DE102007039899B3

DE102007039899B3 - Sensor zum Ermöglichen des Nachweises einer Substanz im Körper eines Lebewesens

Info

Publication number: DE102007039899B3
Application number: DE102007039899A
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Hengerer; Robert Dr. Krieg; Sebastian Dr. Schmidt; Ralph Dr. Strecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: CN101371800A; US20090062630A1; CN101371800B

Abstract

Ein Sensor zum Ermöglichen des Nachweises einer Substanz im Körper eines Lebewesens umfasst Sondenmoleküle zum Binden der nachzuweisenden Substanz und Markierungselemente, die derart ausgebildet sind, dass durch sie das Binden der Sondenmoleküle an die nachzuweisende Substanz mittels einer bildgebenden Modalität nachweisbar ist. Es lassen sich beispielsweise Antigene oder Krankheitserreger, die nur in geringer Konzentration vorliegen, erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Ermöglichen des Nachweises einer Substanz im Körper eines Lebewesens.
In der Tumordiagnostik und -therapie ist der Nachweis von Tumorantigenen (Tumormarker) von zunehmender Bedeutung. Tumorantigene werden im Körper von Patienten von Tumoren oder Metastasen exprimiert und über das Gefäßsystem im Körper verteilt. Durch den Nachweis von Tumorantigenen kann beispielsweise nach Resektion eines Tumors aus dem Körper eines Patienten überprüft werden, ob noch Tumorzellen, beispielsweise in Metastasen im Körper des Patienten vorhanden sind. Durch ihre Beschränkung auf das Gefäßsystem sind Tumorantigene in Biopsiematerialien nicht nachweisbar.
Während der Tumortherapie wird nach Resektion, Strahlen- oder Chemotherapie eines Tumors in regelmäßigen Abständen eine Untersuchung des Patienten vorgenommen. Entnommene Blutproben werden mit labordiagnostischen Verfahren in-vitro auf das Vorliegen von Tumormarkern bzw. -antigenen untersucht. Durch die große Verdünnung der Tumormarker im Blut (im Bereich von ng/ml) ist ein Nachweis häufig unmöglich, selbst wenn innerhalb des befallenen Organs noch eine messbare Konzentration dieser Stoffe vorliegt. Hinzu kommt, dass die besagten Stoffe von Tumorzellen der Tumore nicht kontinuierlich produziert werden, sondern nur zu bestimmten Zeiten. Dies geschieht beispielsweise, wenn ein Teil der Tumorzellen stirbt. Wann dies der Fall ist, ist allerdings nicht feststellbar. Teilweise sind Tumorantigene im Blut nur kurze Zeit nachweisbar, so dass der Abstand der Nachsorgeuntersuchungen unter Umständen zu groß für einen Nachweis ist. Der Nachweis bleibt negativ, obwohl im Körper des Patienten ein weiterer Tumor oder eine Metastase wächst.
Aus der US 2005/0153379 A1 ist eine Sonde bekannt, mittels der Moleküle in-vivo im Blutkreislauf eines Patienten nachweisbar sind. Die Sonde wird dazu in den Blutkreislauf eingeführt und verbleibt dort zur Sammlung der Moleküle, die bei ausreichender Zahl mittels eines Detektors nachweisbar sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der im Körper den Nachweis von Tumormarkern oder -antigenen in-vivo ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß Anspruch 1 wird ein Sensor bereitgestellt, der Sondenmoleküle umfasst, die zum Binden einer nachzuweisenden Substanz, beispielsweise eines Tumorantigens geeignet sind. Der Sensor umfasst weiterhin Markierungselemente, die derart ausgebildet sind, dass durch sie das Binden der Sondenmoleküle an die nachzuweisende Substanz mittels einer bildgebenden Modalität nachweisbar ist. Durch den Sensor wird es möglich, in der Nähe eines Tumors Sondenmoleküle zu platzieren, die das produzierte Tumorantigen binden. Im gebundenen Zustand sind die Markierungselemente dazu geeignet, ein Signal für eine bildgebende Modalität, wie Magnetresonanztomographie, Fluoreszenzbildgebung oder Computertomographie abzugeben. Die Sondenmoleküle sind unabhängig von der nachfolgenden Untersuchung und Auslesung des Sensors zu jeder Zeit in der Lage, die nachzuweisende Substanz zu binden und damit auch zu einem späteren Zeitpunkt über die Markierungselemente ein Messsignal auszusenden. Der Sensor umfasst Mittel zur Abgrenzung eines Reaktionsvolumens, die derart ausgeführt sind, dass sie für die Substanz diffusionsoffen sind und für die Sondenmoleküle und die Markierungselemente undurchlässig sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Exemplar der Sondenmoleküle derart ausgebildet, dass es mit mehreren Exemplaren der nachzuweisenden Substanz eine Bindung eingehen kann. Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausführungsform das Sondenmolekül derart ausgebildet, dass mehrere Exemplare der Sondenmoleküle mit einem Exemplar der nachzuweisenden Substanz Bindungen eingehen können. Durch die sich so bei Vorliegen der nachzuweisenden Substanz vollziehende Agglutination wird ein Nachweis der Substanz durch die später zu verwendende bildgebende Modalität erleichtert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist durch die Markierungselemente ein Signal für die bildgebende Modalität erzeugbar, das durch das Binden der Sondenmoleküle an die Substanz änderbar ist. Dadurch lässt sich der Sensor im nicht aktivierten Zustand ohne nachzuweisende Substanz auslesen und eine Änderung des ausgelesenen Signals durch das Binden der Sondenmoleküle an die nachzuweisende Substanz interpretieren.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Außenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors und
