JP4855854B2

JP4855854B2 - 血液透析用化学発光式尿素センサ及び血液透析における尿素測定方法

Info

Publication number: JP4855854B2
Application number: JP2006189269A
Authority: JP
Inventors: 真啓尾崎; 徹岡林; 浩二松崎
Original assignee: Kawasumi Laboratories Inc
Current assignee: Kawasumi Laboratories Inc
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: JP2008014910A

Description

本発明は、透析排液中の尿素モニタとして、尿素水溶液の濃度をリアルタイムに計測できる血液透析用化学発光式尿素センサ及び血液透析における尿素測定方法に関する。

血液透析は腎疾患患者の血液から水分、電解質、さらに尿素やクレアチニン等の溶質を除去し、酸塩基平衡を是正する医療である。
現在、透析時間は４時間を標準として行われているが、１回の透析において必要とされる除水量や患者ひとりひとりの体格や体質、病状やその日その週の飲食量等によって当然左右されるので、これらの要素すべてを監視しつつ、患者ひとりひとりの状態に適した透析時間の設定を行うのが本来のあり方であろう。
しかしなから、このように臨機応変に透析時間を決定するためには、透析中に刻々と変化する体内水分量や溶質残量をリアルタイムに計測し、透析監視装置にフィードバックする必要がある。
このうち除水量は、現在の透析監視装置でも精度良くリアルタイム計測できるが、溶質に関しては、溶質除去量を知る従来の採血による検査（例えば特許文献１、２に記載のように、採血管に血液を採取し、血液成分を分離して、溶質除去量を分析する方法）では当然時間がかかり、リアルタイム計測というわけにはいかない。

よって、例えば本来なら水分、溶質ともに十分除去できていて３時間半で終わるべきところを３０分余計に透析をしたり、あるいはその逆が起こったり、といったことが起こりうる。
よって、採血によらず、患者の溶質除去量をリアルタイムに知る技術が確立されれば、患者ひとりひとりに適した透析時間決定に少なからず貢献するであろう。
透析排液中には様々な溶質が浸透してくるが、とりわけ尿素は除去量が大きい。この尿素の検出方法としては、非特許文献１に記載されているように、水溶液中の尿素濃度を固定化酸性ウレアーゼを酵素とする尿素の加水分解による反応熱でもって検出する方法や、非特許文献２、３に記載されているように、次亜臭素酸ナトリウムとの化学反応により生じる化学発光強度を検出する方法２などが既存の方法して知られている。しかしウレアーゼによるサーミスタは長期安定性が懸念される。

特開平１１−１９４１２６号公報特開２００１−３２１３６６号公報佐藤生男、赤羽正志：固定化酸性ウレアーゼを利用する酵素サーミスタ．Digestof 10th Chemical Sensor Symposium,1990;Vol.6,Supplement A:189-192. Hu,X.,Hu,Takenaka,N.,Kitano,M.,etal.:Determination of trace amounts of urea by using flow injection withchemiluminescence detection,Analyst,1994;119;1829-1833. Hu,X.,Hu,Takenaka,N.,Kitano,M.,etal.:Mechanism of Chemiluminescence reaction between hypobromite and ammonia orurea,Bull.Chem.Soc.Jpn,1966;69:1179-1185.

