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Stand der Technik
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Der Ansatz geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand des vorliegenden Ansatzes ist auch ein Computerprogramm.
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Die Analyse zirkulierender Tumorzellen (engl. CTCs) verspricht einen minimalinvasiven Einblick in die Wirksamkeit einer Krebstherapie oder über den Zustand eines soliden Tumors. Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl von Verfahren und Ansätzen, CTCs aus der Blutbahn zu isolieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Isoliereinheit zum Isolieren von Tumorzellen in Blut sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Isoliereinheit, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass eine besonders große Anzahl an Tumorzellen isoliert werden kann.
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Eine Isoliereinheit zum Isolieren von Tumorzellen in Blut weist eine Aufnahmeeinrichtung, einen Isolator und eine Ausgabeeinrichtung auf. Die Aufnahmeeinrichtung ist dazu ausgeformt, um das Blut in die Isolationseinheit aufzunehmen. Der Isolator ist dazu ausgebildet, um zumindest eine Tumorzelle aus dem Blut zu isolieren. Die Ausgabeeinrichtung ist dazu ausgeformt, um von der zumindest einen Tumorzelle reduziertes Reduktionsblut aus der Isoliereinheit auszugeben oder auszulassen.
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Die Isoliereinheit ist für einen Einsatz außerhalb des menschlichen Körpers, also exvivo, ausgebildet. Die Isoliereinheit kann in Form eines Blutbypasssystems ausgeformt sein, beispielsweise als ein Apheresesystem, oder zur Integration in ein solches System ausgeformt sein. Bei den Tumorzellen kann es sich um sogenannte „zirkulierende Tumorzellen“, kurz „CTC“s (Circulating Tumor Cells) handeln. Die Aufnahmeeinrichtung kann als eine Einlassöffnung in die Isoliereinheit verstanden werden oder eine solche Einlassöffnung zumindest umfassen. Die Aufnahmeeinrichtung kann direkt oder indirekt fluidisch mit dem Isolator verbunden sein, beispielsweise durch ein schlauchartiges Verbindungsstück. Die Ausgabeeinrichtung kann als eine Auslassöffnung aus der Isoliereinheit verstanden werden oder eine solche Auslassöffnung zumindest umfassen. Auch die Ausgabeeinrichtung kann direkt oder indirekt fluidisch mit dem Isolator verbunden sein, beispielsweise ebenfalls durch ein schlauchartiges Verbindungsstück. Eine hier vorgestellte Isoliereinheit ermöglicht vorteilhafterweise eine Isolation von Tumorzellen während eines Blutflusses in der Isoliereinheit. So können vorteilhafterweise besonders viele Tumorzellen besonders schnell isoliert werden, um dann beispielsweise für eine weitere Untersuchung bereitzustehen.
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Die Isoliereinheit kann eine Sensoreinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, um zumindest einen Parameter des Bluts und/oder des Bluttransports zu sensieren. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, um eine Volumenflussrate, Flussgeschwindigkeit, Temperatur, Viskosität, Salzkonzentration und zusätzlich oder alternativ einen pH-Wert des Bluts zu sensieren. Zumindest ein Sensor der Sensoreinrichtung kann hierfür an der Aufnahmeeinrichtung und zusätzlich oder alternativ zumindest ein weiterer Sensor an der Ausgabeeinrichtung angeordnet sein. Eine solche Sensoreinrichtung ermöglicht eine Überwachung von Blutwerten des Bluts und zusätzlich oder alternativ eine Überwachung einer Funktion der Isoliereinheit.
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Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der eine Pumpe vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, um einen Blutfluss des Bluts durch die Isoliereinheit zu bewirken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Blutflussmenge sehr präzise eingestellt werden kann, die durch die Isoliereinheit geführt wird, sodass die Isoliereinheit in einem optimalen Arbeitspunkt arbeiten kann.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Isoliereinheit gemäß einer Ausführungsform eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, um eine Geschwindigkeit und zusätzlich oder alternativ ein Volumen des Blutflusses des Bluts durch die Isoliereinheit zu steuern, insbesondere abhängig von zumindest einem Parameter des Bluts. In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung als eine Reglereinheit ausgebildet sein. In Form eines Durchflussreglers kann die Steuereinrichtung beispielsweise dazu ausgebildet sein, um ein gepulstes Flussprofil, eine Reduktion des Blutflusses und zusätzlich oder alternativ eine konstante Flussrate in der Isoliereinheit einstellen, beispielsweise speziell im Isolator. Je nach Funktionsweise des Isolators kann eine solche Steuereinrichtung einen Isolationsvorgang der Tumorzellen begünstigen.
