých analytů, například glukosy, cholesterolu, elektrolytů, farmaceutických činidel, zakázaných léků a podobně. V dalším popisu je nejprve uveden obecný přehled. Přístroje, systémy a způsoby jejich ·♦ • · · • · · · ♦ · ·

9 9999 • · • · ·

9 9 · · • »· ♦ · · ·· ·

• 99 · · použití jsou potom popsány podrobněji a potom následuje popis kitů podle předkládaného vynálezu.

Před dalším popisem vynálezu je třeba si uvědomit, že vynález není omezen na konkrétní provedení popsaná dále, protože i jiná provedení spadají do rozsahu připojených patentových nároků. Je také třeba si uvědomit, že použité výrazy nijak neomezují rozsah vynálezu a jsou použita pro přesnější popis vynálezu. Rozsah předkládaného vynálezu je určen pouze připojenými nároky.

Když je uvedeno rozmezí hodnot, tak je to třeba chápat tak, každá hodnota mezi - na desetinu jednotky dolní hodnoty pokud není uvedeno jinak - horním a dolním limitem, spadá do uvedeného rozsahu. Horní a dolní limity těchto menších rozmezí mohou být také zahrnuty v předkládaném vynálezu, pokud není výslovně takový limit vyloučen. Když uvedené rozmezí zahrnuje jeden nebo oba limity, tak jsou hodnoty přesahující jeden nebo oba tyto zahrnuté limity obsaženy v předkládaném vynálezu.

Pokud není uvedeno jinak, mají všechny použité technické a vědecké termíny běžně užívané významy. Ačkoliv může být v provedení nebo testování předkládaného vynálezu použito jakýchkoliv metod a materiál podobných uvedeným materiálům, jsou výhodné materiály a metody popsané dále. Všechny citované publikace jsou zde uvedeny jako odkazy pro způsobů a/nebo materiál popsaných v uvedených publikacích.

Je třeba si uvědomit, že v připojených patentových nárocích jednotné číslo podstatných jmen zahrnuje množné číslo. Tak ,například, výraz testovací proužek označuje více takových testovacích proužků a výraz procesor označuje různé procesory.

Uvedené publikace jsou uvedeny pouze pro popis objevů uvedených před podáním předkládaného vynálezu. V předložené přihlášce neexistuje žádný záměr antedatovat takovou publikaci tímto vynálezem. Dále, data publikování se mohou lišit od skutečných dat publikování, která musí být nezávisle potvrzena.

Obecný popis

Přístroje podle předkládaného vynálezu obecně obsahují prvek umožňující penetraci do kůže, zařízení pro odběr kapaliny a zařízení pro provedení měření, kde tyto prvky jsou různým způsobem integrovány do jednoho zařízení. Prvek umožňující penetraci do kůže obsahuje alespoň jeden mikroprvek penetrující do kůže, například mikrojehlu a podobně, která se použije pro penetraci do kůže do takové hloubky, ve které jsou minimalizovány - výhodně eliminovány - bolest a krvácení.

V mnoha provedeních proniká mikrojehla do hloubky nad úrovní přítomnosti nervů. Tak pronikají penetrující prvky do kůže do hloubky dermis, epidermis a stratům corneum (tj. zevní vrstvy epidermis).

Přístroj dále obsahuje zařízení pro odběr kapaliny, kde toto zařízení je tvořeno geometrií a konstrukcí mikrojehly samotné, přesněji vnitřní konstrukcí a geometrií. Přesněji, mikrojehla má obvykle podlouhlý tvar a otevřený distální konec navazující na prostor v její struktuře, který je dostatečně malý pro to, aby mohl vytvářet kapilární síly působící na kapalinu přítomnou na otevřeném distálním konci, kapilární síla nasává kapalinu (například intersticiální kapalinu a/nebo krev, podle potřeby a podle délky mikrojehly) do prostoru v mikrojehle a do měřícího zařízení.

Jak bylo uvedeno výše, je složkou přístroje podle předkládaného vynálezu měřící zařízení. Měřící zařízení podle předkládaného vynálezu je tvořeno elektrochemickou komůrkou v struktuře mikrojehly, ve které se měří koncentrace složky, například analytu, ve vzorku kapaliny. Elektrochemická komůrka obsahuje pracovní elektrodu a referenční elektrodu, které poskytují vstupní referenční signál pro odebranou kapalinu a výstupní signál reprezentující koncentraci cílové složky nebo analytu v odebrané kapalině. V předkládaném vynálezu mohou být použity různé typy elektrochemických systémů a způsobů známých pro detekci a měření analytu, včetně systémů, které jsou ampermetrické (t.j. měří proud), coulometrické (t.j., měří elektrický náboj) nebo potenciometrické (t.j. měří napětí). Příklady takových elektrochemických měřících systémů jsou dále popsány v U.S. Patentech č.: 4,224,125; 4,545,382; a 5,266,179; a WO 97/18465 a WO 99/49307; jejichž objevy jsou zde uvedeny jako odkazy.

