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Stand der Technik
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Anhand einer Blutprobe lässt sich eine große Anzahl spezifischer Krankheiten diagnostizieren, beispielsweise über ein Blutbild, eine Blutkultur oder eine Mikroskopie.
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Aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung Ilie et al. (2014) „Sentinel“ Circulating Tumor Cells Allow Early Diagnosis of Lung Cancer in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease. PLoS ONE 9(10): e111597 doi:10.1371/journal.pone.0111597 ist ein Verfahren zur Erkennung von zirkulierenden Tumorzellen für eine Früherkennung von Lungenkrebs über eine Filterung einer Blutprobe bekannt.
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Das Dokument
WO 2015/035186 A1 beschreibt ein Verfahren zur Konzentration von Zellen in einem Blutgefäß, beispielsweise Krebszellen, wobei die Zellen mit in das Blutgefäß eingebrachten magnetischen Partikeln gebunden und durch ein von außen in das Blutgefäß einwirkendes Magnetfeld für eine nachfolgende Zerstörung der Zellen konzentriert werden.
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Ferner ist aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung von Jelezko, F. and Wrachtrup, J. (2006), Single defect centres in diamond: A review. phys. stat. sol. (a), 203: 3207-3225. doi:10.1002/pssa.200671403 bekannt, dass Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant, kurz NV-Zentren genannt, eine charakteristische elektronische Struktur aufweisen, die durch eine Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlen und eine Bestrahlung durch Licht im optischen Bereich angeregt und durch Detektion einer von den NV-Zentren emittierten Fluoreszenz wieder ausgelesen werden kann. Die elektronische Struktur der Stickstoff-Vakanz-Zentren reagiert dabei sehr empfindlich auf äußere Magnetfelder. Im Falle eines die NV-Zentren überlagernden Magnetfeldes kommt es aufgrund des Zeeman-Effekts zu einer Aufspaltung der beteiligten Energieniveaus und damit beim Durchfahren der Frequenz der Mikrowellenanregung zu scharfen Einbrüchen des Fluoreszenzsignals. Der Abstand dieser Einbrüche kann genutzt werden, um die Stärke des Magnetfelds zu bestimmen. Bei entsprechender Auslesung der elektronischen Struktur lassen sich Magnetfelder mit einer Sensitivität von bis zu 1 pT/√Hz messen, wie in T. Wolf et al., Subpicotesla Diamond Magnetometry, Phys. Rev. X, Vol. 5, 041001 (2015) beschrieben.
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Eine Anwendung von Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant zur Detektion von Biomarkern ist aus
US 2011/062957 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Kanüle zum Nachweis von Zell-Partikel-Verbindungen, wobei die Partikel der Verbindungen magnetisches Material und/oder Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren, aufweisen. Die Kanüle umfasst dabei einen Lichtleiter und einen Mikrowellenleiter.
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Unter einer Kanüle kann insbesondere eine Hohlnadel oder eine Injektionsnadel verstanden werden, welche insbesondere für ein Eindringen in ein menschliches oder tierisches Gewebe oder Blutgefäß vorgesehen ist. Unter einem Lichtleiter kann insbesondere eine optische Faser oder ein Lichtwellenleiter zum Leiten von Licht vorgegebener Wellenlängen verstanden werden. Unter einem Mikrowellenleiter kann insbesondere ein Leiter verstanden werden, der ausgebildet ist, Mikrowellen vorgegebener Wellenlänger zu leiten, beispielsweise ein Streifenleiter. Unter einer Zell-Partikel-Verbindung kann insbesondere eine Verbindung zwischen einer menschlichen oder tierischen Zelle mit mindestens einem Partikel verstanden werden. Unter einem Partikel kann insbesondere ein Mikro- oder Nanopartikel verstanden werden, wie beispielsweise Dynabeads@ oder BioMag® sowie