DE10320899A1

DE10320899A1 - Sensoranordnung, Vorrichtung und Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung

Info

Publication number: DE10320899A1
Application number: DE2003120899
Authority: DE
Original assignee: Iongate Biosciences GmbH
Current assignee: Iongate Biosciences GmbH
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Um amperometrische und/oder potentiometrische, pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftests besonders zuverlässig und gleichwohl aber in kurzer Zeit bei geringen Kosten durchführen zu können, wird eine Sensoranordnung (1) vorgeschlagen mit mindestens einem Membranbiosensorelektrodenbereich (M) als Sekundärträger (20) und mit mindestens einem Gefäßbereich (50). Der Gefäßbereich (50) bildet mindestens einen Gefäßinnenbereich (50i) oder einen Teil davon. Dabei ist der Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder ein Teil davon jeweils als Teil (50b) des Gefäßbereichs (50) im Bereich des Gefäßinnenbereichs (50i) und insbesondere als Teil davon vorgesehen oder ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.

Bevor Genussmittel, Medikamente und andere Präparate zur Anwendung bei Mensch, Tier und Pflanze kommen können, müssen im Hinblick auf die Zulassung auf dem Markt bestimmte Kriterien hinsichtlich des Nachweises ihrer Wirksamkeit und/oder ihrer Unbedenklichkeit, also hinsichtlich ihrer Nebenwirkungen, erfüllt werden. Entsprechend sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren und Messeinrichtungen bekannt, mit denen entsprechende Eigenschaften bestimmter Wirkstoffe quantitativ und qualitativ analysiert und beschrieben werden können.

Andererseits ist es oft wünschenswerte, vorgegebene und bekannte Wirkstoffe an einem bestimmten Wirkort zu applizieren, z.B. an einem bestimmten Protein, an einer Zelle, einem Gewebe oder dergleichen, um die Funktionsweise dieses Wirkortes zu beeinflussen und/oder zu untersuchen.

Übliche Experimente am Gesamtorganismus sind aufgrund der Komplexität der Organismen und ferner aufgrund ethischer und moralischer Umstände oft bedenklich, und die damit erzielten Ergebnisse haben eine nur beschränkte Aussagekraft.

Folglich wurden Verfahren und Einrichtungen entwickelt, mit deren Hilfe eine isolierte Betrachtung der Wirkungsweise zu testender Wirkstoffe auf isolierte Wirkzentren oder eine Untersuchung der Wirkzentren selbst – insbesondere im Rahmen eines Deorphaningprozesses bei unbekannter Funktion des Wirkzentrums – möglich ist. Dabei werden bestimmte Gewebe, isolierte Zellen und/oder andere biologische Einheiten, zum Beispiel Proteine o der dergleichen, in isolierter Art und Weise einer Betrachtung zugänglich gemacht. Es sind zum Beispiel Techniken bekannt, die unter Verwendung von Farbstoffen arbeiten und sich ändernde Bindungsspezifitäten ausnutzen und darstellen. Falls diese Vorgehensweise überhaupt möglich ist, ist sie aber dahingehend nachteilig, dass ihr oft nur ein geringes Auflösungsvermögen und eine geringe Empfindlichkeit dabei aber eine hohe Fehleranfälligkeit zukommen.

Andererseits sind aber auch elektrophysiologische Methoden bekannt, zum Beispiel die sogenannten Patchclamp-Technik oder Voltageclamp-Technik, bei welcher zum Beispiel Zellen isoliert einer elektrophysiologischen Untersuchung zugänglich sind. Bei diesem Vorgehen werden native Zellen unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt und es werden bestimmte elektrische Aktivitäten, die durch die Zellen über die darin enthaltenen Organellen und/oder Proteine oder dergleichen vermittelt werden, gemessen. Trotz der dabei erzielbaren hohen Genauigkeit sind diese bekannten elektrophysiologischen Methoden dahingehend nachteilig, dass sie oft eine nur geringe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse liefern, aufgrund ihres hohen messtechnischen Aufwandes und ihrer Störanfälligkeit für einen schnellen, automatisierbaren und/oder breiten Einsatz ungeeignet sind und aufgrund der in der Regel nativen Umgebung der zu untersuchenden Objekte gewisse Probleme bei der Diskriminierung unerwünschter Signalanteile aufweisen.

Die DE 196 07 279 A1 offenbart Sensoranordnungen mit durch Festkörper unterstützte Membranbiosensoren. Diese bekannten Membranbiosensoren bestehen aus einem Festkörper als Träger, einer Lipiddoppelschicht als Membran und einem zwischen dem Träger und der Lipiddoppelschicht eingebauten Spacer. Die Lipiddoppelschicht weist einen eingelagerten Rezeptor als biologische Einheit auf. Im Bereich der Spacer, also zwischen der Lipiddoppelschicht und dem Festkörperträger und auf der vom Festkörper abgewandten Seite der Lipiddoppelschicht befindet sich ein wässriges Messmedium, wodurch den eingebauten Rezeptoren eine natürliche Umgebung zur Aufrechterhaltung ihrer biologischen Funktion gegeben wird.

Eine andere Form von Sensoranordnungen ist in der DE 44 37 274 A1 offenbart. Dort ist ein Festkörperträger vorgesehen, auf welchem eine analytspezifische Schicht aus einem flüssigen, festen oder halbfesten Material bestehend aufgebracht ist. Auf dem Träger selbst sind gegebenenfalls mehrere Elektroden vorgesehen, die in der analytspezifischen Schicht in Kontakt mit dem Träger stehend eingebettet sind. Die analytspezifische Schicht ist ein Materialbereich, in welchen gegebenenfalls auch Polypeptide oder Proteine, Rezeptoren oder dergleichen als biologische Einheiten eingebettet sein können. Bei diesem bekannten Sensor kann zwischen der analytspezifischen Schicht als Primärträger und dem als Sekundärträger aufgefassten Festkörperträger zusätzlich eine elektrische Isolation, zum Beispiel aus Teflon, vorgesehen sein.

Nachteilig bei diesen bekannten Sensoranordnungen ist das dort vorgesehen separate Vorsehen der Sensoren einerseits und entsprechender Inkubations- und Messgefäße andererseits. Dieses Nebeneinander von Sensoren und Inkubations- und Messgefäßen erschwert die Sensorhandhabung, gerade beim Vorbereitungsprozess oder bei der Inkubation der Sensoren und bei der Automatisierung. Daneben bergen die damit einhergehenden Mess- oder Testverfahren viele Risiken, weil die entsprechenden Sensoren u. U. mehrfach von einem Medium in ein anders überführt werden müssen und dies bei den bekannten Sensoren ein Überführen in verschiedene Inkubations- oder Messgefäße notwendig macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung oder dergleichen zu schaffen, bei welchen auf besonders einfache und gleichwohl zuverlässige und sichere Art und Weise eine rasche Wirkort- und/oder Wirkstofftestung, insbesondere im Massenbetrieb, unter vertretbaren Kosten möglich ist.

Die Aufgabe wird bei einer Sensoranordnung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 39 gelöst. Des Weiteren wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 42 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung weist mindestens einen Membranbiosensorelektrodenbereich sowie einen Gefäßbereich auf. Der Membranbiosensorelektrodenbereich dient als Sekundärträger und wird im Folgenden synonym auch als solcher bezeichnet. Der Membranbiosensorelektrodenbereich oder der Sekundärträger oder jeweils ein Teil davon sind erfindungsgemäß jeweils als Teil des Gefäßbereichs ausgebildet, insbesondere in einem Bereich des Gefäßinnenbereichs des Gefäßbereichs oder als Teil des Gefäßinnenbereichs.

Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden erfindungsgemäßen Sensoranordnung, den Membranbiosensorelektrodenbereich oder Sekundärträger der Anordnung oder einen Teil davon als Teil des Gefäßbereichs der Sensoranordnung und dort insbesondere im Bereich des Gefäßinnenbereichs auszubilden. Dadurch wird das Nebeneinander von Sensor und Gefäß weitestgehend reduziert oder vermieden

Es wird somit in vorteilhafter Weise im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoranordnungen, bei denen explizit und zusätzlich ein Gefäß zum Einbringen einer Elektrode bereitgestellt werden muss, hier erfindungsgemäß eine innige Verbindung von Membranbiosensorelektrodenbereich und Gefäßbereich und Gefäßinnenbereich inhärent sichergestellt, so dass eine einfache Vorbereitung, Inkubation und Verwendung der Membranbiosensorelektrode oder des Membranbiosensorelektrodenbereichs und somit eine einfachere und kostengünstigere Handhabung als beim Stand der Technik möglich sind.

Der Gefäßbereich weist einen Gefäßbodenbereich, einen Gefäßwandbereich und/oder einen Gefäßverschlussbereich auf, wobei insbesondere durch deren Zusammenwirken ein nach außen hin abgeschlossener oder abschließbarer Gefäßinnenbereich realisiert wird oder realisierbar ist.

Es ist jedoch bei bestimmten Anwendungen auch eine offene oder offen zugängige Anordnung vorgesehen, z.B. dann, wenn ein vorhandenes Messmedium pipettiert werden soll, insbesondere durch einen Pipettierautomaten oder -roboter. In diesem Fall ist kein oder kein strikt verschließender Verschlussbereich vorgesehen, sondern höchstens eine Abdeckung.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dann, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Gefäßbodenbereich oder ein Teil davon vom Membranbiosensorbereich oder Sekundärträger oder einem Teil davon gebildet ist oder wird, insbesondere als Einheit.

Eine besonders einfache Handhabung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergibt sich dann, wenn der Gefäßbodenbereich und der Gefäßwandbereich einteilig oder einstückig oder über eine Spritzgusstechnik miteinander ausgebildet sind, insbesondere in lösbarer Form.

Dabei ist es insbesondere gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Einstückigkeit oder Einteiligkeit durch Einwirkung von Druck, Wärme oder eines Verbindungsmittels oder Klebemittels ausgebildet oder erzeugt ist.

Zur Durchführung entsprechender Untersuchungen ist es bei einer Alternative der vorliegenden erfindungsgemäßen Sensoranordnung vorgesehen, zum Zuführen, Abführen und/oder zum Austauschen eines den Gefäßinnenbereich zumindest zum Teil füllenden fluiden Messmediums eine Zuführeinrichtung und/oder eine Abführeinrichtung vorzusehen oder auszubilden.

Bei einer anderen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass eine Mehrzahl Abführeinrichtungen vorgesehen ist.

Dabei kann es vorgesehen sein, dass diese Mehrzahl Abführeinrichtungen oder ein Teil davon um die oder um eine Zuführeinrichtung angeordnet ist, insbesondere in im Wesentlichen konzentrischer und/oder gleichmäßig verteilter Art und Weise.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Abführeinrichtung oder die Gesamtheit Abführeinrichtungen einen geringeren Strömungswiderstand bildet oder aufweist als die Zuführeinrichtung oder die Gesamtheit Zuführeinrichtungen. Dies dient der Vermeidung eines übermäßigen Staudrucks.

Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass mindestens eine Zuführeinrichtung und/oder mindestens eine Abführeinrichtung eine Gegenelektrodeneinrichtung aufweist oder bildet, insbesondere indem sie jeweils ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist oder ein solches Material aufweist, insbesondere in Form eines Metalls oder in Form eines Derivats eines Metalls.

Dabei bietet es sich insbesondere an, dass die Zuführeinrichtung und/oder die Abführeinrichtung im Gefäßbodenbereich, im Gefäßwandbereich und/oder im Gefäßverschlussbereich vorgesehen sind.

Zwar sind grundsätzlich verschiedene Geometrien der einzelnen Bestandteile des Gefäßbereichs denkbar. Jedoch ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verschlussbereich dem Bodenbereich gegenüberliegend ausgebildet oder angeordnet ist, insbesondere in Form eines Deckels oder dergleichen.