V mnoha provedeních obsahují přístroje pro odběr biologické kapaliny a měření koncentrace analytu, například mikrojehly podle předkládaného vynálezu, alespoň dvě elektrody, referenční elektrodu a pracovní elektrodu. Referenční elektroda dodává vstupní signál do elektrochemické komůrky a pracovní elektroda dodává signál z komůrky. V některých provedeních jsou elektrody separovány porézním izolátorem, který definuje reakční zónu v mikrojehle, kde takový porosní izolátor působí jako složka přístroje tím, že nasává nebo podobným způsobem transportuje pomocí kapilárních sil odebranou kapalinu do elektrochemické komůrky.

V některých provedeních obsahují mikrojehly podle předkládaného vynálezu systém redukčních činidel, obvykle na ti· • * • · ti · •ti ti··· reakčním povrchu jedné nebo obou elektrod. Alternativně může být systém redukčních činidel obsažen v porózním izolátoru.

V každém případě systém redukčních činidel obvykle obsahuje jeden nebo více enzymů a mediátor.

V předkládaném vynálezu je elektrochemická komůrka elektricky napojena na řídící prvek, který nastavuje vstupní referenční signály přenášené do elektrochemické komůrky, získává výstupní signály z elektrochemické komůrky a potom odvozuje koncentraci složky ve vzorku z výstupního signálu. Jinými slovy, pracovní a referenční elektroda jsou v elektrickém spojení se zařízením pro elektrochemické měření za použití pracovní a referenční elektrody, například se zařízením pro aplikaci elektrického proudu mezi dvěma elektrodami, měření změny proudu, v čase a výpočet vztahu pozorované změny proudu ke koncentraci analytu v elektrochemické komůrce. Detekce a/nebo koncentrace složky nebo analytu v biologické kapalině, například krvi, pacienta, se potom určí z koncentrace ve vzorku kapaliny a numerická hodnota této koncentrace se může zobrazit na obrazovce.

V mnoha provedeních jsou řídící prvek a obrazovka integrálně umístěny v ochranném krytu. Kryt může mít takovou formu, která umožňuje připevnění jedné nebo více mikrojehel a která je vhodná pro odběr vzorku a měření v ruce.

Z uvedeného popisu je jasné, že geometrie a konstrukce přístroje podle předkládaného vynálezu poskytuje tři funkce v jedné mikrojehle: průnik do kůže, odběr vzorku biologické kapaliny a měření složky nebo analytu ve vzorku. V mnoha provedeních jsou kroky odběru a měření provedeny zcela in šitu, což eliminuje potřebu běžného odběru vzorku z kůže, aplikaci vzorku na testovací proužek či podobný prvek, a ··

I «

• 9 ·

• 9

9 • •99 »« ·· ·· použití dalšího zařízení nebo přístroje pro testování vzorku. Detekce in sítu tedy minimalizuje prodlevu spojenou s dřívějšími metoda odběru vzorku, při kterých se nejprve odebírá biologická kapalina a potom se provádí měření.

Prostředky pro průnik kůží

Jak bylo uvedeno výše, prostředky pro průnik kůží obsahují alespoň jeden mikro-nástroj pro propíchnutí kůže, například mikrojehlu. Dále, aspektem předkládaného vynálezu je to, že je eliminováno nebo alespoň značně minimalizováno krvácení a bolest u pacienta během odběru vzorku. Proto je výhodné, aby mikrojehla penetrovala do hloubky. Tato hloubka samozřejmě závisí na typu odebírané biologické kapaliny (například intersticiální kapaliny, krve nebo obou), vrstvě kůže, ze které má být odběr proveden a tloušťce kůže pacienta a na použitém prostředku.

