DE10109148A1

DE10109148A1 - Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen

Info

Publication number: DE10109148A1
Application number: DE2001109148
Authority: DE
Inventors: Guenter Loeber; Horst Ahlers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-24
Filing date: 2001-02-24
Publication date: 2002-09-05

Abstract

Die Erfindung befaßt sich mit der Detektion von Körperflüssigkeiten in einer für die Telemedizin bei Vor-Ort-Messungen einfachen Form. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung aus zwei Teilreaktoren gebildet ist, wobei der eine der Messung von Gaspartikeln dient, die in dem anderen aus der Probe durch Verdampfer gebildet worden sind. Die Arbeitspunkte der Gassensoranordnung und die Heiztemperatur des Verdampfers werden zeitlich variabel gesteuert.

Description

Die Erfindung wird für die Analyse von Flüssigkeiten in und aus menschlichen, tierischen und pflanzlichen Körpern eingesetzt.

Bekannt sind eine Reihe von modernen Techniken, die eine Analyse von Flüssigkeiten und der in ihnen enthaltenen Stoffe ermöglichen. Genannt seien die Methoden: Rastertunnel mikroskopie, Kraftfeldmikroskopie, optische Spektroskopie, zeitaufgelöste Fluoreszenzspek troskopie, Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie mit Möglichkeiten zur Einzelmoleküldetek tion, hochauflösende Verfahren der Kernresonanz- und Massenspektroskopie, HPLC, Elek tronenmikroskopie u. a. (siehe dazu: Synergi: Einfache HPLC-Säulenauswahl und Methoden entwicklung; Physik in unserer Zeit 3(1996), S. 113-115; LABO Trend 2000, S. 11-18; GIT Labor-Fachzeitschrift 44, Oktober 2000, S. 1116, 1118-1119, 1126-1129, 1136-1138, 1192- 1194; LaborPraxis 24, Oktober 2000, S. 24-26, 28-30, 32-37, 3842, 50; www.zeiss.de/mikro und www.mrc.edu.au).

Mit ausgewählten Methoden können nieder- und hochmolekulare Substanzen identifiziert und ihre Konzentrationen bestimmt werden. Für hochmolekulare Substanzen (Nuclein säuren, Proteine u. a.) ist es möglich, räumliche Strukturen aufzuklären, optimale Donator moleküle für Rezeptorstellen zu entwickeln, Sequenzen von Aminosäuren in Proteinen und von Basen in der DNA zu bestimmen.

In der Forschung zur Entwicklung neuer Stoffe für die Diagnose und Therapie von genetisch und nichtgenetisch determinierten Erkrankungen spielt das Design zur maßgeschneiderten Wechselwirkung eines Wirkstoffs mit auserwählten Stellen in der DNA eine wichtige Rolle (siehe dazu: LABO Trend 2000, S. 46-50, S. 52-54, S. 55-57; Biol. Chem. 379(1998)5/9, S. 519-525; Bioelectrochem. Bioenergetics 48(1999), S. 415-421; The Scientist, May 24, 13(11) (1999), S. 18-20)

Das Gesamtpaket der modernen DNA-Analytik mit Nutzungsbereichen in der Medizin, Land wirtschaft, Ernährungswissenschaft, Ökologie u. a. Gebieten erfordert z. Z. hochentwickelte und damit teure Geräte, wodurch der dringende Bedarf für einen breitenwirksamen Einsatz erheblich eingeschränkt wird.

Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Informationen aus lebender Materie in einer minia turisierten und einfach handhabbaren Form, die vor Ort beispielsweise für die Telemedizin einsetzbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Suche nach neuen Detektionsmöglichkeiten für biologisch medizinische Fragestellungen in miniaturisierter Ausführung.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktor aus zwei funktionell unterschied lichen Teilen aufgebaut ist, wobei der erste Reaktorteil aus einer offenen oder geschlos senen und/oder mit einem Zeitregime versehenen Steuerung eines Meßvolumens mit einer Sensoranordnung gebildet ist, deren Arbeitspunkte verschiebbar sind, der zweite Reaktorteil aus der Meßprobenzuführung mit einer Vorrichtung zur Temperaturbeeinflussung der Meß probe beispielsweise zur Verdampfung besteht, daß dieser zweite Reaktorteil durch Körper flüssigkeiten oder Komponenten von diesen als Meßprobe beschickt wird und, daß beide Reaktorteile optional zusammen oder getrennt steuer- und regelbar ausgeführt sind und definierte Zeitregimes durchlaufen und/oder aus Modell- oder Optimierungsrechnungen bestimmte Arbeitspunkteinstellungen oder -änderungen realisieren.

