DE3344607A1 - Verfahren und zusammensetzung fuer die bestimmung der phagocytischen reaktion - Google Patents

Verfahren und zusammensetzung fuer die bestimmung der phagocytischen reaktion

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    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
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Description

PATENTAN VALT H
DR. RICHARD KNEISSL" W id Ji im.'>e. L,i.r. 46
D-8000 MÖNCHEN 22 · 3 QeZ. J983
Tel. 089/295125
DE
Packard Instrument Company, Inc. in Downers Groove, Illinois / V.St.A.
Verfahren und Zusammensetzung für die Bestimmung der
phagocytischen Reaktion
Die vorliegende Erfindung betrifft Test- oder Assay-Ver-r fahren zur Messung der Fähigkeit eines Organismus zur Imxnunabwehr, für derartige Verfahren nützliche Zusammensetzungen sowie Verfahren zur Herstellung solcher Zusammensetzungen.
Die Beobachtung, daß bestimmte phagocytische Zellen, die im Blut und in Organen wie beispielsweise der Lunge gefunden werden, infolge der physikalischen Verdauung von Teilchen wie beispielsweise Bakterien oder nichtlebenden Zusammensetzungen Licht erzeugen, ist seit Jahren Thema der wissenschaftlichen Literatur. Diese Beobachtungen beruhen auf spezifischen Zellen, die im Blut oder in Organen gefunden werden, von denen bekannt ist, daß sie die kritische Funktion erfüllen, durch komplexe chemische Mechanismen Teilchen wie beispielsweise Bakterien aufzuspüren, zu phagocytieren (zu verschlingen) und abzutöten. Diese Zellen können auch nicht-infektiöse Mittel,wie beispielsweise teilchenförmige Verschmutzungen der Luft, aufsuchen und entfernen. Ein Teil dieses zellulären chemisehen Mechanismus umfaßt die Erzeugung von relativ hochenergetischen Sauerstoff-Zwischenstufen. Die Zelle erzeugt diese chemischen Substanzen, wenn sie zum Phagocytieren angeregt wird. Diese hochenergetischen Sauerstoff-Zwischenstufen zerfallen unter Erreichung niedrigerer Energieniveaus, und im Zuge dieses Prozesses wird Licht erzeugt. Obwohl diese niedrigen Lichtmengen unter Verwendung von Instrumenten, wie beispielsweise Flüssigkeits-Szintillations-Spektrometern nachweisbar sind, ist diese Technik sehr aufwendig und gestattet es nicht, eine grosse Anzahl von Proben oder Proben mit einer großen Anzahl von Variablen, die untersucht werden sollen, rasch zu
analysieren. Und obwohl das beschriebene Phänomen bereits eine gewisse Zeit bekannt ist/ wurde bisher aufgrund der obenbeschriebenen Beschränkungen zusammen mit der Nichtverfügbarkeit von relativ stabilen Reagenzien aus ihm wenig Nutzen gezogen.