BioMag® „Unconjugated Particles“. Insbesondere kann unter einem Mikro- oder Nanopartikel ein Materialzusammenschluss als Teil einer Dispersion verstanden werden, wobei zwischen dem Materialzusammenschluss und einem darum befindlichen Medium eine Phasengrenze existiert und der Durchmesser des Materialzusammenschlusses im Bereich von ∼1 bis ∼100 Mikrometer (im Falle von Mikropartikel) oder ∼10 bis ∼1000 Nanometer (im Falle von Nanopartikel) liegt. Bei dem Material kann es sich um einen Festkörper oder um eine Flüssigkeit handeln. Die Verbindung zwischen der Zelle und dem ein oder mehreren Partikeln kann beispielsweise über Fängermoleküle erfolgen, wobei die Fängermoleküle für eine spezifische Bindung an vorgegebene Zellen, beispielsweise eine vorgegebene Klasse oder Art von Zellen, ausgestaltet sind, beispielsweise für eine spezifische Bindung an vorgegebene Proteine, insbesondere Oberflächenproteine, der Zellen. Dabei können vorteilhafterweise die Partikel solche Fängermoleküle aufweisen. Unter Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren kann insbesondere ein Halbleiter mit breitem Bandabstand, englisch „wide-bandgap semiconductor“ mit einem insbesonderen Bandabstand größer als beispielsweise 1,5, 2 oder 3 Elektronvolt, mit Farbzentren verstanden werden. Insbesondere kann es sich um das oben erwähnte Diamantmaterial mit NV-Zentren, Bornitrid mit NV-Zentren oder Siliziumcarbid mit Silizium-Fehlstellenzentren handeln.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die hohe Magnetfeldsensitivität der elektronischen Struktur der Farbzentren im Material mit breitem Bandabstand, für eine Detektion von in der Blutbahn befindlichen Zellen, insbesondere von zirkulierenden Tumorzellen, ausgenutzt werden kann. Eine solche Detektion über eine Einkopplung von Mikrowellenstrahlung und Licht ist insbesondere dann möglich, wenn die zu detektierenden Zellen gemeinsam mit einem Magnetfeld in die räumliche Nähe eines Materials mit breitem Bandabstand mit Farbzentren gebracht werden. Störende Magnetfelder wie beispielsweise das Erdmagnetfeld können dabei in einfacher Weise als konstantes Hintergrundfeld berücksichtigt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Kanüle dazu verwendet werden, Zell-Partikel Verbindungen zu detektieren, wobei die Zell-Partikel-Verbindungen jeweils mindestens zwei Partikel umfassen, nämlich jeweils ein erstes Partikel mit magnetischem Material und ein zweites Partikel mit Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren. Die Verbindung zwischen der Zelle und dem ein oder mehreren Partikeln kann dabei wie oben ausgeführt beispielsweise über Fängermoleküle erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Kanüle kann in ein Blutgefäß eingebracht werden, in welchem die zu detektierenden Zellen vermutet werden und in welches die genannten Partikel für eine Bindung an die zu detektierenden Zellen ebenfalls eingebracht werden. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine in-vivo-Detektion dieser Zellen, ohne dass eine Blutprobe entnommen werden muss. Die Detektion erfolgt dabei über ein Einleiten von Mikrowellenstrahlung und Licht über den Mikrowellenleiter beziehungsweise über den Lichtleiter sowie über ein Rückleiten von aus dem Diamantmaterial kommender Fluoreszenzstrahlung über den selben oder einen weiteren Lichtleiter der Kanüle. Für diesen Zweck kann die Kanüle mit einer Lichtquelle und mit einer Mikrowellenquelle sowie mit einem Detektor für Fluoreszenzlicht verbunden sein. Wenn sich die Zell-Partikel-Verbindungen in der Nähe der Kanüle befinden, kommt es wie oben beschrieben aufgrund des auf die Farbzentren einwirkenden Magnetfelds und dem daraus resultierenden Zeeman-Effekt zu Einbrüchen der Intensität der rückgeleiteten Fluoreszenzstrahlung bei bestimmten Frequenzen der eingeleiteten Mikrowellenstrahlung, was vorteilhafterweise den Nachweis der Zell-Partikel-Verbindungen erlaubt.