本発明が解決しようとする問題点は、従来の採血による検査（例えば特許文献１、２）では時間がかかり、リアルタイムに計測できない点である。

そこで本発明者らは以上の課題を解決する為に、溶質のうち尿素に着目し、尿素除去量と血中尿素濃度の関係を調べ、透析時間決定のフラグメントになりうるかどうかを検討し、尿素と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の化学反応の過程で生じる化学発光（Chemiluminescence;以下、単に「ＣＬ」と略記する）に基づくＣＬ式尿素センサを用いた水溶液中の尿素濃度を計測するためのセンサの基礎性能、血液透析の臨床使用の適否について鋭意評価、検討した結果、以下の発明に到達した。
本発明は、円筒状で、有底の回転流型混合セル（２）を有し、
当該回転流型混合セル（２）は、長手方向と、当該長手方向に略垂直に交わる側部方向とを有し、
前記長手方向は、上部方向と下部方向とを有し、
前記側部方向は、お互いに略垂直に交わる第１側部方向−第２側部方向と、
第３側部方向−第４側部方向とを有し、
前記回転流型混合セル（２）の下部に尿素水溶液の注入口（３）と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）を対向するように配置し、
前記回転流型混合セル（２）の下部近傍で、かつ前記第２側部方向と前記第３側部方向との間に、尿素水溶液の注入口（３）を配置し、
前記回転流型混合セル（２）の下部近傍で、かつ前記第１側部方向と前記第４側部方向との間に、次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）を配置し、
前記尿素水溶液の注入口（３）と、次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）は、前記回転流型混合セル（２）の長手方向の異なる高さの位置に配置し、
前記回転流型混合セル（２）の上部に光電子倍増管（１１）を装着し、
当該光電子倍増管（１１）に計測手段（１５）を接続し、
前記尿素水溶液の注入口（３）は、前記回転流型混合セル（２）に装着する側の端部に、当該注入口（３）の本体の径よりも細径の細孔部（３Ｓ）を形成し、
当該細孔部（３Ｓ）を、前記回転流型混合セル（２）の内部壁面に突設し、
前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）は、前記回転流型混合セル（２）に装着する側の端部に、当該注入口（４）の本体の径よりも細径の細孔部（４Ｓ）を形成し、
当該細孔部（４Ｓ）を、前記回転流型混合セル（２）の内部壁面に突設し、
前記尿素水溶液を前記注入口（３）の前記細孔部（３Ｓ）より、
前記回転流型混合セル（２）内の湾曲した内壁面に沿うように導入し、
前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液を前記注入口（４）の細孔部（４Ｓ）より、
前記回転流型混合セル（２）内の湾曲した内壁面に沿うように導入し、
前記尿素水溶液と前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液が、回転しながら攪拌混合されるように導入し、
前記回転流型混合セル（２）内での前記尿素水溶液と前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液の化学反応により生じた化学発光強度を、前記光電子倍増管（１１）と前記計測手段（１５）により、フォトカウンテイングにより、計測できるようにした血液透析用化学発光式尿素センサ（１）を提供する。

本発明のＣＬ式尿素センサ１は、回転流型混合セル２に尿素水溶液の注入口３と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４を対向するように配置し、前記回転流型混合セル２に光電子倍増管１１を装着することにより、化学発光が僅か数十ないし百ｍｓのオーダーの蛍光寿命である尿素と次亜臭素酸ナトリウムの水溶液の攪拌と蛍光観測を同時に行うことが可能である。
透析排液中の尿素窒素値は、血中尿素窒素値のわずか約２８％であり、約２０ｍｇ／ｄｌを上限とし、透析の時間経過とともにリニアに減少する。
この事実を踏まえ開発した本発明のＣＬ式尿素センサ１は、実用尿素濃度域を含む濃度域（１．４〜２８．０ｍｇ／ｄｌ）においてリニアリティを示す（相関係数は０．９２）ので、尿素水溶液中の尿素濃度をリアルタイムに監視でき、透析排液中の尿素モニタとして使用できる性能を有する。
さらに既に実用化されている除水量モニタとともに透析監視装置にフィードバック制御をかけることで、患者ひとりひとりに適した透析時間決定に寄与できる。

［溶質除去率と時間変化］
尿素等の溶質は、そもそも血中に存在し、ダイアライザ（血液透析器ともいう）内の中空糸膜を通過する過程で透析液側に浸透し、体外に排出される。よって、透析液に浸透した溶質量を簡便に知ることができれば、それは血中の溶質量を知る目安となる。
そこで、酵素法により血中における溶質濃度と、ダイアライザ通過後の透析液（以下、簡単に「透析排液」と呼ぶ）中の溶質濃度を調べた。表１にその結果を示す。
また、透析排液中における各溶質（尿素窒素、尿酸、クレアチニン）の濃度の時間変化も調べた。図１にその結果を示す。尿素に関しては、血中尿素窒素値に比べて透析排液中の濃度はわずか２８％程度であり、尿酸とクレアチニンはそれよりも低く２０％程度であった。そして、図１から明らかなようにこれらの溶質の透析排液中の濃度は時間の経過とともにリニアに減少した。よって、透析開始間もない時点から何点かサンプリングを行えば、その患者に適した溶質除去完了の時刻を算出できる。さらに除水量モニタと合わせて透析監視装置にフィードバックをかけることで、その患者に適した透析完了時刻を予見できる可能性も示している。

