KR20010102951A - In vivo biosensor apparatus and method of use - Google Patents

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KR20010102951A
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implantable
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implantable monolithic
bioelectronic device
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세일러게리에스.
심슨마이클엘.
애플게이트브루스엠.
립스티븐에이.
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추후제출
유티-배틀, 엘엘시
더 유니버시티 오브 테네시 리서치 코포레이션
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Abstract

본 발명에서는, 동물의 신체에 이식되는 경우, 유체 중의 선택된 분석물을 검출하는 생물발광 바이오 리포터 집적 회로 장치를 기술하고 있다. 본 장치는 생물발광 리포터 폴리펩타이드를 암호화하는 유전자에 적합하게 결합된 선택된 물질에 반응성인 시스-활성화 반응 요소를 포함하는 핵산 단편을 함유하도록 유전공학으로 생성된 바이오 리포터를 포함한다. 바람직한 양태에서, 표적 분석물은 글루코스, 글루카곤 또는 인슐린이다. 표적 물질에 대한 바이오 리포터의 노출에 의해 반응 요소는, 검출되고 정량화되는 발광 반응을 생성하는 리포터 폴리펩타이드를 암호화하는 핵산 서열을 상향 조절하게 된다. 예시적인 양태에서, 바이오 리포터 장치는 방출된 광을 검출할 수 있는 집적 회로 위에 봉입되어 수득된 신호를 처리한 다음에, 이 결과를 원격 보고한다. 또한, 직접 통제되거나 또는 체액에 존재하는 표적 분석물의 양에 반응하여 약물 (예: 인슐린)을 동물에게 제공하는 검출 장치에 의해 간접적으로 통제될 수 있는 통제된 약물 전달 시스템이 기술되어 있다.The present invention describes a bioluminescent bioreporter integrated circuit device for detecting selected analytes in a fluid when implanted in the body of an animal. The device includes a bioreporter genetically generated to contain a nucleic acid fragment comprising a cis-activating response element that is reactive to a selected material suitably bound to a gene encoding a bioluminescent reporter polypeptide. In a preferred embodiment, the target analyte is glucose, glucagon or insulin. Exposure of the bioreporter to the target material results in upregulation of the nucleic acid sequence encoding the reporter polypeptide that produces a luminescent reaction that is detected and quantified. In an exemplary embodiment, the bioreporter device processes the signal obtained by encapsulating on an integrated circuit capable of detecting emitted light, and then remotely reporting the result. In addition, controlled drug delivery systems are described that can be controlled directly or indirectly by a detection device that provides a drug (eg, insulin) to an animal in response to the amount of the target analyte present in the body fluid.

Description

생체내 바이오 센서 장치 및 사용 방법{IN VIVO BIOSENSOR APPARATUS AND METHOD OF USE}In vivo biosensor device and method of use {IN VIVO BIOSENSOR APPARATUS AND METHOD OF USE}

1. 관련 기술1. Related Technology

A.바이오 센서 A. Biosensor

바이오 센서는 생물학적 성분과 분석학적 측정 요소를 결합시킨 혼성 장치이다. 생물학적 성분은 중요한 분석물(들)과 반응 및/또는 상호작용하여 전자, 광학 또는 기계적 변환기에 의해 측정가능한 반응을 생성한다. 현재 유용한 가장 일반적인 구조는 고정된 거대분자(예: 효소 또는 항체)를 사용하여 생물학적 성분을 생성한다. 분석물 및 고정된 거대분자의 예는 다음을 포함한다: 글루코스 및 고정된 글루코스 옥시다제(예: Wilkins et al., 1995); 질산염 및 고정된 질산염 리덕타제(Wu et al., 1997); 과산화수소 및 2,3-디클로로페녹시아세트산 및 고정된 양고추냉이 페록시다제(Rubtsova et al., 1998); 및 아스파르테이트 및 고정된 L-아스파르타제(Campanella et al., 1995).Biosensors are hybrid devices that combine biological components with analytical measurement elements. Biological components react and / or interact with important analyte (s) to produce a response measurable by electronic, optical or mechanical transducers. The most common structures currently available are the use of immobilized macromolecules (eg enzymes or antibodies) to produce biological components. Examples of analytes and immobilized macromolecules include: glucose and immobilized glucose oxidase (eg Wilkins et al., 1995); Nitrates and immobilized nitrate reductases (Wu et al., 1997); Hydrogen peroxide and 2,3-dichlorophenoxyacetic acid and immobilized horseradish peroxidase (Rubtsova et al., 1998); And aspartate and immobilized L-aspartase (Campanella et al., 1995).