Kůže se skládá ze tří odlišných vrstev, horní vrstvy označované jako epidermis, střední vrstvy označované jako dermis a dolní vrstvy označované jako podkoží. Epidermis je silná přibližně 60 až 120 μπι (mikronů) a obsahuje čtyři různé vrstvy: 10 až 20 μπι vnější vrstvu, označovanou jako stratům corneum, potom stratům granulosum, stratům malpighii a stratům germinativum. Stratům corneum obsahuje buňky vyplněné svazky zesítěného keratinu a keratohyalinu a tyto buňky jsou obklopené extracelulární hmotou tvořenou lipidy. Vnitřní tři vrstvy se souhrnně označují jako živá epidermis a mají celkovou tloušťku v rozmezí přibližně 50 až 100 μιη. Živá epidermis je odpovědná za difusi metabolitů z a do dermis. Epidermis neobsahuje krvinky ani nervová zakončení. Dermis je mnohem silnější než epidermis a má tloušťku v rozmezí od přibližně 2000 do 3000 μπι. Dermální vrstva obvykle obsahuje husté lůžko tvořené pojivém, včetně kolagenových fibril, a intersticiální kapalinu lokalizovanou mezi vlákny. Pod dermální vrstvou je podkožní tkáň, která obsahuje krevní kapiláry a většinu nervových zakončení v kůži.

Proto mají v mnoha provedeních mikrojehly podle předkládaného vynálezu výhodně hloubku penetrace nepřesahující při maximálním průniku stratům corneum, epidermis nebo dermis, aby se minimalizovala bolest, mohou však být delší, pokud je to nutné pro určité aplikace. Poměr délka/průměr pro mikrojehly je dalším faktorem uvažovaným při výběru optimální délky mikrojehel podle předkládaného vynálezu. Pro účinný a atraumatický průnik do kůže je délka mikrojehly obvykle alespoň přibližně 5-krát větší než průměr mikrojehly, ale může být větší nebo menší. Minimální průměr mikrojehly je závislý na vzdálenosti mezi elektrodami a průměry dalších složek elektrochemické komůrky. Proto mají mikrojehly podle předkládaného vynálezu obvykle délku od přibližně 500 do 4000 μπι, typicky mezi přibližně 600 a 3000 μπι a nejčastěji mezi přibližně 1000 a 2000 μπι; nicméně, délka se liší pacient od pacienta podle tloušťky kůže vyšetřovaného pacienta. Ačkoliv mohou mít mikrojehly délku delší než je hloubka cílové kožní vrstvy, mohou být mikrojehly zavedeny do kůže do hloubky (označované jako hloubka penetrace), která je menší než je délka mikrojehly. Tak mohou mít pro minimalizaci bolesti u pacienta mikrojehly výhodně hloubku penetrace v rozmezí od přibližně 50 do 4000 μπι, lépe od přibližně 100 do 3000 μπι. Například, pro odběry vzorků, které vyžadují penetraci pouze do epidermis, je hloubka penetrace mikrojehly obvykle mezi přibližně 50 a 120 μιη. Pro odběry vzorků, které vyžadují penetraci do hloubky ne větší než je hloubka dermis, je hloubka penetrace mikrojehly obvykle od přibližně 2000 do 3000 μπι.

Obecné složení příkladné mikrojehly podle předkládaného vynálezu je uvedeno na obr. 1A-D. Mikrojehla 100 je v podstatě rovná podél dlouhé osy a má v podstatě kruhový průměr.

Nicméně, může být použit jakýkoliv vhodný průřez, včetně okrouhlého, jako eliptický nebo oválný, nebo polygonálního, jako je čtvercový nebo obdélníkový. Největší průměr mikrojehly nepřesahuje přibližně 350 gm a je obvykle mezi přibližně 200 a 300 gm. V některých provedeních je průměr přibližně 250 gm.

Mikrojehla 100 končí na distálním konci 104 výhodně ostrým zakončením 102, které je sešikmené, jak je uvedeno na obr. ID, pro snadnější průnik kůží. Nicméně, konec 102 může mít jiný vhodný tvar, jako je nesešikmený tvar s hranou, která leží v rovině kolmé na podélnou osu mikrojehly (není uvedeno).

Jakýkoliv vhodný počet mikrojehel, ve formě sestavy, může být použit v předkládaném vynálezu. Počet použitých mikrojehel závisí na různých faktorech, včetně detekované sloučeniny, lokality těla, do které se mikrojehly zavádějí, a podobně. Sestava mikrojehel může obsahovat mikrojehly mající různý tvar, délku, šířku a tvar zakončení.

