DE4033741C2 - Vorrichtung zum Nachweis von HIV-Antikörpern im Vollblut mit Anzeige des Ergebnisses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nach­ weis von HIV-Antikörpern im Vollblut mit Anzeige des Ergebnisses.

Bisher gibt es AntiHIV-Tests auf biochemischer Basis, die aufgrund der persönlichen Beurteilung des Ergebnisses durch den Arzt im Labor zu machen sind. Vor allem die Bestätigungstests (Western-Blot oder Testverfahren auf der Grundlage des Western-Blot) müssen im Labor vorgenommen werden.

Die schnellsten Tests benötigen heute etwa 20 Minuten, wobei die vorbereitenden Arbeitsgänge, wie Probenentnahme, nicht enthalten sind.

Bei den heutigen Tests nach dem ELISA- und Western-Blot- Verfahren liegen die Teilantigene offen zugänglich, wenn auch in irgendeiner Form immobilisiert vor.

Durch die alleinige Möglichkeit einen AntiHIV-Test von einem Arzt machen zu lassen, hängt es vom Arzt ab, wie sorgfältig er mit dem Ergebnis des Tests verfährt. Dies ist ein großer Nachteil für den Patienten, denn dadurch ist eine hohe Schwelle zum AntiHIV-Test entstanden.

Da es sich bei AIDS um eine schleichende Seuche handelt, bis 20 Jahre kann ein Infizierter unwissentlich viele andere anstecken, ist es äußerst wünschenswert für die Bekämpfung von AIDS diese Testschwelle herabzusetzen.

Nach dem heutigen Stand des Wissens ist es für den HIV- Positiven das Beste zu wissen, daß er infiziert ist. Nur so hat er die Chance sich vor dem Ausbruch von AIDS zu schützen und eventuell später aufgrund positiver neuer Forschungs­ ergebnisse geheilt zu werden. Zum anderen hat diejenige Person nur so die Möglichkeit die Familie und den Freundeskreis vor einer Infektion sicher zu bewahren. Oft kann auch eine krankmachende seelische Belastung durch Ungewißheit, ob jemand infiziert ist oder nicht, durch einen Test durch Gewißheit ersetzt werden, ohne daß ein Arzt konsultiert werden muß.

In Clin. Chem. Vol. 30, Nr. 9, 1984, S. 1446-1451 wird ein Immunoassay beschrieben, bei welchem Ultraschall­ energie verwendet wird, um eine Bindung von Antigenen an immobilisierte Antikörper zu beschleunigen. Mit diesem bekannten Immunoassay sollen Enzyme nachgewiesen werden, wozu ein speziell präparierter, o. a. Glukose enthaltender Teststreifen zur Anwendung kommt.

Aus der GB 2 174 802 A ist ein Biosensor bekannt, der einen optischen Wellenleiter aufweist und beispielsweise für den Einsatz in einem Immunoassay zur Erfassung von Antikörpern, Antigenen oder Hormonen in Blutproben vor­ gesehen werden kann.

Nachteilig an den bisher bekannten Verfahren und Vor­ richtungen ist jedoch, daß diese sich für die Heimdia­ gnostik nicht eigneten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Nachweis von HIV-Antikörpern zu schaffen, die zur Anwendung für die Heimdiagnostik ge­ eignet ist und dabei schnell und zuverlässig das Ergeb­ nis anzeigt. Bei anderen Tests (außer HIV) sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin sind diese Pro­ bleme in ähnlicher Weise vorhanden. Es gibt keine schnelle, automatische, das Ergebnis selbst anzeigen­ den Nachweisvorrichtung, sondern nur rein chemische und/oder bio­ chemische Tests.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläu­ tert. Es zeigt

Abb. 1 eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Abb. 2 einen Querschnitt durch die in Abb. 1 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie A-B;

Abb. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung entlang der Linie C-D von Abb. 2;

Abb. 4 eine vergrößerte Einzeldarstellung einer Meßstelle im Querschnitt;

Abb. 5 einen Querschnitt durch eine Ein­ richtung zur automatischen Punk­ tion;

Abb. 6 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit von der Punktionsein­ richtung im Querschnitt;

Abb. 7 einen Querschnitt durch eine Des­ infektionseinrichtung; und

Abb. 8 einen Längsschnitt durch die Des­ infektionseinrichtung von Abb. 7 entlang der Linie U-V.