B.전체 세포 (whole-cell) 바이오 센서 B. Whole-cell Biosensors

무손상 생체 세포(예: 미생물) 또는 진핵생물 세포 또는 세포 배양물을 고정된 효소에 대한 대체물로서 사용하는 바이오 센서에 대한 추가 정련이 최근에 개발되었다. 미생물 세포는 특히 바이오 센서 기술에 잘 적합되며; 이들은 물리적으로 튼튼하여 극도로 거칠고 광범위하게 변동되는 환경 조건하에 존재할 수 있으며, 이들은 이들의 환경에 대해 다양한 레퍼토리의 반응을 갖고, 또한 이들은 이들 환경 반응에 매우 민감한 리포터 시스템을 생성하도록 유전공학으로 생성될 수 있다. 특이적 프로모터 서열을 포함하는 폴리뉴클레오티드 서열은 바람직한 리포터 효소(들)를 암호화하는 유전자 또는 다수의 유전자에 적합하게 결합되고, 다음에 생체 세포로 도입되고 생체 세포내에 유지된다. 표적 분석물이 존재하는 경우, 리포터 유전자는 발현되어 측정된 신호 생성의 원인이 되는 효소(들)을 생성한다. 일반적으로 사용된 리포터 시스템은 β-갈락토시다제(lacZ) 또는 카테콜-2,3-디옥시게나제(xylE) 효소를 사용하였다(Kricka, 1993).Further refinement has recently been developed for biosensors using intact living cells (eg microorganisms) or eukaryotic cells or cell cultures as replacements for immobilized enzymes. Microbial cells are particularly well suited for biosensor technology; They are physically robust and can exist under extremely harsh and widely varying environmental conditions, and they have various repertoires of responses to their environment, and they can also be generated by genetic engineering to create reporter systems that are very sensitive to these environmental reactions. Can be. Polynucleotide sequences comprising specific promoter sequences are suitably bound to a gene or a plurality of genes encoding the desired reporter enzyme (s), which are then introduced into and maintained in living cells. If a target analyte is present, the reporter gene is expressed to produce the enzyme (s) that are responsible for generating the measured signal. Commonly used reporter systems used β-galactosidase ( lac Z) or catechol-2,3-dioxygenase ( xyl E) enzymes (Kricka, 1993).

불행하게도, 이들 시스템에는 표적 물질(들)에 노출 다음에, 세포는 파괴적으로 용해되고 효소(들)은 분리된다는 제한이 있다. 다음에, 이 용해는 하나 이상의 2차 대사물질의 첨가가 후속되어 용액 중의 효소(들)의 농도에 비례하는 비색계 신호를 생성하여, 원래 표적 물질의 농도를 정량화하는 수단을 제공한다.Unfortunately, these systems have a limitation that following exposure to the target substance (s), the cells are disruptively lysed and the enzyme (s) are isolated. This lysis, in turn, is followed by the addition of one or more secondary metabolites to produce a colorimetric signal that is proportional to the concentration of enzyme (s) in solution, providing a means of quantifying the concentration of the original target substance.

이러한 센서에서 더욱 최근의 개선방법은 리포터 시스템으로서 녹색 형광 단백질을 사용하는 것이며, 이때 중요한 잇점은 세포가 비색계 신호를 생성하는 파괴적 분석 기술을 필요로 하지 않는다는 것이다. 그러나, 기판이 녹색 형광 단백질 작제물에 첨가되어 광 반응을 먼저 개시하므로, 이들 시스템은 매우 복잡하며 원 위치에서 분석물을 검출하기 위한 잇점을 거의 제공하지 않는다(Prasher, 1995).A more recent improvement in these sensors is the use of green fluorescent proteins as reporter systems, with an important advantage that cells do not require disruptive analytical techniques to generate colorimetric signals. However, since the substrate is added to the green fluorescent protein construct to initiate the photoreaction first, these systems are very complex and provide little benefit for detecting analytes in situ (Prasher, 1995).

C.생체내 센서 C. In Vivo Sensor

통합된 생체내 이식가능한 글루코스 모니터의 개발은 먼저 윌킨스(Wilkins) 및 아타나소프(Atanasov)에 의해 보고되었다(1995). 이 시스템은 미량 생물반응기내에 고정된 글루코스 옥시다제를 사용한다. 이 효소는 분자 산소에 의한 β-D-글루코스의 산화를 촉매화하여 글루코노락톤 및 과산화수소를 생성하며, 이때 글루코스의 농도는 O2의 소비 및 H2O2의 생성에 비례한다. 불행하게도, 사람 혈류에서 글루코스 옥시다제 억제제 분자의 존재는 비례 상수를 오프셋시키는 경향이 있으며, 장치를 정확한 글루코스 감시 및 통제에 만족스럽지 못하게 부정확하게 만든다(Gough et al., 1997). 또한, 제한점은 장치의 비교적 큰 크기(5 x 7cm)이며, 이는 이식가능한 장치로서 이의 유용성을 무효하게 한다.The development of an integrated in vivo implantable glucose monitor was first reported by Wilkins and Atanasov (1995). This system uses glucose oxidase immobilized in the microbioreactor. The enzyme and catalyst to the oxidation of β-D- glucose by molecular oxygen to produce gluconolactone and hydrogen peroxide, wherein the concentration of glucose is proportional to the consumption and generation of H 2 O 2 in the O 2. Unfortunately, the presence of glucose oxidase inhibitor molecules in human blood flow tends to offset proportional constants, making the device unsatisfactory with accurate glucose monitoring and control (Gough et al., 1997). In addition, the limitation is that the relatively large size of the device ( 5 x 7 cm), which negates its usefulness as an implantable device.