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Der Isolator kann dazu ausgebildet sein, um die zumindest eine Tumorzelle mikrofluidisch und zusätzlich oder alternativ nach Deformierbarkeit und zusätzlich oder alternativ über Größenausschluss zu isolieren. Hierzu kann der Isolator eine Zentrifuge und zusätzlich oder alternativ ein Sieb und zusätzlich oder alternativ einen Filter aufweisen. Die Isolation kann so beispielsweise unter Ausnutzung zentrifugaler Krafteinwirkung in Mikrokanälen und zusätzlich oder alternativ über hydrodynamische Kräfte erfolgen. Das Sieb ist gemäß einem Ausführungsbeispiel dazu ausgeformt, um Tumorzellen von Blutzellen zu isolieren, wobei die Tumorzellen einen Faktor 2 bis 3 größeren Durchmesser im Vergleich zu Blutzellen haben können.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Isolator dazu ausgebildet sein, um die zumindest eine Tumorzelle dielektrophoretisch zu isolieren. Hierbei kann der Isolator eine Dielektrophorese-Struktur aufweisen, die dazu ausgebildet ist, um mittels Dielektrophorese, kurz „DEP“, eine Kraftwirkung auf die Tumorzellen zu erzeugen, um die Tumorzellen zu Fixieren.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Isoliereinheit gemäß einer Ausführungsform eine Verdünnereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, um das Blut im Isolator zu verdünnen. Hierzu kann die Verdünnereinrichtung fluidisch mit dem Isolator verbunden sein, beispielsweise direkt oder zwischen der Aufnahmeeinrichtung und dem Isolator oder einem Sensor und dem Isolator. Die Verdünnereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, um abhängig von zumindest einem von dem Sensor sensierten Parameter des Blutes ein Verdünnermedium abzugeben. So können in einer Ausführungsform beispielsweise immer gleiche fluidische Eigenschaften bei der Isolation eingestellt werden und zusätzlich oder alternativ eine Eigenschaft des Bluts zur Begünstigung der Dielektrophorese verändert werden. Das Verdünnermedium kann beispielsweise Natriumchlorid sein. Von Vorteil ist es hier weiterhin, wenn die Verdünnereinrichtung eine Dosiereinheit zum Dosieren des Verdünnermediums aufweist, beispielsweise kann die Dosiereinheit dazu ausgebildet sein, um in Abhängigkeit von dem Parameter des Blutes das Verdünnermedium zu dosieren.
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Die Isoliereinheit kann einen mit dem Isolator fluidisch verbundenen oder verbindbaren Behälter zum Auffangen der Tumorzellen aufweisen, insbesondere wobei der Behälter lösbar mit dem Isolator verbunden oder verbindbar sein kann. Der Behälter kann direkt mit der Isoliereinheit verbunden oder verbindbar sein. Ein solcher Behälter eignet sich besonders für mikrofluidische oder DEP-basierte Isolationsverfahren. Die isolierten Tumorzellen lassen sich dank eines solchen Behälters schnell und einfach von oder aus der Isoliereinheit entnehmen, um beispielsweise für eine weitere Untersuchung herangezogen werden zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Isolator dazu ausgebildet, um die zumindest eine Tumorzelle affinitätsbasiert zu isolieren. Hierbei kann der Isolator dazu ausgebildet sein, um eine Fixierung der Tumorzellen über eine Wechselwirkung zumindest eines immobilisierten Antikörpers und den Tumorzellen zu bewirken. Derartige Antikörper können auf einer Oberfläche jeglicher Art in dem Isolator immobilisiert sein, beispielsweise auf magnetischen Mikrobeads. Auch die affinitätsbasierte Isolation eignet sich zur schnellen und einfachen Isolation von Tumorzellen.