Für eine Automatisierung entsprechender Messverfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verschlussbereich als Düsenein richtung oder als Funktionskopf ausgebildet ist und insbesondere die Zuführeinrichtung und/oder die Abführeinrichtung aufweist. Bei gegebener Geometrie des Gefäßbereichs und insbesondere des Gefäßinnenbereichs kann dann die entsprechende Düseneinrichtung oder der Funktionskopf eine Geometrie und Anordnung der Zuführeinrichtung und Abführeinrichtung derart aufweisen, dass sich im Hinblick auf den Sekundärträger oder den Membranbiosensorelektrodenbereich gewünschte experimentelle Bedingungen ergeben.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass der Verschlussbereich, die Düseneinrichtung und/oder der Funktionskopf konisch ausgebildet sind, um ein selbstjustierendes Verschließen des Gefäßbereichs zu gewährleisten

Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Zuführeinrichtung und/oder die Abführeinrichtung als Rohrelement ausgebildet sind, deren Austrittsöffnung bzw. deren Eintrittsöffnung so gering beabstandet zum Membranbiosensorelektrodenbereich oder Sekundärträger angeordnet sind, dass ein relativ schneller Wechsel eines Messmediums vor dem Membranbiosensorelektrodenbereich oder dem Sekundärträger oder einer Oberfläche davon ausführbar ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass die Zuführeinrichtung eine Austrittsöffnung aufweist, die einen Durchmesser x besitzt, dass der Membranbiosensorelektrodenbereich, der Sekundärträger oder ein Hauptteil davon einen Durchmesser y aufweisen, dass die Austrittsöffnung der Zuführeinrichtung und der Membranbiosensorelektrodenbereich, der Sekundärträger oder der Hauptteil davon voneinander direkt oder im Mittel in einem Abstand z beabstandet angeordnet sind und dass dabei direkt oder näherungsweise die Beziehung x:y:z = 2:2:1 erfüllt ist, insbesondere mit x = 1 mm.

Ferner bietet es sich an, dass die Austrittsöffnung der Zuführeinrichtung und die Oberfläche des Membranbiosensorbereichs, des Sekundärträgers oder des Hauptteils davon im Wesentlichen kreis förmig, zueinander planparallel und/oder konzentrisch angeordnet sind.

Eine besonders einfache geometrische Anordnung ergibt sich beispielsweise dann, wenn der Gefäßbodenbereich als im Wesentliches planares Plattenelement ausgebildet ist, auf dessen einer Oberfläche der Sekundärträger oder Membranbiosensorelektrodenbereich ausgebildet ist.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch vorgesehen, dass der Gefäßwandbereich als im Wesentlich planares Plattenelement ausgebildet ist, in welchem jeweils eine Ausnehmung, Bohrung oder ein Loch zur Ausbildung des Gefäßinnenbereichs ausgebildet ist, durch welche oder durch welches insbesondere eine erste oder obere Oberfläche mit einer zweiten oder unteren Oberfläche des Gefäßwandbereichs verbunden ist.

Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn der Gefäßbodenbereich, der Gefäßwandbereich und/oder der Gefäßverschlussbereich ganz oder teilweise aus einem abdichtenden, chemisch und/oder biologisch inerten und/oder gegenüber Proteinen, biologischen und/oder chemischen Wirkstoffen höchstens gering adsorptiven Material gebildet sind.

Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass der Gefäßbodenbereich, der Gefäßwandbereich und/oder der Gefäßverschlussbereich ganz oder teilweise aus einem Glas, aus PMMA, PTFE, POM und/oder aus einem – insbesondere im UV-Bereich – transparentem Material gebildet sind.

Dabei bedeuten:
PMMA Polymethylmethacrylat,
PEEK Polyetheretherketon,
POM Polyoxymethylen und
PTFE Polytetrafluorethylen oder Teflon.

PEEK, POM und PTFE sind in der Regel nicht transparent. PTFE lässt sich gewöhnlich nicht verkleben. Wenn allerdings andere Verbindungstechniken als UV-Verkleben zum Einsatz kommen, können diese Materialien auch sinnvoll verwendet werden.

Für eine Automatisierung ist es ferner von Vorteil, dass eine Mehrzahl – insbesondere gleicher oder gleichartiger – Membranbiosensorelektrodenbereiche mit einer entsprechenden Mehrzahl – insbesondere gleichartiger oder gleicher – Gefäßbereiche und Gefäßinnenbereiche vorgesehen ist, insbesondere in strömungsmäßig und/oder elektrisch voneinander isolierter Form. Dadurch lassen sich auf besonders einfache Weise in kurzer Zeit Experimente für Reihenuntersuchungen sowohl vorbereiten als auch durchführen.

Z.B. kann ein Topf oder Gefäßinnenbereich mit 6 mm Durchmesser – inbesondere bei einem Beispiel einer 96er-Platte, also einer Sensoranordnung mit 96 einzelnen Membranbiosensorelektrodenbereichen in entsprechend vorgesehenen separaten Gefäßbereichen – verwendet werden. Denkbar ist auch ein Gefäßinnenbereich mit 3 mm im Durchmesser – insbesondere bei einem Beispiel einer 384er-Platte, also einer Sensoranordnung mit 384 einzelnen Membranbiosensorelektrodenbereichen in entsprechend vorgesehenen separaten Gefäßbereichen. Dabei befindet z.B. sich jeweils auf dem Boden des Gefäßinnebereichs eine kreisrunde Elektrode befindet, wobei Elektrode und Gefäßinnenbereich beide konzentrisch angeordnet sind.

Hinsichtlich der Anzahl einer Mehrzahl von Membranbiosensorelektrodenbereichen und/oder Gefäßbereichen bieten sich vielfältige Möglichkeiten an. Es ist jedoch von besonderem Vorteil, wenn die Mehrzahl Membranbiosensorelektrodenbereiche und/oder die Mehrzahl Gefäßbereiche jeweils auf einem streifenförmigen oder plattenförmigen Träger angeordnet sind oder einen solchen Träger bilden.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die Mehrzahl Membranbiosensorelektrodenbereiche und/oder die Mehrzahl Gefäßbereiche und Gefäßinnenbereiche in einer Reihe oder in Matrixform angeordnet sind oder eine solche Anordnung bilden.

Weitere Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und insbesondere des Membranbiosensorelektrodenbereichs sind nachfolgend aufgeführt:
Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für die amperometrische und/oder potentiometrische, pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftestung ist ein Membranbiosensorelektrodenbereich, welcher im Sinne der Erfindung synonym auch als Sekundärträger bezeichnet wird, vorgesehen.

Dieser Membranbiosensorelektrodenbereich oder Sekundärträger weisen einen elektrisch leitfähigen und festkörperartigen Elektrodenbereich auf.

Ferner ist eine Mehrzahl Primärträger vorgesehen, welche in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft des Membranbiosensorelektrodenbereichs oder des Sekundärträgers angeordnet sind und welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbare und biologische Einheiten, insbesondere Membranproteine, aufweisen.

Darüber hinaus ist ein wässriges Messmedium vorgesehen, in welchem die Primärträger und zumindest ein Teil des Membranbiosensorelektrodenbereichs oder des Sekundärträgers angeordnet sind.

Der Elektrodenbereich ist gegenüber dem Messmedium, den Primärträgern und gegenüber den biologischen Einheiten elektrisch isoliert ausgebildet.

Als Primärträger sind jeweils eine eukariontische Zelle, eine prokariontische Zelle, ein Bakterium, ein Virus oder Bestandteile, insbesondere Membranfragmente, oder Verbände davon in nativer Form oder in abgewandelter Form, insbesondere in gereinig ter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form, vorgesehen.

Alternativ oder zusätzlich sind als Primärträger jeweils ein Vesikel, ein Liposom oder eine mizelläre Struktur vorgesehen.

Maßgeblicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist also ein Membranbiosensorelektrodenbereich oder ein Sekundärträger, welche im Folgenden auch als Sensorelektrodeneinrichtung bezeichnet werden können. Diese Sensorelektrodeneinrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung selbst also weist mindestens einen elektrisch leitfähigen Elektrodenbereich auf. Die Sensorelektrodeneinrichtung ist ausgebildet, im Betrieb in einem wässrigen Messmedium angeordnet zu werden. Des Weiteren ist die Sensorelektrodeneinrichtung ausgebildet, eine Mehrzahl oder Vielzahl Primärträger mit zu einer elektrischen Aktion aktivierbaren biologischen Einheiten, insbesondere Membranproteinen oder dergleichen, in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft, insbesondere des Elektrodenbereichs, anzuordnen. Dabei ist zumindest der Elektrodenbereich erfindungsgemäß festkörperartig ausgebildet. Des Weiteren ist dabei erfindungsgemäß der Elektrodenbereich ausgebildet, gegenüber dem vorzusehenden Messmedium und gegenüber den Primärträgern elektrisch isoliert zu sein.

Es ist somit eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung, zumindest den Elektrodenbereich der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und insbesondere der Sensorelektrodeneinrichtung festkörperartig oder festkörperunterstützt auszubilden. Dadurch werden der Sensorelektrodeneinrichtung und insbesondere dem vorgesehenen Elektrodenbereich davon eine besonders hohe mechanische Stabilität gegeben, wodurch ein besonders robuster und störunanfälliger Betrieb im Rahmen der Wirkort- und/oder Wirkstofftestung möglich ist.

Erst durch die Festkörperunterstützung wird eine Aktivierung z.B. von Membranproteinen durch einen Konzentrationssprung möglich. Dies kann insbesondere im Rahmen eines schnellen und/oder kontinuierlichen Lösungsaustauschs erfolgen, wodurch – insbesondere bei amperometrischen Messungen – ein hoher Signalpegel und somit eine hohe Empfindlichkeit erreichbar sind. Aufgrund der Robustheit durch die Festkörperunterstützung sind auch eine leichtere Handhabung und ein bequemer Einbau möglich.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Elektrodenbereich so auszubilden, dass er im Betrieb gegenüber dem Messmedium und gegenüber den Primärträgern elektrisch isoliert ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Sensorelektrodeneinrichtung zum Beispiel als kapazitiv gekoppelte Elektrode eingesetzt werden kann. Dies hat insbesondere im Hinblick auf das Signal-zu-Rauschverhältnis, also im Hinblick auf die Nachweisgenauigkeit erhebliche Vorteile. Des Weiteren ist bei der kapazitiven Kopplung der Elektrodenbereich der Sensorelektrodeneinrichtung an keiner chemischen Umsetzung beteiligt, wie das zum Beispiel bei einer typischen elektrochemischen Halbzelle der Fall wäre.

Als weiterer Kernaspekt der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist, die Auswahl der die biologischen Einheiten tragenden Primärträger zu sehen. Die Primärträger können jeweils eukariontische Zellen, prokariontische Zellen, Bakterien, Viren oder Bestandteile, insbesondere Membranfragmente, oder Verbände davon sein, und zwar in nativer Form oder in abgewandelter Form, insbesondere in gereinigter, molekularbiologisch und/oder mikrobiologisch geänderter Form. Alternativ oder zusätzlich sind als Primärträger Vesikel, Liposomen oder mizelläre Strukturen denkbar.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass der Elektrodenbereich mindestens eine elektrische leitfähige Elektrode aufweist, dass ein elektrisch isolierender Isolationsbereich vorgesehen ist und dass durch den Isolationsbereich die jeweilige Elektrode vom Messmedium, von den Primärträgern und von den biologischen Einheiten elektrisch isoliert ist.

Der Elektrodenbereich besitzt also vorteilhafterweise mindestens eine Elektrode. Diese kann zum einen jeweils selbst als mechanisch stabiler Materialbereich ausgebildet sein.

Andererseits weist der Elektrodenbereich vorteilhafterweise einen Träger auf, der insbesondere festkörperartig ausgebildet ist. Dann ist es möglich, dass die Elektrode jeweils als Materialbereich oder -schicht auf einem Oberflächenbereich oder der Oberfläche dieses Trägers ausgebildet ist, insbesondere in zusammenhängender Art und Weise. Dabei ist es dann insbesondere vorgesehen, dass die Elektrode durch die Festkörperunterstützung durch den Träger mechanische Stabilität erlangt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass gegebenenfalls hochwertige Materialien zum Beispiel als dünne Schicht auf dem Träger aufgebracht werden können, so dass sich in betriebswirtschaftlicher Hinsicht die Möglichkeit einer Einwegsensorelektrodeneinrichtung bietet, die zu erschwinglichen Preisen herstellbar und auf dem Markt verwertbar ist. Gegebenenfalls kann der Träger, insbesondere der Elektrodenbereich, wiederverwendet werden, wobei insbesondere ein erneuerter Isolationsbereich, z.B. eine neue Thiolschicht, notwendig werden kann.

Vorzugsweise weist die Elektrode mindestens ein metallisches Material auf oder ist aus einem solchen Material gebildet. Dabei wird vorteilhafterweise insbesondere ein chemisch inertes Edelmetall verwendet, vorzugsweise Gold. Denkbar sind insbesondere auch Platin oder Silber.

Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, dass die Elektrode nicht oder nicht rein metallisch ausgebildet ist und zum Beispiel mindestens ein leitfähiges Metalloxid aufweist. Es bietet sich zum Beispiel Indiumzinnoxid an, weil dieses gegenüber Strahlung zumindest im sichtbaren Bereich und im UV-Bereich vergleichsweise unempfindlich ist, zumindest im Vergleich zu reinen Metallelektroden.