다수의 소형 침상 및 미량투석 글루코스 센서는 그 후 포위 크기 제한으로 개발되었지만(Gough et al., 1997, Selam, 1997), 글루코스 옥시다제 효소-기본 시스템에 대한 이들의 의존성은 이의 전체 유용성 및 신뢰도를 제한한다.Many small needle and microdialysis glucose sensors have since been developed with enveloping size limitations (Gough et al., 1997, Selam, 1997), but their dependence on glucose oxidase enzyme-based systems has been shown to improve its overall utility and reliability. Restrict.

다수의 비특이적 전기화학적 센서는 또한, 가능한 글루코스 센서로서 연구되었지만(예: Yao et al., 1994; Larger et al., 1994), 제한된 감도, 불안정성 및 제한된 장기간 신뢰도를 포함하는 문제는 이의 광범위한 이용을 방해한다(Patzer et al., 1995). 아타나소프 등(1997)에 따라서, 장기간 안정성을 갖는 연속 변동 이식가능한 글루코스 바이오 센서는 아직 완성되지 않았다.Many nonspecific electrochemical sensors have also been studied as possible glucose sensors (eg Yao et al., 1994; Larger et al., 1994), but problems involving limited sensitivity, instability and limited long-term reliability have prevented their widespread use. Interference (Patzer et al., 1995). According to Atanasov et al. (1997), a continuous variable implantable glucose biosensor with long term stability has not yet been completed.

2. 선행 기술에서의 문제점2. Problems in the prior art

과거 십년 동안에 바이오 센서의 상당한 소형화에도 불구하고, 이들은 이상적 이식가능한 장치로서 사용하기에 여전히 비교적 크고 튀어나와 있다. 포유류의 생물발광 리포터 세포를 사용하는 현재의 방법은 세포 용해 및 외인성 기판의 첨가를 필요로 하여 측정가능한 반응을 생성한다. 결국, 이들 세포는 연속적 직결 감시 장치로서 사용하지 못한다.Despite the significant miniaturization of biosensors over the past decade, they are still relatively large and protruding for use as ideal implantable devices. Current methods using mammalian bioluminescent reporter cells require cell lysis and the addition of exogenous substrates to produce measurable responses. As a result, these cells cannot be used as a continuous direct monitoring device.

따라서, 내구성, 저가, 무선이며, 약물 전달 시스템에 원격으로 통신하여 치료제(예: 인슐린)의 통제된 전달을 제공할 수 있는 소형의 이식가능한 모놀리틱(즉, 단일 기판 층 위에서 작제된 생물학적 및 전기 성분을 둘다 함유) 생체 전자 모니터의 개발이 계속 필요하다.Thus, a small, implantable monolithic (i.e., biologically constructed on a single substrate layer) that is durable, inexpensive, wireless, capable of communicating remotely to a drug delivery system to provide controlled delivery of a therapeutic agent (e.g. insulin). There is a continuing need for the development of bioelectronic monitors that contain both electrical components.

본원은 1998년 12월 2일자로 출원된 미국 임시 출원 제60/110,684호에 대한 우선권을 주장하는 연속 출원으로서, 특히 이의 전체 내용이 본원에서 참조 문헌으로 포함되어 있다.This application is a continuous application claiming priority over US Provisional Application No. 60 / 110,684, filed December 2, 1998, in particular the entire contents of which are incorporated herein by reference.

미국 정부는 미국 국립 위생 연구소 (NIH)로부터 허여받은 번호 R21RR14169-01에 따라 본 발명에 특정한 권리를 갖는다.The US government has certain rights in the present invention in accordance with number R21RR14169-01, licensed from the National Institutes of Health (NIH).

본 발명은 일반적으로 동물에서 하나 이상의 표적 물질, 분석물 또는 대사물질을 감시하기 위한 이식가능한 진단 장치(즉, 동물의 생체내에 배치된 장치) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사람의 조직 및 순환계에서의 분석물의 수준을 감시하고 조절하기 위한 이식가능한 바이오 센서 장치를 제공한다. 예시적인 양태에서, 이러한 장치는 당뇨병 또는 저혈당증 환자에 있어서 혈당 수준을 감시하는 바이오 센서를 포함한다. 또한, 본원에 기술된 센서는, 외부 또는 이식가능한 약물 전달 시스템으로부터 약물 또는 기타의 다른 약제학적 제제의 전달을 통제 또는 조절하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원의 장치는 인공 췌장의 일부를 구성하여, 원위치 (in situ)에서 검출된 글루코스의 수준에 반응하여 인슐린 용량을 조절할 수 있다.The present invention generally relates to the field of implantable diagnostic devices (ie, devices placed in vivo in an animal) for monitoring one or more target substances, analytes or metabolites in an animal. In particular, the present invention provides implantable biosensor devices for monitoring and regulating levels of analytes in human tissues and the circulatory system. In an exemplary embodiment, such devices include biosensors that monitor blood sugar levels in diabetic or hypoglycemic patients. In addition, the sensors described herein can be used to control or regulate the delivery of drugs or other pharmaceutical agents from external or implantable drug delivery systems. For example, the device herein may form part of an artificial pancreas to adjust insulin dose in response to the level of glucose detected in situ .