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Isoliereinheit gemäß einer Ausführungsform eine Separationseinheit aufweist, die einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss fluidisch mit der Aufnahmeeinrichtung, der zweite Anschluss fluidisch mit dem Isolator und der dritte Anschluss fluidisch direkt mit der Ausgabeeinrichtung verbunden oder verbindbar ist, wobei die Separationseinheit dazu ausgebildet ist, um Leukozyten des Bluts von Erythrozyten des Bluts zu separieren und die Leukozyten an den zweiten Anschluss auszugeben und die Erythrozyten an den dritten Anschuss auszugeben. Tumorzellen haben Eigenschaften, die denen von weißen Blutkörperchen sehr ähnlich sind. Wird eine Separation von roten und weißen Blutkörperchen vorgenommen, befinden sich die Tumorzellen in der Fraktion der weißen Blutkörperchen. Somit kann dank der Separationseinheit auch lediglich der relevante Teil des Bluts für die Isolation bereitgestellt werden. Die Separationseinheit kann dazu ausgebildet sein, um das Blut mittels einer Dichtezentrifugation oder einer „selektiven Lyse“ von Erythrozyten (beispielsweise mittels Ammoniumchlorid) unter Verwendung einer Dichtezentrifuge zu separieren.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer der vorangehend vorgestellten Isoliereinheiten vorgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bewirkens, einen Schritt des Isolierens und einen Schritt des Ausgebens. Im Schritt des Bewirkens wird ein Blutfluss des Bluts bewirkt, wobei der Blutfluss derart bewirkt wird, dass das Blut in die Isoliereinheit aufgenommen und der Blutfluss durch die Isoliereinheit bewirkt wird. Im Schritt des Isolierens wird die zumindest eine Tumorzelle aus dem Blut isoliert. Im Schritt des Ausgebens wird von der zumindest einen Tumorzelle reduziertes Reduktionsblut aus der Isoliereinheit ausgegeben.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante des Ansatzes in Form eines Steuergeräts kann die dem Ansatz zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung eines Verfahrens zum Betreiben einer der vorangehend vorgestellten Isoliereinheiten. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie ein Pumpensignal zum Aktivieren der Pumpe zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie eine Pumpenaktivierungseinrichtung.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild einer Isoliereinheit zum Isolieren von Tumorzellen in Blut gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 ein Blockschaltbild einer Isoliereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 ein Blockschaltbild einer Isoliereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Isoliereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Isoliereinheit 100 zum Isolieren von Tumorzellen in Blut gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Isoliereinheit 100 ist dazu ausgebildet, um Tumorzellen aus Blut zu isolieren. Hierzu weist die Isoliereinheit 100 eine Aufnahmeeinrichtung 105, eine Pumpe 110, einen Isolator 115 und eine Ausgabeeinrichtung 120 auf. Die Aufnahmeeinrichtung 105 ist dazu ausgeformt, um das Blut in die Isolationseinheit 100 aufzunehmen. Die Pumpe 110 ist dazu ausgebildet, um einen Blutfluss des Bluts durch die Isoliereinheit 100 zu bewirken. Der Isolator 115 ist dazu ausgebildet, um zumindest eine Tumorzelle aus dem Blut zu isolieren. Die Ausgabeeinrichtung 120 ist dazu ausgeformt, um von der zumindest einen Tumorzelle reduziertes Reduktionsblut aus der Isoliereinheit 100 auszugeben oder auszulassen.
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Die Aufnahmeeinrichtung 105 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Einlassöffnung, die dazu ausgeformt ist, um das Blut in die Isoliereinheit 100 einzulassen. Die Aufnahmeeinrichtung 105 ist fluidisch mit dem Isolator 115 verbunden, gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel durch zumindest ein schlauchartiges Verbindungsstück. Lediglich beispielhaft ist die Pumpe 110 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Aufnahmeeinrichtung 105 und dem Isolator 115 angeordnet. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Pumpe 110 benachbart zu der Ausgabeeinrichtung 120 angeordnet, beispielsweise zwischen der Ausgabeeinrichtung 120 und dem Isolator 115 oder an einer beliebigen anderen Stelle der Isoliereinheit 100. Die Ausgabeeinrichtung 120 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Auslassöffnung, die dazu ausgeformt ist, um das Reduktionsblut aus der Isoliereinheit 110 herauszulassen. Die Ausgabeeinrichtung 120 ist fluidisch mit dem Isolator 115 verbunden, gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel durch ein weiteres schlauchartiges Verbindungsstück.