Der Träger zur Aufnahme der Elektrode weist also vorteilhafterweise ein elektrisch isolierendes Material auf oder ist aus ei nem solchen gebildet. Des Weiteren oder alternativ ist es von Vorteil, dass das Material des Trägers im Wesentlichen chemisch inert ist. Vorteilhafterweise bietet sich als Material ein Glas oder dergleichen an. Dabei kann die Form die einer Platte oder dergleichen sein. Die chemische Inertheit verhindert eine Veränderung sowohl des Trägers als auch eine Verunreinigung des Messmediums während des Messprozesses. Durch die Wahl eines elektrisch isolierenden Trägers wird gewährleistet, dass sämtliche Messsignale im Wesentlichen aus dem Bereich der Elektrode stammen.

Eine besonders einfache Anordnung der Sensorelektrodeneinrichtung ergibt sich, wenn die Elektrode im Wesentlichen als auf der Oberfläche des Trägers abgeschiedene Materialschicht ausgebildet ist. Es kann sich dabei um eine aufgedampfte oder gesputterte Materialschicht handeln. Die Materialschicht zur Ausbildung der Elektrode hat vorzugsweise eine Schichtstärke von etwa 10 bis 200 nm.

Zwischen der Materialschicht für die Elektrode und der Oberfläche des Trägers kann gegebenenfalls eine Haftschicht von Vorteil sein. Insbesondere beim Aufbringen einer Goldelektrode auf Glas ist eine zwischenliegende Haftschicht aus Chrom oder dergleichen von Vorteil. Die Haftschicht hat vorteilhafterweise eine vergleichsweise geringe Schichtdicke, vorzugsweise von etwa 5 nm.

Zur Ausbildung der kapazitiven Elektrode und der dazu notwendigen Isolation des Elektrodenbereichs von Messmedium und/oder von den Primärträgern ist also vorzugsweise mindestens ein Isolationsbereich ausgebildet, durch welchen im Betrieb der Elektrodenbereich, insbesondere die Elektrode, im Wesentlichen elektrisch isolierbar ist, insbesondere in Bereichen davon, welche im Betrieb zum mechanischen Kontakt mit dem Messmedium und/ oder mit den Primärträgern vorgesehen sind.

Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist der Isolationsbereich schichtartig ausgebildet. Dabei besteht der Isolationsbereich zumindest zum Teil aus einer Abfolge von Monoschichten, wobei die Monoschichten als spontan selbstorganisierende Schichten ausgebildet sind.

Dabei ist es von Vorteil, dass als Unterschicht des Isolationsbereichs oder als unterster oder der Elektrode zugewandter Bereich des Isolationsbereichs eine Schicht aus einer organischen Thioverbindung vorgesehen ist, im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften und die elektrische Isolation vorzugsweise aus einem langkettigen Alkanthiol, insbesondere aus Oktadekanthiol. Ferner ist als Oberschicht des Isolationsbereiches eine Schicht aus einer amphiphilen organischen Verbindung, insbesondere aus einem Lipid, als oberster und von der Elektrode abgewandter Bereich oder Oberflächenbereich des Isolationsbereichs vorgesehen.

Es kann also von Vorteil sein, den Isolationsbereich zumindest teilweise schichtartig, insbesondere mehrschichtig, auszubilden. Dadurch werden die Isolationswirkung verstärkt und die Herstellung vereinfacht. Um im Betrieb eine möglichst hohe Rate angelagerter und/oder angeordneter Primärträger im Bereich der Sensorelektrodeneinrichtung zu erhalten, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung vorgesehen, dass zumindest der Oberflächenbereich des Isolationsbereichs derart abgestimmt ausgebildet ist, dass eine Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern am Oberflächenbereich des Isolationsbereichs begünstigt wird, insbesondere in mit der Oberfläche der Primärträger kompatibler Art und Weise. Das bedeutet, dass je nach Oberflächenbeschaffenheit der Primärträger der Oberflächenbereich des Isolationsbereichs der Sensorelektrodeneinrichtung entsprechend angepasst ausgebildet ist, so dass sich die Primärträger begünstigt am Oberflächenbereich des Isolationsbereichs anlagern und dort auch verbleiben.

Im Hinblick auf eine besonders ausgeprägte kapazitive Kopplung der Sensorelektrodeneinrichtung im Messbetrieb ist die Ausbildung des Isolationsbereichs zumindest teilweise als Monoschicht, Monolage und/oder als Abfolge davon vorteilhaft. In diesem Fall ist die auf die Fläche bezogene spezifische elektrische Kapazität der Elektrodengrenzschicht besonders hoch.

Besonders einfach gestaltet sich die Anordnung und Ausbildung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wenn die Schicht oder die Schichten des Isolationsbereichs als sich spontan selbstorganisierende Schichten oder als Self-Assembling-Schichten ausgebildet sind oder werden. Dabei werden in vorteilhafter Art und Weise die Neigung und das Bestreben bestimmter, im Wesentlichen flüssiger oder flüssig gelöster Ausgangsstoffe ausgenutzt, auf einer Oberfläche unter Einfluss der Wechselwirkung mit der Struktur der Oberfläche spontan und selbstorganisierend eine geordnete und/oder schichtartige Struktur auszubilden, die unter bestimmten Umständen und bei bestimmten Stoffklassen zur Ausbildung besonders dünner und gegebenenfalls einlagiger Schichten oder Monoschichten, insbesondere von Molekülen, führt.

Bei der Vorgehensweise, organische Thioverbindungen in der Unterschicht zu verwenden, wird ausgenutzt, dass auf bestimmten Edelmetalloberflächen, zum Beispiel Gold, Silber und Platin, aus einer organischen Lösung, welche entsprechende Thioverbindung in Lösung enthält, aufgrund einer spezifischen Wechselwirkung der Thiogruppe mit den Oberflächenatomen der Edelmetallelektrode eine kovalent gebundene Monoschicht auf der Elektrodenoberfläche entstehen kann, die bei entsprechender Geometrie der Thioverbindung eine hexagonal dichte Packung auszubilden vermag, wodurch eine besonders geringe Restleitfähigkeit der Edelmetalloberfläche in Bezug auf das vorzusehende Messmedium realisierbar ist.

Durch das Aufbringen einer amphiphilen organischen Verbindung, insbesondere eines Lipids, als Oberschicht wird ebenfalls eine definierte bestimmte Anordnung und Strukturierung der Oberfläche des Isolationsbereichs erzwungen. Die amphiphilen Verbindungen besitzen zumindest einen Bereich, der polar ausgebildet ist, so dass sich im Messmedium, welches insbesondere wässrige Natur besitzt, eine gewisse partielle Lösbarkeit ergibt. Andererseits besitzen amphiphile organische Verbindungen einen unpolaren oder hydrophoben Bereich, dessen Anordnung in einem wässrigen Messmedium energetisch weniger bevorzugt ist. Durch diese Phänomene bildet sich bevorzugt eine Schichtstruktur aus, bei welcher die polaren oder wasserlöslichen Bereiche der amphiphilen Verbindung dem wässrigen Messmedium zugeordnet sind, wogegen sich die unpolaren oder hydrophoben Bereiche der amphiphilen organischen Verbindung vom wässrigen Messmedium abgewandt anordnen. Es kann sich somit eine Monoschicht ausbilden, die insbesondere den Oberflächenbereich des Elektrodenbereichs bildet. Dies geschieht bevorzugt in Kombination mit einer Alkanthiolmonoschicht als Unterschicht, so dass sich als Isolationsbereich zumindest teilweise eine Doppelschicht zweier Monoschichten oder Monolagen ergibt.

Die so ausgebildete Abfolge zweier Monoschichten hat gewisse strukturelle Ähnlichkeiten mit bestimmten Membranstrukturen, die aus biologischen Systemen bekannt sind, so dass man der so ausgebildeten Abfolge zweier Monoschichten – nämlich der der Elektrode zugewandten Alkanthiolmonoschicht und der darüber angeordneten Lipidmonoschicht – eine gewisse Membranstruktur zuordnen kann. Aufgrund des zugrundeliegenden Festkörperträgers bezeichnet man diese Membranstruktur auch als festkörperunterstützte Membran SSM (SSM: solid supported membrane). Diese Membranstruktur SSM hat im Hinblick auf die Anordnung und Eigenschaft der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung als kapazitiv gekoppelte Elektrode besonders günstige Eigenschaften.

Insbesondere weist derjenige Bereich, welcher durch den die Elektrode isolierenden und/oder abdeckenden Bereich des Isolationsbereichs definiert wird, in vorteilhafter Weise die eben beschriebene Membranstruktur auf. Dabei ist es ferner von Vorteil, dass diese Membranstruktur oder SSM zumindest teilweise eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa G_m ≈ 1 – 100 nS/cm² besitzt. Des Weiteren liegt in vorteilhafterweise eine spezifische elektrische Kapazität von etwa C_m ≈ 10 – 1000 nF/cm² vor. Schließlich ist alternativ oder ergänzend eine Fläche für die Membranstruktur von etwa A ≈ 0,1 – 50 mm² vorgesehen.

Die hohe spezifische Kapazität C_m ist von besonderem Vorteil im Hinblick auf eine durchzuführende amperometrische Wirkstofftestung, bei welcher initiierte elektrische Aktionen der im Wesent lichen biologischen Einheiten als elektrische Ströme, nämlich als Verschiebungsströme oder kapazitive Ströme gemessen werden.

Im Hinblick auf das Signalrauschverhältnis ist ein entsprechender Abdichtwiderstand im Bereich von wenigen Nanosiemens von besonderem Vorteil.

Dieser kann gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auch durch Aufbringen einer Teflonschicht, zum Beispiel direkt auf die Metallelektrode, erreicht werden. Ein derartiges Vorgehen ist zum Beispiel für potentiometrische Wirkstofftestungen vollständig ausreichend, da es hier nicht auf eine hohe elektrische Kapazität ankommt, sondern wegen der Spannungsmessung auf den hohen Abdichtwiderstand.

Besonders einfache geometrische Verhältnisse ergeben sich, insbesondere im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, wenn der Träger, die Elektrode und/oder der Isolationsbereich und/oder deren Ober- oder Grenzflächenbereiche zumindest teilweise im Wesentlichen planar ausgebildet sind, insbesondere auch auf mikroskopischer Ebene oder Skala. Die Planarität gewährleistet, dass bestimmte Feldstärkeeffekte an Kanten oder Spitzen, die zum Durchbruch des Abdichtwiderstands führen könnten, ausbleiben. Des Weiteren ergibt sich im Hinblick auf den Austausch des vorzusehenden Messmediums im Betrieb der Vorteil einer homogenen Grenzflächenverteilung. Etwaige Protuberanzen oder Kavitäten würden an der Grenzfläche zwischen dem Isolationsbereich und dem Messmedium zu Konzentrationsinhomogenitäten führen, die sich unter Umständen nachteilig auf erreichte Nachweis- oder Messergebnisse auswirken könnten. Die Planarität, insbesondere der metallischen Grenzflächen, kann durch entsprechende Herstellungsverfahren, zum Beispiel durch epitaktisches Aufwachsen, Annealen oder dergleichen gewährleistet werden.

Zur externen Kontaktierung der Sensoranordnung, zum Beispiel mit einem äußeren Messkreis oder dergleichen, ist ein Kontaktbereich vorgesehen, wobei insbesondere eine entsprechende Isolation zur Vermeidung sonstiger Kurzschlüsse, insbesondere in Bezug auf das Messmedium, ausgebildet ist.

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen hohen Durchsatz bei entsprechend durchzuführenden Wirkort- und/oder Wirkstofftests ist es, wenn die erfindungsgemäße Sensoranordnung so ausgebildet ist, dass sie, zumindest im Betrieb, gegenüber Flüssigkeitsströmungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, vorzugsweise im Bereich von etwa v ≈ 0,1 – 2 m/s im Wesentlichen konstante mechanische, elektrische und/oder strukturelle Eigenschaften, insbesondere im Bereich der Membranstruktur und/oder insbesondere im Hinblick auf die Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern, aufweist. Diese geforderte und vorteilhafte Konstanz der mechanischen, elektrischen und/oder strukturellen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und insbesondere der darin vorgesehenen Membranstruktur ergibt sich bereits inhärent aus den zuvor genannten Maßnahmen zur Ausbildung der Elektrode und der die Elektrode abdeckenden Isolationsschichten, insbesondere in Form von Self-Assembling-Monoschichten aus einem Alkanthiol auf Gold mit einer entsprechenden Monoschicht aus Lipid in einem wässrigen Medium.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit der beschriebenen Sensorelektrodeneinrichtung in einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung und in einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendet.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden als Primärträger jeweils eine eukariontische Zelle, eine prokariontische Zelle, Organellen davon, eine bakterielle Einheit, eine virale Einheit und/oder dergleichen und/oder Bestandteile, Fragmente, insbesondere Membranfragmente oder dergleichen, und/oder Verbände davon in im Wesentlichen nativer und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter, Form vorgesehen.