Elektrochemická komůrka

Jak bylo uvedeno výše, je rysem předkládaného vynálezu přítomnost - v prostředku pro penetraci kůží - elektrochemické komůrky, která je definována koncentricky uspořádanými pracovní a referenční elektrodou. Mikrojehla 100 obsahuje elektrochemickou komůrku, která dodává elektrický signál nebo signály reprezentující koncentraci testovaného analytu v odebrané biologické kapalině. Elektrochemická komůrka obsahuje různé složky nebo vrstvy, které jsou navzájem

4·

4» ·

44

4 4 » ·

4« » ♦·

4 •

• 44

0 • 4 • 4 4 • 4

4«

4 4« koncentricky uspořádané. V mnoha provedeních může být toto koncentrické uspořádání také cirkumferenciální nebo koaxiální.

Jak je vidět z podélného řezu na obr. IA a průřezu na obr. 1B, obsahuje mikrojehla 100 pevné drátěné jádro 106 a vnější obal 114. Pevné drátěné jádro 106 dodává mikrojehle rigiditu a a může být součástí sousední elektrody. Vnější obal 114 může být vyroben z nerezové oceli nebo podobného materiálu. Mezi drátěným jádrem 106 a vnějším obalem 114 je lokalizovaná daná elektrochemická komůrka, které je tvořena první nebo vnitřní elektrodou 108, porézním izolátorem 110 a druhou nebo vnější elektrodou 112.

Jak je ukázáno v pohledu na proximální konec na obr. IC v rovině šipek c-c na obr. IA, definují druhá neboli vnější elektroda 112 a vnější obal 114 hranu 116 a konec 102 mikrojehly 100. Tři nejvnitřnější vrstvy, izolátor 110, první elektroda 108 a pevné drátěné jádro 106, přesahují až do oblasti 118 (proximálně k distálnímu konci 104), kde mají tyto tři vrstvy distální konce a v podstatě splývají. Tyto konce definují uzavřený proximální konec 122 a lumen 120 mající stěnu, definovanou druhou elektrodou 112, a vnější obal 114, který sahá až k distálnímu otvoru na distálním konci 116, jak je uvedeno na obr. IA. Lumen 120 vytváří kapilární sílu, která nasává biologickou kapalinu přítomnou v otvoru lumen 128 na konci 102. Lumen 120 má objem, který nepřesahuje přibližně 250 nl a který je obvykle v rozmezí od přibližně 20 do 140 nl.

V některých provedeních je objem přibližné 65 nl. Porosní izolátor 110 potom poskytuje druhou kapilární sílu nasávající biologickou kapalinu obsaženou v lumen 120.

Pevné drátěné jádro 106 má průměr nepřesahující 120 gm, obvykle v rozmezí od přibližně 80 do 100 gm a obvykle

4* nepřesahuje přibližně 120 μιη. V některých provedeních je průměr obvykle přibližně 90 μιη. První elektroda 108 má cylindrický tvar (ačkoliv i jiné tvary jsou možné) s tloušťkou nepřesahující 300 A, obvykle v rozmezí od přibližně 70 do 200 Angstromů. V některých provedeních je tloušťka přibližně 100 Angstromů. Porózní izolátor 110 má také cylindrický tvar (ačkoliv i jiné tvary jsou možné) s tloušťkou nepřesahující přibližně 200 μπι, obvykle v rozmezí od přibližně 50 do přibližně 80 μπι. Druhá elektroda 112 má také cylindrický tvar (ačkoliv i jiné tvary jsou možné) s tloušťkou nepřesahující 300 A, obvykle v rozmezí od přibližně 70 do 200 Angstromů.

Tenká vnější trubice 114, do které je druhá elektroda 112 elektrolyticky pokovena, má sílu v rozmezí od přibližně 12 do 20 μπι, a obvykle nepřesahuje 25 μπι.

Elektroda 112, tj. vnější elektroda, je použita jako referenční elektroda, tj. elektroda, která dodává vstupní signál do elektrochemické komůrky, a druhá elektroda, tj. vnitřní elektroda, je použita jako pracovní elektroda, tj. elektroda, která dodává výstupní signál reprezentující koncentraci analytu v odebrané kapalině. Obvykle je délka vnější elektrody 112 v podstatě stejná jako délka mikrojehly, a tak není obvykle větší než přibližně 4000 μπι. Častěji je délka vnější elektrody mezi přibližně 1000 μπι a 3000 μπι, a výhodně přibližně 2000 μπι. Vnitřní elektroda může mít stejnou délku jako vnější elektroda, ale výhodně je kratší. Délka vnitřní elektrody je obvykle přibližně o 20% kratší než délka vnější elektrody a není obvykle větší než přibližně 3200 μιη nebo méně, a je obvykle mezi přibližně 800 a 2400 μπι, častěji přibližně 1600 μπι.