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Es folgt eine Beschreibung weiterer optionaler Merkmale der hier vorgestellten Isoliereinheit 100:
- Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufnahmeeinrichtung 105 mit einem Eingang des Isolators 115 und die Ausgabeeinrichtung 120 direkt mit einem Ausgang des Isolators 115 fluidisch verbunden.
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Der Isolator 115 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, um die zumindest eine Tumorzelle mikrofluidisch, nach Deformierbarkeit, über Größenausschluss, dielektrophoretisch und/oder affinitätsbasiert zu isolieren. Hierzu weist der Isolator 115 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zumindest eine Zentrifuge, ein Sieb, einen Filter, eine Dielektrophorese-Struktur und/oder einen immobilisierten Antikörper auf.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Isoliereinheit 100 eine Sensoreinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, um zumindest einen Parameter des Bluts zu sensieren. Die Sensoreinrichtung ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, um eine Volumenflussrate, Flussgeschwindigkeit, Temperatur, Viskosität, Salzkonzentration und/oder einen pH-Wert des Bluts zu sensieren.
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Zusätzlich oder alternativ weist die Isoliereinheit 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, um eine Geschwindigkeit und/oder ein Volumen des Blutflusses des Bluts durch die Isoliereinheit 100 zu steuern, insbesondere abhängig von zumindest einem Parameter des Bluts. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung als eine Reglereinheit ausgebildet, beispielsweise in Form eines Durchflussreglers. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, um ein gepulstes Flussprofil, eine Reduktion des Blutflusses und/oder eine konstante Flussrate in der Isoliereinheit 100 einstellen, beispielsweise speziell im Isolator 115.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Isoliereinheit 100 eine Verdünnereinrichtung 125 auf, die dazu ausgebildet ist, um das Blut im Isolator 115 zu verdünnen. Hierzu ist die Verdünnereinrichtung 125 gemäß diesem Ausführungsbeispiel fluidisch direkt mit dem Isolator 115 verbunden. Die Verdünnereinrichtung 125 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, um abhängig von zumindest einem von einem Sensor der Sensoreinrichtung sensierten Parameter des Blutes ein Verdünnermedium in den Isolator 115 abzugeben. So ist die Verdünnereinrichtung 125 gemäß einem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, um immer gleiche fluidische Eigenschaften bei der Isolation einzustellen und/oder eine Eigenschaft des Bluts zur Begünstigung der Dielektrophorese zu verändern. Das Verdünnermedium kann beispielsweise Natriumchlorid sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Verdünnereinrichtung 125 eine Dosiereinheit zum Dosieren des Verdünnermediums auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Dosiereinheit dazu ausgebildet, um in Abhängigkeit von dem Parameter des Blutes das Verdünnermedium zu dosieren.
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Im Folgenden werden Details der Isoliereinheit 100 noch einmal genauer beschrieben:
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Isolator 115 dazu ausgebildet, um eine biochemische Isolation über eine Antigen-Antikörper-Wechselwirkung zu bewirken. Hierbei sind Oberflächen des Isolators 115 mit Fängermolekülen wie bspw. Anti-EpCAM, HER2 oder VIMENTIN beschichtet. Während des Isolationsprozesses kommt in dem Isolator 115 eine sehr große Menge Blut mit den Oberflächen in Kontakt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel realisiert der Isolator 115 zusätzlich oder alternativ Isolationsprinzipien wie eine Separation der Tumorzellen nach Größenausschluss mit Hilfe eines Filters, nach Dichtegradient, aufgrund dielektrophoretischer Eigenschaften, durch mikrofluidische Ansätze und/oder photoakustisch. Vorteilhafterweise können hierbei Tumorzellen aus einer großen Menge durch die Isoliereinheit 100 strömenden Bluts, beispielsweise aus mehr als 7,5 Millilitern oder mehr als 3 Litern oder sogar das Gesamtblut eines Patienten, exvivo isoliert werden. Die Isoliereinheit 100 maximiert so die Zahl an isolierbaren oder isolierten Tumorzellen, wodurch vorteilhafterweise statistisch gesicherte Aussagen getroffen werden können.
