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Die
vorliegende Erfindung betrifft biologische und klinische Analysen
und insbesondere ein Verfahren und die dazu gehörige Vorrichtung zur Durchführung der
Analyse des sogenannten "Iodidgehaltes", d.h. des Iodgehaltes
im menschlichen Organismus, der insbesondere in der Nuklearmedizin
sowie auch in der Endokrinologie verwendet wird.
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Die
Bestimmung des Iodgehaltes in biologischen Fluiden und insbesondere
in Urin, ist das wichtigste Verfahren zum Aufspüren ernährungsbedingter und/oder pathologischer
Mängel
oder eines Iod-Überschusses im
Organismus. Das analytische Maß des
Iodidgehaltes im Urin ist auch besonders wichtig bei der Therapie von
Schilddrüsentumoren,
wo eine Zerstörung
der Schilddrüsengewebe
durch selektive Bestrahlung mit 131I (Radioablation)
erfolgt.
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Da
das Vorhandensein eines wichtigen Iodgehaltes im Patienten, wie
anschließend
besser gezeigt, die Auswirkungen der Radioablation hemmt, muss man
ein genaues analytisches Screening von Iodid (Ion I–) im
Urin nicht nur bei Patienten mit einem Mangel bei der Iodaufnahme,
sondern auch vor der Therapie mit 131I durchführen, um
jegliche pathologische und/oder zufällige Überlastung aufzuspüren und
zu korrigieren.
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Im
derzeitigen Stand der Technik erfolgt die Bestimmung von I– im
Urin gewöhnlich
in chemischen Laboratorien mittels verlässlicher Analyseverfahren,
die jedoch eine komplexe analytische Gerätschaft benötigen, die in Krankenhausstationen
nicht häufig
verwendet wird.
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Man
beachte, dass sämtliches
Iod, das nach der Aufnahme zusammen mit Wasser oder Nahrungsmitteln
in mehreren chemischen Formen ins Blut übertritt, in Iodid überführt wird,
das von der Schilddrüse
festgehalten wird und anschließend
in Thyroidhormone, Thyroxin und Triiodthyronin umgewandelt wird.
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Mehr
als 90% Iod wird mit dem Urin in der Iodidform aus dem Organismus
ausgeschieden.
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Die
Therapie von Schilddrüsentumoren
erfolgt bei sämtlichen
Operationen tatsächlich
zuerst, aber der chirurgische Eingriff beseitigt nicht immer sämtliche
Schilddrüsengewebe
erfolgreich, und aus diesem Grund wird das Schilddrüsengewebe
nach dem Eingriff durch selektive Strahlung (Radioablation), wie
vorstehend erwähnt,
zerstört.
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In
der Praxis werden dem Patient nach dem chirurgischen Eingriff therapeutische
Dosen von 131I in Form von NaI (Natriumiodid)
oral verabreicht; Iod wird partiell mit dem Urin ausgeschieden und
sammelt sich partiell in den verbleibenden Schilddrüsengeweben
an, die selektiv bestrahlt werden (Iod ist ein Betastrahler), bis
die restlichen Tumorgewebezellen abgetötet worden sind.
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Das
gleiche Prinzip der Radioablation wird bei der Zerstörung von
Metastasen von Schilddrüsentumoren
verwendet. Das von der Schilddrüse
eingefangene 131I konkurriert im Organismus
jedoch mit Iodid, so dass es ratsam ist, dem Patient vor der Behandlung
eine Diät
mit niedrigem Iodgehalt zu verabreichen.
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In
vielen Fällen
wird jedoch ein hoher Iodgehalt in dem Organismus mit einer starken
Hemmwirkung gefunden.
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Der
Iodüberschuss
beruht oft auf der Verwendung eines iodierten Kontrastmediums, das
bei der CAT und gewöhnlich
bei der Radiographiediagnostik verwendet wird; in anderen Fällen beruht
ein solcher Überschuss
auf der Verwendung iodhaltiger Medikamente oder Desinfektionsmittel.
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In
sämtlichen
Fällen
ist die Radioablationstherapie wegen des niedrigen spezifischen
Einschlusses von 131I relativ ineffizient.
Aus diesem Grund ist es wichtig, ein genaues analytisches Screening
von I– im
Urin durchzuführen.