Es ist somit grundsätzlich denkbar, dass isolierte und ganze Zellen als Primärträger entsprechender biologischer Einheiten, welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind, verwendet werden, seien diese pflanzlicher oder tierischer Herkunft. So ist zum Beispiel eine Untersuchung ganzer Herzzellen möglich und denkbar. Andererseits kann auch an die Untersuchung pflanzlicher Zellen, zum Beispiel von Algenzellen oder anderer Einzeller gedacht werden. Darüber hinaus können auch bestimmte Bakterien oder Viren als Ganzes untersucht werden. Ferner ist denkbar, durch bestimmte mikrobiologische oder biochemische Maßnahmen Bestandteile oder Fragmente von Zellen, Bakterien oder Viren, als Primärträger zu verwenden. Weiterhin ist auch denkbar, Verbände von Zellen, Bakterien oder dergleichen als Primärträger zu verwenden und diese an die entsprechende Sensorelektrodeneinrichtung zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung anzukoppeln.

Des Weiteren besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, sämtliche dieser vorgeschlagenen Primärträger in ihrer nativen Form oder in einer abgewandelten Form zu verwenden. Dabei können zum Beispiel eukariontische Zellen, prokariontische Zellen oder Bakterien verwendet werden, die durch entsprechende Reinigungs-, mikrobiologische und/oder molekularbiologische Verfahren abgeändert wurden, zum Beispiel um bestimmte Proteine mit bestimmten gewünschten Eigenschaften bevorzugt auszubilden.

Neben den in natürlicher Form bereits bereitstehenden Primärträgern in Form von Zellen, Bakterien und dergleichen ist es auch denkbar, künstliche Primärträger zu erzeugen, zum Beispiel in Form von Vesikeln, Liposomen, mizellären Strukturen und/oder dergleichen. Diese werden dann gegebenenfalls mit entsprechenden biologischen Einheiten, welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind, versehen und/oder angereichert. Entsprechende Verfahren zur Rekonstitution von Membranproteinen oder dergleichen in Vesikeln oder Liposomen sind bekannt und können hier in vorteilhafter Art und Weise ausgenutzt werden, um besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zu schaffen.

Als im Wesentlichen biologische Einheiten kommen sämtliche Einheiten in Frage, die zu einer zumindest teilweise elektrisch ausgebildeten Aktion veranlassbar sind. Insbesondere sind derartige biologische Einheiten denkbar, die zumindest zu einem teilweise elektrogenen und/oder elektrophoretischen Ladungsträgertransport und/oder zu einer zumindest teilweise elektrogenen oder elektrophoretischen Ladungsträgerbewegung aktivierbar sind und welche biologische, chemische und biochemische Einheiten darstellen. Dabei handelt es sich insbesondere um Transporteinheiten, die auf ihre Aktivierung hin Ladungsträger bewegen. Denkbar sind auch Bestandteile, Fragmente und/oder Verbände derartiger Einheiten, insbesondere Transporteinheiten.

Es bieten sich insbesondere als biologische Einheiten Membranproteine an, insbesondere Ionenpumpen, Ionenkanäle, Transporter, Rezeptoren und/oder dergleichen. In Bezug auf viele dieser biologischen Einheiten bestehen Erkenntnisse und/oder Vermutungen dahingehend, dass bestimmte Prozesse mit zumindest einem elektrogenen Teilschritt verbunden sind. Diese elektrogenen Teilschritte können mit einem tatsächlichen Stofftransport verbunden sein, wie zum Beispiel bei einem Kanal, einer Ionenpumpe, oder bestimmten Transportern. Es sind aber auch biologische Einheiten, insbesondere Membranproteine, bekannt, deren elektrische Aktivität nicht mit einem Nettostofftransport zusammenhängt, sondern lediglich mit einer, gegebenenfalls reversiblen, Ladungsverschiebung im Rahmen einer Konformationsänderung oder Bindung oder dergleichen. Auch solche elektrischen Aktivitäten sind grundsätzlich als kurzzeitige Verschiebungsströme und/oder Potenzialänderungen erfindungsgemäß messbar.

Die biologischen Einheiten, insbesondere die Membranproteine, können jeweils in im Wesentlichen nativer Form und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form vorgesehen sein. Zum einen können dadurch bestimmte native Eigenschaften zum Beispiel im Organismus vorhandener Proteine getestet und pharmakologisch untersucht werden. Andererseits bieten sich auch molekularbiologi sche oder gentechnisch initiierte Veränderungen an, die bestimmten Aspekte, zum Beispiel des Transports oder der pharmakologischen Wirkungsweise eines Wirkstoffes zu analysieren.

Besonders vorteilhaft ist es, dass Primärträger eines jeweils im Wesentlichen einheitlichen Typs von Primärträgern vorgesehen sind. Dies ist im Hinblick auf eine möglichst eindeutige Aussage und Analyse eines Wirkstofftests von Bedeutung und bezieht sich auf die geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und molekularbiologischen Eigenschaften der Primärträger.

Das Nämliche gilt auch für die in dem Primärträger vorgesehenen biologischen Einheiten, insbesondere für die Membranproteine oder dergleichen. Hier sind biologische Einheiten eines jeweils im Wesentlichen einheitlichen Typs vorgesehen, insbesondere im Hinblick auf ihre geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und molekularbiologischen Eigenschaften. Zusätzlich sollen die biologischen Einheiten in vorteilhafter Weise im Hinblick auf ihre Orientierung und/oder im Hinblick auf ihre Aktivierbarkeit in Bezug auf den jeweiligen Primärträger in etwa einheitlich sein.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Signalqualität ist es von Vorteil, dass die Oberflächen der Primärträger und/oder der Sekundärträger so ausgebildet sind, dass eine Anlagerung und/oder Anordnung der Primärträger am Sekundärträger begünstigt wird. Dadurch erhält man zum einen eine besonders hohe Anzahl angelagerter Primärträger und/oder einen besonders innigen Kontakt der Primärträger am Sekundärträger, wodurch die elektrische Kopplung und somit das Signal-zu-Rauschverhältnis gesteigert werden.

Die Anlagerung kann z.B. über die sogenannte Lipid-Lipid-Wechselwirkung zwischen Primärträger, z.B. Vesikel, und dem Sekundärträger, z.B. Lipid-Thiol-SSM, gesteuert sein. Andererseits ist auch eine kovalente Bindung der Primärträger an der Oberfläche der Sekundärträger denkbar, z.B. in Form eines Biotin-Streptavidin-Schemas oder im Sinne einer His-Tag-Kopplung.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Oberflächen der Primärträger und der Sekundärträger entgegengesetzt polar zueinander ausgebildet sind. Dies fördert die Anlagerungsrate der Primärträger am Sekundärträger sowie die Stärke des Kontakts zwischen diesen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Primärträger im Wesentlichen gleich wirkende und/oder gleichartige Vesikel oder Liposomen, vorzugsweise aus einem Lipid, vorgesehen sind, in und/oder an deren Membran Einheiten im Wesentlichen eines Typs von Membranproteinen in vorzugsweise im Wesentlichen orientierter Form ein- und/oder angelagert sind.

Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der Membranbiosensorbereich, der Sekundärträger, der Gefäßbodenbereich, das Plattenelement und/oder ein Teil davon als eine oder mit einer fotolithografisch prozessierten Struktur oder als ein oder mit einem fotolithografisch prozessierten Element ausgebildet sind, insbesondere in Form eines Platinenelements oder einer gedruckten Schaltung auf einem Substrat.

Zusätzlich kann es von Vorteil sein, wenn das Substrat als ein chemisch inertes, biologisch inertes und/oder im Wesentlichen elektrisch isolierendes Material aufweist oder aus einem solchen gebildet ist.

Des Weiteren kann das Substrat zusätzlich oder alternativ ein mechanisch flexibles Material, insbesondere eine Folie, aufweisen oder als ein solches ausgebildet sein.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass für die Elektrode oder den Elektrodenbereich des Membranbiosensorbereichs, des Sekundärträgers oder des Hauptteils davon eine metallische Schichtstruktur auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, insbesondere mit einem zuunterst angeordneten Primärmetall, vorzugsweise mit oder aus Kupfer, einer nachfolgenden Hilfsschicht als Legierungs- und/oder Diffusionsbarriere, vorzugsweise mit oder aus Nickel, und einer zuoberst angeordneten eigentlichen Elektrodenschicht aus einem Edelmetall, vorzugsweise mit oder aus Gold.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung wird vorteilhafterweise von einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung und/oder bei einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische, pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftestung weist mindestens einen Messraum auf. Des Weiteren ist zur Aufnahme und/oder zur Ausbildung von Messsignalen mindestens eine erfindungsgemäße Sensoranordnung vorgesehen. Des Weiteren ist eine Datenerfassungs-/Steuereinrichtung vorgesehen, welche zumindest zur Erfassung von Messsignalen der jeweiligen Sensoranordnung ausgebildet ist. Essentiell ist das Vorsehen einer Austausch-/Mischeinrichtung, welche zum Verfügungstellen, Austausch, Mischen und/oder Einstellen des Messmediums ausgebildet ist

Eine derartige Vorrichtung kann zum Beispiel in Form einer sogenannten Patchclamp-Apparatur aufgebaut sein, bei welcher ein Elektrolytbad den eigentlichen Messraum darstellt. Als Sensoranordnung wäre dabei herkömmlicherweise die sogenannte Patchelektrode oder Patchpipette vorgesehen, an welcher eine zu untersuchende biologische Einheit, zum Beispiel eine Zelle oder dergleichen, angesaugt und gehaltert wird. Erfindungsgemäß ist hier die oben beschriebene Sensoranordnung ausgebildet. Die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung wird von der gesamten Messelektronik, entsprechenden Mikromanipulatoren und von der Steuerelektronik zum Aufbau und Mischen des Elektrolytbades gebildet. Die Austausch-/Mischeinrichtung kann zum Beispiel aus entsprechenden Schlauchsystemen mit daran angeschlossenen Perfusoren oder dergleichen bestehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische, pharmakologische Wirkort- und/oder Wirk stofftestung weist also die oben beschriebene erfindungsgemäße Sensoranordnung auf. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders stabile und robuste Messanordnung, mit welcher für eine gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise erheblich verlängerte Zeitspanne eine Vielzahl von Testläufen unter den verschiedensten Versuchsbedingungen durchgeführt werden kann, und zwar ohne Einbußen in der Nachweisgenauigkeit, der Signalqualität oder sonstiger Eigenschaften der Messsonde. Des Weiteren kann aufgrund der Robustheit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit höherer Geschwindigkeit gearbeitet werden, dies betrifft sowohl die Handhabung des eigentlichen Sensors als auch die Austauschgeschwindigkeit oder Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Messmediums im Messbereich. Herkömmliche Patchclamp- und/oder Voltageclamp-Anordnungen sind im Gegensatz dazu bekannterweise im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse und der Stabilität des Messsystems problematisch.

Vorteilhafterweise sind, insbesondere über die Austauscheinrichtung, über das Messmedium die Messbedingungen, insbesondere die pharmakologischen Bedingungen, gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die pharmakologische Wirkstofftestung definiert einstellbar und/oder änderbar, insbesondere in kontinuierlicher Art und Weise, vorzugsweise nach Art eines kontinuierlichen Fließsystems.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem eine derartig wohldefinierte Einstellbarkeit und/oder Änderbarkeit der Messbedingungen nur schwer oder unter erhöhtem Aufwand möglich ist, ist aufgrund der Stabilität der verwendeten erfindungsgemäßen Sensoranordnung ein Austausch und/oder eine Änderung des Messmediums leicht möglich. Durch den Austausch können auch entsprechende Änderungen im Hinblick auf die Substratbedingungen oder sonstige Eigenschaften der Messumgebung auf einfache Art und Weise und in kürzerer Zeit erreicht werden.

Insbesondere bietet es sich an, als Austausch-/Mischeinrichtung ein Pumpensystem, Perfusorsystem und/oder dergleichen zu verwenden, um eine Messanordnung zu schaffen, bei welcher die Sensor elektrodeneinrichtung (der Sekundärträger) im Rahmen eines Fließsystems ständig vom Messmedium umströmt wird. In einem derartigen Fließsystem können dann durch externes Zumischen entsprechende zu untersuchende Messbedingungen geschaffen werden.

Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass im Messbereich Fließgeschwindigkeiten oder Strömungsgeschwindigkeiten von etwa v ≈ 0,1 – 2 m/s erzeugbar sind, insbesondere gerade im Bereich, Nahbereich oder der Nachbarschaft der Sensorelektrodeneinrichtung (der Sekundärträger) und/oder insbesondere durch die vorgesehene Austausch-/Mischeinrichtung.

Der Vorteil der hohen Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten ergibt sich zum einen aufgrund der mechanischen Stabilität der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und der ihr zugrundeliegenden Sensorelektrodeneinrichtung.