2 und 3 eine schematische Darstellung des Arbeitsprinzips einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines implantierbaren Sensors gemäß der Erfindung dargestellt. Sie umfasst eine in die Blutbahn eines Patienten implantierbare Stent-artige Gitterröhre 1. Über Verankerungseinheiten 3 ist die Gitterröhre 1 in einer Blutbahn des Patienten zu befestigen. Eine im Inneren der Röhre und durch diese gebildete liegende Reaktionskammer ist vom Organismus des Patienten durch semipermeable Membranen 5 abgetrennt. Die Membranen 5 erlauben einen Durchfluss von Blut und dessen Bestandteilen durch die Reaktionskammer der Gitterröhre 1, verhindern jedoch gleichzeitig, dass innerhalb des Reaktionsvolumens befindliche Reaktionsbestandteile, die anhand der folgenden 2 und 3 erläutert werden, die Reaktionskammer verlassen können.
In einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsform besteht die Reaktionskammer aus einem dreidimensionalen Polymernetz. Dieses ist derart beschaffen, dass es durch den Organismus des Patienten nicht abbaubar ist, Es besteht beispielsweise aus nicht biodegradierbaren Polysacchariden.
Der so gestaltete Biosensor mit der Gitterröhre 1 und der innen liegenden Reaktionskammer wird beispielsweise während der Resektion eines Tumors in räumlicher Nähe zu diesem Tumor in abführende Gefäße oder Lymphgefäße implantiert. In der Zeit nach der Resektion ist es möglich, dass sich Tumorantigene aus verbleibenden Tumorzellen oder Metastasen bilden, die dann im Laufe der Zeit die Reaktionskammer des implantierten Biosensors passieren.
In 2 ist schematisch eine Draufsicht auf eine Seitenwand der Reaktionskammer dargestellt. Sie besteht aus einer Reaktionsmatrix 101 die ein Immobilisierungsfeld 103 umfasst. Auf dem Immobilisierungsfeld 103 sind Antikörper 105 immobilisiert, die gegen das nachzuweisende Tumorantigen gerichtet sind und dieses deshalb zu binden vermögen. Die Antikörper 105 sind über Immobilisierungspunkte 107 mit dem Immobilisierungsfeld 103 verbunden. Diese können beispielsweise über kovalente Bindungen erfolgen. Ergänzend oder alternativ sind die Antikörper 105 in eine Gelmatrix eingebettet, die aus einem Polyalkohol, z. B. Zucker oder substituierter Zucker besteht. Die Antikörper 105 können ebenfalls in einer Nano-Umgebung aus polymerischen Salzen eingebettet sein. Dadurch sind sie vor schädlichen Effekten des durchströmenden Bluts geschützt, z. B. der Denaturierung oder des enzymatischen Abbaus.
In Lösung innerhalb des Reaktionsvolumens befinden sich weitere Antikörper 105, 105', die ebenfalls gegen das nachzuweisende Tumorantigen gerichtet sind. Die in Lösungen befindlichen Antikörper sind beispielsweise mit nanoskaligen Eisenoxid-Partikeln 109 verbunden, bevorzugt mit einer Größe der Partikel 109 zwischen 3 und 250 nm. Die Verbindung kann beispielsweise über eine Polymerbeschichtung aus Dextran oder Stärke der Eisenoxid-Partikel erfolgen. Diese Verbindung wird im Allgemeinen kovalenter Natur sein. Es ist alternativ möglich, absorptive oder Ionenbindungen zu verwenden.
Die Situation in 2 zeigt die Reaktionsmatrix 101 nach der Implantierung. Es ist folglich noch kein Tumorantigen zum Nachweis aufgetreten. Durch die Membranen, die das Reaktionsvolumen der Gitterröhre 1 beschränken, werden die in Lösung befindlichen Antikörper 105' mit den daran gebundenen Eisenpartikeln 109 im Reaktionsvolumen gehalten. Ein Diffundieren durch die Membran 5 ist nicht möglich.
Dabei wird die Porengröße der semipermeablen Membran 5 so gewählt, dass der Antikörper-Partikel-Komplex sie nicht passieren kann, jedoch das nachzuweisende Antigen die Membran 5 passieren kann.
Die Eisenoxidpartikel sind beispielsweise mit Magnetresonanzmessungen innerhalb der Reaktionsmatrix nachweisbar.
Zum Nachweis von eventuell innerhalb der Reaktionsmatrix eindiffundierten Tumorantigenen ist es notwendig, diese Änderungen durch Änderung der zu beobachtenden Parameter T1, T2 oder T2* zu messen.