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Gegenüber einem Verfahren, bei dem in-vivo Tumorzellen aus der Blutbahn isoliert werden, wobei die Oberfläche eines medizinischen Edelstahldrahtes beispielsweise mit anti-EpCAM-Fängermolekülen beschichtet ist und dieser für die Isolation für 30 Minuten in die Armvene eines Patienten eingeführt wird, wobei während dieser Zeit an dem Draht circa 1 Liter Blut vorbeiströmt und Tumorzellen nur dann fixiert werden, sobald diese auch direkt auf die Oberfläche des Drahtes treffen, werden bei der hier vorgestellten Isoliereinheit 100 gemessen an der Menge an Blut, das während der Zeit der Anwendung vorbeiströmt, viel mehr Tumorzellen in dem Isolator 115 fixiert, als an lediglich dem Draht oder bei anderen in-vivo-Isolationsverfahren.
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Eine Aufgabe der hier vorgestellten Isoliereinheit 100 ist es somit, eine in ein Blutbypasssystem/Apheresesystem integrierbare Einheit für die Isolation von Tumorzellen zu schaffen. Die hier vorgestellte Isoliereinheit 100 kann selbst als ein Apheresesystem (findet Anwendung bei Dialysepatienten) bezeichnet werden, auf Basis dessen dem kurzzeitig außerhalb des Körpers fließenden Blut, die darin befindlichen CTCs „entnommen“ werden.
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Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:
- - Durch eine einstellbare Dauer der Anwendung lässt sich das gebypasste Blutvolumen zwischen 0 Liter und dem gesamten Blut eines Patienten einstellen. Aus diesem Volumen lässt sich eine erhebliche Menge CTCs isolieren.
- - Durch die sehr große Anzahl an isolierten CTCs pro Patient lassen sich statistisch eindeutigere Aussagen/Schlüsse ziehen, als es bei einer niedrigeren Menge von beispielsweise nur 1 bis 5 isolierten CTCs möglich ist. Somit kann der hier vorgestellte Ansatz als Durchbruchverfahren/System für die Etablierung von CTC-basierten Liquid Biopsies („Flüssigbiopsie“, d. h., blutbasierte Nukleinsäureanalytik zum Nachweis von Tumorzellen bzw. Tumor-DNA im Blut) gesehen werden.
- - Die Apherese ist für therapeutische Zwecke etabliert und wird in der klinischen Routine eingesetzt. Dadurch, dass die Isolationseinheit auf einem solchen System aufbaut, ist die Durchführung klinischer Studien (für eine Zulassung) bzw. die klinische Akzeptanz erhöht.
- - An der Isoliereinheit 100 in Form eines Bypasses sind gemäß einem Ausführungsbeispiel Sensoren angebracht, um Messgrößen wie bspw. Volumenflussrate, Temperatur, Viskosität, etc. zu erfassen. Mittels dieser Daten kann die Isolation bspw. in punkto durchströmtes Blutvolumen standardisiert werden.
- - Die CTCs können aufgrund beliebiger physikalischer oder molekularer Isolationsprinzipien in dem Bypass isoliert werden.
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In 1 ist ein beispielhaftes Anwendungsszenario gezeigt. Hierbei wird von einem Patienten 130 Blut mittels einer Venenverweilkanüle abgezweigt. Das abgezweigte Blut wird direkt in die Isolatoreinheit 100 in Form einer CTCisolierenden Einheit geleitet. Diese hat den Vorteil, dass ein Zentrifugationsschritt entfallen kann, und die CTCs in Echtzeit isoliert werden können. Im nächsten Schritt werden die CTCs nach einem der oben genannten Isolationsprinzipien oder unterschiedlichen Isolationsprinzipien in dem Isolator 115 isoliert. Lediglich optional wird bei diesem Anwendungsszenario mit der Zugabe eines Verdünnermediums oder mehrerer Verdünner unter Verwendung der Verdünnereinrichtung 125 gearbeitet. Ein Verdünner kann dazu eingesetzt werden, um die immer gleichen fluidischen Eigenschaften bei der CTC-Isolation einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass sich die Reproduzierbarkeit der Isolation erhöht.