［ＣＬ式尿素センサ］
図２（Ａ）は、本発明のＣＬ式尿素センサ１（以下、単に「尿素センサ１」と略記する）の一例を示す概略図で、図２（Ｂ）は、同図（Ａ）のＡ−Ａ´断面図である。
本発明の尿素センサ１は、回転流型混合セル２に尿素水溶液の注入口３と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４を対向するように配置し、前記回転流型混合セル２に光電子倍増管１１を装着している。
さらに詳述すれば、本発明の尿素センサ１は、回転流型混合セル２の下部に尿素水溶液の注入口３と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４を対向するように配置している。
回転流型混合セル２の上部に光電子倍増管１１を装着し、回転流型混合セル２内での尿素水溶液と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の化学反応により生じた化学発光（ＣＬ）強度を、光電子倍増管１１と計測手段１５（例えば、パーソナルコンピュータ）により、フォトカウンテイングにより計測する。
尿素水溶液の注入口３と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４の先端にそれぞれ細孔部３Ｓ、４Ｓを形成し、回転流型混合セル２内に導入しやすいようにしている。なお、図２中の符号「５」は、廃液流出口である。
［回転流型混合セル２］
回転流型混合セル２は、略円筒状に形成されている。材質は、尿素水溶液、次亜臭素酸ナトリウム水溶液等と反応しないものであれば何でも良い。例えばテフロン（登録商標）等が挙げられる。
［注入口３、４の配置］
注入口３、４の配置は、図２（Ｂ）に例示するように、細孔部３Ｓ、４Ｓから回転流型混合セル２内に導入される尿素水溶液と次亜臭素酸ナトリウム水溶液が、回転流型混合セル２内の湾曲した内壁面に沿って、回転しながら攪拌混合されるように、回転流型混合セル２の上と下に離間させて、対向するように配置するのが好ましい。
細孔部３Ｓ、４Ｓより、回転流型混合セル２内に導入される二つの液体は、回転流型混合セル２内で勢いよく回転しながら攪拌され効率よく混ざり、化学反応が始まる。その際に生じたＣＬ強度を、回転流型混合セル２の上端に設置した光電子倍増管１１と計測手段１５（計測用ＰＣ）により、フォトンカウンティングにより計測する。（非特許文献２、３参照）
本発明の血液透析用化学発光式尿素センサ１の最良の実施形態は、以下のとおりである。
円筒状で、有底の回転流型混合セル（２）を有する。
回転流型混合セル２は、長手方向と、当該長手方向に略垂直に交わる側部方向とを有する。
長手方向は、上部方向と下部方向とを有する。側部方向は、お互いに略垂直に交わる第１側部方向−第２側部方向と、第３側部方向−第４側部方向とを有する。
回転流型混合セル２の下部に尿素水溶液の注入口３と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４を対向するように配置している。
回転流型混合セル２の下部近傍で、かつ第２側部方向と第３側部方向との間に、尿素水溶液の注入口３を配置している。
回転流型混合セル２の下部近傍で、かつ第１側部方向と第４側部方向との間に、次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４を配置している。
尿素水溶液の注入口３と、次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４は、回転流型混合セル２の長手方向の異なる高さの位置に配置している。
回転流型混合セル２の上部に光電子倍増管１１を装着し、当該光電子倍増管１１に計測手段１５を接続している。
尿素水溶液の注入口３は、回転流型混合セル２に装着する側の端部に、当該注入口３の本体の径よりも細径の細孔部３Ｓを形成している。
当該細孔部３Ｓを、回転流型混合セル２の内部壁面に突設している。
次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口４は、回転流型混合セル２に装着する側の端部に、当該注入口４の本体の径よりも細径の細孔部４Ｓを形成している。
当該細孔部４Ｓを、回転流型混合セル２の内部壁面に突設している。
尿素水溶液を前記注入口３の細孔部３Ｓより、回転流型混合セル２内の湾曲した内壁面に沿うように導入し、次亜臭素酸ナトリウム水溶液を注入口４の細孔部４Ｓより、回転流型混合セル２内の湾曲した内壁面に沿うように導入する。
尿素水溶液と次亜臭素酸ナトリウム水溶液が、回転しながら攪拌混合されるように導入し、回転流型混合セル２内での尿素水溶液と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の化学反応により生じた化学発光強度を、光電子倍増管１１と計測手段１５により、フォトカウンテイングにより、計測できるようにした。
以上により、本発明の血液透析用化学発光式尿素センサ１は、化学発光が僅か数十ないし百ｍｓのオーダーの蛍光寿命である尿素と次亜臭素酸ナトリウムの水溶液の攪拌と蛍光観測を同時に、より効率よく、より高い感度で、確実に行うことが可能である。
図２（Ａ）、（Ｂ）は、あくまでも例示であり、本発明の目的が達成できれば、回転流型混合セル２及び注入口３、４の形態、当該回転流型混合セル２への注入口３、４及び光電子倍増管１１の装着（配置）位置、注入口３、４の対向位置（角度）等は自由に設定・変更できる。