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Die erfindungsgemäße Kanüle hat dabei ferner den Vorteil, dass aufgrund der sehr geringen Abmessungen der Kanüle, der Mikrowellenleiter und der Lichtwellenleiter über ein Einbringen der Kanüle in das Blutgefäß sehr nahe an die detektierenden Zell-Partikel-Verbindungen herangebracht werden können und somit auch geringe Magnetfeldstärken und dadurch geringe Einbrüche in der Fluoreszenzstrahlung nachgewiesen werden können. Dies erlaubt grundsätzlich vorteilhafterweise den Nachweis geringer Konzentrationen der Zell-Partikel-Verbindungen, idealerweise sogar den Nachweis einzelner Zell-Partikel-Verbindungen und somit einzelner Zellen. Da darüber hinaus keine Blutprobe aus dem Blutgefäß entnommen werden muss, ermöglicht die erfindungsgemäße Kanüle vorteilhafterweise eine unkomplizierte und das Untersuchungsobjekt nur gering belastende Wiederholung sowie auch eine über einen längeren Zeitraum kontinuierliche Durchführung der Untersuchung. Dies unterstützt eine frühzeitige Erkennung einer ansteigenden Konzentration der zu detektierenden Zellen.
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Vorzugsweise erstrecken sich der Lichtleiter und der Mikrowellenleiter in Richtung eines distalen Endes der Kanüle. Unter einem distalen Ende der Kanüle ist dabei insbesondere ein Ende der Kanüle zu verstehen, dass für ein Eindringen in ein Gewebe oder Blutgefäß des Untersuchungsobjekts ausgebildet ist, also insbesondere eine Spitze der Kanüle. Dies hat den Vorteil, dass der Mikrowellenleiter und der Lichtwellenleiter über ein Einbringen der Kanüle in das Blutgefäß sehr nahe an die detektierenden Zell-Partikel-Verbindungen herangebracht werden können, was wie oben erwähnt, eine besonders sensitive Detektion ermöglicht. Vorzugsweise erstrecken sich der Lichtleiter und der Mikrowellenleiter dabei entlang der größten Ausdehnung der Kanüle, beispielsweise entlang eines Abschnitts eines Kanals der Kanüle, bis zum distalen Ende.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kanüle ein Sensorelement, wobei das Sensorelement Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren, aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel der zu detektierenden Zell-Partikel-Verbindungen kein Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren aufweisen müssen, sondern für eine Detektion lediglich ein Partikel der Zell-Partikel-Verbindung magnetisches Material umfassen muss. Vorzugsweise ist das Sensorelement dabei an dem distalen Ende beziehungsweise an der Spitze der Kanüle angeordnet. Dies erlaubt eine sehr enge räumliche Nähe des Sensorelements zum untersuchenden Fluid, insbesondere Blut, nach einem Einstechen der Kanüle in ein Gewebe oder ein Blutgefäß. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sensorelement derart an dem Ende beziehungsweise der Spitze der Kanüle angeordnet, dass das Sensorelement ein Eindringen von Fluid in einen Innenraum der Kanüle verhindert, insbesondere in einen Innenraum oder Kanal, in welchem der Lichtleiter und/oder der Mikrowellenleiter angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass keine Verschmutzung durch Fluid im Innenraum der Kanüle erfolgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet das Sensorelement einen bündigen Abschluss mit einem Ende der Kanüle. Dabei kann der bündige Abschluss wie oben beschrieben derart ausgestaltet sein, dass ein Eindringen von Fluid in einen Innenraum der Kanüle verhindert wird. Dies hat den Vorteil, dass bei Einführung der Kanüle in ein Blutgefäß ein Fluss des Blutes sehr nah am Sensorelement verlaufen kann und damit eine räumliche Nähe für eine sensitive Detektion zu den vorbeifließenden Zell-Partikel-Verbindungen gegeben ist.