Weiterhin wurde als günstig gefunden, daß der erste Reaktorteil aus Sensoren mit drei geheizten SnO₂-Schichten besteht und auf Gase und Gasgemische reagiert, während der zweite Reaktorteil aus einem weiteren Heizer (z. B. aus Platin) besteht, auf dem die Meß probe aufgebracht wird. Dabei kann der Reaktorteil offen oder geschlossen bleiben, je nachdem ob die Meßkonditionierung diffusions- oder driftmajorisiert ist.

Neben der Signalerfassung soll die Probennahme und -aufbereitung für die in der nach folgenden Tabelle dargestellten physiologischen Zustände und molekularbiologischen Frage stellungen die Wechselbeziehung Signal Elektronische Nase ↔ Pathologischer Zustand erläutern. Mögliche medizinische Fragestellungen sind:

Untersetzung der vorgenannten Zusammenstellung Schweiß, Interstitiumsflüssigkeit

Nachweis von Geruchsstoffen, die durch wachsende Bakterien oder Pilze produziert werden. Bei der Penetration des Blutzuckers durch die Haut treten Metabolisierungserscheinungen der Glucose auf. Das bedingt, daß die Glucose im Schweiß oft nicht nachweisbar ist. Eine erhöhte Menge an Glucose wird im Schweiß oder einer Modellflüssigkeit auf der Haut erwartet und sollte mit dem Gassensor bis in den µMol-Bereich nachweisbar sein.

Speichel

Nachweis von Substanzen, die über viral oder bakteriell ausgelöste Entzündungen der Mundhöhle sowie des Nasen- und Rachenraumes entstehen und von Substanzen, die bei Zahnerkrankungen gebildet und in den Speichel abgegeben werden.

Urin

Auch hier sind verschiedene Anwendungen vorhanden, wie Auftreten erhöhter Proteinanteile im Urin bei Fehlfunktion der Nieren, Meßbarmachung, z. B. mit dem Enzym Urease, wobei detektierbares NH₃ entsteht. Weitere Anwendungen sind Zuckernachweis, Nachweis von Blut bei Entzündungen, Steine im Urinaltrakt.

Blut

Von den vielfältigen Anwendungen der Blutanalyse seien folgende genannt:

- Nachweis von Glucose im Blut bei Diabetikern.
- Nachweis von Tumorzellen oder Tumorgewebe. Tumore besitzen im Vergleich zu gesun den Zellen oder Geweben andere proteinabbauende Enzyme (Proteasen). Die Kohlen hydratreste der Glykoproteine auf den Erythrozyten werden irreparabel geschädigt.
- Das prostataspezifische Antigen (PSA) befindet sich im Blut und kann dort nachgewiesen werden. Erhöhte PSA-Werte zeigen eine beginnende Krebserkrankung an.
- Meßbarmachung durch Probentemperaturvariation (z. B. bei Blutalkohol) oder Enzyme, die eine Gasproduktion verursachen.
- Eine besonders interessante Anwendung besteht im Nachweis von malignen Melanomen. Mit dem Serum -S100beta, einem dimeren kalziumbindenden Protein von 21 K Da, lassen sich Beziehungen zur Tumorlast nachweisen.

Nachweis von Entzündungen in Körperflüssigkeiten

- Entzündungen der Samenwege sind oft für die Zeugungsunfähigkeit des Mannes verantwortlich. Eine Möglichkeit zur Diagnose besteht im Nachweis von Granulozyten- Elastase in der Samenflüssigkeit.
- Entzündungen des Brustgewebes können über die Muttermilch, Entzündungen des Auges über die Tränenflüssigkeit erkannt werden. Eine Analyse des Eiters ermöglicht es, den zeitabhängigen Verlauf von Entzündungsprozessen, z. B. auch während einer Therapie, zu verfolgen.