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Auf Basis der mit der Sensoreinrichtung erfassten Messwerte werden gemäß einem Ausführungsbeispiel Steuersignale ausgegeben, gemäß einem Ausführungsbeispiel an die an der Isolationseinheit 100 vorhandene Steuereinrichtung, die in Form eines Reglers ausgeformt sein kann. Der Regler kann bspw. einen Durchflussregler sein und dazu verwendet werden, ein gepulstes Flussprofil, eine Reduktion des Flusses oder eine konstante Flussrate einzustellen. Durch diese Regelung können die für das jeweilige Isolationsprinzip optimalen Flussparameter eingestellt werden. Bei affinitätsbasierten Isolationsmethoden wird hierbei sichergestellt, dass die auf von Antikörpern fixierten CTCs wirkenden hydrodynamischen Kräfte kleiner sind als die Bindungskräfte der Antikörper. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist von dem Regler ein „Stop-Flow“-Betriebsmodus einstellbar. Dies hat den Vorteil, dass gerade bei affinitätsbasierten Isolationsmethoden im Abschnitt „Stop“ die in dem Isolator 115 befindlichen CTCs die notwendige Diffusions- und Bindungszeit haben, um eine Antikörperbindung einzugehen. Im Abschnitt „Flow“ wird das abgereicherte Volumen dann weiter gespült und durch neues, CTC-enthaltendes Volumen ersetzt. Nun kann ein neuer Bindezyklus beginnen. Das „Stop-Flow“-Prinzip ist also in punkto Isolationseffizienz vorteilhaft. Ein „Stop-Flow“ kann gemäß einem Ausführungsbeispiel durch einen an der Isolationseinheit 100 angebrachten Regler oder gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel durch die gesteuerte Verwendung einer Blutdruckmanschette realisiert werden. Weitere durch die Steuereinrichtung einstellbare Betriebsarten sind die Einstellung von sägezahnartigen oder sigmoidalen Flussraten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Isolationseinheit 100 eine Dosiereinheit für die kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Zugabe eines Verdünnermediums auf. Beim Isolationsprinzip „Dielektrophorese“, kurz „DEP“, kann über die Zugabe eines solchen Mediums die Funktionsweise der DEP gewährleistet werden. Eine solche Dosiereinheit ist der Schlüssel für eine DEP-basierte Isolation von CTCs mittels eines Bypass-Systems. An der Isolationseinheit 100 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Sammeleinheit für isolierte CTCs in Form eines abnehmbaren Gefäßes angebracht. Dieses eignet sich insbesondere für mikrofluidische oder DEP-basierte Isolationsverfahren, bei denen die CTCs in einen separaten mikrofluidischen Kanal abgeleitet werden. Die CTCs werden gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel zumindest teilweise direkt in dem Isolator 115, z. B. affinitätsbasiert, fixiert. Bei dieser Variante können die CTCs nach der Anwendung aus der Einheit gelöst werden. Dies kann entweder in einem separaten mikrofluidischen Entnahmesystem erfolgen oder die CTCs werden durch bspw. Einleiten eines Ablösemediums oder Rücknahme der Isolationsbedingungen (bei der DEP) in der bzw. aus dem Isolator 115 entnommen.
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Es folgt eine zusammenfassende Aufzählung der möglichen unterschiedlichen Prinzipien für die Isolation von CTCs im Isolator 115:
- Mikrofluidisch:
- - Isolation unter Ausnutzung von zentrifugaler Kraftwirkung in Mikrokanälen.
- - Isolation nach Deformierbarkeit und/oder Größenausschluss.
- - Isolation über hydrodynamische Kräfte / Erzeugung von Mikrovortices (Mikrowirbel).
- Dielektrophoretisch: Um mittels einer Dielektrophorese eine Kraftwirkung auf CTCs in einem Medium zu erzeugen, ist es wichtig, dass sich die dielektrischen Eigenschaften von CTCs von denen des umgebenden Mediums unterscheiden.
Eine weitere entscheidende Einflussgröße ist die Flussgeschwindigkeit des die CTCs enthaltenden Mediums im Bereich der DEP-Struktur. Hierbei ist zu beachten, dass die auf fixierte CTCs wirkenden hydrodynamischen Kräfte kleiner sind als die von der DEP erzeugten, sonst werden die CTC weggespült, bzw. nie fixiert
- - Notwendigkeit Durchflussregler. Weiterhin ist es für eine hohe Isolationseffizienz notwendig, die Eigenschaften des Mediums anzupassen. Hierzu kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der für eine DEP geeignete Puffer Natriumchlorid eingesetzt werden, der auch für die Einleitung in die menschliche Blutbahn geeignet ist.
