DE102018005024B4

DE102018005024B4 - Verfahren zur Erfassung von Indikatoren

Info

Publication number: DE102018005024B4
Application number: DE102018005024.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Baurmeister
Original assignee: Insion GmbH
Current assignee: Insion GmbH
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2038-06-22
Also published as: DE102018005024A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Filtrats und Erfassung von Indikatoren in diesem Filtrat für die Diagnose und Therapieverfolgung einer Sepsis und deren verschiedener Schweregrade mit Hilfe der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie im Plasma von Blut mit einem Raman-Mikrospektrometer (5), mit folgenden Schritten:- Bereitstellen des Raman-Mikrospektrometers (5)- Durchfließen von Blut durch eine Pumpe (1) während einer extrakorporalen Blutbehandlung- Fließen von Blut durch einen Dialysator (2) - Tangentiales Fließen des Bluts durch einen in einem Plasmakanal (3b) befindlichen Plasmaseperator (3), der einen Blut-Eingang und -Ausgang aufweist, wobei das Blut tangential an einer Wand mit einer mikroporösen Membran (3a) vorbeifließt- Filtrieren von im Blut befindlichem Plasma in dem Plasmakanal (3b) durch die mikroporöse Membran (3a)- Erhalten von Filtrat mit Biomarkern zur Erkennung einer Sepsis- Fließen des Filtrats durch einen Mikrokanal (4)- Oberflächenverstärken von Streulicht des Plasmas im Filtrat- Erfassen des Streulichts durch das oberflächenverstärkte Raman-Spektrometer (5)- Analysieren des Streulichts durch das oberflächenverstärkte Raman-Spektrometer (5)- Ermitteln von Zeitabständen der Lichtintensitäts-Verteilungen des Streulichts mittels des oberflächenverstärkten Raman-Spektrometers (5) und Erzeugung von Raman-Spektren- Versenden der Raman-Spektren an einen Computer (6)- Abgleich klinischer Daten mit den Raman-Spektren mittels einer Einrichtung mit künstlicher Intelligenz (8)- Anzeige der gewonnenen Daten zur Diagnose und Therapie auf einem Bildschirm (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Indikatoren.
Stand der Technik
Millionen Patienten erkranken pro Jahr in Europa und Nordamerika an einer Sepsis mit Organversagen oder an septischem Schock. Diese akut gefährdeten Patienten werden auf Intensivstationen behandelt. 40% der Betroffenen versterben trotz eines kostspieligen intensivmedizinischen Einsatzes an den Folgen der Sepsis, weil die Therapie zu spät beginnt. Ein schnelleres Erkennen der Sepsis könnte die Überlebensrate wesentlich verbessern. Ein schnelles Diagnose-System direkt am Patienten hat daher einen hohen klinischen Bedarf.
Sepsis ist eine systemische Reaktion des Organismus auf eine unkontrollierte Infektion, die meist von Bakterien, in zunehmendem Maße aber auch von Pilzen verursacht wird. Sepsis ist ein lebensbedrohlicher Zustand, der eintritt, wenn die Antwort des Körpers auf eine Infektion die eigenen Gewebe und Organe schädigt. Sepsis kann zu Schock, multiplem Organversagen und letztlich zum Tod führen, insbesondere, wenn sie nicht früh erkannt und schnell behandelt wird. Sepsis ist weltweit die führende infektionsbedingte Todesursache.
In Deutschland treten jährlich ca. 154.000 neue Sepsisfälle auf, täglich sterben deutschlandweit im Durchschnitt 150 Patienten. Damit ist Sepsis häufiger als Schlaganfall, Brust- oder Darmkrebs. Trotz der Fortschritte der modernen Medizin, etwa in den Bereichen der Impfungen, Antibiotika und Akutversorgung, steigt die Inzidenz der Sepsis jedes Jahr mit der alternden Bevölkerung und dem zunehmenden Einsatz invasiver medizinischer Methoden. Daher muss Sepsis als ein wesentliches Hindernis des medizinischen Fortschritts und als eine versteckte Katastrophe der Gesundheitspflege angesehen werden.