Auf einem Si-Chip A (Abb. 2-4) befinden sich neun ca. ¼ mm² große, im Vakuum aufgedampfte 500 Ångström dicke Aluminiumspiegel­ chen (Y). Auf acht dieser Metallspiegelchen befinden sich immo­ bilisierte Teilantigene aus dem Western-Blot- und ELISA- Verfahren. Die Spiegelchen sind in Vertiefungen von etwa 600 Ångström eingelassen und in 1 cm Länge in Reihe angeordnet.

Diese Spiegel und Teilantigene befinden sich in einem Reaktionsraum (R), der durch ein PZT-Keramikplättchen (PZ) abgeschlossen wird, das Ultraschall erzeugt.

Von oben ist die Siliziumscheibe mit einer 1 µm dicken Schicht Siliziumdioxyd (SO) bedeckt. Auf ihr sind Lichtleiter­ bahnen (LB) aus GaAs mit den Methoden der Epitaxie und der Photolithografie angebracht. Sie haben lediglich Durchmesser von 2 µm und leiten das linear polarisierte Licht (single mode polarization fibers in parallel geführten Strängen von je 5 Stück.

Von einer LED-Diode (LD) wird infrarotes Licht (1150 nm) über eine Prismenanordnung (B) in die Lichtleiter (LB) geleitet.

Auf der Fläche des Prismas befindet sich ein Polarisations­ filter (C), der das Licht linear polarisiert. Dieses polarisierte Licht wird in den Galliumarsenidleiterbahnen (LB) zu den einzelnen Reflexanordnungen (F) geleitet. Dort fällt das Licht in einem bestimmten Winkel für Totalreflexion im Siliziumkristall auf den Aluminiumspiegel (Y), wo es reflektiert und in den weiterführenden Leiterbahnen (LB) zu den integrierten GeSi-Dioden geführt wird. Durch den Effekt der Oberflächenplasmonenresonanz tritt an der Detektordiode ein Minimum an Intensität auf.

Wegen des Effektes der Oberflächenplasmonenresonanz kommt es nämlich zur Dämpfung des Lichtes. Dieses geschieht nur dann, wenn sich keine Antikörper an den immobilisierten Antigenen gebunden haben.

Der Reaktionsraum (R) hat drei Zuleitungen, zwei vom Blutproben­ nehmer und eine an der entgegengesetzten Seite des Reaktions­ raumes vom Desinfektionsgerät (Abb. 7). Dieser Kanal besitzt im Desinfektionsgerät auch ein Luftloch, so daß Luft im Reaktionsraum durch die Teflonkapillare (T) abgeführt werden kann und sich daher keine Luftblasen bilden können.

Die Reflexanordnung (Si-Chip mit Diode und Prisma) ist so gestaltet, daß bei Biegung des ganzen Si-Chips durch eine Kraft in der Mitte sich der Reflexionswinkel verkleinert, bei Zug dagegen vergrößert. Durch den Spalt (F) ist gewährleistet, daß bei Deformation die Reflexionsbedingung erhalten bleibt. Durch das Thermobimetall (G) wird die Anordnung mit der Blutprobe ständig so über eine Referenzmeßstelle deformiert, daß ständig für diese Meßstelle die Bedingung für Totalreflexion, das heißt hier minimale Intensität an der Referenzdiode, erhalten bleibt. Dieses wird über eine Heizung durch einen Widerstand erreicht. An dieser Diode, die als Referenz­ meßstelle dient, sind keine Antigene immobilisiert. Das ganze Si-Chip ist nicht, wie in der Zeichnung gezeigt, anfangs in Ruhestellung, sondern um 1 mm nach oben gewölbt.

Bei Heizung des Thermobimetalls geht das Chip durch die in der Abbildung gezeigte Ruhelage und wird nun nach unten durchgebogen. Dieser Vorgang hält bei der in-situ-Justierung solange an, bis an der Referenzdiode ein Minimum der Licht­ intensität festgestellt wird. Dann wird der Strom zum Heiz­ widerstand unterbrochen. Erst bei Zunahme der Intensität auf einen bestimmten Schwellwert, wird der Strom wieder ein­ geschaltet, bis das relative Minimum wieder erreicht ist. Dieser Vorgang geht sehr schnell, in Bruchteilen von einer Sekunde, vor sich.

Da die Anordnung schon auf den mittleren zu erwartenden Wert eingerichtet ist, sind die Abweichungen zur Ruhelage nur ge­ ring.