尿素と次亜臭素酸ナトリウムの化学発光（ＣＬ）は、尿素水溶液と次亜臭素酸ナトリウム水溶液が混ざった瞬間から始まり、蛍光時間は数十ないし数百ｍｓのオーダーである。
よって、二つの液体を効率よく攪拌すると同時に、ＣＬを効率よく検出する工夫が必要となる。
さらに、透析の現場では、透析液は絶えず透析監視装置に供給され、ダイアライザを通過して排水口より流れ出る。
透析監視装置の下流に本発明の尿素センサを設置することを考えると、尿素水溶液は常に回転流型混合セル２内に導いておき、必要に応じて次亜臭素酸ナトリウム水溶液をインジェクションするほうが好ましい。

［尿素センサ１の性能評価］
図３に、尿素水溶液（濃度２．８ｍｇ／ｄｌ、流量２２ｍｌ／ｍｉｎ、室温）を回転流型混合セル２内に導き、そこに次亜臭素酸ナトリウム水溶液（流量９１ｍｌ／ｍｉｎ、室温）を注入（インジェクション）した場合における尿素センサ１の応答波形を示す。
次亜臭素酸ナトリウム水溶液のインジェクションと同時に化学発光（ＣＬ）が生じ、１秒程度の過渡応答を示した後、定常状態に移行し、繰り返し再現性のよい応答波形を得た。よって、これらの流量値を回転流型混合セル２を用いた場合における規定値として採用した。以後の計測では、ＣＬ応答波形の定常状態における平均値をその計測におけるＣＬ強度とした。
なお、実験に用いた化学薬品として、尿素（関東化学製、特級、９９．０of purity）、次亜臭素酸ナトリウム水溶液（関東化学製、鹿１級）、水酸化ナトリウム（ナカライテスク製、特級、９６．０％of
assay）を用いた。１．０×１０^-3Ｍに調製した次亜臭素酸ナトリウム水溶液に０．２Ｍの水酸化ナトリウムを加え、混合液として用いた（本発明では、この混合液を以下単に次亜臭素酸ナトリウム水溶液と呼ぶ）。次亜臭素酸ナトリウムの濃度校正を、ヨウ素酸カリウムを標準物質とてファクターを定めたチオ硫酸ナトリウム水溶液（０．１Ｍ）を用いて行ったところ、１．０×１０^-3Ｍ（ｐＨ＝１３．３）であった。

［尿素センサの濃度依存性］
表１および図１から明らかなように、透析排液中の尿素窒素濃度は約２０ｍｇ／ｄｌを上限とし、以後は透析時間の経過とともにリニアに減少する。よって、実用上は１〜２０ｍｇ／ｄｌの範囲の透析排液中の尿素濃度を測定できれば良いことになる。よって、この濃度域を含む領域のセンサの濃度依存性を調べた。図４にその結果を示す。
センサは０．２８〜１４ｍｇ／ｄｌの領域でリニアリティを示し、それ以上の領域では飽和傾向を示した。また２８ｍｇ／ｄｌ以上の領域では逆に減少を示した。このＣＬ強度減少の詳細は明らかではないが、可能性のひとつとして以下の理由が考えられる。即ち、尿素と次亜臭素酸ナトリウムによるＣＬの発光種は励起窒素であるが、本発明の尿素センサ１における尿素窒素濃度２８ｍｇ／ｄｌ超の高濃度域では、この励起窒素が生成されない競合プログラムが介在している可能性があり、今後さらなる研究が必要とされる。いずれにしても、実用尿素濃度域を含む濃度域（１．４〜２８．０ｍｇ／ｄｌ）における相関係数が０．９２であることを考えると、本発明の尿素センサ１は実用上十分に使用できると言える。