Darüber hinaus ist es aber besonders vorteilhaft, dass neben der Verwendung von ganzen Zellen, Bakterien oder dergleichen, welche vergleichsweise groß ausgebildet sind, in vorteilhafter Weise auch Vesikel und Liposomen sowie Membranfragmente als Primärträger für die biologischen Einheiten, insbesondere Membranproteine, eingesetzt werden können. Vesikel, Liposomen, Membranfragmente und dergleichen sind vergleichsweise klein ausgebildet und besitzen im Verhältnis zu ihrer Größe oder ihrer Oberfläche eine vergleichsweise stärkere Neigung zur Anlagerung oder Adsorption an der Oberfläche der Messsonde. Darüber hinaus erfahren sie aufgrund ihrer geringeren Oberfläche im Bereich der Strömung des Messmediums im Vergleich zu ganzen Zellen oder dergleichen sehr viel geringere Scherkräfte, so dass sie auch bei höheren Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten an der Sensorelektrodeneinrichtung im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung haften bleiben, so dass sich die Versuchsbedingungen oder Testbedingungen nicht ändern.

Vorteilhafterweise ist der Messbereich einfach als im Wesentlichen geschlossenes Gefäß oder als Gefäßeinrichtung ausgebildet. Dabei ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, entsprechende Zuführ- und/oder Abführeinrichtungen zur strömungsmäßigen Verbindung mit der Austausch-/Mischeinrichtung auszubilden. Der Messraum kann zum Beispiel als eine Art Kompartment oder Küvette ausgebildet sein, an deren Bodenbereich die Sensoranordnung in Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sensoranordnung angeordnet ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische, pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftestung ist eine Mehrzahl integrierter Sensoranordnungen, vorzugsweise in separaten, strömungsmäßig und elektrisch voneinander entkoppelten und unabhängigen Vertiefungsbereichen einer Mikroplatte oder Mikrotiterplatte vorgesehen, vorzugsweise um 8, 12, 96, 386, 1536 Messkanäle auf einem Raster auszubilden.

Es ist also denkbar, dass eine Mehrzahl von Sensoranordnungen vorgesehen ist, insbesondere um einen Parallelbetrieb für mehrere unabhängige Testreihen simultan durchzuführen. Dabei ist es dann ferner vorteilhaft, dass die Datenerfassungs- /Steuereinrichtung ausgebildet ist, Messsignale der Mehrzahl von Sensoranordnungen voneinander unabhängig und/oder entkoppelt aufzunehmen und/oder zu erfassen. Dies gewährleistet, dass die unterschiedlichen Sensoranordnungen und deren Messsignale voneinander separiert ausgewertet und einer genaueren Betrachtung unterzogen werden können und ermöglicht somit die Realisierung voneinander unabhängiger und simultan durchgeführter Experimente oder Testvorgänge, wobei insbesondere ein höherer Testdurchsatz mit geringeren Kosten pro Messung erzielbar ist.

Darüber hinaus ist es dann von Vorteil, dass die Austausch/Mischeinrichtung und/oder der Messraum ausgebildet sind, für die Mehrzahl von Sensoranordnungen unabhängig und/oder entkoppelt voneinander entsprechende Messbedingungen auf definierte Art und Weise einzustellen und/oder zu ändern. Es kann sich bei dem Messraum zum Beispiel um eine Anordnung voneinander strömungsmäßig getrennter Küvetten oder Kompartments handeln. Dabei kann auch eine gemeinsame Austausch-/Messeinrichtung vorgesehen sein, über welche für alle Messräume simultan dieselben Messbedingungen, zum Beispiel hinsichtlich des Messmediums oder dergleichen, geschaffen werden. Wichtig dabei ist aber die strömungsmäßige und vor allem elektrische Entkopplung der voneinander getrennt zu betrachtenden Messräume.

Insbesondere ist es aber von Vorteil, eine Messanordnung für die erfindungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei welcher die Testvorgänge an Messsensoren in mehr oder weniger miniaturisierter Form durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann der Messraum dazu in Form oder im Raster einer Mikroplatte oder Mikrotiterplatte oder dergleichen ausgebildet sein, wobei eine Mehrzahl integrierter Sensoranordnungen, vorzugsweise in separaten und strömungsmäßig und/oder elektrisch voneinander entkoppelten, und/oder voneinander unabhängigen Vertiefungsbereichen davon ausgebildet ist. Vorzugsweise können die Vertiefungsbereiche und die darin vorgesehenen Sensoranordnungen in Form eines Rasters auf einer derartigen Mikroplatte angeordnet sein, um eine Anordnung von 4, 8, 12, 96, 386, 1536 oder dergleichen parallelen Messkanälen zu realisieren. Dabei können dann entsprechend gängige 4-, 8- 12-, 96-, 386-, 1536-kanalige Pipettierautomaten für die Probenzugabe zum Einsatz kommen.

Wie oben bereits erläutert wurde, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung eine zu verwendende oder zu untersuchende biologische Einheit auf oder in mindestens einer Sensoranordnung vorgesehen. Die Sensoranordnung enthält ein Messmedium, wobei das Messmedium zum Beispiel ein im Wesentlichen wässriges Medium sein kann. Des Weiteren wird beim eigentlichen Testvorgang über die vorgesehene Sensoranordnung die jeweils initiierte elektrische Aktion der biologischen Einheit gemessen, insbesondere als elektrische Spannung und/oder als elektrischer Strom.

Die verfahrensmäßige erfindungsgemäße Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe besteht nun darin, dass man bei dem an sich bekannten Verfahren gerade die oben im Detail beschriebene erfindungs gemäße Sensoranordnung und/oder die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung heranzieht.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Sensorelektrodeneinrichtung (der Sekundärträger) jeweils von dem vorgesehenen Messmedium zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise umströmt oder angeströmt wird. Durch dieses Vorgehen ist ein leichter Wechsel der Testbedingungen, nämlich durch einen externen Misch- oder Austauschvorgang, auf störungsfreie Art und Weise erreichbar, im Gegensatz zur Vorgehensweise beim Stand der Technik, zum Beispiel bei den Messverfahren gemäß der Patchclamp-Technik oder Voltageclamp-Technik.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder Fließgeschwindigkeit des Messmediums von etwa v ≈ 0,1 – 2 m/s verwendet wird, weil sich auf der Grundlage dieser hohen Strömungsgeschwindigkeiten auch gerade kinetische Untersuchungen an den biologischen Einheiten, insbesondere an den Membranproteinen, durchführen lassen, bei welchen mit zeitlich hoher Auflösung die Signalentwicklung aufgenommen und charakterisiert und auf die einzelnen Funktionsschritte der biologischen Einheit zurückgeführt werden.

Aufgrund der Stabilität der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Sensoranordnung ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, aufeinanderfolgend eine Mehrzahl oder Vielzahl von Tests durchzuführen, insbesondere durch ein aufeinanderfolgendes Austauschen und/oder Einstellen oder Mischen des Messmediums, wobei gegebenenfalls zwischengeschaltet Wasch- oder Spülvorgänge vorgesehen sein können. Durch dieses Vorgehen kann bei ein und derselben biologischen Einheit, zum Beispiel bei einem gegebenen Rezeptor oder einem anderen Membranprotein, welches, einmal in einem Vesikelsystem inkorporiert, in einer erfindungsgemäß im Verfahren vorgesehenen Sensoranordnung eingelagert wurde, eine Vielzahl von Substanzen, welche in einem Mischvorgang dem Messmedium zugefügt werden, getestet werden. Geschieht dies gleichzeitig auch im Parallelbetrieb, so kann in einem Messdurchgang eine Vielzahl im Wesentlichen gleicher Tests durchgeführt werden, um zum Beispiel eine entsprechende statistische Evaluierung der Wirkungsweise bestimmter Wirkstoffe auf eine gegebene biologische Einheit zu erhalten.

Oft ist nicht so sehr die Wirkweise eines bestimmten Wirkstoffes an einer bekannten biologischen Einheit von Interesse, sondern vielmehr soll die Funktionsweise einer diesbezüglich unbekannten biologischen Einheit aufgeklärt werden. Dabei ist naturgemäß eine Vielzahl von einander unabhängiger Tests durchzuführen.

Dies ist insbesondere beim sogenannten Deorphaning der Fall. Dabei wird von einem Orphan ausgegangen. Dieses ist ein genetische Informationseinheit, durch welche eine bestimmte, aber bisher funktionsunbekannte biologische Einheit, z.B. ein Membranprotein oder dergleichen, kodiert wird.