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Vorzugsweise sind der Lichtleiter und der Mikrowellenleiter derart bezüglich des Sensorelements angeordnet, dass aus einem Ende des Lichtleiters austretendes Licht beziehungsweise aus einem Ende des Mikrowellenleiters austretende Mikrowellenstrahlung zumindest mit einem Teilbereich des Sensorelements in Kontakt tritt. Dies hat den Vorteil, dass ein wohldefinierter Teilbereich des Sensorelements gegeben ist, welcher sowohl in Wechselwirkung mit dem Licht als auch mit der Mikrowellenstrahlung treten kann. Ferner ist dabei von Vorteil, dass vom Sensorelement ausgehende Fluoreszenzstrahlung zuverlässig vom Lichtleiter aufgenommen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Mikrowellenleiter als Teil einer Wand der Kanüle ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Mikrowellenleiter verzichtet und somit Kosten gespart werden können. Weiterhin kann das gesamte zur Verfügung stehende Volumen innerhalb der Kanüle für den Lichtleiter genutzt werden, was es ermöglicht, einen größeren Bereich abzudecken, in welchen das Fluoreszenzlicht ausgestrahlt wird. Ferner kann die erfindungsgemäße Kanüle insgesamt vorteilhafterweise kleiner und kompakter ausgeführt sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kanüle einen weiteren Lichtleiter zum Leiten von Fluoreszenzlicht. Dies hat den Vorteil, dass eine Separation unterschiedlicher Wellenlängen des Lichts und des Fluoreszenzlichts in einer mit der Kanüle verbundenen Analysevorrichtung entfallen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement kreisrund ausgeführt und senkrecht zur Kanülenwand angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass sich das Sensorelement einfacher herstellen lässt und damit Kosten verringert werden können.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kanüle eine Spitze für ein Einführen der Kanüle in ein Gewebe oder Blutgefäß, wobei die Spitze Durchbrüche für ein Durchleiten der Zell-Partikel-Verbindungen aufweist. Da das Blut somit durch die Durchbrüche treten kann, hat dies hat den Vorteil, dass ein Einfluss der Spitze auf einen Fluss des Blutes verringert wird und gleichzeitig eine räumliche Nähe zwischen den Zell-Partikel-Verbindungen und dem Sensorelement sichergestellt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Kanüle einen Kanal zum Leiten von Fluid auf. Dadurch kann die Kanüle vorteilhafterweise sowohl zur Detektion der Zellen als auch zur Zuführung von Fluiden, insbesondere Wirkstoffen wie beispielsweise Medikamente, als auch zur Abnahme von Blut genutzt werden. Vorteilhafterweise kann bei einer Abnahme von Blut gleichzeitig eine Detektion der Zell-Partikel-Verbindungen durchgeführt werden, da durch die Abnahme das Blut gemeinsamen mit den gegebenenfalls darin vorhandenen Zell-Partikel-Verbindungen sehr nah am Sensorelement für eine besonders sensitive Messung vorbeigeführt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umgibt ein Endabschnitt des Mikrowellenleiters ein Endstück des Lichtleiters zumindest teilweise. Beispielsweise kann der Endabschnitt als ringförmige Antenne um das Endstück des Lichtleiters ausgeführt sein. Dies bewirkt vorteilhafterweise einen homogeneren Abstrahlungscharakter der Mikrowellenstrahlung in Bezug auf die Lichtemission, sodass das Diamantmaterial mit den NV-Zentren für eine erhöhte Sensitivität gleichförmiger bestrahlt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kontaktieren ein Endabschnitt des Mikrowellenleiters und/oder ein Endabschnitt des Lichtleiters das Sensorelement. Dies hat den Vorteil, dass aus den Endabschnitten der Leitern austretende Mikrowellenstrahlung beziehungsweise austretendes Licht direkt auf das Sensorelement, insbesondere auf das Diamantmaterial mit den NV-Zentren, für eine wohldefinierte Wechselwirkung geleitet wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kanüle eine zwischen dem Lichtleiter und dem Sensorelement angeordnete Schicht, wobei die Schicht einen Brechungsindex aufweist, dessen Wert zwischen dem Wert des Brechungsindexes eines die Schicht kontaktierenden Bereichs des Sensorelements und dem Wert des Brechungsindexes eines die Schicht kontaktierenden Bereichs des Lichtleiters liegt. Dies verringert vorteilhafterweise Intensitätsverluste durch Reflexion des eingeleiteten Lichts am Übergang zwischen Lichtleiter und Sensorelement.
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Vorzugsweise ist das Sensorelement teilweise von einer Reflexionsschicht zur Sammlung von im Sensorelement erzeugtem Fluoreszenzlicht umgeben, insbesondere für eine Sammlung des erzeugten Fluoreszenzlichts für eine Einkopplung in einen Lichtleiter der Kanüle. Dies hat den Vorteil, dass das grundsätzlich isotrop erzeugte Fluoreszenzlicht zumindest teilweise für eine Einkopplung in den Lichtleiter gebündelt wird. Bevorzugt ist das Sensorelement dabei von allen Seiten mit Ausnahme eines Bereichs, in welchen die Mikrowellenstrahlung und das Licht eingeleitet und Fluoreszenzlicht ausgelesen wird, von der Reflexionsschicht umgeben.