Respirationstrakt

Über die Atemluft können Stoffe, die auf Lungenentzündung, Lungen- oder Bronchialkrebs und Tuberkulose hinweisen, festgestellt werden.

Aufstoß

Hinweise auf Erkrankungen des Magens und der Speiseröhre einschließlich von Krebs in den genannten Organen.

Körperoberfläche, Haut, Schleimhaut

Analyse von krankhaftem Mundgeruch, Pilz- und Bakterienbefall einschließlich Dermatosen und Allergien sowie von Schweißfuß und Fußpilz.

Körpergewebe

Aufschluß über Körpergewebe nach Biopsien und Identifikation von Toxinen.

DNA in wässriger Lösung

- Nachweis von Sequenzänderungen bei DNA speziell für urologische Tumore.
- Nachweis der unvollständigen Hybridisierung einer DNA-Sequenz mit Gendefekt mit Hilfe geeigneter Oligonucleotide.
- Nachweis der Störung einer krankheitsbedingten DNA-Sequenz durch Pharmaka (Pharmakogenetik).
- Sreening von neuen Pharmaka auf ihre Bindungsaffinität mit DNA und Differenzierung zwischen Interkalatoren und Grooverbindern. Die Bindung von Proteinen mit DNA ist mit einzuschließen.

Die Erfindung soll an einem Beispiel erläutert werden. Der Verdampfer kann in vielfacher Form realisiert sein. So muß nicht unbedingt ein Heizer aufgebracht sein, sondern die Erhit zung kann auch durch einen Laserstrahl, eine biologisch-chemische Reaktion o. ä. erfolgen.

Fig. 1 zeigt einen ersten Reaktorteil (1) und den zweiten Reaktorteil (2). Der Reaktorteil (1) enthält einen Ventilator (3), der die auf den Verdampfer (4) zugeführte Körperflüssigkeit nach Verdampfung in den Reaktorteil (1) ansaugt und einer Dreifach-SnO₂-Widerstandsanordnung (6) zuführt. Die Heiztemperatur des Verdampfers (4) kann konstant sein oder hinreichend langsam erhöht werden. Durch letzteres werden verschiedene Komponenten der zugeführ ten Körperflüssigkeit (5) bei unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen freigesetzt und durch den Ventilator (3) in den ersten Reaktorteil (1) der Dreifach-SnO₂-Widerstandsanord nung (6) zugeführt. Diese kann ebenfalls in ihrer Heiztemperatur durch einen in diese Anordnung eingebauten Heizer gesteuert werden. Entweder wird diese konstant gehalten oder schneller z. B. sägezahnähnlich verändert und gestattet damit ein Monitoring. Die zeitliche Steuerung der Heiztemperatur des Verdampfers (4) und die zeitliche Steuerung des Arbeitspunktes der Dreifach-SnO₂-Widerstandsanordnung (6) lassen sich so abstimmen, daß Verstärkungs-, Dämpfungs- und parametrische Effekte erzeugt werden können, wie auch bestimmt Selektivitäts- oder Empfindlichkeitsstellen hervorhebbar oder unterdrückbar sind. Eine gemesene Abhängigkeit ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Diagramm zeigt die bei einer Zeu gungsfähigkeitsuntersuchung des Mannes analysierte Elastase.

Die zugrundeliegende Kinderlosigkeit wird in bis zu 50% durch Störungen der Zeugungs fähigkeit des Mannes verursacht. In der Differentialdiagnose spielen die Entzündungen/Infek tionen der Samenwege eine zunehmende Rolle. Je nach Kliniksprofil und diagnostischem Spektrum werden Häufigkeiten in 8,5-20% der andrologischen Patienten angegeben. Die fehlende oder unterschwellige klinische Symptomatik ("subclinical resp. silent genital inflam mation") stellt dabei ein diagnostisches Problem dar. Ein erster Anhalt für eine Entzündungs reaktion ergibt sich aus der Beimengung von weißen Blutzellen (Granulozyten, Monozyten/- Makrophagen, Lymphozyten/Plasmazellen) in der Samenflüssigkeit, die sog. Leukozyto spermie. Für die Diagnose ist neben der Überschreitung einer Grenze "zulässiger" Zellzahlen auch die enzymatische Aktivität der Granulozyten wichtig, die mit der Granulozytenelastase bestimmung möglich wird. Sie korreliert z. B. hochsignifikant mit Immunglobulinen, Komple mentfaktoren, Coeruloplasmin und peroxidasepositiven Zellen und zeigt durch ihre Abnahme verläßlich die Effizienz einer antientzündlichen Behandlung an (nach Information des Funktionsbereiches Andrologie der Klinik für Dermatologie und dermatologische Allergologie des Klinikums der Friedrich-Schiller-Universität Jena).