Entsprechend ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass ein Deorphaningprozess mit einer Mehrzahl oder eine Vielzahl von Tests durchgeführt wird, wobei als biologische Einheit ein Produkt oder dergleichen eines – insbesondere funktionsunbekannten – Orphans oder dergleichen verwendet wird, insbesondere um dessen Funktionalität aufzuklären. Entsprechend ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die erfindungsgemäße Sensoranordnung und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Deorphaningvorgang oder – prozess zu verwenden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1A, 1B zeigen eine schematische Draufsicht bzw. geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
2A, 2B zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, und zwar in zwei Montagezuständen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer und geschnittener Seitenansicht.
4A-D zeigen Details weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer und geschnittener Seitenansicht.
5A-C zeigen schematische Draufsichten eines einen Bodenbereich der erfindungsgemäßen Sensoranordnung bildenden Plattenelements, eines dem Gefäßwandbereich der erfindungsgemäßen Sensoranordnung bildenden Plattenelements sowie die vollständig montierte Anordnung der beiden Plattenelemente zu einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
6 zeigt eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
7 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem Membranfragment als Primärträger.
8A-D zeigen in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.
9A-C zeigen in einer schematischen Seitenansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.
Nachfolgend bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Strukturen oder Elemente. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird dabei eine detaillierte Beschreibung wiederholt.
In den 1A und 1B ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt, und zwar in schematischer Draufsicht bzw. in schematischer und geschnittener Seitenansicht.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 der in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsform wird im Wesentlichen gebildet von einem Gefäßbereich 50. Dieser untergliedert sich in einen Gefäßwandbereich 50w, durch welchen der eigentliche Innenbereich des Gefäßes oder Gefäßinnenbereich 50i geformt wird. Im Bodenbereich 50b oder Gefäßbodenbereich 50b, welcher zum Teil durch den Membranbiosensorelektrodenbereich M oder Sekundärträger 20 gebildet wird, ändert der Gefäßinnenraum oder Gefäßinnenbereich 50i seinen Abschluss. Zentraler Bereich des Membranbiosensorelektrodenbereichs M oder Sekundärträgers 20 ist die dem Membranbiosensorelektrodenbereich M oder Sekundärträger zugrundeliegende Elektrode 26. Diese besitzt die in den 6 ff. beschriebene Struktur, insbesondere im Hinblick auf den Isolationsbereich 24, dessen Oberschicht 24a, dessen Unterschicht 24b und die daran elektrisch angekoppelten Primärträger 10, welche in der 1A und 1B nicht dargestellt sind. Die Elektrode 26 ist auf der Oberseite 20b des Sekundärträgers 20 angeordnet, welche auch als Sensorelektrodeneinrichtung 20 bezeichnet wird. Diese obere Oberfläche 20a ist der unteren Oberfläche 20b gegenüberliegend angeordnet. Zur Ableitung durch die Elektrode 26 während eines Messvorgangs aufgenommener elektrischer Signale weist die Elektrode 26 neben ihrem zentralen Bereich, welcher in der Ausführungsform der 1A und 1B kreisrund und konzentrisch zu dem ebenfalls kreisrund ausgebildeten Gefäßinnenbereich 50i ausgebildet ist, eine elektrische Ableitung 29 auf. In der Ausführungsform der 1A und 1B ist der Gefäßbereich 50 im Wesentlichen einstöckig ausgebildet.
Gemäß der Ausführungsform der 2A und 2B, welche zwei Montagezustände einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in seitlicher und geschnittener Ansicht darstellen, kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 auch einteilig ausgebildet sein, wie das in 2B im Detail dargestellt ist, wobei die beiden Plattenelemente 20p und 50p für den Membranbiosensorelektrodenbereich M oder den Sekundärträger 20 bzw. für den Gefäßwandbereich 50w mit ihrer obersten Oberfläche 20a bzw. unteren Oberfläche 50c von dem in 2A gezeigten separierten Zustand mittels Druck, Wärme und/oder eines Klebemittels in die einteilige Form der 2B überführt sind. Die Plattenelemente 20p und 50p für den Membranbiosensorelektrodenbereich M bzw. für den Sekundärträger einerseits und für den Gefäßwandbereich 50w andererseits sind jeweils planar mit oberen Oberflächen 20a bzw. 50a und unteren Oberflächen 20c und 50c ausgebildet. Der Gefäßinnenbereich 50i wird bei der Ausführungsform der 1A bis 2B jeweils durch eine Bohrung, Ausnehmung oder durch ein Loch realisiert. Dies ist in diesen Ausführungsformen kreisrund. Die Ausnehmung für den Gefäßinnenbereich 50i erstreckt sich bei der Ausführungsform der 2A, 2B von der oberen Oberfläche 50a bis zur unteren Oberfläche 50c des Plattenelements 50p.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 bereits in den Ausführungsformen der 1A bis 2B, d. h. in offener Bauweise verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch geschlossene Bauweisen, wie sie in den 3 und 4 in schematischer Querschnittsseitenansicht dargestellt sind, weil mit diesen geschlossenen Systemen ein Austausch des fluiden Messmediums in besonders gut definierter Art und Weise und auch mit hoher Geschwindigkeit durchführbar ist. Es bieten sich hierbei also auch zeitlich auflösende Mischexperimente an, wie das weiter unten im Detail beschrieben ist.
Bei der Ausführungsform der 3 ist auf den oberen Oberflächenbereich 50a des Plattenelements 50p für den Gefäßwandbereich 50w ein einfacher Gefäßverschlussbereich 50v, hier in Form eines Deckels, aufgesetzt. Der Gefäßwandbereich 50w besitzt seiner seits eine Zuführeinrichtung 51 in Form einer Bohrung oder eines Rohres und auch eine Abführeinrichtung 52, ebenfalls in Form einer Bohrung oder eines Rohres. Wie durch die Pfeile angedeutet ist, kann durch die Zuführeinrichtung 51 Messmedium 30 zugeführt und durch die Abführeinrichtung 52 wieder abgeführt werden. Somit kann das Messmedium 30 verändert und ausgetauscht werden, entweder, um ein neues Experiment zu starten oder um die Versuchsbedingungen oder Testbedingungen anzupassen und zu ändern.
Alternativ zu der in 3 dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 1 ist es auch denkbar, dass der Gefäßbereich 50w und der Gefäßverschlussbereich 50v einstückig ausgebildet sind, und nicht einteilig aus zwei Teilen zusammengefügt, wie das in 3 dargestellt ist.
Die 4A bis 4D zeigen Details weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wobei jeweils ein Funktionskopf oder Düsenkopf vorgesehen ist.
Bei der in 4A in geschnittener Seitenansicht dargestellten Ausführungsform ist der Gefäßverschlussbereich 50v in Form eines Funktionskopfes oder einer Düse ausgebildet. Dabei befindet sich die Austrittsöffnung 51a der Zuführeinrichtung 51 direkt oberhalb des zentralen Bereichs oder des Hauptbereichs der Elektrode 26 des Membranbiosensorelektrodenbereichs M oder des Sekundärträgers 20. Durch die Dimensionierung des Abstandes des Öffnungsbereichs 51a, der Austrittsöffnung 51a oder der Auslassöffnung 51a und auch der Öffnungsweite des Öffnungsbereichs 51a, der Austrittsöffnung 51a oder der Auslassöffnung 51a in Bezug auf die Dimensionierung des zentralen Bereichs oder des Hauptbereichs der Elektrode 26 kann eine besonders hohe zeitliche Auflösung bei Mediumaustauschexperimenten oder bei Konzentrationssprungexperimenten realisiert werden, und zwar indem die Möglichkeit eines schnellen Mediumswechsels in der Nähe der Membran SSM – mit den Primärträgern 10 und den biologischen Einheiten – auf der Elektrode 26 ermöglicht wird.
Die Abführeinrichtung 52 ist hier axialsymmetrisch zur zentral vorgesehenen Zuführeinrichtung 51 ausgebildet. Grundsätzlich kann die Abführeinrichtung 52 alternativ auch in der in 3 dargestellten Form vorgesehen werden.
4B zeigt ebenfalls in Form einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht mögliche geometrische Details der Situation oder Anordnung aus 4A, wobei aber keine maßstabsgetreue Wiedergabe vorliegt. Des Weiteren sind hier auch die Gefäßwände 50w oder Gefäßwandbereiche 50w sowie einige Bestandteile des Gefäßboden 50b oder des Gefäßbodenbereichs 50b nicht dargestellt. Im Gefäßverschlusselement 50v in Form eines Funktionskopfes sind wiederum die Zuführeinrichtung 51 mit einer Austrittsöffnung 51a sowie Abführeinrichtungen 52 mit Eintrittsöffnungen 52e dargestellt. Die Austrittsöffnung 51a für das Medium 30 besitzt einen Öffnungsdurchmesser x und ist z. B. kreisförmig im Querschnitt. Die SSM – mit den Primärträgern 10 und den biologischen Einheiten 12 – oder der Hauptbereich der Elektrode 26 kann ebenfalls kreisförmig ausgebildet sein und ist vorzugsweise konzentrisch und planparallel zur Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 51a angeordnet. Die SSM besitzt in 4B einen Durchmesser y und ist von der Austrittsöffnung 51a des Mediums 30 im Abstand z angeordnet. Günstige und für einen schnellen und für die SSM gleichzeitig nicht schädlichen Lösungswechsel stellen sich bei einer Dimensionierung gemäß x:y:z = 2:2:1 ein, insbesondere dann, wenn ein Bezug zu x = 1 mm erfolgt.
4C zeigt eine geschnittene Ansicht von unten, und zwar in Bezug auf die in 4B gezeigt Schnittebene und Blickrichtung C-C. Deutlich erkennbar ist die im Querschnitt zylinder- oder rotationssymmetrische Gestalt des als Funktionskopf oder Düsenkopf ausgebildeten Gefäßverschlussbereichs 50v. Zentral ist eine einzelne Austrittsöffnung 51a der Zuführeinrichtung 51 vorgesehen, sie besitzt einen kreisförmigen Querschnitt. Gleichförmig in Form eines gleichseitigen Sechsecks sind sechs Eintrittsöffnungen 52e der Abführeinrichtung vorgesehen.
4D schließlich zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine im Querschnitt konisch ausgeführte Form des Funktionskopfes.
Die 5A bis 5C zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, bei welcher eine Mehrzahl Membranbiosensorelektrodenbereiche M oder Sekundärträger 20 in Form einer reinen Anordnung vorgesehen und ausgebildet sind, wie das in 5C dargestellt ist, wobei jeder einzelne Membranbiosensorelektrodenbereich M oder Sekundärträger 20 einen zugeordneten Gefäßbereich 50 aufweist und jede einzelne Anordnung aus Membranbiosensorelektrodenbereich M oder Sekundärträger 20 mit zugeordnetem Gefäßbereich 50 eine der in 2B gezeigten Struktur ähnliche Struktur bildet.
5A zeigt ein Plattenelement 20p, auf welchem sechs Einzelelektroden 26 mit entsprechenden Zuleitungen 29 auf der oberen Oberfläche 20a des Plattenelements 20p ausgebildet sind. Die einzelnen Elektroden 26 sind mit ihren dazugehörigen Ableitungen 29 im Wesentlichen identisch ausgebildet, zumindest soweit es die Herstellungstoleranzen erlauben. Das in 5B gezeigte Plattenelement 50p definiert die Gefäßwandbereiche 50w, indem Ausnehmungen oder Bohrungen derart im Plattenelement 50p vorgesehen sind, dass, wie das bereits in der 2A dargestellt ist, jede der Bohrungen oder Ausnehmungen die obere Oberfläche 50a mit der unteren Oberfläche 50c des Plattenelements 50p verbinden.
Durch Übereinanderlegen der in den 5A und 5B gezeigten Plattenelemente 20p und 50p entsteht die in 5C gezeigte Anordnung für diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, bei welcher jeder Elektrode 26 ein Gefäßwandbereich 50w und Gefäßinnenbereich 50i zugeordnet ist. Die Elektroden 26 und die Gefäßinnenbereich 50i sind jeweils kreisrund ausgebildet und zueinander konzentrisch ausgerichtet. In der 5C gezeigten Struktur findet sich somit die sechsfache Wiederholung der in den 1A bis 2B gezeigten Anordnung.
Sämtliche Eigenschaften, welche die mesoskopische oder mikroskopische Struktur der Oberfläche der Membranbiosensorelektrodenbereiche M, der Sekundärträger 20 und insbesondere der jeweiligen zugeordneten Elektroden 26 betreffen, ergeben sich aus der Darstellung der nachfolgenden 6 ff. Sämtliche dort geschilderten Eigenschaften sind in beliebiger Kombination auf die zuvor in den 1A bis 5C beschriebenen Strukturen anwendbar.
6 zeigt in einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 und einer entsprechenden Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung.
Ein Messraum 50 in Form eines im Wesentlichen geschlossenen Gefäßes bildet zusammen mit einer Austausch-/Mischeinrichtung 60, zum Beispiel in Form eines Perfusorsystems oder einer Pumpenanlage, einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf. Die Kommunikation der als Messmedium 30 dienenden Flüssigkeit erfolgt über entsprechende Zuführ- und Abführeinrichtungen 51 bzw. 52. Das Messmedium 30 kann dabei eine wässrigere Elektrolytlösung sein, die bestimmte Ionenanteile, eine gegebene Temperatur, einen bestimmten pH-Wert usw. aufweist. Des Weiteren sind im Messmedium 30 gegebenenfalls bestimmte Substratstoffe S und/oder bestimmte Wirkstoffe W enthalten, oder sie werden in späteren Verfahrensschritten durch die Austausch-/Mischeinrichtung 60 hinzugefügt.
Im Messbereich 50 ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 vorgesehen. Die Sensoranordnung 1 besteht aus Primärträgern 10, welche am Oberflächenbereich 24a der als Sekundärträger dienenden Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert sind.
In dem in 6 in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Form gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Primärträger 10 gezeigt. Dieser besteht aus einem Lipidvesikel oder Liposom in Form einer im Wesentlichen hohlkugelförmig und geschlossen ausgebildeten Lipiddoppelschicht oder Lipidmembran 11. In diese Lipiddoppelschicht 11 des als Primärträger 10 dienenden Vesikels ist als im Wesentlichen biologische Einheit 12 ein Membranprotein membrandurchgreifend eingelagert.
Durch Umsetzung eines im Messmedium 30 vorhandenen Substrats S zu einem umgesetzten Substrat S' werden im Membranprotein 12 bestimmte Prozesse initiiert, die in dem in 1 gezeigten Fall zu einem Stofftransport einer Spezies Q von der extravesikulären Seite oder Außenseite 10a des Vesikels 10 zur intravesikulären Seite oder Innenseite 10b des Vesikels 10 führt. Ist die Spezies Q mit einer elektrischen Ladung behaftet, so führt der Transport dieser Spezies Q von der Seite 10a zur Seite 10b zu einem Nettoladungstransport, welcher mit einem elektrischen Strom von der Außenseite 10a des Vesikels 10 zur Innenseite 10b des Vesikels 10 korrespondiert.
Zum einen sind in jedem Vesikel 10 in der Regel eine Vielzahl im Wesentlichen identischer Membranproteinmoleküle 12 in im Wesentlichen gleicher Orientierung in der Membran 11 des Vesikels 10 eingebaut. Werden diese im Wesentlichen simultan aktiviert – z.B. durch einen durch Mischen initiierten Konzentrationssprung in der Konzentration des Substrats S von einem nicht. aktivierenden Messmedium N, 30 ohne Substrat S zu einem aktivierenden Messmedium A, 30 mit Substrat S – so führt das zu einem messbaren elektrischen Strom.
Dieser Ladungsträgertransport ist deshalb messbar, weil eine Vielzahl von Primärträgern 10 oder Vesikeln an der Oberfläche 24a der Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert sind, so dass sich bei Aktivierung einer Vielzahl von Proteinmolekülen 12 in einer Vielzahl von Vesikeln vor der Oberfläche 24a der Sensorelektrodeneinrichtung 20 eine Raumladung bestimmter Polarität ausbildet. Diese Raumladung wirkt dann auf die Elektrode 26, die in dem in 1 gezeigten Fall auf einem Träger 22 aus Glas in Form einer Goldschicht aufgedampft ist und durch eine als Isolationsbereich 24 dienende Doppelschicht aus einer unteren Schicht 24b und einer als Oberfläche dienenden Oberschicht 24a abgedeckt und gegenüber dem Messmedium 30 elektrisch isoliert wird.
Die Oberfläche oder obere Schicht 24a des Isolationsbereichs 24 ist zum Beispiel ein zur Lipiddoppelschicht 11 des Vesikels 10 kompatible Lipidmonoschicht, die mittels eines Self-Assembling-Vorgangs auf einer die untere Schicht 24b bildenden Alkanthiolmonoschicht ausgebildet ist, so dass die Abfolge der Schichten 24b und 24a, nämlich die Abfolge aus einer Alkanthiolmonoschicht und einer Lipidmonoschicht auf einem festkörperartig ausgebildeten Goldsubstrat als Elektrode 26 eine Membranstruktur SSM bildet, die auch als festkörperunterstützte Membran bezeichnet wird (SSM: Solid Supported Membrane).
Über eine Anschlussleitung 48i ist die Sensoranordnung 1 und insbesondere die Sensorelektrodeneinrichtung 20 mit einer Datenerfassungs-/Steuereinrichtung 40 verbunden. Diese weist einen Messeinrichtung 44 auf, in welchem in zeitlicher Abhängigkeit ein elektrischer Strom I(t) oder eine elektrische Spannung U(t) gemessen werden kann. Des Weiteren ist eine Verstärkereinrichtung 42 vorgesehen, in welcher die Messsignale gefiltert und/oder verstärkt werden. Über eine Steuerleitung 48s wird die Wirkstofftestung durch Steuerung der Austausch-/Mischeinrichtung 60 geregelt. Über eine weitere Leitung 48o wird der elektrische Stromkreis mittels einer Gegenelektrode 46, zum Beispiel in Form einer Pt/Pt-Elektrode oder mittels einer Ag/AgCl-Elektrode geschlossen. Isolationen 28, 27 und 47 verhindern Kurzschlüsse der SSM bzw. der Gegenelektrode 46 gegenüber dem Messmedium 30.
7 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, bei welcher als Primärträger 10 anstelle eines Vesikels oder Liposoms ein Membranfragment 10 vorgesehen ist, in welches in orientierter Art und Weise ein als biologische Einheit 12 dienendes Membranprotein eingelagert ist. Auch in Bezug auf die Ausführungsform der 7 ist festzuhalten, dass die Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, und zum anderen in der Regel eine große Mehrzahl von Membranfragmenten gleichzeitig auf der SSM oder der Oberfläche 24a der als Sekundärträger dienenden Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert oder adsorbiert sind.
Auch hier ist wieder gezeigt, dass durch Umsetzung des im Messmedium 30 vorgesehenen Substrats S zu einem umgesetzten Substrat S' ein Stofftransport der Spezies Q von einer Seite 10a des Membranfragments 10 zur gegenüberliegenden Seite 10b erfolgt, welcher über den entsprechenden Nettoladungstransport und den damit verbundenen Verschiebungsstrom in zeitlich abhängiger Form nachgewiesen werden kann.
Die 8A bis 8D zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.
In einem als Küvette ausgebildeten Messraum 50 ist an einer als Sensorelektrodeneinrichtung 20 dienenden SSM ein Ensemble von Vesikeln 10 mit einem dort eingelagerten Membranprotein 12 adsorbiert. Die so ausgebildete Sensoranordnung 1 ist dabei im Messraum 50 in einem vorgesehenen Messmedium 30 inkubiert.
Der Messraum 50 ist über eine Zuführleitung 51 über eine vorgesehene erste Ventileinrichtung V1 steuerbar wahlweise mit einer Mehrzahl von Vorratsgefäßen 53, 54 und 55 verbunden, in welchen bestimmte Volumina des Messmediums 30 mit bestimmten weiteren Inhaltsstoffen versehen, vorgesehen sind. So enthält das erste Vorratsgefäß 53 der 8A bis 8D ein nicht aktivierendes Messmedium N, welches so gewählt ist, dass die in den Vesikeln 10 eingelagerten Membranproteine 12 durch die Zusammensetzung des Messmediums des Typs N nicht zu einer elektrischen Aktion aktiviert werden. Im zweiten Vorratsgefäß 54 der 8A bis 8D ist ein Messmedium A enthalten, durch welches die Membranproteine 12 in den Vesikeln 10 zu einer elektrischen Aktion, also zu einem Ladungstransport oder dergleichen, aktivierbar sind. Im dritten Vorratsgefäß 55 der 8A bis 8D schließlich ist dem aktivierenden Messmedium A des Gefäßes 54 ein Wirkstoff W hinzugefügt worden, dessen Wirkung auf die Aktivität des Proteins 12 in den Vesikeln 10 ermittelt werden soll.
Über eine Abführeinrichtung 52 oder Abführleitung ist der Messraum 50 oder die Küvette über eine zweite Ventileinrichtung V2 zumindest mit einem Teil der Austausch-/Mischeinrichtung 60 verbunden. Des Weiteren kann über das Ventil V2 ein Entsorgungsgefäß E hinzugeschaltet werden, zum Beispiel um die Austausch/Mischeinrichtung 60 zu entleeren.
In einer ersten Phase der pharmakologischen Wirkstofftestung, welche in 8A gezeigt ist, ist der Messraum 50 über die erste Ventileinrichtung V1 und die Zuführeinrichtung 51 mit dem ersten Vorratsgefäß 53 verbunden. Andererseits ist der Messraum 50 über die Abführeinrichtung 52 und über die zweite Ventileinrichtung V2 mit der Austausch-/Mischeinrichtung 60 verbunden. Durch Betrieb der Austausch-/Mischeinrichtung 60 wird eine Saugkraft über die miteinander verbundenen Bereiche ausgeübt, so dass aus dem Vorratsgefäß 53 das nicht aktivierende Messmedium N durch die Küvette des Messraums 50 strömt und die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikel 10 umspült oder umströmt. In diesem Zustand kann keinerlei elektrische Aktivität des Proteins 12 gemessen werden, und diese Phase dient der Equilibration der SSM sowie der Aufnahme von Störsignalen und dem Abgleich des Rauschens.
In der in 8B gezeigten zweiten Testphase wird über die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung 40 die erste Ventileinrichtung V1 so geschaltet, dass die Zuführeinrichtung 51 des Messraums 50 mit dem zweiten Vorratsgefäß 54 kommunizierend verbunden ist, so dass auf Betrieb der Austausch-/Mischeinrichtung 60 hin das aktivierende Messmedium A durch die Küvette des Messbereichs 50 strömt, die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikeln strömt und umspült und somit die in den Vesikeln 10 enthaltenen Membranproteine 12 zu einem elektrogenen Ladungstransport anregt, welcher dann über die in den 8A – 8D nicht gezeigte Datenerfassung nachgewiesen werden kann.
In einer in 8C gezeigten dritten Phase des Verfahrens der pharmakologischen Wirkstofftestung wird die erste Ventileinrichtung V1 derart geschaltet, dass der Messraum 50 mit dem dritten Vorratsgefäß 55 strömungsmäßig verbunden ist, so dass auf Betrieb der Austausch-/Mischeinrichtung 60 hin nunmehr das akti vierende Messmedium A unter Zusatz des Wirkstoffes W durch die Küvette des Messraums 50 strömt und somit die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikel 10 umspült.
Durch Aufnahme etwaiger elektrischer Signale unter dem Einfluss des hinzugefügten Wirkstoffes W kann im Vergleich zu den während der Phase der 8B aufgenommenen Signale der Einfluss des Wirkstoffes auf die Aktivität des Proteins 12 in den Vesikeln im Wesentlichen ermittelt werden.
In der Phase, welche in 8D gezeigt ist, wird die in der Austausch-/Mischeinrichtung 60 aufgenommene Flüssigkeitsmenge in das Entsorgungsgefäß E hin entsorgt, wobei durch die zweite Ventileinrichtung V2 die Austausch-/Mischeinrichtung 60 ausschließlich mit dem Entsorgungsgefäß E verbunden ist.
Selbstverständlich kann die in den 8A bis 8D gezeigte Anordnung bzw. das damit in Zusammenhang stehende Testverfahren auch komplexer ausfallen und weitere Messzwischenschritte, Spül- und Waschvorgänge enthalten.
Grundsätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die hohe mechanische Stabilität der vorgesehenen Sensoranordnung und damit einhergehend die große Einsatzbereitschaft, die einfache Handhabbarkeit und geringer Störunanfälligkeit. In der Verwendung der Sensoranordnung ergeben sich im Rahmen von pharmakologischen Wirkstofftests eine lange Lebensdauer, eine hohe Zuverlässigkeit, eine geringe Störanfälligkeit sowie insbesondere ein gegenüber herkömmlichen Verfahren maßgeblich gesteigerter Testdurchsatz, wodurch entsprechende Testverfahren kostengünstig ausgearbeitet und durchgeführt werden können.
Die 9A bis 9C beschreiben eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorgesehen sind dabei aber nur zwei Vorratsgefäße 53 und 54 vorgesehen sind. Das Vorratsgefäß 53 enthält wieder eine nicht aktivierende Lösung N. Das Vorratsgefäß 54 enthält als X entweder in einem ersten Verfahrensschritt die aktivierende Lösung A und in einem zweiten Verfah rensschritt eine aktivierende Lösung A+W mit zu testendem Wirkstoff W. Im ersten Fall X=A wird die Aktivierung der biologischen Einheit als Referenzsignal gemessen. Im zweiten Fall X=A+W wird dann der Effekt des Wirkstoffes auf die Aktivierung messbar.
Im einfachsten Fall kann der Wirkstoff W identisch sein mit dem S und/oder mit der Transportspezies Q.