Sepsis kann als Komplikation jeder Infektion, wie z. B. Lungenentzündung, Tonsillitis, Harnwegsinfektionen oder Bauchfellentzündung auftreten oder auch nach Verletzungen und chirurgischen Eingriffen. Sepsis ist daher ein Problem quasi jeder medizinischen Disziplin. Die Entzündungsantwort des gesamten Körpers, verbunden mit Organversagen, macht Sepsis zu einer hochkomplexen und dynamischen Erkrankung. Durch die unspezifischen Symptome, verbunden mit einem Mangel an leistungsfähigen Diagnosemethoden, wird eine Sepsis oft erst spät erkannt und in der klinischen Dokumentation unterbewertet.
Nachfolgend wird der Stand der Technik zu zwei Kategorien beschrieben: dies sind erstens Sepsis-relevante Biomarker aus dem Blutplasma und zweitens System-Parameter des Sepsis-Patienten, die in Echtzeit zur Diagnose der Sepsis bereits bekannt sind.
Das Patent US 6,216,032 B1 von P. Griffin (HRV, heart-rate variability) offenbart ein Gerät und eine Methode zur Diagnose und Prognose lebensbedrohlicher Erkrankungen wie Sepsis und Multiorganversagen. Die Methode nutzt die Variabilität der Herzschlagfrequenz (HRV). Allerdings bezieht sich dieser Biomarker allein auf Informationen vom Herzen und lässt frühe Biomarker unberücksichtigt, die von anderen Organen wie der Leber im Blutplasma (z.B. Bilirubin) angezeigt werden. Dazu gehören die Blutplasma-Parameter: PCT(Procalcitonin), CRP (C-reaktives Protein), TNF (Tumor Nekrose Faktor), IL6 (Interleukin 6), IL8 (Interleukin 8), HB (Hämoglobin), OXIHB (Oxy Hämoglobin), Bilirubin, Laktat.
Obige Plasma-Parameter werden heute als Biomarker für die Diagnose und Prognostik der Sepsis diskutiert bzw. bereits klinisch genutzt. Von diesen ist besonders das PCT (Procalcitonin) herauszustellen: dessen Konzentrationsverlauf wird genutzt, um eine Infusion von Antibiotika möglichst rechtzeitig zu beenden. Allerdings wird das PCT bisher im Zentrallabor gemessen und liegt damit nicht in Echtzeit direkt am Patienten vor. Klinisch wünschenswert wäre eine kontinuierliche Messung des PCT, um möglichst früh den Status der Sepsis zu erkennen und die Therapie darauf anzupassen. Eine zeitliche Änderung der PCT-Konzentration, also die Änderungsrate von PCT, ist ein wichtiger Biomarker für den septischen Schock.
Das US Patent 2014/0088385 A1 , beschreibt ein Pulsoximeter. Es ist ein Diagnosegerät, das in Echtzeit die Herzfrequenz als einen physiologischen System-Parameter in Verbindung mit der Sauerstoffsättigung im Blutplasma zeigt.
Dieses Gerät ist allerdings bei alleiniger Anwendung nicht für den klinischen Einsatz zur Sepsis-Diagnose geeignet. Der Stand der Technik zur Variabilität des Pulses zeigt ein Potential dieses neuen Parameters als physiologischen Biomarker zur Sepsis-Diagnose. Dieser Marker wird als HRV (heart-rate-variability) bezeichnet und kann in Echtzeit gemessen werden.
Die Raman-Spektroskopie ist eine ausgereifte Technologie zur spezifischen Erkennung von Molekülen, basierend auf deren Schwingverhalten. Dieses wird angeregt durch monochromes Laserlicht. Das Streulichtverhalten der schwingenden Biomoleküle ist vergleichbar mit einem einzigartigen Fingerabdruck oder einer „Signatur der Sepsis“.
Die DE 10 2015 115 342 A1 offenbart eine „Anordnung für die individualisierte Patientenblutanalyse“. Es wird eine Anordnung für die individualisierte in-vitro-Patientenblutanalyse insbesondere für Sepsis-Untersuchungen angegeben, die ein Holographie-Modul, ein Raman-Spektroskopie-Modul, ein Biomarker-Modul und einen Flusssteuerbaustein umfasst, wobei die Module über den Flusssteuerbaustein mit einer gemeinsamen Blutprobenzuführung und weiteren Flüssigkeitsmaterialzuführungen fluidisch verbunden sind.