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Daher
benötigen
sämtliche
nuklearmedizinischen Stationen, die Behandlungen mit radioaktivem
Iod durchführen,
ein einfaches verlässliches
Kit zur Durchführung
der analytisch quantitativen Bestimmung des Iodgehalts in Echtzeit.
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Die
Bestimmung von I– im Urin, welche gewöhnlich in
chemischen Laboratorien durchgeführt
wird, erfolgt derzeit hauptsächlich
nach zwei verschiedenen Analysemethoden. Die erste ist eine direkte
potentiometrische Bestimmung des Iodidgehalts durch eine Iodselektive
Elektrode oder eine Iod-Spektralphotometrie durch
die Sandell-Kolthoff-Reaktion.
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Bei
der direkten potentiometrischen Bestimmung wird der Iodidgehalt
im Urin durch Messen des Potentials einer selektiven Elektrode in
Bezug auf eine Bezugselektrode bestimmt, die sich beide jeweils
in der Urinprobe und in mehreren Standardproben befinden.
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Selbst
wenn eine solche Methodik eine hinreichende Reproduzierbarkeit garantiert,
hat sie eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Iodidgehalten.
Zudem ist die selektive Elektrode sehr heikel und besonders anfällig gegenüber Schmutz,
ist sehr teuer und hat eine ziemlich niedrige Lebensdauer (etwa
sechs Monate).
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Die
zweite gemeinhin verwendete Methodik, d.h. die Iodid-Spektralphotometrie
durch die Sandell-Kolthoff-Reaktion,
beruht auf der Tatsache, dass Iodid bei der Reduktion des Ions Ce4+ → Ce3+, welche an die Oxidation von As3+ → As5+ gekoppelt ist, als Katalysator wirkt.
Das Ion Ce4+ ist intensiv gelb gefärbt, wohingegen das
Ion Ce3+ farblos ist. Eine Spektralphotometrie
des restlichen Ce4+ ermöglicht, dass der Iodgehalt
bestimmt werden kann.
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Zusammengefasst
wird arsenige Säure
und dann Cersulfat in ein Teströhrchen
mit Urin gegeben, dessen Iodgehalt bestimmt werden soll. Die Intensität der Gelbfärbung wird
bei einer Wellenlänge
von 405 nm abgelesen, und die Abnahme der Intensität in Bezug
auf die Anfangsintensität
ist proportional zur Menge von I– (Iodid)
in der Lösung.
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Das
Verfahren ist ziemlich verlässlich,
genau und empfindlich. Vor der Bestimmung muss man einige Moleküle, die
die Sandell-Kolthoff-Reaktion stören,
wie Thiocyanat (SCN–), das gewöhnlich im
Urin von Rauchern in erheblicher Menge vorhanden ist, entfernen.
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Eine
solche Entfernung wird durch Wärmebehandlung
des Urins mit Chlorsäure
oder mit einem Gemisch aus Chlorsäure und Natriumchromat oder
mit Ammoniumpersulfat erzielt.
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Ein
Nachteil dieser bekannten Methodik ist, dass man ein gutes Spektralphotometer
zur quantitativen Bestimmung von Iod besitzen muss. Außerdem kann
eine solche Bestimmung nicht für
Messungen auf dem Feld verwendet werden.
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Der
Bedarf an einem Analyseverfahren zur Bestimmung von Iod in Urin,
das schnell und billig ist und das ebenfalls außerhalb der Analyselaboratorien
verwendet werden kann, wurde von der bekannten Firma MERCK® patentiert,
und sie brachten ein Kit auf den Markt, das als "Merck Rapid Urinary Test" bezeichnet wurde,
wobei Urin durch eine Säule
mit Aktivkohle zum Entfernen von störenden Molekülen geleitet
wird und dann Tetramethylbenzidin mit Peressigsäure oxidiert wird, wobei Iod
als Katalysator dient.
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Urin
kann durch die nach der Reaktion erhaltene Farbe in drei Gruppen
unterteilt werden:
- – < 10 μg/dl
(gelb)
- – 11–30 μg/dl (grün)
- – > 30 μg/dl (blau).
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Das
durch dieses bekannte Kit bereitgestellte Analyseverfahren ist einfach
und verlässlich,
ermöglicht jedoch
nur eine semiquantitative Unterteilung in drei Gruppen.