» « »4 ·· ♦

» <k « • * ·«· ·· <*· ·

t • 4 ·* • · · ♦ · · ·· ····

Alespoň jeden povrch elektrod, který je lokalizován směrem k reakční zóně (tj. poréznímu izolátoru) v mikrojehle, je vyroben z vysoce vodivého materiálu, jako je paladium, zlato, platina, stříbro, iridium, uhlík, oxid cíničitý obohacený indiem, nerezová ocel a podobně, nebo kombinací těchto materiálů. Nejčastěji je kovem zlato, platina nebo palladium. Ačkoliv může být celá elektroda vyrobena z kovu, může být každá elektroda vyrobena z inertního nosiče nebo substrátu, na jehož povrch je nanesena tenká vrstva kovu (například elektrolytickým pokovováním).

Porózní izolátor

Jak bylo uvedeno výše, pracovní a referenční elektrody definují hranice reakční zóny, která je - v provedení z obr. 1 - ve formě cylindrického oválu. Reakční zóna je vyplněna hydrofilním porózním izolátorem majícím zevní a vnitřní povrch a sílu obvykle nepřesahující 150 gm a obvykle v rozmezí od přibližně 50 do 80 gm. Objem reakční zóny obvykle nepřesahuje přibližně 150 nl a obvykle je od přibližně 15 do přibližně 110 nl. V některých provedeních je objem přibližně 50 nl.

Porózní izolátor obsahuje póry nebo dutiny v alespoň části struktury mikrojehly. Póry jsou takové velikosti, aby způsobovaly kapilární sílu, která nasává kapalinu z lumen 120. Póry jsou také dostatečně propojeny, aby byl umožněn průtok kapaliny skrz porózní materiál. Průměrná velikost pórů je od přibližně 1000 do 5000 nm a častěji od přibližně 1000 do 2000 nm. Porózní izolátor může být vyroben z keramických nebo plastových materiálů, jako jsou polymery. Mezi vhodné typy polymerů patří, například, polyimidy, polysulfon a celulosa. Jak je v oboru známo, mohou být polymery upraveny na porózní

materiál odstraněním extraktovatelných nebo těkavých složek obsažených v polymerech.

Činidla

Pro vybrání a stanovení cílového analytu nebo složek vybraných pro analýzu ze složek v odebrané biologické kapalině se obvykle použije systém redukčních činidel. Redukční činidlo systému redukčních činidel je obvykle uloženo na reakčním povrchu, tj. povrchu směrem k poréznímu izolátoru, jedné nebo obou elektrod, ale v mnoha provedeních je redukční činidlo přítomno na reakčním povrchu pracovní elektrody. Činidlo je výhodně potaženo nebo deponováno na povrch pomocí potahování ponořením. Alternativně může být činidlo obsaženo v porézním izolátoru, například za použití saturačního potahování, které je známé v oboru. Použité činidlo je vybráno podle cílového analytu. Interakce činidla a příslušné složky nebo analytu je použita při elektrochemickém měření pro stanovení koncentrací cílového analytu nebo složky v komůrce.

Mezi činidla přítomná v reakční oblasti obvykle patří alespoň jeden enzyme a mediátor. V mnoha provedeních je enzymový prvek systému činidel enzym nebo více enzymů, které společně oxidují daný analyt. Jinými slovy, enzymová složka systému činidel je tvořena jedním enzymem oxidujícím analyt nebo souborem dvou nebo více enzymů, které společně oxidují daný analyt. Mezi tyto enzymy patří oxidasy, dehydrogenasy, lipasy, kinasy, diaforasy, chinoproteiny a podobně. Konkrétní typ enzymu přítomný v reakční oblasti závisí na konkrétním analytu, který má detekovat elektrochemický testovací proužek, a mezi příklady enzymů patří: glukosa-oxidasa, glukosadehydrogenasa, cholesterol-esterasa, cholesterol-oxidasa, lipoprotein-lipasa, glycerol-kinasa, glycerol-3-fosfat• · · fe · I oxidasa, laktat-oxidasa, laktat-dehydrogenasa, pyruvatoxidasa, alkohol-oxidasa, bilirubin-oxidasa, urikasa a podobně. V mnoha výhodných provedeních, kde je analytem glukosa, je enzymovou složkou systému činidel enzym oxidující glukosu (např. glukosa-oxidasa nebo glukosa-dehydrogenasa).