Die DE 10 2010 033 105 B4 zeigt eine „Massenspektrometrischen Sepsisdiagnose ohne Blutkultur“. Dabei erfolgt in Schritt a) ein Auflösen der Körperflüssigkeiten durch ein Tensid oder Zerstörung der Humanpartikel durch destilliertes Wasser derart, dass die Mikroben in der Körperflüssigkeit vermehrungsfähig bleiben, b) ein Abtrennen der Mikroben von der Flüssigkeit, c) ein Vermehren der Mikroben in einer Nährbouillon, die nicht die antimikrobiellen Bestandteile der Körperflüssigkeit enthält, e) ein Identifizieren der Mikroben von der Nährbouillon, und e) ein Identifizieren der Mikroben durch Ähnlichkeitsvergleich eines Massenspektrums der Mikrobenproteine mit Referenzspektren.
Die Raman-Spektroskopie scheint zur Sepsis-Diagnostik grundsätzlich geeignet. Die Unterscheidung von Sepsis zur SIRS (Systemic Inflammatory Response Syndrome, einem Krankheitsbild, das einer Sepsis ähnelt, ohne dass eine Infektion nachweisbar ist) kann grundsätzlich möglich sein, allerdings erfolgten Versuche dazu nicht in Echtzeit unter erheblichem methodisch bedingtem Arbeitsaufwand.
„SERS“ bedeutet die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie, englisch: „surface enhanced raman spectroscopy“ oder abgekürzt SERS. Von besonderer Bedeutung ist das Phänomen einer Verstärkung des Streulichts an leitenden Oberflächen, die eine Nanostruktur aufweisen. Diese besteht meist aus Gold- oder Silberbeschichtungen.
Nachteilig an den bekannten Erfassungssystemen ist, dass die Faktoren bzw. Indikatoren für die Erfassung der relevanten Parameter nicht in der notwendigen Weise erfasst werden. Ein zentrales, grundsätzliches Problem bei Patienten mit Sepsis stellt die Früherkennung der Erkrankung dar. Dies würde die Einleitung einer adäquaten zielgerichteten Therapie ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Erfassungssystem sowie ein Verfahren zu dessen Durchführung zur Verfügung zu stellen, um eine Sepsis möglichst frühzeitig zu erkennen und den Schweregrad einzuordnen, um zu ermöglichen, eine Therapie möglichst früh und zielgerichtet einzuleiten und in Echtzeit zu verfolgen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs sowie des unabhängigen Nebenanspruchs offenbart. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch und den unabhängigen Anspruch anschließenden weiteren Ansprüche.
Es wird ein Verfahren zur Erfassung und Herstellung eines Filtrats offenbart, das extrakorporal direkt im Blutplasma des Patienten die entscheidenden Indikatoren einer Sepsis erfasst.
Dazu sollen bekannte und zukünftige molekulare Biomarker aus dem Blut oder Blutplasma in Echtzeit gemessen und einem System künstlicher Intelligenz zugeführt werden. Dieses soll auch in Echtzeit verfügbare Parameter verarbeiten, die Informationen liefern über die Funktion einzelner Organe wie dem Herz, der Lunge, Leber und der Niere sowie dem Gefäßsystem. Dazu wird ein Filtrat bzw. Analyt erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfasst relevante Indikatoren, insbesondere eine Vielzahl sepsis-relevanter Biomarker wie z.B. IL6 (Interleukin 6), TNF (Tumor Nekrose Faktor), CRP (C-reaktives Protein) und PCT (Procalcitonin), die im fließenden Plasma online außerhalb des menschlichen Körpers in Echtzeit gemessen wird. Die daraus resultierenden Änderungsraten (Ableitungen nach der Zeit) werden vom Computer errechnet und für die Diagnose verwenden.
Biomarker werden bei Sepsis zur Diagnosefindung, Risikostratifizierung, Verlaufskontrolle und Therapiesteuerung eingesetzt. Neben den genannten unspezifischen Entzündungs-/ Akutphasemarkern (Leukozytenzahl, CRP) stehen Biomarker mit hoher Spezifität und Sensitivität (PCT) zur Verfügung.
PCT ist ein Prohormon (116 Aminosäuren, 13kDa), welches bei gesunden Individuen in der Schilddrüse gebildet und nicht in die Zirkulation abgegeben wird (Plasmaspiegel <0.1 ng/ml). PCT wird rasch (1-2 h) und ausgeprägt (bis 10.000fach), insbesondere bei systemischen bakteriellen Infektionen, induziert. PCT-Serumspiegel korrelieren mit dem Erkrankungsschweregrad bei Sepsis und weisen eine hohe Sensitivität und Spezifität auf (89-96% bzw. 78-94%, cut-off: 1.1-2.0 ng/ml). PCT ist ein sensitiver und spezifischer Marker bei Sepsis. PCT kann darüber hinaus helfen, die antibiotische Therapie zu steuern.
