JPH07504579A - 分析またはモニタ装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ■」 本発明は、生物物質の分析またはモニタのための装置及び方法に関し、特に、細 胞膜内に保持される酵素から応答が得られるような細胞の生物物質をモニタしま たは分析する装置に関するが、これに限定されるものではない。

宜ＬＬＬ術 本願出願人による英国特許第２２４７５３０号明細書には、生物の細胞物質、そ の基質または細胞物質の細胞代謝の阻害剤を分析するための方法及び装置が記載 されており、この方法は、非線形誘電スペクトルを発生するように生物物質の試 料にＡＣ電位を印加する過程と、前記スペクトルに対応する検出可能な信号を得 る過程とからなる。

上述した本願出願人による先願明細書に記載される装置は、　（上述したように ）生物の細胞物質、その基質、または細胞物質の細胞代謝の阻害剤を分析するた めのものであり、 （ａ）生物物質の試料を保持するための保持手段と、（ｂ）非線形誘電スペクト ルが生成されるように前記試料にＡＣ電位を印加する手段と、 （ｃ）前記スペクトルに対応する検出可能な信号を得るための手段とから構成さ れる。

１豆豆１ｊ 本発明によれば、細胞の生物物質に関連する決定因子をモニタしまたは分析する ための装置であって、（ａ）細胞の生物物質に単一または複数の離散周波数のＡ Ｃ電位を印加するための手段と、 （ｂ）前記印加ＡＣ電位に実質的に存在しない単一または複数の周波数に於ける 前記物質の応答を決定するための手段と、 （Ｃ）前記応答を前記決定因子の記憶されている特徴と比較するための手段とか らなる装置が提供される。

前記決定因子は、細胞の生物物質（例えば人間的動物のような動物の生存し得る または生きている組織のようなもの）に於ける濃度や他の変数とすることができ る。

印加したＡＣ電位に存在しない単一または複数の周波数に於いて得られた前記応 答を、上述した英国特許明細書に詳細に記載されるように、非線形誘電スペクト ルと称する。

本発明による装置は、生きている細胞物質または生存し得る細胞物質の、外因性 の電界エネルギーを変換する能力をモニタする方法として使用することができる 。本願発明者は、細胞の生物物質から得られる非線形誘電スペクトルに存在する 特定の高調波が、前記生物物質内の生きている細胞の代謝状態を示すものである ことを見出した。

ＡＣ電位を印加するための手段は、好適には、複数の適当な電極、コイルまたは 一般によく知られた型式の類似物から構成される。前記電極は、患者の皮膚と概 ね同じ高さになるように構成し、患者の生理学的パラメータを無侵襲モニタする ための装置として使用できると、好都合である。

印加された前記ＡＣ電位に実質的に存在しない単一または複数の周波数に於いて 前記材料の応答を測定するための手段は、概ね上述した英国特許明細書に記載さ れているものでよい。

従って、本発明によれば、参照非線形誘電スペクトルを提供する必要がない、前 記装置は、第りの材料（被験者）について後述する技術によって校正（ｃａｌｉ ｂｒａｔｅ）され、かつ同じ通常のタイプの別の材料について用いることができ る。

本発明による装置は、検出可能な信号を得るための手段、例えばチャート式レコ ーダ、スクリーン型ディスプレイ装置、ディジタル型表示装置またはディジタル 型読出装置を有するような手段を備えると好都合である。

次に、本発明による方法に於ける本発明による装置の動作モードについて、例を 挙げて詳細に説明する。２個またはそれ以上の巨視的電極間にある、またはコイ ル内にある細胞の生物物質に適度に低い周波数の電界をかけたとき、膜キャパシ タンスの荷電によって、膜に於ける巨視的電界は有効に「増幅」される。関連す る膜が適当な酵素を含んでいるような場合には、これによって電界及び周波数に 依存する形で有用な生物学的作用を働かせることができる。このような効果の基 礎をなす一般的なメカニズムは、酵素が双極性の「玉突きの球」でなく、互いに 異なるベクトルの双極子モーメントを有するものと有しないものとを含む異なる コンホーメーション（立体配座）の間で緩和できることである。

生物物質に印加される電位は、該物質を励起させるために印加される比較的高い 電界と、該物質の電界依存誘電特性を記録する比較的低いＡＣプローブ電圧とか ら構成することができる。