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Die Erfindung betrifft auch ein Sensorsystem umfassend eine erfindungsgemäße Kanüle und Partikel, wobei die Partikel Fängermoleküle zur spezifischen Bindung an Zellen, insbesondere Tumorzellen, aufweisen und wobei die Partikel magnetisches Material und/oder Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren, umfassen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Nachweis von Zellen, insbesondere von Tumorzellen, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem. In einem ersten Schritt werden dabei eine erfindungsgemäße Kanüle sowie Partikel in das Blutgefäß eingebracht, wobei die Partikel Fängermoleküle zur spezifischen Bindung an die Zellen aufweisen und wobei die Partikel magnetisches Material und/oder Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren, umfassen. In einem zweiten Schritt werden Mikrowellenstrahlung und Licht über den Mikrowellenleiter beziehungsweise über den Lichtleiter der Kanüle eingeleitet sowie von aus dem Diamantmaterial kommende Fluoreszenzstrahlung über den selben oder einen weiteren Lichtleiter der Kanüle rückgeleitet, wobei eine Frequenz der eingeleiteten Mikrowellenstrahlung über einen vorgegebenen Bereich durchgestimmt wird. In einem dritten Schritt wird die rückgeleitete Fluoreszenzstrahlung auf Einbrüche in einer Intensität der Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit der Frequenz der eingeleiteten Mikrowellenstrahlung als Nachweis der Zell-Partikel-Verbindungen und somit als Nachweis der Zellen im Blutgefäß analysiert.
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Die Erfindung betrifft auch ein Herstellverfahren für eine Kanüle. In einem ersten Schritt wird eine Kanüle bereitgestellt. In einem zweiten Schritt werden ein Lichtleiter und ein Mikrowellenleiter als Teil der Kanüle angeordnet, wobei die Anordnung derart erfolgt, dass sich der Lichtleiter und der Mikrowellenleiter in Richtung eines distalen Endes der Kanüle erstrecken.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
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Es zeigen
- 1 bis 7 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Kanüle,
- 8 eine schematische Darstellung einer Zell-Partikel-Verbindung als Teil eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems,
- 9 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 10 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kanüle 100 mit einen Mikrowellenleiter 110 und einem Lichtleiter 120 in einer Querschnittsdarstellung. In dem Beispiel sind der Mikrowellenleiter 110 und der Lichtleiter 120 in einem Kanal 101 der Kanüle 100 angeordnet, welcher von einer Kanülenwand 103 der Kanüle 100 umgeben ist. Beide Leiter 110, 120 erstrecken sich bis an eine distales Ende 102 der Kanüle 100, wobei das distale Ende 102 als schräger Schliff der Kanülenwand 103 eine Spitze 102 zum Eindringen in eine Gewebe oder ein Blutgefäß bildet. Die Kanülenwand 103 kann eine Metalllegierung umfassen und beispielsweise eine für eine Kanüle übliche Dicke von 10 Mikrometer bis 1 Millimeter aufweisen, so dass sich eine Durchmesser von 100 Mikrometer bis 4 Millimeter, bevorzugt 1 bis 3 Millimeter, ergibt. Der Mikrowellenleiter 110 kann beispielsweise als Streifenleiter für Mikrowellen ausgebildet sein. Das Material des Streifenleiters kann dabei beispielsweise Kupfer, Silber oder Gold umfassen. Eine vorzugsweise Breite und Dicke des Streifenleiters ergeben sich dabei aus der effektiven Permittivität eines den Streifenleiter umgebenden Materials wie beispielsweise Diamantmaterial oder Glasfaser und können unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien und Werkstoffe in der Kanüle einfach berechnet werden (siehe beispielsweise http://www.microwaves101.com/calculators/1201-new-microstrip-calculator). Der Lichtleiter 120 kann als optische Faser oder als