다음 도면은 본 명세서의 일부를 구성하며, 포함되어 본 발명의 특정 측면을 추가로 예시한다. 본 발명은 하나 이상의 이들 도면을 본원에 나타난 특정 양태의 상세한 설명과 함께 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다. 본 발명의 예시적인 양태는 도면으로 도시되며, 이때 유사한 숫자가 사용되어 다수 도면의 유사한 및 상응하는 부분을 언급한다.The following drawings form part of this specification and are included to further illustrate certain aspects of the invention. The invention may be better understood with reference to one or more of these figures in conjunction with the detailed description of the specific aspects presented herein. Exemplary aspects of the invention are shown in the drawings, wherein like numerals are used to refer to like and corresponding parts of the several views.

도 1은 본 발명의 한가지 예시적인 양태의 투시도를 도시한다.1 illustrates a perspective view of one exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 예시적인 양태의 측면도를 도시한다.2 shows a side view of an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 집적 회로의 예시적인 양태의 블록 선도를 도시한다.3 shows a block diagram of an exemplary aspect of an integrated circuit.

도 4A는 표준 N-웰 CMOS 방법을 사용하여 제조할 수 있는 고품질 광검출기를 도시한다.4A shows a high quality photodetector that can be fabricated using standard N-well CMOS methods.

도 4B는 절연체상 실리콘 CMOS 방법으로 제작된 두가지 광검출기 구조물을 도시한 것이다: 측면 PIN 검출기 (좌측) 및 접합부가 Schottky 접합으로 형성된 것 이외에는 좌측과 유사한 장치 (우측).4B shows two photodetector structures fabricated by the insulator silicon CMOS method: a device similar to the left side (right side) except the side PIN detector (left) and the junction formed with a Schottky junction.

도 5A는 P-확산 층, N-웰 및 P-기판으로 이루어진 간단한 광 다이오드를 도시한다.5A shows a simple photodiode consisting of a P-diffusion layer, an N-well and a P-substrate.

도 5B는 효율적 광 수집을 위한 대규모 광 다이오드 및, 피드백 루프 내의 소규모 다이오드를 이용하여 광전류를 소멸시키는 순방향 바이어스 전류를 공급하는 회로를 도시한다.5B shows a circuit for supplying a large-scale photodiode for efficient light collection and a forward bias current that dissipates the photocurrent using a small diode in the feedback loop.

도 5C는 상관 이중 샘플링 (CDS)을 이용하여, 저주파 (명멸) 증폭기 소음 효과 뿐만 아니라 증폭기 오프셋 전압에서의 시간 또는 온도 의존성 변화를 최소화하는 회로를 도시한다.FIG. 5C shows a circuit using correlated double sampling (CDS) to minimize low frequency (blink) amplifier noise effects as well as time or temperature dependent changes in amplifier offset voltage.

도 6은 장치의 전류 대 주파수 변환기 구조를 도시한다.6 shows the current-to-frequency converter structure of the device.

도 7은 원형 BBIC 바이오 센서를 도시한다.7 shows a circular BBIC biosensor.

도 8은 바이오 리포터 Pseudomonas putida TVA8을 사용하는 원형 BBIC에 대한 적분 시간의 함수로서 톨루엔의 검출가능한 최소 농도를 도시한다.8 shows the minimum detectable concentration of toluene as a function of integration time for prototype BBIC using the bioreporter Pseudomonas putida TVA8.

도 9는 복막 글루코스 바이오 센서 및 인슐린 펌프의 개략적 표현을 도시한다.9 shows a schematic representation of the peritoneal glucose biosensor and insulin pump.

도 10A는 두가지 별도의 광검출기를 글루코스 농도의 증가 또는 감소에 반응하는 바이오 리포터와 함께 함유하는 이식가능한 바이오 센서의 개략적 표현을 도시한다.10A shows a schematic representation of an implantable biosensor containing two separate photodetectors with a bioreporter that responds to an increase or decrease in glucose concentration.

도 10B는 실라스틱 피복 (silastic covering) 을 나타내는 바이오 센서의 측면도를 도시한다.FIG. 10B shows a side view of a biosensor showing a silicone covering. FIG.