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Der
Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist die Bewältigung
der Probleme und der vorstehend genannten Nachteile durch Bereitstellen
eines Analyseverfahrens und einer einfachen billigen Vorrichtung,
die quantitative Ergebnisse der Iodidkonzentration in Urin und anderen
biologischen Fluiden, auch in Labors ohne Analyseinstrumente, wie
Spektralphotometer und Präzisionspotentiometer,
liefern kann.
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Dies
wurde erfindungsgemäß erhalten
durch Bereitstellen eines Verfahrens und eines Gerätes unter Zuhilfenahme
des inversen Verhältnisses
zwischen der Farbänderungszeit
einer Lösung
der zu analysierenden biologischen Fluide und dem Iodgehalt in Letzterer,
selbst wenn sie im Wesentlichen auf der bereits erwähnten Sandell-Kolthoff-Reaktion
beruhen.
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Die
Erfindung lässt
sich anhand der Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform
der Vorrichtung nur durch ein nicht-einschränkendes Beispiel schematisch
zeigen, besser verstehen.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1,
ein Schaubild, die Kalibrierungskurve, erhalten aus bekannten Mengen
Iod; das gleiche Schaubild zeigt die Werte, erhalten durch Analyse
von Urin zweier gesunder Personen; und
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2,
ein schematisches Schaubild, eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Reduktion von Ce von +4 nach +3 erfolgt bekanntlich umso schneller,
je mehr Iod im Urin vorhanden ist.
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Daher
kann erfindungsgemäß die Dauer
zwischen der Zugabe der Reagenzien zum Urin und der vollständigen Reduktion
von Ce4+ durch Zugabe eines Überschusses
arseniger Säure,
Cersulfat, und eines Indikators der Oxidoreduktion gemessen werden.
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Es
wurde experimentell herausgefunden, dass eine solche Zeit umgekehrt
proportional zum Gehalt an Iodid ist, welches der Katalysator der
Reaktion ist.
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Daher
reicht es erfindungsgemäß aus, die
Reduktionszeiten der unbekannten Probe und einiger Standard-Proben zu messen,
um den Iodgehalt in der Probe der analysierten menschlichen Fluide
zu bestimmen.
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Zu
diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen
die folgenden Schritte:
- 1. Selektives Entfernen
einiger störender
Substanzen, wie Thiocyanat (SCN–)
durch deren Oxidation mittels Zugabe eines ersten Reagenzes A zu
einer Lösung
des biologischen Fluids, das analysiert werden soll;
- 2. Erhitzen der Lösung,
die das biologische Fluid enthält,
auf eine Temperatur zwischen 100 und 110° für etwa 60 Minuten unter anschließender Abkühlung;
- 3. Zugeben eines zweiten Reagenzes B, das in der Lage ist, eine
stark reduzierende Umgebung in der Lösung herzustellen;
- 4. Zugeben eines dritten Reagenzes C, das in der Lage ist, den
Zustand der Oxidoreduktion der Lösung anzuzeigen;
- 5. Zugeben eines vierten Reagenzes (D) mit der Funktion eines
Oxidationsmittels zu der Lösung,
und Beginn der Zeitnahme;
- 6. Überwachen
der Farbänderung
der Lösung
bis zum Erscheinen der ersten klar sichtbaren pink-orangen Farbtönung, bei
der ein Auftreten die Zeit ab der Zugabe des vierten Reagenzes D
erfasst und aufgezeichnet wird;
- 7. Bestimmen des Iodgehaltes in der Lösung durch Ablesen des Diagramms
der 1 gegenüber
der ermittelten Zeit.
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Als
Veranschaulichung wird nachstehend ein Beispiel der Bestimmung gemäß dem vorstehend
beschriebenen Verfahren offenbart, wobei das biologische Fluid eine
10 bis 100%ige, vorzugsweise 50%ige, Wasserlösung von Urin ist.
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250 μl H2O und 500 μl Reagenz A, vorzugsweise bestehend
aus 5 bis 35%, vorzugsweise 28%, Chlorsäure werden in ein Glasteströhrchen überführt; und
die Lösung
wird dann für
eine Zeit zwischen 5 Minuten und 2 Stunden, vorzugsweise 60 Minuten,
auf etwa 100 bis 110°C
erhitzt.
