【発明の詳細な説明】
非侵襲性グルコースモニター
発明の背景
本発明は、一般に、グルコース採集およびグルコース濃度測定のための方法お
よび装置に関する。より特定すれば、本発明は、非侵襲的に患者の皮膚を通して
血中グルコースレベルをモニターするための方法および装置に関する。
糖尿病(diabetes mellitus)を患う人々は、１日の経過の間血中グルコースレ
ベルをモニターしなければならない。血中グルコースレベルを測定する最も一般
的な先行技術の方法は、被験者の血液の一部分を実際に引き抜き、そしてその試
料について化学的分析を行うことによる。しかし、血液を連続的に引き抜くこと
は、患者にとって安全性についての危険を生じる。
先行技術は、血中グルコースレベルを測定するための「非侵襲性」の方法につ
いて記載している。これらの、恐らくは非侵襲性方法は、化学薬剤、電気、熱、
または陰圧の付与を実際に含み、血液以外の体液（これは、血液ではないが血中
グルコースレベルと相関するグルコースのレベルを含み得る）を取り出す。例え
ば、米国特許第5,161,532号は、患者の皮膚を通して間質液をセンサーに取り出
すためにポンプを用いるグルコースセンサーを記載する。この'532特許は、間質
液中の任意のグルコースがセンサー内の化学薬品と反応し、一対の電極により検
出される電気信号を生じることを記載する。
米国特許第5,036,861号は、患者の手首に貼った皮膚パッチ(patch)を通して患
者の汗を採集するグルコースモニターを記載する。イオン導入法(iontophoresis
)が、ゲルを患者の皮膚中に経皮的に導入するために使用されている。ゲルは、
外分泌汗腺の分泌機構を剌激するためのコリン作動性の薬剤、およびグルコース
が汗腺から皮膚パッチに移動するときに汗からのグルコースの損失を最小限にす
るまたは妨げる薬剤を含んでいる。'532特許のように、'861特許に記載されるデ
バイスは、電極を用いて採集された汗中のグルコースレベルを測定する。
米国特許第5,139,023号は、血中グルコースをモニターするために、さらに別
の「非侵襲性」装置、および方法を記載する。このモニターは、患者の上皮膜に
対する受容媒体を保持する容器(housing)中に含まれるグルコース採集媒体（例
えば、水）を含む。このグルコース採集媒体は、上皮の膜を通しての間質液から
モニター中へのグルコース浸透性を増強させる天然の胆汁酸塩のような浸透増強
化学薬剤を含む。しかし、'023の方法および装置によるグルコースを収集する試
みでは、何らかの浸透増強剤なしではグルコースが少しでも収集されたことは示
されなかった。
最後に、公開された欧州特許出願EP 0 304 304は、経皮的グルコース検出シス
テムを開示し、そこでは検出器は検出化学薬剤で飽和した多孔性キャリアを含む
。この検出器は、患者の皮膚に接着的に付着する。膜が検出化学薬剤の検出器か
らの移動を妨げるバリアとして作用し、その一方グルコースの検出器中への移動
を許容する。グルコースと検出化学薬剤との相互作用により６時間から12時間で
、感知できる色変化が引き起こされる。このデバイスはグルコースの存在を検出
するのみである；このデバイスは検出器中のグルコースの実際の量を測定しない
。
発明の要旨
本発明は、真に非侵襲性のグルコースモニタリング装置、および患者の皮膚を
通して間質液からグルコースを採集するための、熱、電気または化学薬剤に依存
しない方法を提供する。さらに、本発明の方法および装置は、リアルタイムに、
即ち、糖尿病患者が、血中グルコースレベルを正すための適切な行動をとらせる
に十分に短い時間に血中グルコースをモニターする。
好ましい実施態様では、採集デバイスは、所定の時間、患者の皮膚の角質層に
対して配置されるグルコース採集媒体（例えば、水）を含むリザーバーを備える
。グルコース採集媒体の少なくとも一部は、所定の時間の終わりにリザーバーか
ら取り出され、そしてグルコースについて分析される。
図面の簡単な説明
図１は、本発明の好ましい実施態様によるグルコース収集デバイスの側断面図
である。
図２は、好適なグルコース採集デバイスの底面図である。
図３は、本発明に使用されるグルコース分析方法に用いるセンサーの断面図で
ある。
図４は、本発明によるグルコースモニタリングシステムの略図である。
好適な態様の詳細な説明
本発明は、血中グルコースレベルをモニターするための簡易でかつ非侵襲性の
方法を提示する。患者の間質液中および患者の汗中にグルコースが見い出され得
ることが周知である。しかし、これまでは、グルコースは浸透増強剤の使用なし
では、リアルタイムに検出可能な量で患者の皮膚を横切ることが出来ないと考え
られていた。米国特許第5,139,023号、第７欄、第３行目を参照のこと。また、
汗または間質液が患者から実際に抽出されるときでさえ、活性な薬理学的薬剤が
、抽出された試料中のグルコースの存在を維持するために必要であると考えられ
ている。例えば、米国特許第5,036,861号、第３欄、第１〜10行目参照のこと。
本発明は、患者から実際に間質液を抽出することなく、かつ発汗誘導剤、グル
コース保存剤、または浸透増強剤を使用することなく、真に非侵襲性の様式で血
中グルコースを検出するための方法および装置である。好ましい実施態様では、
グルコースは患者の皮膚の角質層を通して、グルコース採集媒体を含むリザーバ
ーにより収集される。所定の時間の経過後、グルコース採集媒体を分析し、存在
するグルコースの量を測定する。
本発明を実施するための好ましい採集デバイスを図１および２に示す。デバイ
ス10は、カバー14に接するリザーバー12、接着層16、および患者の皮膚18の角質
層を備える。図２にその一部が示されるように、このデバイスは、プラスチック
カバー14を、卵型またはその他の形態の穴部が形成された両面接着剤16に付着す
ることにより形成される。好ましい実施態様において、カバー14は、セロハンプ
ラスチックから形成され、そして接着層16は、Avery両面接着剤、部品番号MED30
44である。
好ましいグルコース採集媒体は蒸留脱イオン水である。好適な方法によれば、
蒸留脱イオン水が、皮下針およびシリンジ20を通してリザーバー12中に注入され
る。先行技術における反対の示唆にかかわらず、グルコースが患者の間質液から
、
皮膚18を通してリザーバー12内の水中に移動する。この水が患者の皮膚に対して
所定の時間とどまった後、分析のために引き抜かれる。このグルコース採集デバ
イスおよび方法は、化学薬剤または機械的抽出を使用することなく、患者からグ
ルコースを採集し得る。
あるいは、ヒドロゲルが採集媒体として使用され得る。適切なヒドロゲルは、
米国特許第5,139,023号に記載されている。
リザーバーからの水（または他の採集媒体）を周期的な間隔（好ましくは、５
〜10分の間隔）で抽出し、そして分析してそのグルコース含量を決定し得る。好
ましいグルコース分析法は、LaCourseらによって「パルスボルタンメトリーに基
づく炭水化物のパルス電流検出のための波形の最適化」65Analytical Chemistry
50-55(1993年1月1日)に記載されているが、他の分析法も使用され得る。好まし
いパルス電流ボルタンメトリー(pulse amperometric voltammetry(PAD))分析法
では、高速液体クロマトグラフィーと、二方向電圧波形を用いる電気化学的検出
とを組み合わせている。特に、リザーバーから抽出した水をクロマトグラフィー
カラム上で拡散させる。このカラムをNaOH溶液のような高圧の溶媒で洗浄する。