도 10C는 면역 반응으로부터 바이오 리포터를 보호하는 선택적 투과성 막의 용도의 개략적 표현을 도시한다.10C shows a schematic representation of the use of selective permeable membranes to protect bioreporters from immune responses.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 선행 기술에서 이들 및 다른 본래 제한점을, 이식가능한 장치 및 동물의 신체에서 특정한 분석물을 검출하고 정량화하는 방법을 제공함으로써 극복한다. 특히, 본 발명은 사람 또는 동물에서 대사물질, 약물, 호르몬, 독소 또는 미생물(예: 바이러스)을 생체내 검출하고 정량화하기 위한 장치를 제공한다. 예시적인 양태에서, 본 발명은 사람에 있어서 글루코스의 검출에 유용한 BBIC 장치를 제공한다. 이러한 장치는 먼저 글루코스 감시용의 정확한 직결 검출기를 제공하며, 외부 또는 이식가능한 약물 전달 시스템을 통해 약제학적 제제의 투여를 통제하는 능력을 부여한다. 또한, 신호 분자(즉, 암 세포 등으로부터 방출된 단백질), 혈병 인자, 효소 등 및 혈류 또는 간질 유체에 존재하는 다른 분석물의 농도를 검출하기 위한 BBIC 장치가 기술되어 있다. 종양학 분야에서, 바이오 센서 장치는 개시 및 재방출 감시 둘 다에서, 화학요법의 효과의 직결 측정에서 및 면역 시스템의 자극/활성에서 유용성이 밝혀진다. 마찬가지로, 바이오 센서 장치는 혈병의 발생(발작, 심장 발작 등)과 연관된 효소에 대한 직결 감시, 응괴 인자의 검출 및 정량화(유지 수준), 호르몬 대체, 연속 약물 감시(죄수, 군대 병력 등에 있어서 통제된 물질에 대한 시험), 신경제 및 다른 쇠약제에 대한 군인 노출 내지 설하 노출의 감시, 정신 질환에 영향을 주는 화합물의 수준 감시 등을 포함하여 의학의 다른 분야에 유용하다.The present invention overcomes these and other inherent limitations in the prior art by providing implantable devices and methods for detecting and quantifying specific analytes in the body of an animal. In particular, the present invention provides an apparatus for detecting and quantifying in vivo metabolites, drugs, hormones, toxins or microorganisms (such as viruses) in humans or animals. In an exemplary embodiment, the present invention provides a BBIC device useful for the detection of glucose in humans. Such a device first provides an accurate direct detector for glucose monitoring and confers the ability to control the administration of the pharmaceutical agent via an external or implantable drug delivery system. Also described are BBIC devices for detecting concentrations of signal molecules (ie, proteins released from cancer cells, etc.), blood clotting factors, enzymes, and the like and other analytes present in the bloodstream or interstitial fluid. In the field of oncology, biosensor devices find utility in both initiation and re-release surveillance, in direct measurements of the effects of chemotherapy, and in stimulation / activity of the immune system. Similarly, biosensor devices can be directly controlled for enzymes associated with the development of blood clots (seizures, heart attacks, etc.), detection and quantification of clotting factors (maintenance levels), hormone replacement, continuous drug monitoring (prisoners, military forces, etc.). Tests on substances), surveillance of military or sublingual exposure to neurological and other debilitating agents, monitoring of levels of compounds affecting mental illness, and the like.

본 발명의 한 양태에서, 동물의 신체내에서 분석물을 검출하기 위한 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치 (implantable monolithic bioelectronic device)가 제공된다. 일반적 의미로 이 장치는 집적 회로 위에 있는 기판 위에 적합하게 배치된 바이오 리포터 (bioreporter)를 포함한다. 바이오 리포터는 표적 분석물을 대사시킬 수 있으며, 분석물과 접촉하는 경우, 이러한 대사 작용으로 발광시킨다. 상기 장치는 방출된 광을 검출하고, 바이오 리포터에 의해 발생된 광의 양에 비례하여 전기 신호를 발생하는 집적 회로에 근접하게 배치된 센서를 추가로 포함한다. 바람직하게는 전체 이식가능한 장치는 분석물 검출이 필요한 동물의 신체내에 이식된 생체 적합성 용기내에 함유된다.In one aspect of the invention, an implantable monolithic bioelectronic device for detecting an analyte in the body of an animal is provided. In a general sense, the device includes a bioreporter that is suitably disposed on a substrate over an integrated circuit. The bioreporter can metabolize the target analyte and, when in contact with the analyte, emit light by this metabolism. The apparatus further includes a sensor disposed in proximity to the integrated circuit that detects the emitted light and generates an electrical signal in proportion to the amount of light generated by the bioreporter. Preferably the entire implantable device is contained in a biocompatible container implanted into the body of an animal in need of analyte detection.