1: Sensoranordnung
10: Primärträger, Vesikel, Membranfragment
10a: Oberfläche, Außenseite, extravesikuläre Seite
10b: Innenseite, intravesikuläre Seite
11: Membran
12: biologische Einheit, Membranprotein
13: Innenmedium
20: Sekundärträger, Sensorelektrodeneinrichtung
20a: erste oder obere Oberfläche
20c: zweite oder untere Oberfläche
21: Elektrodenbereich
22: Träger
22a: Oberflächenbereich
24: Isolationsbereich
24a: Oberschicht, Oberflächenbereich, Lipidmonoschicht
24b: Unterschicht, Thiol-/Mercaptanmonoschicht
26: Elektrode
27: Isolation
28: Isolation
29: Anschluss
30: Messmedium
40: Datenerfassungs-/Steuereinrichtung
42: Verstärkereinrichtung
44: Messeinrichtung
46: Gegenelektrode
48i,o: Anschlussleitungen
48s: Steuerleitung
50: Messbereich, Gefäß, Küvette
50a: erste oder obere Oberfläche
50b: Gefäßbodenbereich
50c: zweite oder untere Oberfläche
50i: Gefäßinnenbereich
50p: Plattenelement
50v: Gefäßverschlussbereich
50w: Gefäßwandbereich
51: Zuführeinrichtung
51a: Auslassöffnung, Austrittsöffnung
52: Abführeinrichtung
52e: Einlassöffnung, Eintrittsöffnung
53: Vorratsgefäß
54: Vorratsgefäß
55: Vorratsgefäß
60: Austausch-/Mischeinrichtung
100: Messvorrichtung
A: aktivierendes Messmedium
A+W: aktivierendes Messmedium mit Wirkstoff W
Cm: spezifische Kapazität
E: Entsorgung
G_m: spezifische Leitfähigkeit
M: Membranbiosensorelektrodenbereich
N: nicht aktivierendes Messmedium
I(t): Stromsignal
Q: Ladungsträger
S: Substrat
S': umgesetztes Substrat
SSM: Membranstruktur, festkörperunterstützte Membran
U(t): Spannungssignal
V: Fließgeschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit
V1: erste Ventileinrichtung
V2: zweite Ventileinrichtung
W: Wirkstoff
X: Wirkstoff