Druhá složka systému činidel je mediátorová složka, která se skládá z jednoho nebo více mediátorových čindel. V oboru jsou známá různá mediátorová činidla a patří mezi ně: ferrokyanid, fenazinethosulfát, fenazinmethosulfát, fenylendiamin, 1-methoxy-fenazinmethosulfát, 2,6-dimethyl-1,4-benzochinon, 2,5-dichlor-l,4-benzochinon, deriváty ferrocénu, komplexy osmium-bipyridyl, rutheniové komplexy a podobně. V těch provedeních, kde je analytem glukosa a enzymem buď glukosa-oxidasa nebo glukosa-dehydrogenasa, je výhodným mediátorem ferrokyanid. Mezi další činidla, která mohou být přítomná v reakční zóně, patří pufrovací činidla, (například citrakonát, citrát, fosfát), Good pufry a podobně.

Činidlo je obvykle přítomno v suché formě. Množství různých složek může být různé a enzymová složka je obvykle přítomna v množství od přibližně 0,1 do 10% hmotnostních.

Příkladné provedení systému

Jak bylo popsáno výše, poskytuje předkládaný vynález systém pro odběr biologické kapaliny z kůže pacienta a měření cílové složky v biologické kapalině, kde tento systém se obecně skládá z alespoň jedné mikrojehly obsahující prvek pro odběr vzorku, činidla a elektrochemické komůrky a řídícího prvku pro odesílání a přijímání elektrických signálů a ze softwaru.

Na obr. 2 je schématicky znázorněn systém 50 podle předkládaného vynálezu. Systém 50 obsahuje příruční řídící jednotku 52 a přístroj 10 operativně připevněný na distální konec 54 řídící jednotky 52. Přístroj 10 obsahuje sestavu mikrojehel podle předkládaného vynálezu, jako je mikrojehla 100 z obr. 1. Řídící jednotka 52 má kryt 56, výhodně vyrobený z lékařského plastu, který je určen pro uložení zařízení (není uvedeno) pro řízení senzorového přístroje 10, t.j., pro generování a přenos vstupního referenčního signálu do elektrochemické komůrky mikrojehly 100 a získávání výstupních signálů z komůrky. Kryt 56 může dále obsahovat zařízení pro uchycení sestavy mikrojehel nebo jediné mikrojehly, jako je nosič nebo substrát a podobně.

Software v řídící jednotce 52 automaticky vypočítává koncentrace cílového analytů v biologickém vzorku po získání výstupního signálu. Koncentrace (a další požadované informace) se potom přenášejí na externí display nebo obrazovku 58, která ukazuje informaci uživateli. Řídící tlačítka 60 umožňují uživateli vkládat informace, jako je typ analytů, který se má měřit, do řídící jednotky.

Přístroj 10 je elektricky a fyzikálně napojen na řídící jednotku 52. Elektrická komunikace mezi těmito dvěma jednotkami je provedena pomocí vodivých kontaktů (nejsou uvedeny) na přístroji 10 a odpovídajících vodičů (nejsou uvedeny) v řídící jednotce 52. Výhodně jsou přístroj 10 a řídící jednotka 52 fyzikálně spojeny mechanismem s rychlým spojováním a rozpojováním (jako jsou mechanismy známé v oboru) tak, že přístroj může být rychle odpojen a vyměněn. Řídící jednotka 52 je výhodně použitelná s jakýmikoliv přístroji podle předkládaného vynálezu. Tyto vlastnosti umožňují odběr více vzorků a účinné a rychlé měření.

Způsoby použití

Vynález také poskytuje způsoby pro použití přístrojů podle předkládaného vynálezu a systémy pro stanovení koncentrací analytu ve fyziologickém vzorku. Různé analyty mohou být detekovány za použití různých přístrojů a systémů podle předkládaného vynálezu, a mezi reprezentativní analyty patří glukosa, cholesterol, laktát, alkohol a podobně.

Při provádění způsobů podle předkládaného vynálezu (podle obr.) je prvním krokem poskytnutí přístroje 10 majícího jednu nebo více mikrojehel 100 podle předkládaného vynálezu. Výhodně je přístroj 10 určen (t.j. obsahuje vhodné činidlo) pro cílový analyt. Přístroj 10 je operativně napojen a propojen s řídící jednotkou 52, která může být držena v ruce a ovládána uživatelem. Řídící jednotka 52 je naprogramována pro testování cílového analytu. Uživatel umístí senzor 10 na vybranou oblast kůže pacienta a při mírném tlaku sestava mikrojehel 100 senzoru 10 penetruje do kůže. Hloubka, do které jsou zavedeny mikrojehly 12, závisí na délce mikrojehel nebo jiných zařízení asociovaných s přístrojem 10, které omezují hloubku průniku do kůže.