생체 적합성 용기 (biocompatible container)는 질화규소, 산화규소 또는 적합한 중합체 매트릭스로 이루어질 수 있으며, 이러한 매트릭스의 예로는 폴리비닐 알콜, 폴리-L-리신이고, 알기네이트가 특히 바람직하다. 또한, 중합체 매트릭스는 미소다공성, 메시-보강된 또는 필터-지지된 하이드로겔을 추가로 포함할 수 있다.Biocompatible containers may consist of silicon nitride, silicon oxide or a suitable polymer matrix, examples of which are polyvinyl alcohol, poly-L-lysine, with alginates being particularly preferred. In addition, the polymer matrix may further comprise a microporous, mesh-reinforced or filter-supported hydrogel.

또한, 특정 양태에서는, 광변환기 및 바이오 리포터 사이에 적합하게 배치된 투명한, 생체 적합성, 생체 내성 분리기를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.In certain embodiments, it may also be desirable to provide a transparent, biocompatible, bioresistant separator that is suitably disposed between the photoconverter and the bioreporter.

바이오 리포터는 바람직하게는 표적 분석물의 존재에 반응하여 생물발광 리포터 폴리펩타이드를 생성하는 다수의 진핵생물 또는 원핵생물 세포를 포함한다.원핵생물 세포(예: 하나 이상의 세균 균주) 및 진핵생물 세포(예: 포유류 세포)가 특히 바람직하다. 포유류 세포의 예로는, 사람 세포(예: β-세포섬, 죽지 않는 간세포(stem cell) 또는 간세포(hepatic cell))이며, 죽지 않는 간세포가 특히 바람직하다.Bioreporters preferably include a number of eukaryotic or prokaryotic cells that produce a bioluminescent reporter polypeptide in response to the presence of a target analyte. Prokaryotic cells (eg, one or more bacterial strains) and eukaryotic cells (eg, : Mammalian cells) are particularly preferred. Examples of mammalian cells are human cells (e.g., β-cell islands, stem cells or hepatic cells), and hepatocytes that do not die are particularly preferred.

바람직하게는, 이들 세포는 세포에 의해 분석물의 존재에 반응하여 생성된 루시페라제 폴리펩타이드 또는 녹색 형광 단백질을 암호화하는 하나 이상의 핵산 단편을 포함한다. 바람직하게는, 핵산 단편은 Aqueorea victoria, Renilla reniformis 또는 인간화된 녹색 형광 단백질, 또는 더욱 바람직하게는 세균 Lux 폴리펩타이드 (예를 들어, LuxA, LuxB, LuxC, LuxD 또는 LuxE 폴리펩타이드) 또는 본원에서 기술된 LuxAB 또는 LuxCDE 융합된 폴리펩타이드를 암호화한다.Preferably, these cells comprise one or more nucleic acid fragments encoding luciferase polypeptides or green fluorescent proteins produced in response to the presence of analytes by the cells. Preferably, the nucleic acid fragment is Aqueorea victoria, Renilla reniformis or humanized green fluorescent protein, or more preferably bacterial Lux polypeptide (eg, LuxA, LuxB, LuxC, LuxD or LuxE polypeptide) or as described herein. Encode LuxAB or LuxCDE fused polypeptide.

사용되어 유전학적 작제물을 제조할 수 있는 예시적인 세균 lux 유전자 서열은 Vibrio fischerii, 또는 더욱 바람직하게는, Xenorhabdus luminescens luxA, luxB, luxC, luxD, luxE, luxAB 또는 luxCDE 유전자를 포함한다.Exemplary bacterial lux gene sequences that can be used to prepare genetic constructs include Vibrio fischerii, or more preferably, Xenorhabdus luminescens luxA, luxB, luxC, luxD, luxE, luxAB or luxCDE genes.

본원에 기술된 유전학적 작제물을 제조하기 위해 사용될 수 있는 lux 유전자 서열의 예로는, SEQ ID NO:1에 기술된 유전자 서열을 포함한다. Lux 폴리펩타이드 서열의 예로는, SEQ ID NO:2, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO:5 및 SEQ ID NO:6에 기술되어 있다.Examples of lux gene sequences that can be used to prepare the genetic constructs described herein include the gene sequences described in SEQ ID NO: 1. Examples of Lux polypeptide sequences are described in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6.

바람직하게는, Lux 폴리펩타이드는 SEQ ID NO:2 내지 SEQ ID NO:6에 기술된 하나 이상의 폴리펩타이드 서열로부터 10개 이상의 연속 아미노산 서열을 포함한다. 더욱 바람직하게는, Lux 폴리펩타이드는 SEQ ID NO:2 내지 SEQ ID NO:6에 기술된 하나 이상의 폴리펩타이드 서열로부터 15개 이상의 연속 아미노산 서열을 포함하며, 더욱 바람직하게는, 여전히 SEQ ID NO:2 내지 SEQ ID NO:6에 기술된 하나 이상의 폴리펩타이드 서열로부터 20개 이상의 연속 아미노산 서열을 포함한다.Preferably, the Lux polypeptide comprises 10 or more contiguous amino acid sequences from one or more polypeptide sequences described in SEQ ID NO: 2 to SEQ ID NO: 6. More preferably, the Lux polypeptide comprises 15 or more contiguous amino acid sequences from one or more polypeptide sequences described in SEQ ID NO: 2 to SEQ ID NO: 6, more preferably still SEQ ID NO: 2 To 20 or more contiguous amino acid sequences from one or more polypeptide sequences described in SEQ ID NO: 6.