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Das
als Oxidationsmittel wirkende Reagenz A bezweckt die selektive Zerstörung einiger
Substanzen, insbesondere Thiocyanat, die insbesondere in dem Urin
von Rauchern vorhanden sind, und die die Sandell-Kolthoff-Reaktion
sowie die Bestimmung von Iod erheblich stören.
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Alternativ
zu Chlorsäure
als Oxidationsmittel kann ebenfalls Persulfat, das an der geringen
Reproduzierbarkeit der Ergebnisse "leidet", verwendet werden.
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Nach
dem Abkühlen
der Lösung
werden nacheinander zugegeben:
- – 500 μl Reduktionsmittel
B, vorzugsweise bestehend aus einer Lösung von 1 bis 50 mg/ml, vorzugsweise 10
mg/ml As2O3 und
10 bis 100 mg/ml, vorzugsweise 25 mg/ml, NaCl, gelöst in 0,1
N bis 10 N, vorzugsweise 1 N, Schwefelsäure;
- – 20 μl Reagenz
C, welches der Indikator der Oxidoreduktion ist, vorzugsweise bestehend
aus 0,1 bis 10%, vorzugsweise 6%, ortho-Ferrophenanthrolin, und
- – 20 μl Reagenz
D, welches das Oxidationsmittel der Reaktion ist, vorzugsweise bestehend
aus 0,01 N bis 3 N, vorzugsweise 0,2 N, Cersulfat in 0,1 N bis 10
N, vorzugsweise 3,5 N Schwefelsäure.
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Bei
der Zugabe von Reagenz D wird mit der Zeitmesser gestartet. Bei
der Zugabe von Cer ändert
sich die Farbe der Lösung
sofort von orange nach blassgrün.
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Das
Reagenz B erzeugt eine stark reduzierende Umgebung in der Lösung, wohingegen
das Reagenz C den Oxidoreduktionszustand in der Lösung anzeigt.
Eine orange Farbe zeigt das Vorhandensein von Fe2+ in dem
Komplex von Eisen und ortho-Ferrophenanthrolin an, d.h. eine reduzierende
Umgebung, wobei eine blassblaue Farbe das Vorhandensein von Fe3+ in dem Komplex, d.h. eine oxidierende
Umgebung, anzeigt.
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Eine
reduzierende Umgebung wird durch Zugabe der Reagenzien B und C zum
Urin erzeugt, so dass das ortho-Ferrophenanthrolin
orange gefärbt
ist.
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Eine
oxidierende Umgebung wird durch Zugabe von Reagenz D erzeugt, so
dass die Oxidation von Eisen in dem ortho-Ferrophenanthrolin-Komplex, der blassblau
gefärbt
ist, rasch erfolgt, wohingegen die Oxidation von Arsenit in Arsenat
durch vierwertiges Cer, welche durch Iodid katalysiert wird, langsam
erfolgt.
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Wenn
die Reduktionsreaktion von Ce4+ durch As3+ erfolgt, wird die Lösung blassgrün, was auf
der Gegenwart von gelb gefärbtem
Ce4+ und blassblau gefärbtem oxidiertem ortho-Ferrophenanthrolin
beruht.
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Während Ce4+ zu Ce3+ reduziert
wird, d.h. bei verschwindender gelber Farbe, entfärbt sich
die Lösung langsam
bis beim Verbrauch von sämtlichem
Ce4+ eine blassblaue Farbe entsteht. Zu
dieser Zeit bewirkt überschüssiges Arsenit,
das als Reduktionsmittel wirkt, das ortho-Ferrophenanthrolin wieder
seine ursprüngliche orange
Farbe annimmt.
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Daher
wird beim Auftreten der ersten sichtbaren pink-orangen Farbtönung der Zeitmesser gestoppt, und
die verstrichene Zeit wird auf einem Schaubild aufgezeichnet und
mit mehreren Standardzeiten bei allmählich ansteigenden Iodidkonzentrationen
verglichen.
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Erfindungsgemäß ermöglicht somit
die einfache Messung der Zeit der Farbänderung zur ursprünglichen
Orangefarbe, dass ein Schaubild, wie es in 1 gezeigt
ist, sofort gezeichnet werden kann, damit man den Iodidgehalt in
dem analysierten Urin erhält.