Nach dem Drücken auf das Röhrchen (O) (Abb. 5) wird durch den Stich des Dorns (I) Blut aus der Fingerkuppe über die heparinisierten Kapillaren (K) in den Reaktionsraum geleitet. Im anderen Fall, der auch möglich ist, befindet sich außen auf der Vorrichtung eine arretierte Federklammer, und zwar nur die Hälfte einer solchen, die andere Hälfte ist die Vorrichtung selbst. Diese Federklammer kann mitsamt der Vorrichtung am Ohrläppchen angebracht werden. Alles andere ist dasselbe wie ohne Federklammer.

Gleichzeitig schließt der untere Röhrchenrand (RA) (Abb. 5) zwei elek­ trische Kontakte, wodurch im Reaktionsraum der Ultraschall an dem PZT-Plättchen (PZ) (Abb. 2) erzeugt wird. Die Ultraschallschwingung hat eine Frequenz von 65 KHz und wird von einem IC aus einer Digitaluhr erzeugt und über einen Verstärker an das PZT- Plättchen (PZ) gelegt.

Parallel hierzu wird eine Verzögerungsschaltung eingeschaltet, die nach genau 3 ¾ Minuten den Ultraschall abstellt (Spannungsunterbrechung) und die Justierung, Messung und zuletzt die Anzeige einschaltet. Der Vorgang der Justierung und Messung dauert insgesamt ca. 3 Sekunden, dann wird nur noch die LCD-Anzeige (L) und das Thermobimetall (E) am Desinfektionsmechanismus eingeschaltet. Die Flüssigkeits­ kristallanzeige (L) zeigt das letzte Ergebnis konstant über Stunden an.

Haben sich an den immobilisierten Antigenen auf den Al- Spiegeln (Y) (Abb. 4) Antikörperkomplexe gebildet, erhöht sich durch Verschiebung des Totalreflexionswinkels die Intensität an der entsprechenden Diode. Diese Information wird einmal über eine logische Schaltung registriert, zum anderen aber direkt auf dem LCD angezeigt, indem dort aus einer "0" eine "1" entsteht.

Sollten sich dagegen keine Antigen/Antikörperkomplexe an der Meßstelle (M) gebildet haben, sondern nur unspezifische Adsorp­ tion von Antikörpern, so wurden diese durch die Stärke des Ultraschalls bereits abgelöst. Man kann das als eine "physikalische Waschung" durch Strömung bezeichnen.

Da Antigen/Antikörperkomplexe stärkere Bindungen eingehen, ist deren Ablösung nicht möglich. Im Gegenteil hat hier der Ultraschall die positive Wirkung von großer Reaktions­ schnelle, denn durch die entstehenden Strömungen ist eine Reaktionsbeschleunigung um den Faktor 500 und mehr erreicht worden.

Die Stärke des Ultraschalls ist also so eingerichtet, daß seine Energie zur Ablösung der spezifischen Bindungen nicht ausreicht, aber zur Ablösung der unspezifischen. Nur durch diese Reaktionsbeschleunigung ist der Test überhaupt möglich und zugleich äußerst empfindlich. Der Ultraschall hat hier zwei Aufgaben, einmal die Reaktions­ beschleunigung für spezifische Bindungen und zweitens die Verhinderung von unspezifischen Bindungen (Adsorption).

Die einfache logische Schaltung entscheidet nun aufgrund der Ergebnisse an den einzelnen Meßstellen, welche zusätzliche LCD-Anzeige auf der Vorrichtung erscheint. Folgende Möglichkeiten sind vorgegeben:

• 1. "AntiHIV-negativ"
  "0000000"
• 2. "AntiHIV-positiv"
  "1111111"
• 3. "Siehe Seite Nr.:"
  "1000000"

Zu allen diesen Anzeigen kann zusätzlich die Anzeige HIV-2 Verdacht" erscheinen (ELISA-Test).

Die siebenstellige Anzeige aus Nullen oder Einsen entspricht den sieben Meßstellen, eine "1" heißt ein positiver Einzel­ test, usw.

Man soll laut Gebrauchsanweisung in einem Beiheft in jedem Fall nach Durchführung des Tests auf der entsprechenden Seite. z. B. 01110001, die entsprechende Diagnose nachlesen. Sie ist nach dem neuesten Forschungsstand der Medizin von Ärzten formuliert worden.