Der vorliegenden Erfindung liegt im weitesten Sinne die Aufgabe zugrunde, das Phänomen der Lichterzeugung phagocytierender Zellen für praktische Testzwecke nutzbar zu machen. Weitere speziellere Aufgaben ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren, durch für dieses Verfahren bestimmte Zusammensetzungen sowie durch Verfahren zur Herstellung dieser Zusammensetzungen gemäß den Patentansprüchen gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit unter einem ihrer Aspekte ein Verfahren zur Bestimmung der phagocytischen Reaktion verschiedener phagocytischer Zellen. Ein solches Verfahren nützt die Phagocytentätigkeit aus, die vom Organismus dazu benutzt wird, eine Infektion abzuwehren oder teilchenförmige Materie aus den Lungen usw. zu entfernen. Bei diesem Verfahren werden phagocytische Zellen aus dem Blut oder aus Organen eines Menschen oder eines anderen Tiers entnommen, und es wird ihnen ein teilchenhaltiges Material zugesetzt, das von den phagocytischen Zellen verschlungen wird. Die Zellen reagieren auf das teilchenhaltige Material und erzeugen Sauerstoff-Zwischenstufen, die wiederum mit einer chemischen Substanz in dem teilchenhaltigen Material reagieren. Bei dieser Reaktion wird im Ergebnis Licht erzeugt. Das so erzeugte Licht wird nachgewiesen und gemessen.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein solches teilchenhaltiges Reagens, das
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geeignet ist, von den Zellen phagocytiert zu werden, und das Polymerkügelchen umfaßt, die mit Proteinen überzogen sind, an die eine lumineszierende chemische Substanz,wie beispielsweise 5-Amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazindion (Luminol)J gebunden ist.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein anderes derartiges teilchenhaltiges Reagens, das geeignet ist, von den Zellen phagocytiert zu werden, und das Polysaccharid-Teilchen aus den Wänden von Hefezellen (Zymosan) umfaßt, an die Proteine adsorbiert sind, denen eine lumineszierende chemische Substanz (Luminol) zugemischt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der überzogenen, teilchenförmigen polymeren Kügelchen gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese polymeren Kügelchen von einem Durchmesser von etwa 2 bis etwa 9 μΐη werden mit einem Protein und einer lumineszierenden chemischen Substanz überzogen. Die lumineszierende chemische Substanz kann als überzug auf das Protein aufgebracht werden, oder sie kann mit dem Protein vermischt werden, und die beiden können gemeinsam auf die Polymerkügelchen aufgebracht werden.
Die erhaltenen Teilchen werden gewaschen, auf eine Endkonzentration resuspendiert und lyophilisiert.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von überzogenen Zymosan-Teilchen, die ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Zymosan-Teilchen werden mit einem Protein überzogen. Mit den überzogenen Teilchen wird Luminol vermischt, und das erhaltene Material wird unter Bildung eines stabilen, homogenen Produkts lyophilisiert.
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Die obigen Ausführungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren für den Fachmann in näheren Einzelheiten erläutert.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine typische Antwort eines verdünnten
Gesamtbluts in dem Chemxlumineszenz Assays unter Verwendung eines Reagens
auf Zymosan-Basis;
Fig. 2 eine typische Antwort eines Assays mit
isolierten Neutrophilen (Leucozyt mit neutrophilen Granula ) unter Verwendung
eines Reagens auf Zymosan-Basis;
Fig. 3 eine typische Antwort eines Assays mit
isolierten Neutrophilen unter Verwendung eines Reagens auf der Basis von
Polymer-Kügelchen;
Fig. 4 eine typische Antwort eines Chemilumi-
neszenz-Assays mit verdünntem Gesamtblut unter Verwendung eines Reagens
auf Zymosan-Basis;
Fig. 5 eine typische Antwort eines Assays mit isolierten Neutrophilen unter Verwendung eines Reagens auf Zymosan-Basis;
Fig. 6 eine typische Antwort eines Assays mit isolierten Neutrophilen unter Verwendung eines Reagens auf Polymer-Kügelchen-Basis.
Obwohl jedes beliebige Material auf Teilchenbasis, das mit dem phagocytischen Zellsystem verträglich ist, verwendet werden kann, haben sich polymere organische Materialien und insbesondere Polyacrylamide (beispiels-
1 Xi
weise Bio-Rad-^-Telichen, Richmond, Kalifornien) sowie teilchenförmiges Zymosan als ganz besonders geeignet erwiesen.
Damit das System richtig arbeitet, ist es erforderlich, das teilchenförmige Material mit einem Protein zu überziehen. Dieses überziehen kann durch eine richtige chemische Bindung des Proteins an die Teilchen bewirkt wer- - den, oder durch einfache elektrostatische Adsorption.
