DE4135860C2

DE4135860C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung von auf Mikrobläschen basierenden Ultraschallkontrastmitteln

Info

Publication number: DE4135860C2
Application number: DE19914135860
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Schlief; Michael Dr Zomack; Albrecht Dipl Ing Dr Urbank; Joerg Dipl Ing Petrick
Original assignee: Schering AG
Current assignee: Bayer Pharma AG
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2011-11-01
Also published as: DE4135860A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von auf Mikrobläschen basierenden Ultraschallkontrastmitteln in vitro sowie eine Vorrichtung, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.

Als Ultraschallkontrastmittel werden in der Regel solche Substanzen eingesetzt, die bei der Injektion in die Blutbahn Mikrobläschen bilden, bzw. Mikrobläschen, die von einer Hülle (z. B. Fettsäure) umgeben sind. Ein bekanntes Ultraschallkontrastmittel besteht aus Gallaktose-Mikropartikeln und einem Additiv, wie z. B. Palmitinsäure. Die Mikropartikel werden vor der Anwendung in einer wäßrigen Trägerlösung suspendiert und dann in das Blut des Patienten injiziert. Durch ihre stark deformierte Oberfläche besitzen diese Mikropartikel eine große Adhäsion für Gas mit der Folge, daß Mikrobläschen in der Größenordnung von ca. 2 µm entstehen. Das Additiv bewirkt eine zusätzliche Stabilisierung und Erhöhung der Lebensdauer der Bläschen im Blutgefäßbett.

Aus der WO 91/07646 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Größenverteilung und Konzentration von Partikeln in einer Suspension bekannt, wobei die Suspension mit Ultraschall angeregt und die Frequenzabschwächung gemessen wird. Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die eine Ultraschallmeßeinrichtung und eine Pumpe zum Fördern der Flüssigkeit aufweist.

Aus der WO 80/02365 ist ein Verfahren zur Untersuchung von auf Mikrobläschen basierenden Ultraschallkontrastmitteln in vitro bekannt, bei dem das Kontrastmittel in eine Transportflüssigkeit injiziert wird und die Mikrobläschen mittels Ultraschall gemessen werden. Hierbei werden Mikrobläschen eingesetzt, deren Oberflächen Membrane aufweisen, die ein Gas spezieller Zusammensetzung umschließt. Insbesondere in der Tumordiagnostik soll eine Verbesserung der Qualität der Ultraschallbilder erzielt werden.

Um Ultraschalluntersuchungen an der linken Herzhälfte vornehmen zu können, müssen die Mikrobläschen eine so große Stabilität aufweisen, daß sie die Lungenkapillarpassage überstehen. Für derartige Untersuchungen wird das Kontrastmittel intravenös injiziert und gelangt über die rechte Herzhälfte in die Lungenstrombahn und von dort in die linke Herzhälfte, wobei die Mikrobläschen während der Lungenpassage ihre Anzahl und physikalischen Eigenschaften verändern.

Um Ultraschallkontrastmittel auf diese Eigenschaften hin untersuchen zu können, wurden bisher Tierexperimente durchgeführt, deren Ergebnisse sich bezüglich des Vorhersagewertes für den Menschen als nicht zuverlässig erwiesen haben. Aus diesem Grunde war eine Optimierung der bekannten Ultraschallkontrastmittel bezüglich der Wirkungen beim Menschen bisher nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit der die Eigenschaften der auf Mikrobläschen basierenden Kontrastmittel in vitro untersucht werden können. Insbesondere soll auf diese Weise die quantitative, reproduzierbare Bestimmung der Stabilität von Mikrobläschenmedien im Gefäßbett möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß der Einfluß der Lungenkapillarpassage auf Größe, Gestalt und Eigenschaften der Mikrobläschen dadurch simuliert werden kann, indem das in eine geeignete Transportflüssigkeit injizierte Kontrastmittel über gasdurchlässige Membranen oder Kapillaren für kurze Zeit einem Unterdruck ausgesetzt wird. Durch diesen Unterdruck wird die Lebensdauer der Mikrobläschen parametrisch beeinflußbar.

Außerdem haben Vergleichsversuche mit Patienten ergeben, daß die mit Unterdruck behandelten Mikrobläschen die gleichen Eigenschaften bezüglich Mikrobläschenpopulation, Durchmesserreduktion und akustischen Eigenschaften aufweisen, wie die Mikrobläschen, die die Lunge von Patienten passiert haben.

Durch geeignete Wahl des Unterdruckes können somit unterschiedliche Lungenpassagen von Patienten zutreffend simuliert werden. Auch kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einfache Weise die Wirksamkeit von Ultraschallkontrastmittel bestimmt werden, ohne daß Tierversuche durchgeführt oder Patienten mit unterschiedlichen Kontrastmitteln belastet werden müßten.

Darüber hinaus kann das Verfahren in der Entwicklung verbesserter Ultraschallkontrastmittel mit Erfolg eingesetzt werden, da im Gegensatz zum Tierversuch reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden.