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Ein
dreimaliges wiederholtes Bestimmungsbeispiel gegenüber drei
Standards ergab die folgenden Ergebnisse:
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Die
Reproduzierbarkeit ist wie ersichtlich hervorragend.
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Die
gefundenen und auf dem Schaubild von 1 aufgetragenen
Iodidgehalte (23,7 ng und 16,5 ng) entsprechen 9,5 μg/dl und
6,6 μg/dl
und fallen genau in den definierten üblichen Bereich zwischen 5 μg/dl und 30 μg/dl.
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Erfindungsgemäß wurde
zur Erleichterung der Ausübung
des offenbarten Verfahrens durch Erfassen der richtigen Zeiten von
Beginn und Ende der Farbänderung
die in 2 gezeigte Vorrichtung konzipiert.
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Die
offenbarte Vorrichtung umfasst im Wesentlichen:
- – ein Teströhrchen 6 für die Lösung des
zu analysierenden biologischen Fluids;
- – drei
Spritzen oder Pipetten (nicht gezeigt), die die richtige Menge der
Reagenzien A, B und C enthalten, die zu der Lösung in dem Teströhrchen zugegeben
werden sollen;
- – eine
Spezialspritze 1, die mit elektrischen Kontakten 2 für das Ende
des Hubs von Kolben 3 ausgestattet ist, und die das vierte
Reagenz D enthält,
das zu der Lösung
in dem Teströhrchen
zugegeben werden soll;
- – einen
Zeitmesser von Timer 5, welcher durch das Schließen der
elektrischen Hub-Ende-Kontakte begonnen wird und durch einen geeigneten
Stopknopf 4 gestoppt wird;
- – eine
Halterung 7 für
das Teströhrchen 6,
die vorzugsweise auf der Rückseite
erhellt ist und die die Erfassung der Farbänderung der Lösung in
dem Teströhrchen
erleichtern kann.
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In
einer solchen Vorrichtung wird jeder der ersten drei Reagenzien
A, B und C zu der Lösung
des biologischen Fluids durch eine allgemeine Spritze oder eine
Pipette gegeben, wohingegen das Reagenz D durch eine geeignete Spritze 1 zugefügt wird,
welche am Ende des Hubs von Kolben 3, wie in 2 gezeigt,
mit elektrischen Kontakten 2 versehen ist.
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Nach
einer solchen Zugabe starten die elektrischen Kontakte 2 der
Spritze 1 einen vorzugsweise digitalen Zeitmesser 5.
Bei Betrieb wird, sobald das vierte Reagenz D in das Teströhrchen 6 überführt worden ist,
letzteres rasch und kurz gerührt
und auf eine Halterung 7 überführt, die vorzugsweise an der
Rückseite erhellt
ist, so dass das Bedienungspersonal den Zeitmesser 5 stoppt,
indem der geeignete Stoppknopf 4 gedrückt wird, sobald die charakteristische
rote Farbtönung,
die durch die Reduktion des ortho-Phenanthrolins verursacht wird,
erscheint.
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Die
erfindungsgemäße einfache
Vorrichtung ermöglicht
eine rechtzeitige hervorragende Reproduzierbarkeit, die mit einem
erheblichen vereinfachten Gebrauch einhergeht.
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Zudem
können
auch andere biologische Flüssigkeiten,
wie Plasma oder Proteinhydrolysate, durch ein solches Verfahren
analysiert werden.
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Die
offenbarte Vorrichtung ist aufgrund ihrer einfachen Komponenten ökonomisch
und verlässlich
und kann nicht nur für
sämtliche
medizinische Laboratorien von besonderem Interesse sein, die den
Iodidgehalt in dem Urin zur Untersuchung von Ernährungsmängeln bestimmen müssen, sondern
auch für
sämtliche
kernmedizinische Stationen, die somit eine rasche verlässliche
Bestimmung des physiologischen Iodidgehaltes und der Veränderung
dieses Iodidgehaltes nach einer therapeutischen Behandlung sämtlicher
Patienten, die für eine
Schilddrüsen-Radioablationsbehandlung
vorgesehen sind, selbständig
durchführen
können.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand von einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben und veranschaulicht, jedoch ist es selbstverständlich,
dass jeder Fachmann äquivalente
Modifikationen und/oder Auswechslungen vornehmen kann, ohne dass
er vom Schutzbereich der vorliegenden industriellen Erfindung abweicht.