Um auf diese Weise die Kügelchen zu sensibilisieren, kann irgendein geeignetes Protein oder irgendeine geeignete Proteinmischung verwendet werden. Zu den geeigneten Proteinen gehören gereinigtes Human-Immunglobulin G oder menschliches oder tierisches Serum.
Anschließend wird die lumineszierende chemische Substanz entweder chemisch oder adsorptiv auf die mit Protein überzogenen Teilchen aufgebracht oder mit diesen vermischt. Obwohl jede beliebige lumineszierende chemische Substanz, die mit Sauerstoff-Zwischenstufen direkt oder indirekt unter Lichterzeugung reagiert, verwendet werden kann, hat sich Luminol (z.B. erhältlich von Eastman Organics, Rochester, New York) als ganz besonders geeignet erwiesen. Wenn das Polymer-Kügelchen verwendet wird, wird das Luminol in einer wäßrigen gepufferten Lösung aufgelöst und vorzugsweise so umgesetzt, daß sich eine reaktive Azo-Zwischenstufe bildet. Diese Azo-Zwischenstufe wird dann mit den protein-überzogenen Polymer-Teilchen umgesetzt. Als Ergebnis wird ein Azo-Luminol-Protein-Addukt neben elektrostatisch aneinandergebundenem Luminol-Polyacrylamid erhalten. Die erhaltenen Teilchen werden gewaschen, auf eine Endkonzentration resuspendiert,
in Fläschchen eingefüllt und lyophilisiert. Das bei diesem Verfahren erhaltene Produkt ist ein stabiles, homogenes Produkt.
Das Luminol kann auch einfach mit einer Suspension von Zymosan-Teilchen vermischt werden, die vorausgehend mit einem geeigneten Protein überzogen wurde. Die erhaltene Mischung wird in Fläschchen gefüllt und lyophilisiert. Das bei diesem Verfahren erhaltene Produkt ist ein stabi-Ies, homogenes Produkt.
Das obenbeschriebene lyophilisierte Produkt ist nach seiner Wiederherstellung mit Wasser fertig für die Verwendung in dem Assay-Verfahren.
Für das Assay-Verfahren unter Verwendung von Polymer-Teilchen werden 1 000 000 bis etwa 2 000 000 Polyacrylamidteilchen in 50 μΐ Puffer mit etwa 200 000 gereinigten phagocytischen Zellen in 100 μΐ Puffer vermischt. Zwei exemplarische Assay-Verfahren, wie sie in Verbindung mit den Zymosan-Teilchen angewandt werden, sind: (1) Gesamtblut wird 1:3 verdünnt (ein Teil koagulations-gehemmtes Blut plus zwei Teile Puffer). 50 μΐ dieser Verdünnung werden mit 200 μΐ des überzogenen Zymosans, das Luminol enthält, vermischt. Jeder Milliliter der Zymosan-Mischung enthält etwa 50 000 000 Teilchen; und (2) 50 μΐ der Zymosan-Suspension werden mit 100 μΐ Puffer vermischt, der etwa 200 000 gereinigte phagocytische Zellen enthält. Das von diesen Mischungen erzeugte Licht wird periodisch über die Zeit bestimmt und dient als Maß für die phagocytische und biochemische Aktivität der phagocytischen Zeil-Zubereitung. Zellen, die auf diese Weise untersucht werden können, umfassen Neutrophile, Monocyten und alveoläre Macrophagen. Die ersten beiden dieser Zelltypen werden aus Gesamtblut erhalten, das auf einen Dichte-Gradienten, wie beispielsweise Ficoll (Wz) - Hypaque (Wz)
gegeben und zentrifugiert wird. Diese Zellen erscheinen in dem Gradienten als Band und werden auf diese Weise gereinigt. Macrophagen werden aus Lungen-Auswaschungen erhalten und erfordern keine Reinigung. In den folgenden Beispielen werden Neutrophile verwendet.