Im Diagramm in Fig. 2 ist der in einem virtuellen Meßkanal nach Erfindungsanmeldung DE 198 41 776 transformierte Q-Wert Q₁(x) dargestellt. Dieser zeigt eine Konzentrationsver schiebung durch die Elastase in der Pufferlösung und damit deren Detektierbarkeit. Das Meßvolumen für die Gewinnung des Q-Wertes ist ein 40 ml-Becherglas, welches auf eine Heizplatte von 120°C gestellt ist und wo sich im oberen Anschluß ein Dreifach-Gassensor aus drei verschieden dotierten Zinndioxidschichten befindet. Eingewogen werden jeweils 50 mg Elastase mit Pufferlösung. Die Konzentrationen betragen 73 Milligramm Elastage pro Milliliter, 359 mg/ml und 2000 mg/ml. Die Kennlinie (7) entspricht der Konzentration 73 mg/ ml, die Kennlinie (8) 359 mg/ml und die Kennlinie (9) 2000 mg/ml. Die Kennlinie (10) ist die Referenz von Luft. Die k-Koeffizienten wurden so gebildet, daß diese nahe bzw. gleich Null bei Q(x) ist. Wenn S₁, S₂, S₃ die auf die Ausgangswiderstände normierten Sensorwider standssignale bei Gasbeaufschlagung sind, so wird Q₁ = S₁ - k₁S₂, Q₂ = S₁ - k₂S₃ und Q₃ = S₂ - k₃S₃.

Claims

1. Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen dadurch gekenn zeichnet, daß zwei, optional auch räumlich zusammenfallende, Teilreaktoren gebildet sind, wobei in einem die Probe mittels eines Verdampfers in einen gasförmigen Zustand überführt ist und im anderen die Messung mit einer Gassensoranordnung erfolgt und daß die Arbeitspunkte der Gassensoranordnung und des Verdampfers zeitlich variabel steuerbar sind.

2. Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen dadurch gekenn zeichnet, daß die Gassensoranordnung aus drei dotierten Zinndioxidschichten und einem oder zwei Platinheizern besteht.

3. Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen dadurch gekenn zeichnet, daß die Gaserzeugung als Verdampfung der Probe auf einem Platinwiderstand ausgeführt ist.

4. Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdampfung über eine Laserstrahlung, eine chemische Reaktion oder eine andere geeignete Energiezuführung erfolgt.

5. Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen dadurch gekenn zeichnet, daß die Arbeitspunktsteuerung des Verdampfers zusätzlich durch eine Luft- oder spezielle Gasströmung erfolgt.

6. Anordnung zur Detektion von Körperflüssigkeiten und -bestandteilen dadurch gekenn zeichnet, daß die Anwendung erfolgt bei
Schweiß, Intertitiumsflüssigkeit (Geruchsstoffe, Penetration des Blutzuckers durch die Haut)
Speichel (Entzündungen von Mundhöhle, Nasen- und Rachenraum, Zahnerkran kungen)
Urin (Fehlfunktion der Nieren, Zuckernachweis, Nachweis von Blut bei Entzündungen, Steine im Urinaltrakt)
Blut (Glucosenachweis, Tumornachweis, maligne Melanome, Tumormarker z. B. PSA, Blutalkohol)
Respirationstrakt (Atemluft bei Lungenentzündung, Tuberkulose, Lungen- oder Bronchialkrebs)
Aufstoß (Erkrankungen des Magens und der Speiseröhre)
Körperoberfläche, Haut (Pilz- und Bakterienbefall, Dermatosen, Allergien, Schweißfuß, Fußpilz)
Körpergewebe (Biopsieproben, Identifikation von Toxinen)
DNA in wässriger Lösung (Sequenzänderungen, Gendefekte, Pharmakawirkung, Screening von Pharmaka, DNA-Protein-Wechselwirkung, Tumornachweis)