Lichtwellenleiter ausgebildet sein, beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekannter Lichtleiter wie beispielsweise ein „Bare Fiber“ von THORLABS®. Der Lichtleiter 120 ist in diesem Beispiel ausgebildet, sowohl Licht in Richtung des Sensorelements 150 zu leiten als auch vom Sensorelement 150 emittiertes Fluoreszenzlicht in die Gegenrichtung zu leiten. Alternativ kann die Kanüle einen weiteren Lichtleiter zur Aufnahme und Weiterleitung von Fluoreszenzlicht aufweisen, welcher beispielsweise parallel zum ersten Lichtleiter 120 angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kanüle 100 ein Sensorelement 150, wobei das Sensorelement 150 Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit Stickstoff-Vakanz-Zentren, kurz NV-Zentren genannt, aufweist. Beispielsweise kann das Material mit Bandabstand mit Farbzentren dabei die Form eines Quaders mit Abmessungen von 100 Mikrometer mal 100 Mikrometer mal 300 Mikrometer aufweisen. Bevorzugt bildet das Sensorelement 150 einen bündigen Abschluss mit der Spitze 102 der Kanüle 150, wie in 1 dargestellt. Wenn, wie in 1 dargestellt, der Mikrowellenleiter 110 und der Lichtleiter 120 nicht den Kanal 101 der Kanüle 100 vollständig ausfüllen, kann der verbliebene nicht ausgefüllte Raum als Fluidkanal 104 für eine Verabreichung von beispielsweise Medikamenten oder für eine Entnahme von Körperflüssigkeiten wie beispielsweise Blut dienen. In diesem Fall kann das Sensorelement 150 so ausgebildet sein, dass eine Öffnung neben dem oder durch das Sensorelement 150 für eine Passage eines Fluids verbleibt. Alternativ kann die Kanüle 100 mit einer Vergussmasse, beispielsweise Epoxidharz, gefüllt sein, um diese abzudichten. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement 150 so ausgebildet und angeordnet sein, dass es den Kanal 101 vollständig verschließt, wie in 1 angedeutet.
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Die Kanüle 100 kann an einem zweiten Ende 106 mit einer Quelle für Licht und/oder Mikrowellenstrahlung 200 und mit einem Analysegerät 210 für Fluoreszenzstrahlung verbunden sein, wie in 1 schematisch angedeutet.
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Wie in 1 dargestellt, sind der Lichtleiter 120 und der Mikrowellenleiter 110 vorzugsweise derart bezüglich des Sensorelements 150 angeordnet, dass aus einem Ende 121 des Lichtleiters 120 austretendes Licht beziehungsweise aus einem Ende 111 des Mikrowellenleiters 110 austretende Mikrowellenstrahlung zumindest mit einem Teilbereich 151 des Sensorelements 150 in Kontakt tritt. Dies hat wie oben beschrieben den Vorteil, dass ein wohldefinierter Teilbereich 151 des Sensorelements 150 gegeben ist, welcher sowohl in Wechselwirkung mit dem Licht als auch mit der Mikrowellenstrahlung treten kann. Ferner ist dabei von Vorteil, dass vom Sensorelement 150 ausgehende Fluoreszenzstrahlung zuverlässig vom Lichtleiter 120 aufgenommen werden kann.
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2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass die Kanülenwand 103 den Mikrowellenleiter 110 bildet. Alternativ kann auch nur ein Teil der Kanülenwand 103 als Mikrowellenleiter 110 ausgebildet sein. Der Lichtleiter 120 kann in dieser Ausführungsform den gesamten Kanal 101 der Kanüle 100 ausfüllen und somit einen größeren Anteil des vom Sensorelement 150 emittierten Fluoreszenzlichts aufnehmen.