IL-6 ist ein von Monozyten/Makrophagen, Endothelzellen, Keratinozyten und Fibroblasten exprimiertes pleiotropes Zytokin, dessen Spiegel bei Sepsis rasch ansteigen (Plasmaspitzenspiegel nach 2h). IL-6 unterstützt die Initiierung einer adaptiven Immunantwort via T-Zellaktivierung/ -proliferation und B-Zelldifferenzierung. IL-6- Plasmakonzentrationen korrelieren mit dem Schweregrad der Erkrankung bei Patienten mit Sepsis. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit, schnellen Induktionszeit und der intra-individuellen Varianz ist IL-6 im Rahmen der Frühdiagnostik insbesondere bei Neonaten und zur individuellen Verlaufsbeobachtung geeignet.
Der Ex-vivo Tumor Nekrose Faktor (TNF)-a Spiegel wird über LPS der äußeren Zellwand gram-negativer Bakterien ermittelt, die über toll-like Rezeptoren auf Monozyten, Granulozyten und Endothelzellen wirken. Die Sekretion der Monokine (insbes. TNF-a, IL-10) kann nach in vitro LPS-Stimulation (500 pg/ml) und Inkubation in Zellkulturmedium gemessen werden und gibt Auskunft über die monozytäre Immunkompetenz. Die ex vivoTNF-a Freisetzung wurde als Biomarker für monozytäre Immunkompetenz in klinischen Studien eingesetzt.
Zusätzlich wurden in den letzten Jahren zelluläre immunologische Funktionsmarker (mHLA-DR) entwickelt.
Die Raman-Spektroskopie ist eine spektroskopische Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern, der Raman-Streuung. Bei der Raman-Spektroskopie wird die zu untersuchende Materie mit monochromatischem Licht, üblicherweise einem Laser, bestrahlt. Im Spektrum des an der Probe gestreuten Lichts werden neben der eingestrahlten Frequenz noch weitere Frequenzen beobachtet. Die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht entsprechen den für das Material charakteristischen Energien. Der Grund liegt in einer Wechselwirkung des Lichts mit der Materie, dem Raman-Effekt, bei dem Energie vom Licht auf die Materie übertragen wird oder umgekehrt. Da die Wellenlänge des Lichts, d.h. seine Farbe, von der Energie des Lichts abhängt, bewirkt dieser Energieübertrag eine Verschiebung der Wellenlänge des gestreuten Lichts gegenüber dem eingestrahlten Licht, die Raman-Verschiebung. Die Raman-Spektroskopie erlaubt Aussagen über wässrige Systeme, die über Infrarot-Spektroskopie schwer zugänglich sind.
Die Gesamtheit aller detektierten Licht-Molekül-Interaktionsproesse liefert einen einzigartigen optischen „Fingerabdruck“ der Substanz und macht somit ihre Identifizierung möglich. Die Biokompatibilität der Raman-Spektroskopie ermöglicht die Analyse von lebenden Zellen in wässriger Umgebung. Dadurch kann die Dynamik einzelner Zellen in Echtzeit untersucht werden, während sie beispielsweise auf äußere Einflüsse reagieren. Diese Eigenschaften sind auch bei der Charakterisierung von biomedizinischen Proben von großem Vorteil.
Vorliegend wird die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (engl. Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) für das Verfahren zur Erfassung der relevanten Faktoren einer Sepsis angewandt. Im Vergleich zur Raman-Spektroskopie lässt sich mit SERS eine deutlich höhere Sensitivität erreichen, die die Detektion von niedrigen Molekülkonzentrationen bis zum Einzelmolekül ermöglicht. Dabei wird überprüft, ob sich ein sogenanntes Analyt-Molekül in einer Nahfeldumgebung befindet. Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie SERS verbindet die Vorteile der konventionellen Raman-Spektroskopie mit der durch Metallstrukturen erhöhten Empfindlichkeit bis hin zum Einzelmolekül-Nachweis. Somit lassen sich mit SERS sehr kleine Analytmengen untersuchten. Dies ermöglicht die Detektion der gesuchten Biomarker der Sepsis, die in situ oft in sehr kleinen Konzentrationen vorliegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der relevanten Indikatoren hat dabei den Vorteil, dass eine Vielzahl sepsis-relevanter Biomarker wie z.B. IL6 (Interleukin 6), TNF (Tumor Nekrose Faktor), CRP (C-reaktives Protein) und PCT (Procalcitonin) im fließenden Plasma online außerhalb des menschlichen Körpers in Echtzeit gemessen wird und daraus die Änderungsraten (Ableitungen nach der Zeit) vom Computer errechnet und für die Diagnose verwendet werden.