Hier kann man noch andere Hinweise undd Ratschläge finden, z. B., ob man sich zusätzlich noch auf HIV-2 testen lassen sollte (mit Begründung), oder ob man den Test nach 4 Wochen noch einmal machen sollte, um aus verschiedenen Gründen (aktuelles Risiko) ein sicheres Ergebnis zu bekommen.

Die Elektronik besteht aus den schon genannten gebräuchlichen Einzelelementen, die mit Hilfe einer Steuerschaltung mit­ einander verbunden sind. Das ganze wird von einer 3 Volt- Batterie(50mAh) (BA) gespeist.

Die Elektronik befindet sich bis auf die logische Schaltung auf der Platine P.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt lediglich einen Tropfen(50 µl) Vollblut zum Nachweis.

Zuletzt werden die Antigene im Reaktionsraum durch einen automatischen Desinfektionsmechanismus (Abb. 7 und 8) zerstört. Der arretierte Schneidedorn (X) wird durch einen Spreizmechanismus (SP) mit Hilfe eines Thermobimetalls (E) gespreizt, so daß der Dorn und Zylinder (Z), beschleunigt durch die Stahlfeder (ST), das Polyäthylenbeutelchen (PO) mit 1 cm³ 0,5% Nonidet öffnet und ausdrückt. Das Desinfektions­ mittel läuft durch die Kapillare (T) zurück in den Reaktions­ raum. Damit besteht nach 5 Minuten keine Möglichkeit der Ansteckung, egal was nun mit der Nachweisvorrichtung geschieht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Nachweis von HIV-Antikörpern im Vollblut mit Anzeige des Ergebnisses,
gekennzeichnet durch

• - einen Siliziumchip (A) mit integrierten Lichtleitern (LB) und darauf angebrachten Aluminiumspiegeln (Y), womit die automati­ sche Blutuntersuchung aufgrund des Oberflächenplasmonenresonanz­ effektes an den Aluminiumspiegeln (Y), auf denen HIV-Antigene immobilisiert vorliegen, durch Erfassung der Verschiebung des Totalreflektionswinkels vorgenommen wird, und
• - eine Ultraschallquelle, mit deren Hilfe die unspezifische Ad­ sorption von Antikörpern an die immobilisierten Antigene an den Aluminiumspiegeln (Y) verhindert und gleichzeitig die spe­ zifische Antigen/Antikörperbindung beschleunigt wird,
• - wobei der Siliuziumchip (A) zur Einstellung des Totalreflek­ tionswinkels durch ein Thermobimetall (G) in situ auf Minimal­ intensität durch Deformation eingestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßstellen (M) vorgesehen sind, die immobilisierte Antigene oder Teilantigene enthalten und deren Signale an eine logische Schaltung zur Anzeige des Ergebnisses über­ mittelt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung die Signale von den einzelnen Meßstellen (M) als einen das Ergebnis repräsentieren­ den Code zusammenfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßstellen (M) ausgewähl­ ten Western-Blot-Banden zuordbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Anzeige, auf der das Ergebnis verbal an­ zeigbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur automatischen Punk­ tion vorhanden ist, die

• - Mittel (I) zur Vornahme einer Punktion an der Fingerkuppe durch Knopfdruck auf ein Röhrchen (O) oder am Ohrläppchen durch Druck einer Stahlfederklammer und
• - eine Kapillare (K), durch die das austretende Blut aufgeso­ gen und zum Untersuchungsort (R) weitergeleitet wird und die in einem ersten Teil aus Glas und in einem zweiten sich dar­ an anschließenden Teil aus Kunststoff mit höherem Adhäsions­ koeffizienten besteht, wodurch der Rückfluß von Blut durch den so entstandenen Adhäsiongsgradienten verhindert wird, aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur automatischen Des­ infektion vorhanden ist, bei der

• - die Desinfektionsflüssigkeit in einem Kunststoffbeutel (PO) in einem Teflondeckel (DT) über einem Dorn (X) enthalten ist, der, über eine Stahlfeder (ST) beschleunigt, den Beutel (PO) öffnen und ausdrücken kann,
• - der Dorn (X) durch zwei Stifte (TE) arretiert wird, die über eine Spreizmechanik (SP) durch ein Thermobimetall (E) elek­ tronisch ausgelöst werden können, und
• - im Telflondeckel (DT) eine Kapillare (T) sitzt, die die aus­ gedrückte Flüssigkeit zum Reaktionsort (R) leitet.