Vorzugsweise wird die Flüssigkeit in der Unterdruckstrecke durch gasdurchlässige Kapillaren geleitet, an deren Außenseite der Unterdruck angelegt wird. Besonders vorteilhaft können die an sich bekannten Oxygenatoren verwendet werden, die üblicherweise während der extrakorporalen Zirkulation des Blutes bei Herzoperationen zusammen mit einer Herz-Lungen-Maschine eingesetzt werden. Während die Oxygenatoren bei ihrem ursprünglichen Einsatzzweck gasseitig ausschließlich mit Überdruck betrieben werden, wird der Oxygenator bei der erfindungsgemäßen Verwendung auf der Gasseite mit Unterdruck beaufschlagt.

Der angelegte Unterdruck liegt vorzugsweise zwischen -1 mbar und -500 mbar. Die Verweildauer der Flüssigkeit im Oxygenator liegt in Abhängigkeit von der Pumprate zwischen 0,5 Sek. und 60 Sek.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Flüssigkeit im Kreis geführt, so daß die Mikrobläschen mehrmals die Unterdruckstrecke durchlaufen. Dies bietet den Vorteil, daß Rezirkulationsvorgänge im menschlichen Organismus simuliert werden können.

Eine weitere Verbesserung des Ergebnisses hinsichtlich des Vorhersagewertes für Patienten wird dadurch erzielt, daß die Flüssigkeit vor dem Durchlaufen der Unterdruckstrecke auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird, die vorzugsweise 37°C Körpertemperatur entspricht.

Die Vorrichtung zur Untersuchung der auf Mikrobläschen basierenden Ultraschallkontrastmittel umfaßt einen an sich bekannten Oxygenator, der gasseitig an eine Unterdruckeinrichtung angeschlossen ist, eine dem Oxygenator nachgeordnete Ultraschallmeßeinrichtung und eine Pumpe.

Vorzugsweise ist die Pumpe vor dem Oxygenator angeordnet, wobei das Ultraschallkontrastmittel zwischen Pumpe und Oxygenator in die Transportflüssigkeit injizierbar ist.

Da bei der Injektion das Einbringen unerwünschter Gasblasen in die Flüssigkeit nicht ausgeschlossen werden kann, ist zwischen dem Oxygenator und der Ultraschallmeßeinrichtung eine Blasenfalle angeordnet, um das Meßergebnis verfälschende große Blasen abzuscheiden.

Zur Erwärmung der Flüssigkeit ist vor dem Oxygenator eine Temperatureinrichtung vorgesehen.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung und

Fig. 2a, b, c eine graphische Darstellung der Ultraschallintensität in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene Unterdruckwerte und Chargen eines Kontrastmittels.

In der Fig. 1 ist die Vorrichtung zur Untersuchung von Mikrobläschen bildenden Substanzen schematisch dargestellt. Kernstück der Vorrichtung ist der Oxygenator 1, der in einem Gehäuse 2 ein Bündel von gasdurchlässigen Kapillarmembranen 3 aufweist, durch die die Mikrobläschen enthaltende Transportflüssigkeit in Pfeilrichtung hindurchströmt. Der Außenraum 4 der Kapillaren ist an eine Unterdruckeinrichtung 5 angeschlossen, um die Flüssigkeit dem gewünschten Unterdruck aussetzen zu können. Weiterhin steht der Außenraum 4 mit einer Druckmeßeinrichtung 6 in Verbindung.

Die Transportflüssigkeit wird aus einem Vorratsbehälter 12 über ein erstes Schlauchstück 15 abgezogen, an dem eine Rollenpumpe 13 zur Förderung der Transportflüssigkeit angreift. Hinter der Rollenpumpe 13 besitzt das erste Schlauchstück 15 eine Schlauchverzweigung 16, an der die Injektionsspritze 17 angeschlossen ist, mit der das Kontrastmittel in die Transportflüssigkeit injiziert wird. Die mit dem Kontrastmittel versehende Transportflüssigkeit, in der sich nach der Injektion die Mikrobläschen ausbilden, gelangt anschließend in ein Temperiersystem 14 und von dort in die Kapillaren 3 des Oxygenators 1. Der Ausgang des Oxygenators 1 ist über ein zweites Schlauchstück 18 mit einer Blasenfalle 7 verbunden. Die möglicherweise bei der Injektion eingebrachten, das Meßergebnis verfälschenden Gasblasen werden in dieser Blasenfalle 7 abgeschieden.

Der Ausgang der Blasenfalle 7 ist über ein drittes Schlauchstück 19 mit dem Vorratsbehälter 12 verbunden. Zwischen der Blasenfalle 7 und dem Vorratsbehälter 12 wird das Schlauchstück 19 durch einen Behälter 8 mit Wasser 9 geführt, an dem ein Ultraschallmeßkopf 10 zur Messung der sich im Schlauch bewegenden Mikrobläschen angeordnet ist. Der Meßkopf 10 ist mit einer Ultraschallmeßeinrichtung 11 verbunden. Diese Ultraschallmeßeinrichtung kann ein kommerzieller B-Mode-Ultraschall-Scanner sein, mit dem ein Querschnittsbild des durchströmten Schlauchabschnittes aufgenommen wird. Die Echosignalintensität aus dem Bereich des Schlauchinneren ist das Meßsignal und daher ein Maß für die Konzentration der Mikrobläschen in der Transportflüssigkeit.