- - Verdünnermedium, Dosiereinheit
- Über Größenausschluss:
- - Siebartige oder filterartige Verfahren unter Verwendung eines Siebs und/oder Filters
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Affinitätsbasiert:
- - CTCs werden über eine spezifische Wechselwirkung zwischen einem immobilisierten Antikörper und den CTCs fixiert. Geeignete Antikörper können gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise anti-EpCAM, VIMENTIN und/oder anti-HER2 sein. Derartige Antikörper können gemäß einem Ausführungsbeispiel auf Mikrobeads, beispielsweise magnetischen Mikrobeads, oder allgemein gesagt - Oberflächen jeglicher Art - immobilisiert
sein.
- - Im Spezialfall kann die Oberfläche zumindest eines medizinischen Edelstahldrahtes mit anti-EpCAM Fängermolekülen beschichtet sein und in dem Isolator 115 aufgenommen sein. Sobald CTCs auf die Oberfläche des Drahtes treffen, werden diese dort fixiert. Nach Entnahme und Waschen des Drahtes können anschließend die Anzahl an fixierten Zellen und/oder der Mutationsstatus der fixierten Zellen bestimmt werden. Der Einsatz eines solchen Edelstahldrahtes in dem Durchflusssystem ist vorteilhaft in dem Sinne, als dass die Bedingungen für eine effizienzgesteigerte Isolation mit dem Edelstahldraht durch die Steuereinrichtung eingestellt werden können. Bedingungen können sein: Flussgeschwindigkeit, Querschnitt des blutführenden Kanals, in dem sich der Edelstahldraht befindet, und Einstellung von „Stop-Flow“ Bedingungen.
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Die Isoliereinheit 100 und ein entsprechendes Verfahren können durch Inspektion eines Apheresesystems und hier speziell des Isolators 115 in Form einer Isolations-/Filtrationseinheit nachgewiesen werden, da die Isolation nur im Zusammenspiel mit einem solchen System funktioniert. Außerdem kann die Isoliereinheit 100 selber durch optische Inspektion der innen liegende funktionalen Bereiche optisch analysiert werden.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Isoliereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 1 beschriebene Isoliereinheit 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Isoliereinheit 100 zusätzlich eine Separationseinheit 200 aufweist.
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Die Separationseinheit 200 weist einen ersten Anschluss 205, einen zweiten Anschluss 210 und einen dritten Anschluss 215 auf, wobei der erste Anschluss 205 fluidisch mit der Aufnahmeeinrichtung 105, der zweite Anschluss 210 fluidisch mit dem Isolator 115 und der dritte Anschluss 215 fluidisch direkt mit der Ausgabeeinrichtung 120 verbunden oder verbindbar ist. Die Separationseinheit 200 ist dazu ausgebildet, um Leukozyten des Bluts von Erythrozyten des Bluts zu separieren und die Leukozyten an den zweiten Anschluss 210 auszugeben und die Erythrozyten an den dritten Anschuss 215 auszugeben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Separationseinheit 200 lediglich beispielhaft dazu ausgebildet, um das Blut mittels einer Dichtezentrifugation zu separieren. Hierzu weist die Separationseinheit 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Dichtezentrifuge auf. Der zweite Anschluss 210 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel fluidisch direkt mit dem Eingang in den Isolator 115 verbunden. Die Separationseinheit 200 dient also gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Bypass für die Erythrozyten des Bluts, welche ohne ein Passieren des Isolators 115 direkt wieder an die Ausgabeeinrichtung 120 ausgegeben werden.