［尿素水溶液の温度依存性］
透析の現場では透析液は体温程度にまで保持され、返血温度の低下により患者が寒くならないようにしている。本発明の尿素センサ１はＣＬ強度を尿素濃度の関数として検出する上、化学反応の進行速度は温度によって左右されるので、体温レベル近傍に尿素水溶液を保持した場合における、ＣＬ強度の温度依存を調べた。図５にその結果を示す。
２６〜３７℃の温度域ではデータのばらつきがあったが、尿素水溶液が４５℃の時は、その他の場合に比べてＣＬ強度が高くなり、かつ全体的に水温の増加とともにＣＬの増加傾向が認められた。

［結論］
透析排液中の尿素窒素値は、血中尿素窒素値の約２８％であり、約２０ｍｇ／ｄｌを上限とし、透析の時間経過とともにリニアに減少した。
この事実を踏まえ設計した本発明のＣＬ式尿素センサ１は、実用尿素濃度域を含む濃度域（１．４〜２８．０ｍｇ／ｄｌ）においてリニアリティを示した（相関係数は０．９２）が、それ以上の濃度域では飽和、或いは減少を示した。
またＣＬ強度は、尿素水溶液の温度に比例する傾向を示した。尿素水溶液中の尿素濃度をリアルタイムに監視する本発明の尿素センサ１は、透析排液中の尿素モニタとして使用できる性能を示しており、既に実用化されている除水量モニタとともに透析監視装置にフィードバック制御をかけることで、患者ひとりひとりに適した透析時間決定に少なからず寄与する可能性を示した。

透析排液中における各溶質（尿素窒素、尿酸、クレアチニン）の濃度の時間変化を示すグラフ（Ａ）本発明の尿素センサの概略図、（Ｂ）回転流型混合セルの好ましい実施例を示す（Ａ）のＡ−Ａ´断面図尿素センサの応答波形尿素センサの濃度依存性を示すグラフ尿素水溶液の温度依存性を示すグラフ

符号の説明

１尿素センサシステム
２回転流型混合セル
３尿素水溶液の注入口
３Ｓ細孔部
４次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口
４Ｓ細孔部
５廃液流出口
１１光電子倍増管
１５計測手段（パーソナルコンピュータ）
２０電源

Claims

円筒状で、有底の回転流型混合セル（２）を有し、
当該回転流型混合セル（２）は、長手方向と、当該長手方向に略垂直に交わる側部方向とを有し、
前記長手方向は、上部方向と下部方向とを有し、
前記側部方向は、お互いに略垂直に交わる第１側部方向−第２側部方向と、
第３側部方向−第４側部方向とを有し、
前記回転流型混合セル（２）の下部に尿素水溶液の注入口（３）と次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）を対向するように配置し、
前記回転流型混合セル（２）の下部近傍で、かつ前記第２側部方向と前記第３側部方向との間に、尿素水溶液の注入口（３）を配置し、
前記回転流型混合セル（２）の下部近傍で、かつ前記第１側部方向と前記第４側部方向との間に、次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）を配置し、
前記尿素水溶液の注入口（３）と、次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）は、前記回転流型混合セル（２）の長手方向の異なる高さの位置に配置し、
前記回転流型混合セル（２）の上部に光電子倍増管（１１）を装着し、
当該光電子倍増管（１１）に計測手段（１５）を接続し、
前記尿素水溶液の注入口（３）は、前記回転流型混合セル（２）に装着する側の端部に、当該注入口（３）の本体の径よりも細径の細孔部（３Ｓ）を形成し、
当該細孔部（３Ｓ）を、前記回転流型混合セル（２）の内部壁面に突設し、
前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液の注入口（４）は、前記回転流型混合セル（２）に装着する側の端部に、当該注入口（４）の本体の径よりも細径の細孔部（４Ｓ）を形成し、
当該細孔部（４Ｓ）を、前記回転流型混合セル（２）の内部壁面に突設し、
前記尿素水溶液を前記注入口（３）の前記細孔部（３Ｓ）より、
前記回転流型混合セル（２）内の湾曲した内壁面に沿うように導入し、
前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液を前記注入口（４）の細孔部（４Ｓ）より、
前記回転流型混合セル（２）内の湾曲した内壁面に沿うように導入し、
前記尿素水溶液と前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液が、回転しながら攪拌混合されるように導入し、
前記回転流型混合セル（２）内での前記尿素水溶液と前記次亜臭素酸ナトリウム水溶液の化学反応により生じた化学発光強度を、前記光電子倍増管（１１）と前記計測手段（１５）により、フォトカウンテイングにより、計測できるようにした、ことを特徴とする血液透析用化学発光式尿素センサ（１）。