Der Computer bzw. Rechner ist mit einem kontinuierlich lernenden Expertensytem, einer Einrichtung mit künstlicher Intelligenz, verbunden. Dieses nutzt die klinischen Erfahrungen aus kontrollierten klinischen Studien. Das künstliche Expertensystem empfiehlt dem verantwortlichen Arzt eine Behandlung und prognostiziert dessen Erfolgswahrscheinlichkeit.
Es wird zusätzlich ein sterilisiertes Einwegsystem zur Anwendung außerhalb des Körpers des Patienten offenbart, das in Kontakt mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten kommt. Das Einwegsystem dient dem einmaligen Gebrauch. Zumindest die blut- und plasmaführenden Kunststoffteile (Schläuche) sind Einmalartikel. Sie werden beim jeweiligen Einsatz mechanisch und optisch an das ggf. wiederverwendbare Raman-Mikrospektrometer gekoppelt. Dadurch werden die Messungen der Biomarker zu geringen Kosten von Material durchgeführt ohne zusätzlichen Aufwand durch Laborpersonal. Die in Echtzeit verfügbare Information hat das Potential einer Reduktion der hohen Mortalitätsrate von Sepsis-Patienten.
Es wird somit ein sterilisiertes Einwegsystem in einer extrakorporalen Anwendung für das Verfahren zur Detektion offenbart, das in Kontakt mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten kommt. Das Einwegsystem wird nach einem einmaligen Gebrauch verworfen.
Das sterilisierte Einwegsystem umfasst wenigstens einen Plasmaseparator als Mikrofiltrationseinheit. Der Plasmaseparator weist einen Mikrokanal auf, dessen eine Wandung als mikroporöse Membran ausgebildet ist. Die Membran hat eine Porengröße von ca. 0,2 µm und ist bevorzugt aus Polymeren, wie z.B. Polyethersolphon oder Polyamid, ausgebildet. Der Mikrokanal wird von Plasma durchströmt. Er weist zumindest zwei lichtdurchlässige Fenster auf, wobei durch ein Fenster das Licht aus dem verwendeten Mikrospektrometer eintritt und durch das zweite Fenster das Licht wieder austritt. Eine einem Fenster gegenüberliegenden Seite weist eine nanostrukturierte Oberfläche auf, die das Streulicht aus dem Blutplasma verstärkt. Diese nanostrukturierte Oberfläche wird durch Nanopartikel aus einem Edelmetall gebildet.
Das sterilisierte Einwegsystem umfasst des Weiteren mindestens einen Konnektor sowie einen oder mehrere T-Konnektoren sowie Klebungen, insbesondere des Plasmaseparators. Der Plasmaseparator weist eine Öffnung zum Plasmakanal auf. Eine Klebung ist an einem Blutzellen-tragenden Teil angeordnet. Der an der Öffnung zum Plasmakanal angeordnete Plasmakanal führt zu dem Mikrokanal. Der Mikrokanal ist mit einem T-Konnektor mit einem Pumpenschlauch verbunden. Der Pumpenschlauch ist seinerseits über einen T-Konnektor mit einem Konnektor zum Patienten verbunden.
Das Einwegsystem umfasst weiterhin einen weiblichen Konnektor sowie einen männlichen Konnektor zu einem Dialysator. Der Dialysator enthält üblicherweise eine semipermeable Dialysemembran, über die ein Stoffaustausch stattfindet. Durch ihren Aufbau weisen sie eine möglichst große Oberfläche zwischen der Dialysemembran, Blut und Dialysat auf. Der weibliche Konnektor ist über den T-Konnektor mit dem Konnektor zum Patienten verbunden. Der männliche Konnektor ist über einen T-Konnektor mit einem anderen Konnektor verbunden.