正弦波のＡＣ電界を用いて物質を励起させると好都合であり、生物材料の非線形 性が高調波の発生によって明確になるような範囲が分かるように変換を行なうこ とによって、関連する周波数範囲全体が観測される。励起電流の周波数及び振幅 を変化させることによって、検査中の試料の誘電指紋として機能し得る多次元の 非線形誘電スペクトルを組み立てることができる。

前記励起信号の周波数が、前記試験物質の誘電率のベータ分散が生じる範囲以下 であると好都合である。従って、一般に、励起信号周波数は最大１００ｋＨｚ　 （好適には最大１ｋＨｚ）である、また、一般に、励起信号は２０ボルト（好適 には４ボルト）のｐ−ｐ値を有し、一般に外側電極は２ｃｍ離隔されて、ｐ−ｐ 値２ｏボルトの信号について±５５ボルト／ｍ（またはｐ−ｐ値４ボルトの信号 について±１ボルト／　ｃ　ｍ　）の電界強さが得易下の様々な理由から電界と 相互作用する特に強力な対象となるものである。即ち、　（１）膜のタンパク質 は、膜の一方の側から他方の側へ回転して、この型式の簡単なデバイ状回転（Ｄ ｅｂｙｅ−１ｉｋｅ　ｒｏｔａｔｉｏｎ）によって電気エネルギーを消散させる ことができないこと、　（ｉｉ）上述したように、膜は励起信号を「増幅」でき ること、及び（ｉｉｉ）膜のタンパク質は実質的に双極子モーメントを有するこ と、である、更に、当然ながら、全てのタンパク質について共通であるが、膜の タンパク質は異なる双極子モーメントを有する異なる立体配座状態間に於ける遷 移を可能にする。ここで観測されるような顕著な非線形誘電状態の発生に関する メカニカルな根拠を追求すれば、試験中の生物物質に存在する細胞物質の膜の特 性を考慮しなければならない。

前記装置は、生物物質に単一または複数の初期周波数の電位を印加し、前記初期 周波数に実質的に存在しない（実質的に重複しない）少なくとも１°つの応答周 波数に於いて前記物質の応答を測定するように構成される。ある実施例では、前 記電位が、前記システムを励起させるために印加される比較的高い電場と、前記 生物物質の電界依存誘電特性を記録する比較的低いＡＣプローブ電圧とからなる 。

本発明による装置では、上述した電位が正弦波であると好都合であり、関連する 全周波数範囲が、高調波の発生によって前記物質の非線形性が明確になるような 範囲が分かるように置き換え（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）即ちベクトル変換を行 なうことによって観測されると、好都合である。

本発明による装置の他の特徴及びその利用形態については、上述した本願出願人 による英国特許第２２４７５３０号明細書に概ね記載されている。従って、同英 国特許明細書を参照することによって、本願発明をより良く理解することができ る。

図面の簡単な説明 以下に添付図面を参照しつつ、実施例を用いて本発明の特徴を詳細に説明する。

第１図は、本発明による装置の実施例の主要な特徴を概略的に示す図である。

第２図乃至第７図は、本発明による方法及び装置を用いて行なわれた分析の結果 を示す図である。

るための　のノ 第１図に示される実施例では、前記系を励起し、かつ内側電極対３の間に交流電 位を発生させるために、外側電極対４の間にデジタル−アナログ変換Ｄ−Ａを一 介して発電機２によって所定周波数のＡＣ電位が印加される。

前記内側電極対の間に発生する前記ＡＣ電位には、励起周波数の高調波が含まれ る。コンピュータ１が、アナログ−デジタル変換Ｄ−Ａを介して前記内側電極対 から受け取った信号にフーリエ変換を実行し、　（例えば）最初の５つの高調波 に於ける電圧レベルを決定する。このプロセスは、異なる電圧の励起信号につい て、そして更に異なる励起周波数について繰り返し行なわれる。

前記励起信号は、正弦波で構成することができる。別の実施例では、前記励起信 号は、比較的低いＡＣ成分を重畳した比較的高いＤＣで構成することができる。

本発明の特徴をより良く理解するために、以下にいくつかの例を示して説明する 。

これらの実施例では、その大部分を英国特許第２２４７５３０号明細書に記載さ れるようにして、非線形誘電スペクトル分析を行なったが、本実施例では、以下 に記載する５つの電圧（第１図に示される装置の前記外側電極に於いて測定した ０点−ビーク即ちピーク高さの値）と９つの周波数（単位：Ｈｚ）とからなるマ トリックスを用いた。