溶液中の２つの電極の間にステップ状電圧波形を印加する。この電極のうちの１
つは金回転円板電極(gold rotating disk electrode)である。電圧波形は３つの
部分を有する：40msより長い検出時間については、-200mVから+400mVの範囲の検
出電位、約60msより長いものについては300mVから800mVの範囲の酸化電位、そし
て約60msより長いものについては-800mVから+100mVの範囲の還元電位。印加した
電圧に対する金電極の電極電流のプロットによって、グルコースのような特定の
溶質について固有の電圧値において特徴的なピークを有する曲線が得られる。こ
のピークの振幅またはピーク面積がその溶質の濃度の測定値となる。
別のグルコース濃度分析法を図３および４に示す。このグルコース測定手法の
実施態様は、米国特許第5,165,407号に記載されている酵素的手法と同様であり
、採集デバイスからのグルコース採集媒体の抽出を必要としない。
グルコースセンサー30を図３に詳細に示す。センサーボディー32は、ステンレ
ス鋼中空管状針34内に納められている。このセンサーボディは、テフロン(Teflo
n)被覆された白金−イリジウムワイヤ36(90％Pt/10％Ir)を有し、このワイヤは
全体で外径約0.2mmを有し、そしてその中に形成されたキャビティ38を有する。
キャビティ38は長さ約1.0mmであり、そしてワイヤ36の遠位端から約3.0mmに位置
する。グルコースオキシダーゼ層40はキャビティ38内に固定化され、そしてPt-I
rワイヤの表面に付着した酢酸セルロースポリマー層を含み、この酢酸セルロー
ス上にグルタルアルデヒドを介してグルコースオキシダーゼが架橋しており、指
示電極を形成する。この手順は米国特許第5,165,407号により詳細に記載されて
いる。この指示電極全体は、これも米国特許第5,165,407号に記載されているよ
うにポリウレタンの膜42で覆われており、指示電極へのグルコースの拡散速度が
制御される。
針34は、その鋭利な遠位端46に近接して開口部44を有し、層40を曝露する。図
に示されるように、シリコーンゴム栓48が針の一端を塞ぎ、エポキシのビーズ50
が他の端を塞ぐ。針の近位端を巻いているプラスチックシート52が、ホルダーと
して働く。
図４は、この別のグルコース分析法を用いるグルコース採集および測定系の略
図を示す。図３を参照して上述したセンサー30が、上記で図１および２を参照し
て記載したように、センサーの開口部44がグルコース採集媒体12に曝露されるよ
うに、患者の皮膚18に付着したグルコース採集デバイスに挿入される。導線60が
、センサー30の指示電極からグルコース測定装置62まで通じている。第２の導線
64が患者の皮膚18に付着した参照電極から通じている。装置62は導線60および64
を通して電圧を印加する。測定されたこれらの電極間の電流は、当該分野で公知
の方法で、採集媒体中のグルコースの濃度と関係づけられる。
本発明は、以下の実施例を通してさらに説明され得る。これらの実施例は、特
許請求されるいかなる実施態様をも限定することを意図しない。
実施例１〜５
図１および２に示される装置と実質的に同様の装置を用いて、ヒト成人からグ
ルコースを採集した。このデバイスを患者の前腕の皮膚の角質層上に付着させ、
そして最初に、蒸留した脱イオン水0.5mlからなる試料を皮下針およびシリンジ
を通じてこのデバイスのリザーバーに充填した。５分後にこの試料をリザーバー
から取り出し、そして５分間隔で全部で30分間、蒸留脱イオン水の新しい試料で
置換した。最後の試料は、取り出して分析する前に30分間リザーバー中に維持し
た。
抜き出した試料をパルス電流ボルタンメトリーを用いて分析した。結果を表Ｉ
に示す。グルコース濃度はマイクロモルで表した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Non-Invasive Glucose Monitors BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates generally to methods and devices for glucose collection and glucose concentration measurement. More particularly, the present invention relates to methods and devices for non-invasively monitoring blood glucose levels through the skin of a patient. People with diabetes (diabetes mellitus) must monitor blood glucose levels during the course of the day. The most common prior art method of measuring blood glucose levels is by actually drawing a portion of the subject's blood and performing a chemical analysis on the sample. However, continuous withdrawal of blood poses a safety risk to the patient. The prior art describes "non-invasive" methods for measuring blood glucose levels. These, perhaps non-invasive methods, actually involve the application of chemicals, electricity, heat, or negative pressure, in body fluids other than blood (which are not blood but glucose levels that correlate with blood glucose levels). Can be included). For example, US Pat. No. 5,161,532 describes a glucose sensor that uses a pump to draw interstitial fluid to the sensor through the skin of a patient. The '532 patent describes that any glucose in the interstitial fluid reacts with the chemical in the sensor, producing an electrical signal that is detected by a pair of electrodes. US Pat. No. 5,036,861 describes a glucose monitor that collects patient sweat through a skin patch applied to the patient's wrist. Iontophoresis has been used to transdermally introduce gels into the skin of patients. Gels contain cholinergic agents