Das Einwegsystem ist mit Kochsalz aufgefüllt und sterilisiert. Nach dem Einbau des Einwegsystems in den extrakorporalen Kreislauf wird es von Blut und Plasma freigespült. Die im Herstellungsprozess durchgeführte blasenfreie Befüllung des Einwegsystems gewährleistet einen blasenfreien Durchfluss von Blut und Plasma. Dies ist von Bedeutung, da Blasen die Messung des Raman-Mikrospektrometers verfälschen würden.
Das verwendete Raman-Mikrospektrometer ist mit dem Mikrokanal des Einwegsystems mechanisch durch eine Schnappvorrichtung lösbar verbunden, die durch eine Bedienung z.B. von Hand einfach verbunden und wieder gelöst werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 zeigt schematisch ein System zum Durchführen eines Verfahrens zur Erfassung von Biomarkern einer Sepsis und
2 stellt Einzelkomponenten des Systems dar.

In 1 ist ein System zum Durchführen eines Verfahrens zur Erfassung von Biomarkern einer Sepsis dargestellt.
Das System weist ein Mikrospektrometer 5 auf. Das Mikrospektrometer ist als oberflächenverstärktes Raman-Mikrospektrometer 5 ausgebildet. Blut fließt durch eine Pumpe 1 während einer extrakorporalen Blutbehandlung, vergleichbar der Dialyse, und durch einen Dialysator 2. Eine im Blutschlauch befindliche Kammer 3 ist als Plasmaseperator ausgebildet und hat einen Blut-Eingang und -Ausgang. Dabei fließt das Blut tangential an einer Wand entlang, die eine mikroporösen Membran 3a aufweist.
Das im Blut befindliche Plasma in einem Plasmakanal 3b wird spontan durch die Membran 3a filtriert. Der Transmembrandruck wird über den kleinlumigen Drosselschlauch 2a als Rückstau erzeugt. Das Analyt bzw. Filtrat enthält gewisse Biomarker der Sepsis, die kleiner als 0.2 mµ sind, während alle partikulären Bestandteile 3c des Blutes an der Membran 3a zurückgehalten werden und dann vorbei strömen. Das Filtrat fließt dann in Echtzeit durch einen Mikrokanal 4, aufweisend zwei plan-parallele Wände. Die erste Wand ist transparent und lässt alles Licht beliebiger Wellenlänge hindurchtreten, ohne dass das Licht von dem Material, aus dem die erste Wand besteht, absorbiert wird.
Die Oberfläche der gegenüberliegenden zweiten Wand ist nanostrukturiert und mit Gold bedampft, so dass Streulicht aus dem Plasmastrom über den Effekt der Plasmon-Resonanz verstärkt wird. Dieses Streulicht kann durch die gegenüberliegende transparente Wand hindurchtreten. Dort wird das oberflächenverstärkte Streulicht (SERS) von dem Raman-Mikrospektrometer 5 analysiert.
Das Raman-Mikrospektrometer 5 errechnet in Zeitabständen von weniger als 30 Sekunden die Lichtintensitäts-Verteilungen über das gesamte Lichtspektrum. Die Raman-Spektren sendet das Spektrometer an einen Computer 6 mit großer Speichereinheit 7. Diese Speichereinheit 7 enthält eine Vielzahl dieser Spektren insbesondere aus einem kontrollierten Klinikversuch.
Vergleichbar mit einem Fingerabdruck werden die molekularen Biomarker der Sepsis aufgezeichnet. Die klinischen Daten des Patienten wurden in einer Lernphase des Systems manuell mittels einer Eingabevorrichtung 9 eingegeben und einer Einrichtung mit künstlicher Intelligenz 8 zugeführt. Dabei werden die klinischen Daten den Spektren zugeordnet.
In einer ersten analytischen Phase wird mit Hilfe der Einrichtung der künstlichen Intelligenz 8 das aktuelle Spektrum mit den abgespeicherten Spektren verglichen und wiedererkannt. Damit wird auch das klinische Bild mit seiner Therapiegeschichte erkannt, das diesem Spektrum in einer Lernphase zugeordnet wurde. Diagnose und Therapie werden dem verantwortlichen Arzt auf einem Bildschirm 10 in Echtzeit vorgeschlagen. Die Lernphase des Systems kann beliebig ausgedehnt werden. Damit wird die Datenbasis für die Einrichtung der künstlichen Intelligenz 8 auf eine möglichst breite Kompetenz praktischer klinischer Erfahrung gestellt werden. Somit wird ein System zur Detektion von Biomarkern zum Zweck einer Diagnose und einer Therapie zur Verfügung gestellt und stellt ein „Theranostiksystem“ dar.