０．５０００００ ０．７５００００ １．００００００　電圧 １．２５００００ １．５０００００ １０．００００００ １７．７８２７９４ ３１．６２２７７７ ５６．２３４１３３ １００．００００００　周波数 １７７．８２７９４１ ３１６．２２７７６６ ５６２．３４１３２５ １０００．００００００ 掃引は４５個のそれぞれ異なるスペクトルで構成し、それぞれ１０ブロツクに平 均化した。適当な間隔をおいて更に掃引を行なった。前記内側電極に於けるサン プリング速度は、印加した周波数の値の１６倍となるように調整し、それによっ てウィンドウ処理が不必要になり、かつ（フーリエ）変換の後に、連続する各高 調波のパワーが連続する各ビン（ｂｉｎ）に表れる。　（細胞なしの）参照ラン が必要でなくなるように、次のようなプロセスを採用した。各電圧及び周波数に 於ける前記最初の５つの各高調波（基本周波数を含む）に於けるパワーからなる データマトリックスについて、部分最小自乗（ＰＬＳ）アルゴリズムを用いて、 削除法（ｌｅａｖｅ−ｏｎｅ−ｏｕｔ　ｍｅｔｈｏｄ）により十分にクロス確認 （ｃｒｏｓｓ−ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ）　Ｌ、て多変量校正（＋ｕｌｔｉｖａｒ ｉａｔｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）を行なった。このような多変量校正は、化 学測定技術の分野では当業者に周知である。

炎上１ 被験者とな、る人間の前腕に印を付して、後から掃引を行なう際にプローブを何 度も繰り返し配置しても電極を同じ高さにできるようにした。前記プローブにも 印を付して、繰り返し同じ向きに配置できるようにした。各スペクトルについて 測定する前に、前記プローブを１５０ｍＭのＮａＣ１で湿らせて、良好な電気的 接続状態が得られるようにした。

最初の２つの実験（３図）を次のように行なった。被験者が食事をしてから１６ 時間経過した後に、上述したと同じ電圧及び周波数を用いて、基線を掃引した。

参照方法として商標ｒ　Ｒｅｆ　１ｏｌｕｘ　Ｊ　を付して市販されている光学 的血中グルコースモニタ装置を用いて、指先から採取した血液についてグルコー スの測定を行なった。約１００ｇのグルコースを経口投与し、かつ更に約１分間 隔で掃引し、前記Ｒｅｆｌｏｌｕｘ装置を用いて５分毎に検査し、これらの参照 読取値を補間した。前記構成モデルを一般化できるように改善するために、次の ように異常値を除去するための反復方法を実行した。まず、所定のラン（ｒｕｎ ｌ、ｍｅ８）からのデータを用いて、クロス確認・削除・自己予測により判断さ れる最良のモデルを作った。このモデルを用いてラン２　（ｒｕｎ　２）　（鳳 ｅ７）を予測し、かつ次に１対１線に最も近い（０，５ｍＭ以内）点を選択して 、他の点を実際の異常値即ち不良データと仮定した０次に、これらの「良好な点 」を用いて、同様にクロス確認・削除・自己予測により最良と判断される新たな モデルを作った。最後に、前記第２のランから修正した予測に従って異常値を除 去した校正モデルを前記第１のランについて形成した。このようにして２つのＰ ＬＳ因子を用いて十分にクロス確認して形成された自己モデルのデータが第２図 に示されている。

第３図は、１つ置き（奇数番）の点について生成された同一データの校正モデル からの、同一のランから偶数番の点を予測する予測を示している。

第４図は、ｍｅ８の除外したデータセットについて形成されたモデルから予測さ れるｍｅ７の除外されたデータセットの予測を示している。

食事をしたばかりの別の（糖尿病の）被験者からデータを取り、前記Ｒｅｆｌｏ ｌｕｘ装置を用いて血液中のグルコースを測定し、かつ上述したと全く同様に非 線形誘電スペクトルを得た。上述したと同じ校正モデル（第１の被験者について 作成したもの）を用いて、前記第２の被験者から血液中のグルコースのデータを （これらが前記校正モデルによりカバーされる範囲内にある場合）、第５図に示 されるように（同図に於いて、点線は参照方法に要求される正確さとして最高で ある±１０％の精度を示している）予測した。