Beispiel 1
200 mg der obenbeschriebenen Polyacrylamid-Kügelchen mit einem Durchmesser von 2-9 μπι werden in 20 ml Wasser suspendiert. Zu dieser Suspension werden 10 mg Human-Immunglobulin G (IgG) zugesetzt. Die Protein-Kügelchen-Suspension wird vorsichtig gemischt und dann auf 2-80C abgekühlt. Es werden 40 mg 1-Ethyl-3,3-dimethylaminopropylcarbodiimid-hydrochlorid zugesetzt. Sechs Stunden später werden 150 mg Glycin zugesetzt. Die Mischung wird über Nacht bei 2-8°C gerührt. Am nächsten Tag wird die Suspension durch Zcntrifugation mit einer phosphatgepufferten Salzlösung, 1,4 M Natriumchlorid in phosphatgepufferter Salzlösung und schließlich mit 0,005 M Phosphatpuffer gewaschen. Die Kügelchen werden wiederum zentrifugiert und in 8,5 ml 0,5 M Boratpuffer vom pH-Wert 8,5 resuspendiert.
Ein Diazoniumsalz des Luminols wird hergestellt, indem man zuerst 200 mg Luminol in 20 ml 2,4 N HCl suspendiert. Die Mischung wird auf Eis gekühlt. Es werden 2,0 ml einer Natriumnitrit-Lösung von 100 mg/ml zugesetzt, untergemischt, wonach rasch 50 ml eines gekühlten Puffers von 0,5 M und pH 8,5 zugegeben werden. Der pH wird überwacht und mit 10 N Natriumhydroxid auf pH 7,1 +_ 0,1 eingestellt. 14 ml des Diazoniumsalzes des Luminols werden dann zu den 8,5 ml der resuspendierten Kügelchen, die oben beschrieben wurden, zugesetzt, und der pH wird auf den Wert 8,5 eingestellt. Die Suspension wird 3 Stunden in der Dunkelheit bei 2°C-8°C vermischt.
/CZ
-•ΜΙ Die diazotierte Kügelchen-Suspension wird dann gegen verschiedene Portionen 0,2 M pH 8,0-Borat-Puffer bei 2-80C dialysiert. Die Dialyse dauert mindestens 24 Stunden.
5
Die Kügelchen werden dann durch Zentrifugation unter Verwendung von 0,2 M pH 8,0-Borat-Puffer gewaschen, bis der überstand weniger als 1,0% der Anfangs-Lichtabgabe der Gesamtsuspension aufweist, was bedeutet, daß mehr als 99% des Luminols an die Kügelchen gebunden vorliegen.
Die Kügelchen werden dann abermals zentrifugiert. Die Kügelchen werden in einer phosphatgepufferten Salzlösung resuspendiert. Die Kügelchenkonzentration wird auf .?twa 50 000 000 Kügelchen pro ml eingestellt, wie mit einem Hämocytometer festgestellt wird. Die Suspension wird dann in 1,0 ml Portionen in Fläschchen eingefüllt und auf weniger als 5% Restfeuchtigkeit, bestimmt durch die Karl Fisher-Titration, lyophilisiert.
Zur Verwendung in dem phagocytischen Assay wird ein Fläschchen durch Zugabe von 1,0 ml gereinigtem Wasser wieder aufbereitet.
Beispiel 2
Zymosan A (Sigma Chemical Co., St. Louis, Missouri) wird in einer phosphatgepufferten Salzlösung suspendiert, so daß die Konzentration 24 mg/ml beträgt. Zu dieser Suspension wird ein gleiches Volumen eines 50%-normalen Kaninchenserums zugesetzt, das mit phosphatgepufferter Salzlösung verdünnt ist. Die Suspension wird 1 Stunde bei 370C in einem geschüttelten Wasserbad inkubiert. Die Suspension wird danach zentrifugiert, der Überstand verworfen und das auf diese Weise behandelte Zymosan A (ein Pellet) in einem geringen Volumen einer phosphatgepufferten Salzlösung resuspendiert. Die Suspension
BAD ORIGINAL
wird dann durch eine Spritzennadel (Größe 18-26) gezogen, um die Suspension zu homogenisieren. Schließlich wird ausreichend phosphatgepufferte Salzlösung zugesetzt, um das Originalvolumen der Suspension zu vervierfachen, was zu etwa 6 mg/ml Suspension führt. Diese Suspension wird dann durch einen Glaswollestopfen filtriert, um restliche größere Klumpen Zymosan abzufangen.