Die Situation bei bzw. nach Vorliegen von Tumorantigenen ist in 3 dargestellt. Diffundieren Tumorantigene 111 in die Reaktionsmatrix 101, so werden sie durch die Antikörper 105 und 105' gebunden. Die Antikörper sind derart ausgebildet, dass jeder Antikörper 105 und 105' mit mehreren Exemplaren der Tumorantigene 111 eine Verbindung eingehen kann. Ebenfalls sind die Antikörper 105 und 105' derart ausgebildet, dass mehrere der Antikörper 105 und 105' an ein Tumorantigen 111 binden können. Durch Ausnutzung dieses Prinzips kommt es bei Vorliegen der Tumorantigene 111 zu einer Agglutination. Durch die immobilisierten Antikörper 105 werden die verklumpten Gebilde auf dem Immobilisierungsfeld 103 festgehalten, was in einer starken Aufkonzentrierung der Eisenoxidpartikel 109 nahe des Immobilisierungsfeldes 103 resultiert. Hiermit geht eine Änderung der Relaxationszeiten einher, das heißt T2 wird kleiner und T1 wird mit steigendem Durchmesser des Komplexes und steigendes räumlicher Nähe der Eisenpartikel grö ßer. Eine genauere Beschreibung eines möglichen derartigen Verfahrens findet sich in WO 2002/32291 A2 . Dadurch ist es möglich, das Vorliegen der Tumorantigene 111 in der Blutbahn des Patienten durch die Gitterröhre 1 mittels MR nachzuweisen. Der Untersuchungszeitpunkt für die Magnetresonanzuntersuchung ist dabei unabhängig von der Entstehung der Tumorantigene 111, solange er später liegt. Das Messsignal wird mit zunehmender Zeit nach Bildung der Tumorantigene stärker, da die Agglutination weiter fortschreiten kann. Somit ist es möglich, einzelne überlebensfähige Tumorzellen, die bei der Resektion eines Tumors nicht erfasst wurden über deren freigesetzte Tumorantigene nachzuweisen.
Statt der Verwendung von Antikörpern 105 und 105' können auch andere geeignete Liganden, z. B. Peptidkomplexe, Anticaline oder Antikörperderivate, die wenigstens zwei Bindungsstellen für Antigene aufweisen, verwendet werden, die an die Tumorantigene binden können. Geeignete Liganden lassen sich über einen histologischen Schnelltest während der Resektion des Tumors ermitteln und in die Gitterröhre 1 einbringen. Wichtig hierbei ist die Langzeitstabilisierung der Eisenoxidpartikel 109 und der Antikörper 105 und 105'. Diese müssen ohne Vorliegen des Tumorantigens 111 in Lösung bleiben und dürfen nicht zu einer Verklumpung oder Degenerierung neigen. Ebenfalls muss ihre Form stabil bleiben, damit eine Verbindung mit den Tumorantigenen 111 noch möglich ist. Hier können ebenfalls die Polyalkohol-Matrizen verwendet werden. Im Allgemeinen können Polyhydroxyl-Moleküle verwendet werden, die die wässrige Umgebung der Antikörper 105 und 105' modifizieren und so eine Stabilisierung erzielen. Zusätzlich können Polyelektrolyte eingesetzt werden, die die Stabilisierung weiter verbessern. Beispiele für Verfahren, um die Stabilität der Lösung zu verbessern sind eine PEGylierung der Antikörper oder eine Modifikation mit Zuckern (z. B. Dextrane).
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Sensor eine zweite Reaktionskammer, die vom Blutkreislauf insoweit abgeschlossen ist, das kein Antigen eindringen kann. Diese Kammer enthält die gleichen Reagenzien und wird genauso ausgelesen, um eine antigenunabhängige Verklumpung der Reagenzien über die Zeit, z. B. durch Denaturierungsprozesse feststellen zu können (Negativkontrolle). Wird eine partielle Verklumpung der Kontrolle festgestellt, wird das Testergebnis des eigentlichen Sensors um diesen Effekt korrigiert. Falls die Verklumpung der Kontrolle zu stark ist, so dass das Signal nicht mehr verwertbar ist, muss der Sensor ersetzt werden.
Durch die Konzentration der Antigen-Antikörper-Aggregate im Teilvolumen des Immobilisierungsfelds 103 lässt sich eine schnell und einfach detektierbare Signaländerung im Magnetresonanzsignal sicherstellen. Im Vergleich zu den Antikörpern 105' können die Antikörper 105 beispielsweise an verschiedene Epitope des Tumorantigens 111 binden.
Statt der Agglutination lassen sich auch andere Nachweisreaktionen in alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung einsetzen. Beispiel hierfür sind „Chemical Exchange Saturation Transfer" (CEST), wie in EP 1 466 629 A1 beschrieben und Smart Biosensors (beschrieben in US 6,713,045 ).
Entsprechend sind Magnetresonanzmessverfahren zur parametrischen Bildgebung verfügbar, wie z. B. im Produkt „MapIt" der Firma Siemens.
Andere mögliche Ausführungsbeispiele sind eine optische Detektion über Fluoreszenz-Affinitätsverfahren, wie z. B. in WO 2002/00265 A1 beschrieben, bei denen sich das Fluoreszenzsignal bei Annäherung der Moleküle verändert.
In der Computertomographie kann eine Verklumpung der Partikel direkt dargestellt werden, wenn die Ortsauflösung des Systems die Klumpengröße übersteigt.
Eine weitere mögliche Nutzung der Erfindung betrifft das Gebiet der Infektionskrankheiten. Hier stellt sich ein ähnli ches Problem, wenn unter Therapie Erreger nur noch in sehr kleinen Konzentrationen im Blut vorhanden sind, z. B. bei Hepatitis C. In diesem Fall sind konventionelle Verfahren oft nicht in der Lage, festzustellen, ob noch eine aktive Infektion besteht. Der hier beschriebene Biosensor kann dann genutzt werden, um erregerspezifische Moleküle über einen längeren Zeitraum und aus einem größeren Blutvolumen zu sammeln und so auch sehr kleine Erregerzahlen zuverlässig zu detektieren.
Werden bei einem Patienten bei Untersuchungen in bestimmten Zeitintervallen nach der Resektion eines Tumors das Vorliegen der Tumorantigene 111 festgestellt, so kann mittels einer Biopsie der Befund histologisch bestätigt werden. Die bei bekannten Verfahren der in-vitro-Diagnostik auftretenden Unsicherheiten sind somit beseitigt.