最後に、異なる被験者のベア（一方が糖尿病で、他方が糖尿病でない）について 合成モデルを作成した。第６図は、５つのＰＬＳ因子を用いて十分にクロス確認 した自己校正を示し、第７図は、同じ被験者からのデータであるが前記校正モデ ルには含まれてぃなかったものを用いた予測を示している。いずれの場合にも、 実線が恒等直線（ｌｉｎｅ　ｏｆ　１ｄｅｎｔｉｔｙ）であり、かつ破線がそれ から±１０％を示している。これらにより、本発明による方法が優れた予測能力 を有することが示されている。

ＦＩＧＵＲＥ２ 人間の無侵襲・生体内・自己予測 人間の無侵襲・生体内・自己予測・奇数対偶数測定値［グルコースコ／ｍＭ 人間の無侵襲・生体内・自己予測；被験者１について作成されたモデルから被験 者２のデータを予測測定値［グルコースコ／ｍＭ 人間の無侵襲・生体内・自己予測；ラン１　（異常値除去後）からラン２（異常 値除去後）を予測 測定値［グルコースコ／ｍＭ 参照値［グルコース］／ｍＭ 参照値［グルコース］／ｍＭ 国際臘査磐失 フロントページの続き （７２）発明者　ウッドワード、アンドリュ町マイケル英国グウィナズ・エルエ ル６１・６アールエリス（番地なし）

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．生物細胞物置に関連する決定因子をモニタまたは分析するための装置であっ て、 （ａ）単一または複数の離散周波数のＡＣ電位を前記物質に印加するための手段 と、 （ｂ）前記印加ＡＣ電位に実質的に存在しない単一または複数の周波数に於ける 応答を決定するための手段と、 （ｃ）前記応答を前記決定因子の記憶されている特徴と比較するための手段とか らなることを特徴とする装置。
2. ２．前記生物物質を前記電位印加手段の近傍に保持するための保持手段を更に備 えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ３．前記保持手段が、電極を被験者の皮膚に保持するためにパッチまたはその類 似物に付着させた接着剤からなることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. ４．前記電位が、前記生物物質を励起する比較的高い電界と、前記生物物質の電 界依存誘電特性を記録する比較的低いＡＣプローブ電圧とからなることを特徴と する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の装置。
5. ５．前記電位が正弦波であり、かつ関連する周波数範囲全体を、高調波の発生に より非線形誘電応答が明確になる程度を確かめるよう置き換え（ｔｒａｎｓｌａ ｔｉｏｎ）即ちベクトル変換を行うことによって、走査できるようになっている ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の装置。
6. ６．前記応答比較手段が、同じ通常のタイプの生物細胞物質の特徴について先に 校正したデータ処理装置からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいず れかに記載の装置。
7. ７．前記応答の前記記憶されている特徴との比較結果に依存して検出可能な信号 を得るための手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれ かに記載の装置。
8. ８．生物細胞物質に関連する決定因子をモニタまたは分析する方法であって、単 一または複数の初期離散周波数のＡＣ電位を生物物質に印加する過程と、前記印 加ＡＣ電位と実質的に重複しない少なくとも１つの応答周波数に於いて前記物質 の応答を決定する過程と、前記応答と前記決定因子の記憶されている特徴とを比 較する過程とからなることを特徴とする方法。
9. ９．前記電位が、前記生物物質を励起する比較的高い電界と、前記生物物質の電 界依存誘電特性を記録する比較的低いＡＣプローブ電圧とからなることを特徴と する請求項８記載の方法。
10. １０．前記電位が正弦波であり、かつ前記装置が、関連する周波数範囲全体を、 高調波の発生により非線形誘電応答が明確になる程度を確かめるよう置き換え即 ちベクトル変換を行うことによって、走査できるようになっていることを特徴と する請求項８または請求項９記載の方法。
11. １１．前記決定因子がグルコースの濃度であることを特徴とする請求項８乃至請 求項１０のいずれか記載の方法。