이러한 폴리펩타이드는 바람직하게는, SEQ ID NO:1으로부터 20개 이상, 25개 이상, 30개 이상, 35개 이상, 40개 이상 또는 45개 이상 또는 그 이상의 연속 뉴클레오티드를 포함하는 핵산 서열에 의해 암호화된다.Such polypeptides are preferably encoded by nucleic acid sequences comprising at least 20, at least 25, at least 30, at least 35, at least 40 or at least 45 or more contiguous nucleotides from SEQ ID NO: 1. do.

Lux-암호화 핵산 단편의 발현은 Lux-암호화 분절에 적합하게 결합된 핵산 조절 서열에 의해 바람직하게 조절된다. 바람직하게는, 이 조절 서열은 표적 분석물의 존재에 반응성인 시스-작용 요소를 포함한다. 예시적인 시스-작용성 반응 요소는 S14 유전자 서열, 간 L-피루베이트 키나제 유전자 서열, 간 6-포스포프럭토-2-키나제 유전자 서열, β-섬 인슐린 유전자 서열, 사구체간질 형질전환 성장 인자-β 유전자 서열 및 아세틸-조효소-A-카복실라제 유전자 서열로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.The expression of Lux-encoding nucleic acid fragments is preferably controlled by nucleic acid regulatory sequences that are suitably bound to the Lux-encoding segment. Preferably, this regulatory sequence comprises a cis-acting element that is reactive to the presence of the target analyte. Exemplary cis-acting response elements include the S14 gene sequence, hepatic L-pyruvate kinase gene sequence, hepatic 6-phosphofructo-2-kinase gene sequence, β-islet insulin gene sequence, glomerular interstitial transforming growth factor-β The gene sequence and the acetyl-coenzyme-A-carboxylase gene sequence.

예시적인 양태에서, 시스-작용성 반응 요소는 β-섬 인슐린 유전자 서열 또는 간 L-피루베이트 키나제 유전자 서열로부터 연속 뉴클레오티드 서열을 포함한다. 핵산 서열의 발현은 본원에서 기술된 L-피루베이트 키나제-암호화 유전자로부터 유도된 것과 같은 프로모터 서열에 의해 바람직하게 조절된다.In an exemplary embodiment, the cis-functional response element comprises a contiguous nucleotide sequence from a β-islet insulin gene sequence or a liver L-pyruvate kinase gene sequence. Expression of nucleic acid sequences is preferably controlled by promoter sequences such as those derived from the L-pyruvate kinase-coding genes described herein.

본 발명의 장치는 무선 송신기, 안테나 및 바이오 리포터 세포를 유지할 수 있는 영양소의 공급원을 추가로 포함할 수 있다. 마찬가지로, 바이오 리포터를 둘러싸는 생체 적합성 용기는 분석물에 투과성이지만, 바이오 리포터 세포 자체에는불투과성인 막을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 반투과성 막은 분석물이 체액으로부터 검출기 장치로 자유롭게 이동하도록 허용하지만, 장치로부터 장치가 이식되는 신체의 포위 조직 또는 순환계로 바이오 리포터 세포의 이동을 제한한다.The device of the present invention may further comprise a source of nutrients capable of holding the radio transmitter, antenna and bioreporter cells. Likewise, the biocompatible container surrounding the bioreporter may further comprise a membrane that is permeable to the analyte but impermeable to the bioreporter cell itself. Such semipermeable membranes allow the analyte to move freely from body fluid to the detector device, but restrict the movement of bioreporter cells from the device to the surrounding tissue or circulation of the body into which the device is implanted.

본 발명의 한 양태에서, 집적 회로는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 집적 회로이다. 집적 회로는 하나 이상의 광변환기를 포함할 수 있으며, 이는 자체가 하나 이상의 광 다이오드로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 집적 회로는 또한 광 다이오드, 전류 대 주파수 변환기, 디지털 계수기, 및/또는 디지털 또는 아날로그 데이터를 송신할 수 있는 송신기를 추가로 포함할 수 있다.In one aspect of the invention, the integrated circuit is a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuit. An integrated circuit may include one or more photoconverters, which may themselves consist of one or more photodiodes. Likewise, integrated circuits may further include photodiodes, current-to-frequency converters, digital counters, and / or transmitters capable of transmitting digital or analog data.