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 ist das Sensorelement 150 senkrecht und insbesondere kreisrund zur Kanülenwand 103 angeordnet. Ferner unterscheidet sich diese Ausführungsform von der vorhergehenden durch eine aufgrund des senkrecht angeordneten Sensorelements 150 überstehende Spitze 102 der Kanüle 100. Die Spitze 102 weist vorzugsweise Durchbrüche 107 für ein Durchleiten der Zell-Partikel-Verbindungen auf, um einen Fluss des Blutes mit Zell-Partikel-Verbindungen trotz überstehender Spitze 102 nahe des Sensorelements 150 zu ermöglichen. Die Durchbrüche haben dabei beispielsweise einen Durchmesser von größer als 10 Mikrometer und beispielsweise eine kreisrunde oder ovale Form. In einem Grenzfall dieser Ausführungsform umfasst die Spitze 102 einen einzelnen Durchbruch 107 mit einem Durchmesser, welcher unterhalb des Durchmessers der Kanüle 100 liegt, beispielsweise ein Durchmesser des Durchbruchs von bis zu 3,5 mm bei einem Durchmesser der Kanüle 100 von 4 mm.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass die Kanüle 100 kein Sensorelement 150 mit Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren aufweist. Diese Ausführungsform ist für eine Detektion von Zell-Partikel-Verbindungen vorgesehen, wobei die Zell-Partikel-Verbindungen jeweils mindestens jeweils zwei Partikel umfassen, nämlich jeweils ein erstes Partikel mit magnetischem Material und ein zweites Partikel mit Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren. Vorzugsweise weisen alle Partikel Fängermoleküle für eine spezifische Bindung an zu detektierende Zellen auf, beispielsweise für eine spezifische Bindung vorgegebener Oberflächenproteine der Zellen. Damit ist sichergestellt, dass ungebundene Partikel mit Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren keine Zeeman-Aufspaltung aufweisen und falsch positive Ergebnisse liefern. Die Kanüle 100 kann mit einer Vergussmasse 108, beispielsweise Epoxidharz, gefüllt sein, um den offenen Kanal 104 abzudichten. Alternativ kann der offene Kanal 104 wie oben beschrieben zur Zu- oder Abfuhr von Fluid dienen. Alternativ kann eine Ausführungsform der Erfindung ohne Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren ein transparentes Element, beispielsweise umfassend Glas, transparentes Polymer und/oder kristallines Quarz, umfassen, wobei das transparente Element 150 in gleicher Form und Weise wie das Sensorelement 150 aus den 1 bis 3 an der Kanüle angeordnet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen darin, dass ein Endabschnitt 111 des Mikrowellenleiters 110 ein Endstück 121 des Lichtleiters 120 zumindest teilweise umgibt, wie schematisch dargestellt in 5a und der dazugehörigen Ansicht von vorne dargestellt in 5b. Beispielsweise kann der Endabschnitt 111 als ringförmige Antenne um das Endstück 121 des Lichtleiters 120 ausgeführt sein.
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6a und 6b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen darin unterscheidet, dass ein Endabschnitt 111 des Mikrowellenleiters 110 und/oder ein Endabschnitt 121 des Lichtleiters 120 das Sensorelement 150 für eine direkte Überleitung des Lichts beziehungsweise der Mikrowellenstrahlung kontaktieren.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kanüle 100 eine zwischen dem Lichtleiter 120 und dem Sensorelement 150 angeordnete Schicht 160, wobei die Schicht 160 einen Brechungsindex aufweist, dessen Wert zwischen dem Wert des Brechungsindexes eines die Schicht kontaktierenden Bereichs 151 des Sensorelements 150 und dem Wert des Brechungsindexes eines die Schicht 160 kontaktierenden Bereichs des Lichtleiters 122 liegt, wie in 7 dargestellt. Wenn der Lichtleiter 120 beispielsweise eine Glasfaser mit einem Brechungsindex von ca. 1,45 umfasst, kann als die zwischen dem Sensorelement 150, welches beispielsweise ein Diamantmaterial mit Brechungsindex ca. 2,45 aufweist, und dem Lichtleiter 120 angeordnete Schicht 160 ein an Silizium reiches Siliziumnitrid mit einem Brechungsindex zwischen ca. 1,9 und 2,1 umfassen.
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Vorzugsweise ist das Sensorelement 150 teilweise von einer Reflexionsschicht 170 zur Sammlung von im Sensorelement erzeugtem Fluoreszenzlicht umgeben, insbesondere für eine Sammlung des erzeugten Fluoreszenzlichts für eine Einkopplung in einen Lichtleiter der Kanüle 100.