Po zavedení do kůže pacienta se určité množství (t.j. vzorek) biologické kapaliny přítomné na otevřených koncích 102 mikrojehel 100 nasaje do lumen 120 příslušných mikrojehel v důsledku působení kapilární síly, t-j- většina nebo veškerá biologická kapalina se přenese in šitu do přístroje 10.

Porózní izolátor 110 dále nasává kapalinu do reakční zóny elektrochemické komůrky prostřednictvím kapilární síly.

Jak bylo uvedeno výše, může být mikrojehla 100 vyrobena tak, že obsahuje vybraný systém redukčních činidel na

protilehlých povrchách 124 a 126 první elektrody 108 a druhé elektrody 112, v příslušném pořadí, nebo alternativně může být činidlo obsaženo v porózním izolátoru 110. Typ systému činidel je vybrán podle typu měřeného analytu. Jakmile je vzorek biologické kapaliny absorbován do porózního izolátoru 110, tak cílový analyt ve vzorku chemicky reaguje s činidlem, což způsobí oxidaci analytu. Tato chemická reakce vytváří změnu v impedanci (nebo odporu) v reakční zóně elektrochemické komůrky.

Přesněji, jakmile se analyt dostane do reakční zóny, tak chemicky reaguje s daným činidlem za zisku elektroaktivních produktů. Elektroaktivní produkty jsou potom buď oxidovány, nebo redukovány vybraným mediátorem nebo přímo pracovní elektrodou 108. Velikost získaného výstupního signálu se potom zaznamená řídící jednotka prostřednictvím elektrody 108. Software v řídící jednotce 52 potom automaticky určí rozdíl mezi výstupním a referenčním signálem, z této hodnoty odvodí koncentraci analytu ve vzorku a potom určí odpovídající koncentraci daného analytu v krvi pacienta. Jakákoliv nebo všechny tyto hodnoty mohou být zobrazeny na display nebo obrazovce 58.

Přístroj, jako je řídící jednotka 52, která automaticky vypočítává koncentraci vybraného analytu v biologickém vzorku a/nebo u pacienta, takže uživatel pouze zavádí mikrojehly podle předkládaného vynálezu do kůže pacienta a odečítá výslednou koncentraci analytu z obrazovky Přístroj, jsou dále popsána v U.S. Patentu č. 6,193,873 nazvaném Sample Detection to Initiate Timing of an Electrochemical Assay, jehož objevy jsou zde uvedeny jako odkazy.

• · ♦ • · · ♦ · • · · · · · ·«· ··· ·· ·»· ·· ·· ····

Kity

Vynález také poskytuje kity pro provádění způsobů podle předkládaného vynálezu. Kity podle předkládaného vynálezu obsahují alespoň jeden přístroj podle předkládaného vynálezu obsahující jednu nebo více mikrojehel. Kity mohou také obsahovat opakovaně nebo jednorázově použitelnou řídící jednotku, která může být použita s opakovaně nebo jednorázově použitelnými přístroji z kitu nebo jiných kitů podle předkládaného vynálezu. Tyto kity mohou obsahovat přístroje obsahující sestavu mikrojehel stejné nebo různé délky. Některé kity mohou obsahovat různé přístroje, kde každý přístroj obsahuje stejná nebo různá činidla. Jedna sestava mikrojehel může také obsahovat více než jedno činidlo, a v takových sestavách je jedna nebo více mikrojehel s prvním činidlem pro testování prvního cílového analytu a jedna nebo více dalších mikrojehel s jinými činidly pro testování jiných cílových analytů. Konečně, kity výhodně obsahují návod pro použití senzorů pro určení koncentrace analytu ve fyziologickém vzorku. Tyto instrukce mohou být přítomny na obalu, příbalovém letáku nebo na zásobníku v kitu a podobně.

Z výše uvedeného popisu je jasné, že předměty vynálezu lze snadno použít pro testování analytu bez potřeby propíchnutí nebo naříznutí kůže a s minimální nebo žádnou bolestí a krvácením u pacienta. Proto je předkládaný vynález významným vylepšením oboru.

Předkládaný vynález byl popsán na svých nejpraktičtějších a výhodných provedeních. Nicméně, existují modifikace předkládaného vynálezu, které spadají do rozsahu připojených patentových nároků.

Ačkoliv je předkládaný vynález použitelný pro různé aplikace v oblasti odběru různých biologických kapalin a detekce různých složek biologických kapalin, je určen zejména pro detekci analytů v intersticiální kapalině a hlavně pro detekci glukosy v intersticiální kapalině. Proto jsou popsané specifické prostředky a způsoby a aplikace, biologické kapaliny a složky uvedené výše pouze ilustrativní a ne restriktivní. Modifikace spadají do rozsahu připojených patentových nároků.