Claims

Sensor zum Ermöglichen des Nachweises einer Substanz im Körper eines Lebewesens, umfassend Sondenmoleküle zum Binden der nachzuweisenden Substanz, weiter umfassend Markierungselemente, die derart ausgebildet sind, dass durch sie das Binden der Sondenmoleküle an die nachzuweisende Substanz mittels einer bildgebenden Modalität nachweisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Mittel zur Abgrenzung eines Reaktionsvolumens umfasst und die Mittel derart ausgeführt sind, dass sie für die Substanz diffusionsoffen sind und für die Sondenmoleküle und die Markierungselemente undurchlässig sind.
Sensor nach Anspruch 1, wobei jedes Exemplar der Sondenmoleküle derart ausgebildet ist, dass es mit mehreren Exemplaren der Substanz eine Bindung eingehen kann und mehrere Exemplare der Sondenmoleküle an ein Exemplar der Substanz verbindbar sind.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch die Markierungselemente ein Signal für die bildgebende Modalität erzeugbar ist, das durch das Binden der Sondenmoleküle an die Substanz änderbar ist.
Sensor nach Anspruch 2, wobei durch die Sondenmoleküle bei Vorliegen der Substanz eine Agglutination verursachbar ist.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Sensor implantierbar ausgeführt ist.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Markierungselemente Teil eines Kontrastmittels sind.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Markierungselemente mindestens eine magnetische Komponente umfassen.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die magnetische Komponente Eisenoxid enthält.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Sondenmoleküle als Antikörper (105, 105') ausgeführt sind.
Sensor nach Anspruch 9, wobei der Antikörper (105, 105') an ein Tumorantigen (111) bindet.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Markierungselemente an die Sondenmoleküle gebunden sind.
Sensor nach Anspruch 11, wobei die Bindung der Markierungselemente an die Sondenmoleküle durch eine Beschichtung der Markierungselemente erfolgt.
Sensor nach Anspruch 12, wobei die Beschichtung ein Polymer umfasst.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Sensor eine Gitterröhre (1) zur Befestigung im Körper umfasst.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Mittel zur Abgrenzung des Reaktionsvolumens als eine semipermeable Membran (5) ausgeführt sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Mittel zur Abgrenzung des Reaktionsvolumens als ein dreidimensionales Polymernetz ausgeführt sind.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Sensor eine Oberfläche aufweist, auf der weitere Sondenmoleküle zum Binden der nachzuweisenden Substanz immobilisiert sind.
Sensor nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Sensor als Stent ausgeführt ist.