In der Fig. 2a bis c sind die Meßergebnisse für unterschiedliche Chargen eines Kontrastmittels dargestellt. Hierbei handelte es sich um ein Kontrastmittel, das aus Galaktose-Mikropartikeln und dem Additiv Palmitinsäure besteht. Die Pumpe wurde derart eingestellt, daß die Verweildauer der Flüssigkeit im Oxygenator ca. 15 Sek. betrug.

In der Fig. 2a ist die Ultraschallsignalintensität I als Funktion der Zeit nach der Injektion einer konstanten Menge einer Mikrobläschensuspension dargestellt. Die Kurven zeigen die Passage des Injektionsbolus durch das Meßfeld. Der Unterdruck am Oxygenator 1 wurde variiert. Die Kurve I zeigt die Signalintensität bei einem Unterdruck von -100 mbar. Die Kurven II und III zeigen die Signalintensität bei einem Unterdruck von -200 mbar bzw. -300 mbar. Mit zunehmenden Unterdruck verringert sich die Intensität des Signals, was auf eine auf die Blasen ausgeübte Streßerhöhung zurückgeführt werden muß.

Aus der Fig. 2b, die die Signalintensität für eine zweite Charge des gleichen Ultraschallkontrastmittels bei gleichen Unterdrücken zeigt, ist festzustellen, daß dieses Ultraschallkontrastmittel eine wesentlich schlechtere Wirksamkeit zeigt.

In der Fig. 2c ist die Ultraschallintensität für eine dritte Charge des gleichen Kontrastmittels mit noch schlechterer Lungengängigkeit dargestellt.

Zum Vergleich wurden Tierversuche mit diesen Chargen durchgeführt, die allerdings keine wesentlichen Unterschiede zwischen den Chargen ergaben. Ergebnisse klinischer Prüfungen mit Patienten zeigten dagegen Unterschiede im Kontrasteffekt, die den in vitro Meßergebnissen entsprachen.

Bezugszeichenliste

1 Oxygenator
2 Gehäuse
3 Kapillaren
4 Außenraum
5 Unterdruckeinrichtung
6 Druckmeßeinrichtung
7 Blasenfalle
8 Behälter
9 Wasser
10 Ultraschallmeßkopf
11 Ultraschallmeßeinrichtung
12 Vorratsgefäß für Transportflüssigkeit
13 Rollenpumpe
14 Temperiereinrichtung
15 erstes Schlauchstück
16 Schlauchverzweigung
17 Injektionsspritze
18 zweites Schlauchstück
19 drittes Schlauchstück

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung von auf Mikrobläschen basierenden Ultraschallkontrastmitteln in vitro, bei dem
das Kontrastmittel in eine Transportflüssigkeit injiziert wird, wobei das Kontrastmittel Mikrobläschen, oder von einer Hülle umgebene Mikrobläschen enthält, oder diese (umhüllten) Mikrobläschen erst bei der Injektion gebildet werden,
diese Transportflüssigkeit nach der Bildung der Mikrobläschen in einer Unterdruckstrecke einem definierten Unterdruck ausgesetzt wird und
nach Durchströmen der Unterdruckstrecke die Mikrobläschen mittels Ultraschall gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportflüssigkeit in der Unterdruckstrecke durch gasdurchlässige Kapillaren geleitet wird, oder an gasdurchlässigen Membranen vorbeigeleitet wird, an deren Außenseite der Unterdruck angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Unterdruckstrecke ein Oxygenator verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterdruck zwischen -1 und -500 mbar angelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer der Flüssigkeit in der Unterdruckstrecke zwischen 0,5 sek. und 60 sek. beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit vor dem Durchströmen der Unterdruckstrecke erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Kreis geführt wird.

8. Vorrichtung zur Untersuchung von auf Mikrobläschen basierenden Ultraschallkontrastmitteln, die in einer Transportflüssigkeit suspendiert sind, mit

- einem Oxygenator (1), dessen Gasseite an einer Unterdruckeinrichtung (5) angeschlossen ist,
- einer dem Oxygenator (1) nachgeordneten Ultraschallmeßeinrichtung (8, 9, 10, 11) und
- einer dem Oxygenator (1) vorgeschalteten Pumpe (13) zum Fördern der Transportflüssigkeit durch den Oxygenator (1) und durch die Ultraschallmeßeinrichtung (8, 9, 10, 11).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Oxygenator (1) und der Ultraschallmeßeinrichtung (8, 9, 10, 11) eine Blasenfalle (7) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Pumpe (13) und dem Oxygenator (1) eine Einrichtung (14) zum Temperieren der Flüssigkeit angeordnet ist.