Claims

Patentové nároky

1. Přístroj pro odběr složek biologické kapaliny a měření koncentrace analytu vyznačující se tím, že obsahuje:

(a) podlouhlý prvek upravený pro propíchnutí povrchu kůže a umožnění přístupu k biologické kapalině; a (b) koncentricky uspořádané elektrody umístěné v podlouhlém prvku, které tvoří elektrochemickou komůrku pro měření koncentrací cílového analytu v biologické kapalině.
2. Přístroj podle nároku lvyznačující se tím, že dále obsahuje izolační materiál mezi koncentricky uspořádanými elektrodami.
3. Přístroj podle nároku lvyznačující se tím, že podlouhlý prvek obsahuje lumen, kde otevřený distální konec umožňuje průchod do lumen.
4. Přístroj podle nároku 3vyznačující se tím, že lumen má takový tvar, že umožňuje vznik kapilárních sil dostatečných pro nasátí vzorku biologické kapaliny do lumen.
5. Přístroj pro odběr složek biologické kapaliny a měření koncentrací alespoň jedné cílové složky v biologické kapalině vyznačující se tím, že obsahuje:

první elektrodu;

druhou elektrodu koncentricky umístěnou okolo a v určité vzdálenosti od první elektrody; a porózní materiál v prostoru mezi elektrodami; kde přístroj má tvar umožňující propíchnutí kůže.

·· 4 4 4 4 4 4

9 4 4 · · 9 4 4

444 44 944 «· 44 4440
6. Přístroj podle nároku 5vyznačující se tím, že druhá elektroda má tvar umožňující propíchnutí kůže.
7. Přístroj podle nároku 6vyznačující se tím, že druhá elektroda má otevřený distální konec a definuje určitý prostor v přístroji, kde tento prostor má takový tvar, že umožňuje vznik kapilárních sil dostatečných pro nasátí vzorku biologické kapaliny skrz otevřený distální konec.
8. Mikrojehla pro odběr složek biologické kapaliny a měření koncentrací cílové složky v biologické kapalině vyznačující se tím, že obsahuje:

jádro určité délky;

první elektrodu koaxiálně okolo jádra;

porózní materiál koaxiálně uložený okolo první elektrody; druhou elektrodu koaxiálně okolo porózního materiálu a mající délku, která přesahuje délku jádra a končí na otevřeném konci; činidlo obsažené v mikrojehle, kde činidlo je vybráno podle cílové složky.
9. Systém pro odběr složek biologické kapaliny z kůže pacienta a měření cílových složek v biologické kapalině vyznačující se tím, že obsahuje:

(a) alespoň jednu mikrojehlu obsahující zařízení pro odběr vzorku, činidlo a elektrochemickou komůrku; kde (1) elektrochemická komůrka obsahuje referenční elektrodu, pracovní elektrodu a izolační materiál mezi elektrodami, kde činidlo je v kontaktu s alespoň jednou referenční elektrodou, pracovní elektrodou nebo izolačním materiálem; a (2) kde zařízení pro odběr vzorku obsahuje distální otvor a alespoň jeden prostor v mikrojehle, který má takový ·· tvar, že umožňuje vznik kapilárních sil dostatečných pro nasátí vzorku biologické kapaliny do mikrojehly; a (b) řídící jednotku elektricky napojenou na alespoň jednu mikrojehlu, která obsahuje:

(1) zařízení pro odeslání elektrického referenčního signálu do referenční elektrody a pro získání elektrického výstupního signálu z pracovní elektrody, a (2) software, který automaticky vypočítává koncentraci cílové složky v biologické kapalině po získání elektrického výstupního signálu.
10. Způsob pro testování biologické kapaliny v kůži pacienta a pro stanovení koncentrace alespoň jedné cílové složky biologické kapaliny vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

poskytnutí alespoň jedné mikrojehly obsahující otevřený distální konec a elektrochemickou komůrku, kde elektrochemická komůrka obsahuje činidlo a koncentricky uspořádané elektrody;

zavedení otevřeného distálního konce mikrojehly do kůže do vybrané hloubky;

nasátí vzorku biologické kapaliny přítomné na otevřeném distálním konci do elektrochemické komůrky;

umožnění reakce vzorku s činidlem, při které je v elektrochemické komůrce tvořena substance;

odeslání prvního elektrického signálu do substance; a získání druhého elektrického signálu generovaného substancí, kde druhý elektrický signál representuje koncentraci složky ve vzorku.