Eine Vorratslösung von Luminol wird dadurch hergestellt, daß man dieses in 0,01 N Natriumhydroxid löst. Ein aliquoter Teil dieser Vorratslösung wird dann einer Lösung zugesetzt, die 20% fötales Kälberserum in einer phosphatgepufferten Salzlösung enthält, so daß eine Luminolkonzentration von 14,4 μg/ml erhalten wird.
Zu einem Volumenteil der Zymosan-Suspension wird 1 Volumenteil der Lösung Luminol-fötales Kälberserum zugesetzt. Die erhaltene Suspension wird vermischt, in 2,0 ml Portionen in Fläschchen gefüllt und auf einen Gehalt von weniger als 5% Restfeuchtigkeit lyophilisiert, der durch die Karl Fisher-Titration bestimmt wird.
Zur Verwendung bei dem Phagocytose-Assay wird ein Fläschchen mit 2,0 ml gereinigtem Wasser wieder aufbereitet.
Beispiel 3
Verschiedene Kinder, für die bereits vorher als Diagnose chronische granulomatöse Krankheit (CGD) gestellt worden war, wurden unter Verwendung der Reagenzien und des obenbeschriebenen Assay-Verfahrens untersucht. Die angegebene Krankheit wurde aus dem Grunde ausgewählt, da in ihrem Falle die Funktionsstörung verstanden wird. CGD beruht auf dem Fehlen bestimmter Enzyme, die in phagocytischen Zellen des Blutes gefunden werden. Obwohl die phagocytischen Zellen in der Lage sind, Bakterien (Teilchen) zu verschlingen, sind die Zellen nicht in
der Lage, die Bakterien zu desaktivieren oder zu töten, da den phagocytischen Zellen die Fähigkeit fehlt, hochenergetische Sauerstoff-Zwischenstufen zu erzeugen. Infolgedessen können sie keine Oxidation des Luminols bewirken, das von den Zellen verschlungen wurde, so daß auch keine nachweisbare Lichtreaktion beobachtet wird. Klinisch tritt bei diesen Kindern typischerweise diese Störung als schwere Verminderung ihrer Fähigkeit zur Infektabwehr in Erscheinung. Für eine typische Reaktion vergleiche Fig. 1 bis 3. Wenn diese Kinder zusammen mit offensichtlich gesunden Kontrollpersonen untersucht wurden, bewirkten sie keine Lichterzeugung infolge der Luminol-Oxidation, obwohl die Teilchen genauso effektiv wie bei den Kontrollpersonen verschlungen wurden.
Beispiel 4
Eine Gruppe von Kindern, bei denen man vorher als Diagnose Asthma gestellt hatte, wurde im Hinblick auf ihre phagocytische/biochemische Reaktion der phagocytischen Zellen untersucht. Etwa die Hälfte der Kinder erhielt therapeur tische Dosen von Theophyllin; die restlichen Kinder wurden dieser Behandlung nicht unterzogen. Von Theophyllin wird angenommen, daß es auf cyclisches Adenosinmonophosphat (c-AMP) wirkt, von dem bekannt ist, daß es eine regulatorische Steuerung bestimmter biochemischer Wirkungen phagocytischer Zellen ausübt. Vergleiche in diesem Zusammenhang die Fig. 4 bis 6. Die Kinder, die Theophyllin erhielten, zeigten allgemein eine Verminderung der Stärke der Erzeugung von Sauerstoff-Zwischenstufen, wie sie als verminderte Luminol-Oxidation und Lichterzeugung quantifiziert wurde.