to stimulate the secretory machinery of the exocrine sweat glands and agents that minimize or prevent the loss of glucose from sweat as glucose moves from the sweat glands to the skin patch . Like the '532 patent, the device described in the' 861 patent uses electrodes to measure glucose levels in sweat collected. US Pat. No. 5,139,023 describes yet another "non-invasive" device and method for monitoring blood glucose. The monitor includes a glucose collection medium (eg, water) contained within a housing that holds a receptive medium for the patient's epithelium. The glucose collection medium contains a penetration enhancing chemical agent such as a natural bile salt that enhances glucose permeability through the epithelial membrane from the interstitial fluid into the monitor. However, attempts to collect glucose by the '023 method and device did not show that any glucose was collected without some penetration enhancer. Finally, published European patent application EP 0 304 304 discloses a transdermal glucose detection system, in which the detector comprises a porous carrier saturated with the detection chemistry. This detector adheres adhesively to the patient's skin. The membrane acts as a barrier that prevents the migration of the detection chemical from the detector, while allowing the transfer of glucose into the detector. The interaction of glucose with the detection chemical causes a noticeable color change in 6 to 12 hours. This device only detects the presence of glucose; it does not measure the actual amount of glucose in the detector. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a truly non-invasive glucose monitoring device and a method that does not rely on heat, electricity or chemical agents to collect glucose from interstitial fluid through the skin of a patient. Further, the methods and devices of the present invention monitor blood glucose in real time, that is, for a diabetic patient in a time short enough to take appropriate actions to correct blood glucose levels. In a preferred embodiment, the collection device comprises a reservoir containing a glucose collection medium (eg, water) that is placed against the stratum corneum of the patient's skin for a predetermined time. At least a portion of the glucose collection medium is removed from the reservoir at the end of the predetermined time and analyzed for glucose. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a side sectional view of a glucose collection device according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 2 is a bottom view of a suitable glucose collection device. FIG. 3 is a sectional view of a sensor used in the glucose analysis method used in the present invention. FIG. 4 is a schematic diagram of a glucose monitoring system according to the present invention. Detailed Description of the Preferred Embodiments The present invention presents a simple and non-invasive method for monitoring blood glucose levels. It is well known that glucose can be found in the interstitial fluid of patients and in sweat of patients. However, it was previously believed that glucose could not cross the patient's skin in detectable amounts in real time without the use of penetration enhancers. See U.S. Pat. No. 5,139,023, column 7, line 3. It is also believed that active pharmacological