Claims

Sensoranordnung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung mit: – mindestens einem Membranbiosensorelektrodenbereich (M) als Sekundärträger (20) und – mindestens einem Gefäßbereich (50), welcher mindestens einen Gefäßinnenbereich (50i) oder einen Teil davon aufweist oder bildet, – wobei der Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder ein Teil davon jeweils als Teil (50b) des Gefäßbereichs (50) im Bereich des Gefäßinnenbereichs (50i) und insbesondere als Teil des Gefäßinnenbereichs (50i) vorgesehen oder ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßbereich (50) einen Gefäßbodenbereich (50b), einen Gefäßwandbereich (50w) und/oder einen Gefäßverschlussbereich (50v) aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßbodenbereich (50b) oder ein Teil davon von dem Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder Sekundärträger (20) oder einem Teil davon gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßbodenbereich (50b) und der Gefäßwandbereich (50w) einteilig oder einstückig miteinander ausgebildet sind, insbesondere als Einheit.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einteiligkeit oder Einstückigkeit des Gefäßbodenbereichs (50b) und des Gefäßwandbereichs (50w) miteinander durch Einwirkung von Druck, Wärme und/oder eines Verbindungsmittels, Klebemittels oder über eine Spritzgusstechnik erzeugt ist, insbesondere in lösbarer Form.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuführen, Abführen, Ändern und/oder Austauschen eines den Gefäßinnenbereich (50i) zumindest zum Teil füllenden fluiden Messmediums (30) eine Zuführeinrichtung (51) und/oder eine Abführeinrichtung (52) vorgesehen sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl Abführeinrichtungen (52) vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Abführeinrichtungen (52) oder ein Teil davon um die oder um eine Zuführeinrichtung (51) angeordnet ist, insbesondere in im Wesentlichen konzentrischer und/oder gleichmäßig verteilter Art und Weise.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführeinrichtung (52) oder die Gesamtheit Abführeinrichtungen (52) einen geringeren Strömungswiderstand bildet oder aufweist als die Zuführeinrichtung (51) oder die Gesamtheit Zuführeinrichtungen (51).
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zuführeinrichtung (51) und/oder mindestens eine Abführeinrichtung (52) eine Gegenelektrodeneinrichtung aufweist oder bildet, insbesondere indem sie jeweils ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist oder ein solches Material aufweist, insbesondere in Form eines Metalls oder in Form eines Derivats eines Metalls.
Sensoranordnung nach einem vorangehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (51) und/oder die Abführeinrichtung (52) im Gefäßbodenbereich (50b), im Gefäßwandbereich (50w) und/oder im Gefäßverschlussbereich (50v) vorgesehen sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussbereich (50v) dem Bodenbereich (50b) gegenüberliegend angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussbereich (50v) als Düseneinrichtung (D) oder als Funktionskopf ausgebildet ist und insbesondere die Zuführeinrichtung (51) und/oder die Abführeinrichtung (52) aufweist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussbereich (50v), die Düseneinrichtung (D) und/oder der Funktionskopf konisch ausgebildet sind, um ein selbstjustierendes Verschließen des Gefäßbereichs (50) zu gewährleisten.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (51) und/oder die Abführeinrichtung (52) als Rohrelement ausgebildet sind, deren Austrittsöffnung (51a) und/oder Eintrittsöffnung (52e) so – insbeson dere gering – beabstandet zum Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder zum Sekundärträger (20) angeordnet sind, dass ein relativ schneller Wechsel des Messmediums (30) vor dem Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder eines Oberflächenbereichs davon ausführbar ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, – dass die Zuführeinrichtung (51) eine Austrittsöffnung (51a) aufweist, die einen Durchmesser x besitzt, – dass der Membranbiosensorelektrodenbereich (M), der Sekundärträger (20) oder ein Hauptteil davon einen Durchmesser y aufweisen, – dass die Austrittsöffnung (51a) der Zuführeinrichtung (51) und der Membranbiosensorelektrodenbereich (M), der Sekundärträger (20) oder der Hauptteil davon voneinander direkt oder im Mittel in einem Abstand z beabstandet angeordnet sind und – dass dabei direkt oder näherungsweise die Beziehung x:y:z = 2:2:1 erfüllt ist, insbesondere mit x = 1 mm.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (51a) der Zuführeinrichtung (51) und die Oberfläche des Membranbiosensorbereichs (M), des Sekundärträgers (20) oder des Hauptteils davon im Wesentlichen kreisförmig, zueinander planparallel und/oder konzentrisch angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßbodenbereich (50b) als im Wesentlichen planares Plattenelement (20p) ausgebildet ist, auf dessen Oberflächenbereich (20a) der Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder der Sekundärträger (20) jeweils ausgebildet sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßwandbereich (50w) als im Wesentlichen planares Plattenelement (50p) ausgebildet ist, in welchem jeweils eine Ausnehmung, Bohrung oder ein Loch zur Ausbildung des Gefäßinnenbereichs (50i) vorgesehen ist, durch welche oder durch welches insbesondere eine erste oder obere Oberfläche (50a) des planaren Plattenelements (50p) mit einer zweiten oder unteren Oberfläche (50b) des planaren Plattenelements (50p) verbunden ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßbodenbereich (50b), der Gefäßwandbereich (50w) und/oder der Gefäßverschlussbereich (50v) ganz oder teilweise aus einem abdichtenden, chemisch und/oder biologisch inerten und/oder gegenüber Proteinen, biologischen und/oder chemischen Wirkstoffen höchstens gering adsorptiven Material gebildet sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßbodenbereich (50b), der Gefäßwandbereich (50w) und/oder der Gefäßverschlussbereich (50v) ganz oder teilweise aus einem Glas, aus PMMA, PTFE, POM und/oder aus einem – insbesondere im UV-Bereich – transparentem Material gebildet sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl – insbesondere gleichartiger – Membranbiosensorelektrodenbereiche (M) mit einer entsprechenden Mehrzahl – insbesondere gleichartiger – Gefäßbereiche (50) und Gefäßinnenbereiche (50i) vorgesehen sind, insbesondere in strömungsmäßig und/oder elektrisch voneinander isolierter Form.
Sensoranordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Membranbiosensorelektrodenbereiche (M) und/oder die Mehrzahl Gefäßbereiche (50) jeweils auf einem streifenförmigen oder plattenförmigen Träger angeordnet sind oder einen solchen bilden.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Membranbiosensorelektrodenbereiche (M) und/oder die Mehrzahl Gefäßbereiche (50) und Gefäßinnenbereiche (50i) in einer Reihe oder in Matrixform angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei welchem ein Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder ein Sekundärträger (20 einen elektrisch leitfähigen und festkörperartigen Elektrodenbereich (21) aufweist, – bei welchem eine Mehrzahl Primärträger (10), welche in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft des Sekundärträgers (20) angeordnet sind und welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbare und biologische Einheiten (12), insbesondere Membranproteine, vorgesehen ist, und – bei welchem im Gefäßinnenbereich (50i) in einem wässrigen Messmedium (30) die Primärträger (10) und zumindest ein Teil des Membranbiosensorelektrodenbereichs (M) oder des Sekundärträgers (20) angeordnet sind, – wobei der Elektrodenbereich (21) gegenüber dem Messmedium (30) elektrisch isoliert ausgebildet ist, – wobei der Elektrodenbereich (21) gegenüber den Primärträgern (10) und gegenüber den biologischen Einheiten (12) elektrisch isoliert ausgebildet ist, – wobei als Primärträger (10) jeweils eine eukariontische Zelle, eine prokariontische Zelle, ein Bakterium, ein Virus oder Bestandteile, insbesondere Membranfragmente, oder Verbände davon in nativer Form oder in abgewandelter Form, insbesondere in gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form, vorgesehen ist, oder – wobei als Primärträger (10) jeweils ein Vesikel, ein Liposom oder eine mizelläre Struktur vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, – dass der Elektrodenbereich (21) mindestens eine elektrisch leitfähige Elektrode (26) aufweist, – dass ein elektrisch isolierender Isolationsbereich (24) vorgesehen ist und – dass durch den Isolationsbereich (24) die jeweilige Elektrode (26) vom Messmedium (30), von den Primärträgern (10) und von den biologischen Einheiten (12) elektrisch isoliert ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, – dass der Isolationsbereich (24) schichtartig ausgebildet ist, – dass der Isolationsbereich (24) zumindest zum Teil aus einer Abfolge von Monoschichten (24a, 24b) besteht und – dass die Monoschichten (24a, 24b) als spontan selbstorganisierende Schichten ausgebildet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, – dass als Unterschicht (24b) des Isolationsbereichs (24) eine Schicht aus einer organischen Thioverbindung als unterster und der Elektrode (26) zugewandter Bereich (24b) des Isolationsbereichs (24) vorgesehen ist, vorzugsweise aus einem langkettigen Alkanthiol, insbesondere aus Oktadekanthiol, und – dass als Oberschicht (24a) des Isolationsbereichs (24) eine Schicht aus einer amphiphilen organischen Verbindung, insbesondere aus einem Lipid, als oberster und von der Elektrode (26) abgewandter Bereich oder Oberflächenbereich (24a) des Isolationsbereichs (24) vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der die Elektrode (26) isolierende und abdeckende Bereich des Isolationsbereichs (24) eine Membranstruktur (SSM) mit einer Fläche von etwa A ≈ 0,1 – 50 mm² und mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von etwa Gm ≈ 1 – 100 nS/cm² und/oder mit einer spezifischen Kapazität von etwa Cm 10 – 1000 nF/cm² aufweist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, – dass die Elektrode (26) ein metallisches Material aufweist, insbesondere ein Edelmetall, vorzugsweise Gold, oder – dass die Elektrode (26) ein elektrisch leitfähiges Metalloxid aufweist, insbesondere Indiumzinnoxid.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die biologische Einheit (12) zu einer elektrogenen Ladungsträgerbewegung aktivierbar ausgebildet ist, insbesondere zu einem elektrogenen Ladungsträgertransport.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass als biologische Einheit (12) jeweils ein Membranprotein, insbesondere eine Ionenpumpe, ein Ionenkanal, ein Transporter oder ein Rezeptor oder ein Bestandteil oder ein Verband davon vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die biologische Einheit (12) in nativer Form oder in abgewandelter Form, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form, vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, – dass die Oberfläche (10a) der Primärträger (10) und die Oberfläche des Sekundärträgers (20) entgegengesetzt polar oder geladen zueinander ausgebildet sind und/oder – dass zwischen der Oberfläche (10a) der Primärträger (10) und der Oberfläche des Sekundärträgers (20) eine Ankopplung nach Art einer chemischen Bindung ausgebildet ist, insbesondere über eine His-Tag-Kopplung oder eine Streptavidin-Biotin-Kopplung.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranbiosensorelektrodenbereich (M), der Sekundärträger (20), der Gefäßbodenbereich (50b), das Plattenelement (50p) und/oder ein Teil davon als eine oder mit einer fotolithografisch prozessierten Struktur oder als ein oder mit einem fotolithografisch prozessierten Element ausgebildet sind, insbesondere in Form eines Platinenelements oder einer gedruckten Schaltung auf einem Substrat.
Sensoranordnung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als ein chemisch inertes, biologisch inertes und/oder im Wesentlichen elektrisch isolierendes Material aufweist oder aus einem solchen gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein mechanisch flexibles Material aufweist, insbesondere eine Folie, oder als ein solches ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass für die Elektrode oder den Elektrodenbereich des Membranbiosensorbereichs (M), des Sekundärträgers (20) oder des Hauptteils davon eine metallische Schichtstruktur auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, insbesondere mit einem zuunterst angeordneten Primärmetall, vorzugsweise mit oder aus Kupfer, einer nachfolgenden Hilfsschicht als Legierungs- und/oder Diffusionsbarriere, vorzugsweise mit oder aus Nickel, und einer zuoberst angeordneten eigentlichen Elektrodenschicht aus einem Edelmetall, vorzugsweise mit oder aus Gold.
Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung: – mit mindestens einem Messraum (50), in welchem eine Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 38 vorgesehen ist, – mit einer Datenerfassungs-/Steuereinrichtung (40) welche zumindest zur Erfassung von Messdaten der Sensoranordnung (1) ausgebildet ist, und – mit einer Austausch- und Mischeinrichtung (60), welche zum Verfügungstellen, Austausch, Mischen und Einstellen des Messmediums (30) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, – dass mittels der Austauscheinrichtung (60) über das Messmedium (30) Messbedingungen, insbesondere pharmakologische Bedingungen, definiert in kontinuierlicher Art und Weise einstellbar sind, vorzugsweise nach Art eines kontinuierlichen Fließsystems, und – dass dabei mittels der Austauscheinrichtung (60) in der Nachbarschaft der Sensoranordnung (1) Fließ- und Strömungsgeschwindigkeiten von etwa v ≈ 0,1 – 2 m/s erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl integrierter Membranbiosensorelektrodenbereiche (M) oder Sekundärträger (20), vorzugsweise in separaten, strömungsmäßig und elektrisch voneinander entkoppelten und unabhängigen Vertiefungsbereichen einer Mikroplatte oder Mikrotiterplatte vorgesehen ist, vorzugsweise um 8, 12, 96 Messkanäle auf einem Raster auszubilden.
Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung: – bei welchem zu untersuchende biologische Einheiten (12) in oder bei einer Sensoranordnung (1) vorgesehen werden und – bei welchem über die Sensoranordnung (1) aktivierte elektrische Aktionen der biologischen Einheiten (12) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 38 oder – dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 41 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, – dass der Membranbiosensorelektrodenbereich (M) oder der sekundärträger (20) jeweils vom Messmedium (30) umströmt oder angeströmt werden und – dass dabei eine Strömungs- und/oder Fließgeschwindigkeit des Messmediums (30) von etwa v ≈ 0,1 – 2 m/s verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgend eine Mehrzahl von Tests durchgeführt wird durch aufeinanderfolgendes Austauschen des Messmediums (30), gegebenenfalls mit zwischengeschaltetem Waschen oder Spülen des Messraums (50).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Deorphaningprozess mit einer Mehrzahl von Tests durchgeführt wird und – dass dabei als biologische Einheit (12) ein Produkt eines funktionsunbekannten Orphans verwendet wird, um dabei dessen Funktionalität aufzuklären.