Verfahren, wie sie beschrieben wurden, sind ganz besonders nützlich für die Quantitätsbestimmung der Infektabwehr, ausgedrückt als Phagocytenaktivitat. Ein solches Verfahren kann jedoch auch in der medizinischen Diagnose^
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in der Umwelt-Immuntoxikologie, der Pharmakologie verwendet werden, beispielsweise für die überwachung der Toxizität bei Patienten einer Chemotherapie und Strahlentherapie, um Beispiele anzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für die Untersuchung oder Bestimmung der Immunkompetenz, bestimmter Störungen der Blutserumsproteine usw. verwendet werden. Als Werkzeug für die Forschung kann es verwendet werden, um pharmazeutische Verbindungen und deren Wirkung auf Phagocyten, die Wirkungen von Schmutzstoffen auf phagocytische Zellen sowie die Wirkung toxischer Verbindungen auf Tiere und Menschen zu untersuchen.
Obwohl in der vorausgehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wird, ist es für jeden Fachmann eine Selbstverständlichkeit, daß verschiedene Veränderungen im Hinblick auf offenbarte Einzelmerkmale möglich sind, ohne daß der Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die Patentansprüche abgesteckt wird, verlassen wird.

Claims (14)

33U6Ü7 Patentansprüche
1. Vorfahren zur Bestimmung der Fähigkeit eines Organismus zur Immunabwehr, gekennzeichnet durch
- Entnehmen einer Blutprobe aus dem Organismus,
- Abtrennen der phagocytischen Zellen aus dem Blut,
- Versetzen der phagocytischen Zellen mit Teilchen, die mit einem Protein überzogen sind, an das eine lumineszierende chemische Substanz gebunden ist,
- Veranlassen der phagocytischen Zellen zum Verschlingen der Teilchen, wodurch der biochemische Mechanismus der Zellen aktiviert wird, der mit der lumineszierenden chemischen Substanz unter Aussendung von Licht reagiert, und
- Messen dieses Lichts mit einem Luminometer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Polymerkügelchen mit Durchmessern von etwa 2 um bis etwa 9 um sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen aus Polyacrylamid sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Zymosan-Teliehen sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszierende chemisehe Substanz Luminol ist.
6. Zusammensetzung für die Bestimmung der phagocytischen Reaktion, dadurch gekennzeichnet, daß sie PoIyacrylamidteilchen mit einem Durchmesser von etwa 2 μπι bis etwa 9 μπι enthält, die mit einer Schicht eines Serumsproteins überzogen sind, an das eine Luminolschicht gebunden ist.
7. Zusammensetzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in lyophilisierter Form vorliegt.
8. Zusammensetzung für die Bestimmung der phagocytischen Reaktion, dadurch gekennzeichnet, daß sie Zymosan-Teilchen enthält, die mit einer Schicht aus einem Serums-Protein und Luminol überzogen sind.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie in lyophilisierter Form vorliegt.
10. Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung zu*" Verwendung als Reagens für die Bestimmung der phagocytischen Reaktion, dadurch gekennzeichnet, daß man ein teilchenförmiges Material mit einem Durchmesser von etwa 2 um bis etwa 9 um mit einer Schicht aus einem Protein und einer lumineszierenden chemischen Substanz überzieht und die überzogenen Teilchen unter Bildung eines stabilen, homogenen Produkts lyophilisiert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Proteinschicht aufgebracht wird, und auf diese die lumineszierende chemische Substanz.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszierende chemische Substanz mit dem Protein vor dessen Aufbringen auf das teilchenförmige Material vermischt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszierende chemische Substanz Luminol ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material Polyacrylamid oder Zymosan ist.
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