agents are required to maintain the presence of glucose in the extracted sample, even when sweat or interstitial fluid is actually extracted from the patient. See, eg, US Pat. No. 5,036,861, column 3, lines 1-10. The present invention detects blood glucose in a truly non-invasive manner without actually extracting interstitial fluid from the patient and without the use of perspiration inducers, glucose preservatives, or penetration enhancers A method and apparatus for. In a preferred embodiment, glucose is collected through the stratum corneum of the patient's skin by a reservoir containing a glucose collection medium. After a predetermined time, the glucose collection medium is analyzed to measure the amount of glucose present. A preferred collection device for practicing the present invention is shown in FIGS. The device 10 comprises a reservoir 12 in contact with a cover 14, an adhesive layer 16, and a stratum corneum of a patient's skin 18. As shown in part in FIG. 2, the device is formed by attaching a plastic cover 14 to a double-sided adhesive 16 having an oval or other form of perforations. In the preferred embodiment, the cover 14 is formed from cellophane plastic and the adhesive layer 16 is Avery double sided adhesive, part number MED3044. The preferred glucose collection medium is distilled deionized water. According to the preferred method, distilled deionized water is injected into reservoir 12 through a hypodermic needle and syringe 20. Notwithstanding the opposite suggestion in the prior art, glucose migrates from the patient's interstitial fluid through the skin 18 and into the water in the reservoir 12. This water remains on the patient's skin for a period of time and is then withdrawn for analysis. The glucose collection device and method can collect glucose from a patient without the use of chemical agents or mechanical extraction. Alternatively, hydrogels can be used as the collection medium. Suitable hydrogels are described in US Pat. No. 5,139,023. Water (or other collection medium) from the reservoir can be extracted at regular intervals (preferably at intervals of 5-10 minutes) and analyzed to determine its glucose content. A preferred method for glucose analysis is described by LaCourse et al., "Optimization of Waveforms for Pulsed Voltammetry-Based Pulsed Current Detection of Carbohydrates", 65 Analytical Chemistry 50-55 (January 1, 1993). Laws can also be used. A preferred pulse amperometric voltammetry (PAD) analysis method combines high performance liquid chromatography with electrochemical detection using a bidirectional voltage waveform. In particular, the water extracted from the reservoir is diffused on the chromatography column. The column is washed with a high pressure solvent such as NaOH solution. A step voltage waveform is applied between two electrodes in solution. One of the electrodes is a gold rotating disk electrode. The voltage waveform has three parts: a detection potential in the range of -200mV to + 400mV for a detection time longer than 40ms, an oxidation potential in the range of 300mV to 800mV for a longer than about 60ms, and longer than about 60ms. For reduction potentials in the range of -800 mV to +100 mV. A plot of the electrode current of the gold electrode against the applied voltage yields a curve with