2 zeigt schematisch die Einzelkomponenten des sterilisierten Einwegsystems.
Der Plasmaseperator 3 weist eine Wandung auf, die als mikroporöse Membran 3a ausgebildet ist. Die mikroporöse Membran 3a hat eine Porengröße von 0,2 µm. Sie ist insbesondere aus Polymeren wie z.B. Polyethersolphon oder Polyamid ausgebildet.
Ein Mikrokanal 4 wird von Plasma durchströmt und weist zwei lichtdurchlässige Fenster auf. Durch ein erstes Fenster hindurch tritt Licht aus dem oberflächenverstärkten Raman-Mikrospektrometer 5 ein und durch ein zweites Fenster tritt das Licht wieder aus.
Der Plasmaseparator 3 weist eine Öffnung zum Plasmakanal 21 auf. Des Weiteren weist der Plasmaseparator 3 Klebungen 19 und 20 auf, wobei die Klebung 19 an einem Blutzellen-tragenden Teil 3c angeordnet ist. Der an der Öffnung zum Plasmakanal 21 angeordnete Plasmakanal 3b führt zu einem Mikrokanal 4. Der Mikrokanal 4 ist mit einem weiteren T-Konnektor 18 mit einem Pumpenschlauch 17 verbunden. Der Pumpenschlauch 17 ist seinerseits über einen T-Konnektor 15 mit einem Konnektor zum Patienten 16 verbunden.
Das Einwegsystem umfasst weiterhin einen weiblichen Konnektor 14 sowie einen männlichen Konnektor 13 zu einem Dialysator 2. Der Dialysator 2 enthält üblicherweise eine semipermeable Dialysemembran, über die ein Stoffaustausch stattfindet. Durch ihren Aufbau weisen die Dialysatoren 2 eine möglichst große Oberfläche zwischen der Dialysemembran, Blut und Dialysat auf. Der weibliche Konnektor 14 ist über den T-Konnektor 15 mit dem Konnektor 16 zum Patienten verbunden. Der männliche Konnektor 13 ist über einen T-Konnektor 12 mit dem Konnektor 11 verbunden.
Das Mikrospektrometer 5 ist mechanisch durch eine Schnappverbindung mit dem Mikrokanal 4 lösbar verbunden. Die Bedienung kann von Hand erfolgen.
Auf zumindest einer einem Fenster gegenüberliegenden Seite ist eine nanostrukturierte Oberfläche ausgebildet, die das Streulicht aus dem Blutplasma verstärkt. Diese Oberfläche umfasst Nanopartikel aus einem Edelmetall.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Dialysator
2a: kleinlumiger Drosselschlauch
3: Plasmaseparator
3a: mikroporöse Membran
3b: Plasma-Kanal
3c: Blutzellen
4: Mikrokanal
5: Mikrospektrometer
6: Computer
7: Speicher
8: Einrichtung für künstliche Intelligenz
9: manuelle Eingabe
10: Bildschirm
11: Konnektor
12: T-Konnektor
13: männlicher Konnektor zum Dialysator 2
14: weiblicher Konnektor zum Dialysator 2
15: T-Konnektor
16: Konnektor zu einem Patienten
17: Pumpenschlauch
18: T-Konnektor
19: Klebung
20: Klebung
21: Öffnung zum Plasmakanal 3b
100: Sepsis-Patient

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Filtrats und Erfassung von Indikatoren in diesem Filtrat für die Diagnose und Therapieverfolgung einer Sepsis und deren verschiedener Schweregrade mit Hilfe der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie im Plasma von Blut mit einem Raman-Mikrospektrometer (5), mit folgenden Schritten: - Bereitstellen des Raman-Mikrospektrometers (5) - Durchfließen von Blut durch eine Pumpe (1) während einer extrakorporalen Blutbehandlung - Fließen von Blut durch einen Dialysator (2) - Tangentiales Fließen des Bluts durch einen in einem Plasmakanal (3b) befindlichen Plasmaseperator (3), der einen Blut-Eingang und -Ausgang aufweist, wobei das Blut tangential an einer Wand mit einer mikroporösen Membran (3a) vorbeifließt - Filtrieren von im Blut befindlichem Plasma in dem Plasmakanal (3b) durch die mikroporöse Membran (3a) - Erhalten von Filtrat mit Biomarkern zur Erkennung einer Sepsis - Fließen des Filtrats durch einen Mikrokanal (4) - Oberflächenverstärken von Streulicht des Plasmas im Filtrat - Erfassen des Streulichts durch das oberflächenverstärkte Raman-Spektrometer (5) - Analysieren des Streulichts durch das oberflächenverstärkte Raman-Spektrometer (5) - Ermitteln von Zeitabständen der Lichtintensitäts-Verteilungen des Streulichts mittels des oberflächenverstärkten Raman-Spektrometers (5) und Erzeugung von Raman-Spektren - Versenden der Raman-Spektren an einen Computer (6) - Abgleich klinischer Daten mit den Raman-Spektren mittels einer Einrichtung mit künstlicher Intelligenz (8) - Anzeige der gewonnenen Daten zur Diagnose und Therapie auf einem Bildschirm (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma kontinuierlich durch den Plasmakanal (3b) fließt und die Raman-Spektren von dem oberflächenverstärkten Raman-Mikrospektrometer (5) in Echtzeit erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Raman-Spektren eine Mehrzahl von Biomarkern der Sepsis in ihren Konzentrationen und Zeitverläufen errechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomarker sepsis-relevant und IL6, TNF, CRP und/oder PCT sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Raman-Spektren durch oberflächenverstärktes Streulicht messgenau detektiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Plasmakonzentrationen in Zeitintervallen von weniger als 30 Sekunden bestimmt und daraus deren zeitliche Änderungsraten berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen an den Computer (6) sowie einen Speicher (7) geführt werden und die Informationen hinsichtlich Diagnose und Therapie einem Arzt auf einem Bildschirm (10) angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (7) eine Vielzahl von vorab gespeicherten Raman-Spektren umfasst, die zum anschließenden Abgleich mit den gewonnenen Raman-Spektren eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transmembrandruck zum Fließvorgang des Plasmas über einen kleinlumigen Drosselschlauch (2a) als Rückstau erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat Biomarker der Sepsis, die kleiner als 0.2 mµ sind, aufweist, während alle partikulären Bestandteile (3c) des Blutes an der Membran (3a) zurückgehalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat in Echtzeit durch den Mikrokanal (4) fließt, der zwei plan-parallele Wände aufweist, wobei die erste Wand transparent ist und alles Licht beliebiger Wellenlänge hindurchtreten lässt, ohne dass das Licht von dem Material, aus dem die erste Wand besteht, absorbiert wird, und die Oberfläche einer gegenüberliegenden zweiten Wand nanostrukturiert und mit Gold bedampft ist, so dass Streulicht aus dem Plasmastrom über den Effekt der Plasmon-Resonanz verstärkt wird und dieses Streulicht durch die gegenüberliegende transparente Wand hindurchtritt, wobei dort das oberflächenverstärkte Streulicht von dem Raman-Mikrospektrometer (5) analysiert wird.
System zum Durchführen des Verfahrens zur Erfassung einer Sepsis und deren verschiedener Schweregrade mit einem Raman-Mikrospektrometer (5) zur oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie im Plasma von Blut nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System wenigstens eine Pumpe (1), einen Dialysator (2) zum Durchfluss von Blut, und wenigstens einen Plasmaseparator (3) mit einer mikroporösen Membran (3a) in einem Plasmakanal (3b) sowie einem Mikrokanal (4) zum Durchfluss von Plasma aufweist, wobei das System als steriles Einmalprodukt ausgebildet ist und mit einer Kochsalzlösung blasenfrei gefüllt ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (4) eine Wandung aufweist, die als mikroporöse Membran (3a) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Membran (3a) eine Porengröße von 0,2 µm aufweist.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (4) wenigstens zwei lichtdurchlässige Fenster aufweist, wobei das Licht aus dem Raman-Mikrospektrometer (5) durch ein Fenster eintritt und durch ein zweites Fenster wieder austritt.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer einem Fenster gegenüberliegenden Seite eine nanostrukturierte Oberfläche ausgebildet ist, die Streulicht aus dem Plasma verstärkt.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch Nanopartikel aus einem Edelmetall ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Raman-Mikrospektrometer mit dem Mikrokanal (4) mechanisch durch eine Schnappvorrichtung lösbar verbunden ist.