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In 2 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel von einem Patienten 130 Blut mittels einer Venenverweilkanüle abgezweigt. Im nächsten Schritt findet eine Separation von roten und weißen Blutkörperchen über die Dichtezentrifugation in der Separationseinheit 200 der Isolationseinheit 100 statt. In der Fraktion „weiße Blutkörperchen“ (Leukozyten) befinden sich anschließend auch die zu isolierenden CTCs. Im nächsten Schritt werden die Tumorzellen nach einem oder mehreren der unterschiedlichen Isolationsprinzipien in dem Isolator 115 isoliert. Optional kann auch bei diesem Anwendungsszenario mit der Zugabe von Verdünnern gearbeitet werden. Bei der Plasmapherese wird beispielsweise als Ersatz für das dem Körper entnommene Volumen Kochsalz in einer physiologischen Konzentration in den Körper zurückgeführt.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer Isoliereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um eine der anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Isoliereinheiten 100 handeln. Dargestellt sind in 3 zudem die optionale Sensoreinrichtung 300, Steuereinrichtung 305 sowie ein Behälter 310, der in 1 als Sammeleinheit für isolierte CTCs bezeichnet wurde.
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Zumindest ein Sensor der Sensoreinrichtung 300 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Aufnahmeeinrichtung 105 zugewandt und/oder ein weiterer Sensor der Sensoreinrichtung 300 der Ausgabeeinrichtung 120 zugewandt angeordnet. Der Sensor ist dazu ausgebildet, um Messgrößen des Bluts vor dem Passieren des Isolators 115 und/oder der weitere Sensor ist dazu ausgebildet, um Messgrößen des Bluts nach dem Passieren des Isolators 115 zu sensieren.
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Die Steuereinrichtung 305 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel benachbart zu dem Sensor angeordnet oder gekoppelt. Die Steuereinrichtung 305 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, um eine Geschwindigkeit und/oder ein Volumen des Blutflusses des Bluts vor dem Passieren des Isolators 115 zu steuern und/oder zu regeln. Die Verdünnereinrichtung 125 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Aufnahmeeinrichtung 105 und dem Isolator 115 oder dem der Aufnahmeeinrichtung 105 zugewandt angeordneten Sensor und dem Isolator 115 fluidisch verbunden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Verdünnereinrichtung 125 zwischen dem Isolator 115 und der Steuereinrichtung 305 gekoppelt und/oder angeordnet, um ein Verdünnen des Bluts vor einem Passieren des Isolators 115 zu ermöglichen.
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Der Behälter 310 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel fluidisch direkt mit dem Isolator 115 verbunden oder verbindbar und dazu ausgebildet, um im Isolator 115 isolierte Tumorzellen aufzufangen und/oder zu sammeln, insbesondere wobei der Behälter 310 lösbar und/oder direkt mit dem Isolator 115 verbunden oder verbindbar ist.
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In 3 ist eine beispielhafte Anordnung von Merkmalen der Isolationseinheit 100 skizziert. Zentrales Element ist der Isolator 115, in dem ein in 1 erklärtes Isolationsprinzip oder eine Kombination aus verschiedenen in 1 erklärten Isolationsprinzipien implementiert ist. Der Isolator 115 hat mindestens je einen fluidischen Ein- und Ausgang, um das Ein- und Ausfließen von Blut zu gewährleisten. Wie in 3 skizziert, kann an Ein- und/oder Ausgang eine sensierende Einheit in Form des Sensors oder weiteren Sensors angebracht sein. Messgrößen des oder der Sensoren können Temperatur, Flussgeschwindigkeit, Volumenfluss, Viskosität, pH-Wert, Salzkonzentration, o.ä. sein. Die Messgrößen sind von dem Sensor und/oder weiteren Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel flüssigkeitskontaktfrei sensierbar, bei Fluss beispielsweise mittels akustofluidischer Methoden, oder gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel in direktem Kontakt mit dem Blut erfassbar, bei Fluss beispielsweise mittels eines anemometrischen Prinzips.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Isoliereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um ein Verfahren 400 handeln, das von einer der anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Isoliereinheiten ausführbar oder ansteuerbar ist.
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Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 405 des Bewirkens, einen Schritt 410 des Isolierens und einen Schritt 415 des Ausgebens. Im Schritt 405 des Bewirkens wird ein Blutfluss des Bluts bewirkt, wobei der Blutfluss derart bewirkt wird, dass das Blut in die Isoliereinheit aufgenommen und der Blutfluss durch die Isoliereinheit bewirkt wird. Im Schritt 410 des Isolierens wird die zumindest eine Tumorzelle aus dem Blut isoliert. Im Schritt 415 des Ausgebens wird von der zumindest einen Tumorzelle reduziertes Reduktionsblut aus der Isoliereinheit ausgegeben.
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Die hier vorgestellten Verfahrensschritte können wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