a characteristic peak at a specific voltage value for a particular solute such as glucose. The amplitude or peak area of this peak becomes the measured value of the concentration of the solute. Another glucose concentration analysis method is shown in FIGS. This glucose measurement technique embodiment is similar to the enzymatic technique described in US Pat. No. 5,165,407 and does not require extraction of the glucose collection medium from the collection device. The glucose sensor 30 is shown in detail in FIG. The sensor body 32 is contained within a stainless steel hollow tubular needle 34. The sensor body has a Teflon coated platinum-iridium wire 36 (90% Pt / 10% Ir) which has an overall outer diameter of about 0.2 mm and is formed therein. Has a cavity 38 formed therein. Cavity 38 is about 1.0 mm long and is located about 3.0 mm from the distal end of wire 36. Glucose oxidase layer 40 is immobilized in cavity 38 and comprises a cellulose acetate polymer layer attached to the surface of the Pt-I r wire onto which glucose oxidase is cross-linked via glutaraldehyde. Form electrodes. This procedure is described in more detail in US Pat. No. 5,165,407. The entire indicator electrode is covered with a polyurethane membrane 42, also as described in US Pat. No. 5,165,407, to control the rate of glucose diffusion into the indicator electrode. Needle 34 has an opening 44 adjacent its sharpened distal end 46 to expose layer 40. A silicone rubber plug 48 plugs one end of the needle and an epoxy bead 50 plugs the other end, as shown. A plastic sheet 52 wrapping the proximal end of the needle acts as a holder. Figure 4 shows a schematic of a glucose collection and measurement system using this alternative glucose analysis method. The sensor 30 described above with reference to FIG. 3 adheres to the patient's skin 18 such that the sensor opening 44 is exposed to the glucose collection medium 12, as described above with reference to FIGS. 1 and 2. Inserted into the glucose collection device. A lead wire 60 leads from the indicator electrode of the sensor 30 to the glucose measuring device 62. A second conductor 64 leads from a reference electrode attached to the patient's skin 18. Device 62 applies a voltage through conductors 60 and 64. The measured current between these electrodes is related to the concentration of glucose in the collection medium in a manner known in the art. The present invention can be further described through the following examples. These examples are not intended to limit any of the claimed embodiments. Examples 1-5 Glucose was collected from adult humans using a device substantially similar to the device shown in Figures 1 and 2. The device was deposited on the stratum corneum of the patient's forearm skin, and first a sample of 0.5 ml of distilled deionized water was loaded into the device's reservoir through a hypodermic needle and syringe. After 5 minutes, the sample was removed from the reservoir and replaced with a fresh sample of distilled deionized water at 5 minute intervals for a total of 30 minutes. The final sample was kept in the reservoir for 30 minutes before being removed and analyzed. The extracted sample was analyzed using pulsed current voltammetry. The results are shown in Table I. Glucose concentration was expressed in micromolar.