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8 zeigt beispielhaft eine Zell-Partikel-Verbindung 300, umfassend eine Zelle 310, beispielsweise eine Tumorzelle, mit Oberflächenproteinen 311 und ein erstes Partikel 320 und ein zweites Partikel 330, wobei das erste Partikel 320 und/oder das zweite Partikel 330 beispielsweise die oben genannten Dynabeads® oder BioMag® sowie BioMag® „Unconjugated Particles“ umfassen können. Das erste Partikel 320 umfasst ferner magnetisches Material und das zweite Partikel 330 umfasst ferner Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren. Beispielsweise kann das Material mit Bandabstand mit Farbzentren dabei die Form eines Quaders mit Abmessungen von 300 Nanometer mal 300 Nanometer mal 300 Nanometer aufweisen oder auch eine andere Form mit einem gleich großem Volumen. Beide Partikel 320, 330 sind über Fängermoleküle 340 mit einigen der Oberflächenproteine 311 der Zelle verbunden. Beispielsweise kann es sich bei den Fängermolekülen um Biotin-gelabelte AntiEpCAM-Antikörper handeln, welche über Streptavidin, beispielsweise in Form einer Beschichtung der Partikel, mit den Partikeln 320, 330 verbunden sind, beispielsweise Streptavidin-coupled Dynabeads® oder CELLection™ Epithelial Enrich Dynabeads® insbesondere zur Bindung von zirkulierenden Tumorzellen in Blut. Beispielsweise weisen die Partikel einen Durchmesser von 10 Nanometer bis 100 Mikrometer, bevorzugt 100 Nanometer bis 2 Mikrometer auf. Vorzugsweise umfasst das erste Partikel magnetisches Material für ein totales magnetisches Moment von 10^-14 bis 10^-8 Am^2. Gemeinsam mit der erfindungsgemäßen Kanüle 100 bildet die beispielhaft dargestellte Zell-Partikel-Verbindung 300 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Kanüle 100 kein Sensorelement mit NV-Zentren benötigt. In einer alternativen Ausgestaltung umfassen die Zell-Partikel-Verbindungen 300 keine zweiten Partikel 330 mit NV-Zentren. Stattdessen umfasst die Kanüle 100 dieser Ausgestaltung ein Sensorelement 150, wie beispielhaft in den 1 bis 3 sowie 5 bis 7 dargestellt.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 700 zum Nachweis von Zellen, insbesondere von Tumorzellen, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem in einem Flussdiagramm. In einem ersten Schritt 701 werden dabei eine erfindungsgemäße Kanüle sowie Partikel in das Blutgefäß eingebracht, wobei die Partikel Fängermoleküle zur spezifischen Bindung an die Zellen aufweisen und wobei die Partikel magnetisches Material und/oder Material mit breitem Bandabstand mit Farbzentren, insbesondere Diamantmaterial mit NV-Zentren, umfassen. In einem zweiten Schritt 702 werden Mikrowellenstrahlung und Licht über den Mikrowellenleiter beziehungsweise über den Lichtleiter der Kanüle eingeleitet sowie von aus dem Diamantmaterial kommende Fluoreszenzstrahlung über den selben oder einen weiteren Lichtleiter der Kanüle rückgeleitet, wobei eine Frequenz der eingeleiteten Mikrowellenstrahlung über einen vorgegebenen Bereich durchgestimmt wird. In einem dritten Schritt 703 wird die rückgeleitete Fluoreszenzstrahlung auf Einbrüche in einer Intensität der Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit der Frequenz der eingeleiteten Mikrowellenstrahlung als Nachweis der Zell-Partikel-Verbindungen und somit als Nachweis der Zellen im Blutgefäß analysiert. Wenn die Kanüle einen Kanal zur Zuführung von Medikamenten aufweist, kann in einem optionalen vierten Schritt 704 eine Dosierung des zugeführten Medikaments in Abhängigkeit von einer ermittelten Konzentration der Zellen erfolgen und das Verfahren vorzugsweise mit dem ersten Schritt 701 erneut durchlaufen werden.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens 800 für eine Kanüle. In einem ersten Schritt 801 wird eine Kanüle bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 802 werden ein Lichtleiter und ein Mikrowellenleiter als Teil der Kanüle angeordnet, wobei die Anordnung vorzugsweise derart erfolgt, dass sich der Lichtleiter und der Mikrowellenleiter in Richtung eines distalen Endes der Kanüle erstrecken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/035186 A1 [0003]
- US 2011062957 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jelezko, F. and Wrachtrup, J. (2006 [0004]
- A review. phys. stat. sol. (a), 203: 3207-3225 [0004]
- T. Wolf et al., Subpicotesla Diamond Magnetometry, Phys. Rev. X, Vol. 5, 041001 (2015 [0004]