또한, 본 발명은 BBIC 장치, 및 BBIC에 의해 적합하게 통제될 수 있으며 약물을 장치에 의한 통제에 반응하여 동물의 신체로 전달할 수 있는 이식가능한 약물 전달 펌프를 포함하는 이식가능한 통제된 약물 전달 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명은 필요한 환자에게 약물의 통제된 공급을 제공하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 일반적으로 환자의 신체내에 통제된 약물 전달 시스템의 이식을 포함한다.The invention also provides an implantable controlled drug delivery system comprising a BBIC device and an implantable drug delivery pump that can be suitably controlled by the BBIC and delivers the drug to the body of the animal in response to control by the device. to provide. The present invention also relates to a method of providing a controlled supply of drugs to a patient in need thereof. The methods of the invention generally involve the implantation of a controlled drug delivery system into the body of a patient.

또한, 본 발명은 당뇨병 환자에게 적당한 양의 인슐린을 제공하는 경우와 같이, 약물이 필요한 환자에게 필요한 약물의 양을 측정하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 일반적으로 당뇨병 환자의 신체내에 글루코스, 글루카곤, 인슐린 또는 다른 글루코스 대사물질에 반응성인 하나 이상의 BBIC 장치를 이식하고, 체액에서 장치에 의해 검출된 분석물의 수준을 기본으로 하여, 환자에게 필요한 인슐린의 양을 측정함을 포함한다. 본 발명의 장치가 높은 수준의 인슐린이 필요함을 지시하는 경우, 적합한 통제 신호가 약물 전달 시스템에 보내지고, 다량의 인슐린이 투여될 수 있다. 본 발명의 장치가 낮은 수준의 인슐린이 필요함을 지시하는 경우, 적합한 통제 신호가 약물 전달 시스템에 보내지고, 소량의 인슐린이 투여될 수 있다. 동물의 신체에서 글루코스의 이러한 "실시간" 감시는 하루에 걸쳐 인슐린의 통제된 방출을 허용하며, 특정 시간의 투여에 너무 많거나 너무 적을 수 있는 인슐린을 매일 또는 더욱 빈번하게 주사할 필요를 제거한다. 이는 약물의 더욱 비용-효율적인 투여를 제공하며, 환자에게 인슐린의 더욱 적합한 용량을 "필요한 경우" 기준으로 제공한다.The present invention also provides a method of measuring the amount of drug required by a patient in need of the drug, such as providing a suitable amount of insulin to a diabetic patient. The methods of the present invention generally implant one or more BBIC devices responsive to glucose, glucagon, insulin or other glucose metabolites in the body of a diabetic patient and based on the levels of analytes detected by the device in body fluids, Measuring the amount of insulin required. When the device of the present invention indicates that a high level of insulin is needed, appropriate control signals are sent to the drug delivery system and large amounts of insulin can be administered. When the device of the present invention indicates that a low level of insulin is needed, a suitable control signal is sent to the drug delivery system and a small amount of insulin can be administered. This “real time” monitoring of glucose in the body of the animal allows for controlled release of insulin over the day, eliminating the need for daily or more frequent injections of insulin, which may be too much or too little for a particular time of administration. This provides more cost-effective administration of the drug and gives the patient a more suitable dose of insulin on a "if needed" basis.

또한, 본 발명은 분석물 검출용 킷트를 제공하며, 이러한 킷트는 검출 장치를 이용하기 위한 적절한 명령과 함께 일반적으로 하나 이상의 기술된 BBIC 장치를 포함한다. 또한, 이러한 킷트는 장치를 보정하기 위한 하나 이상의 표준화된 참조 용액을 일반적으로 함유할 수 있으며, 바이오 리포터 세포를 저장 동안에 또는 동물의 신체내에 일단 이식되어 사용하는 동안에 유지하기 위한 적합한 저장소 또는 영양 배지를 포함할 수 있다. 치료학적 킷트의 경우, 이러한 킷트는 또한 동물의 신체에 약물을 투여하기 위한 하나 이상의 통제된 전달 시스템을 일반적으로 포함한다.The present invention also provides a kit for analyte detection, which kit generally includes one or more of the described BBIC devices with appropriate instructions for using the detection device. In addition, such kits may generally contain one or more standardized reference solutions for calibrating the device, and may contain suitable reservoirs or nutrient media for maintaining the bioreporter cells during storage or once implanted in the body of the animal. It may include. For therapeutic kits, these kits also generally include one or more controlled delivery systems for administering the drug to the body of the animal.

또한, 본 발명은 필요한 동물의 혈당 수준을 조절하는 방법을 제공한다. 이 방법은 일반적으로 환자의 혈류 또는 간질 유체에서 글루코스의 수준을 BBIC 장치를 사용하여 감시하고, 환자에게 혈당 수준을 조절하기에 충분한 유효량의 인슐린 조성물을 투여함을 특징으로 한다.The present invention also provides a method of controlling blood glucose levels in an animal as required. This method is generally characterized by monitoring the level of glucose in a patient's blood or interstitial fluid using a BBIC device and administering to the patient an effective amount of an insulin composition sufficient to control blood glucose levels.

이러한 새로운 종류의 생물발광-기본 바이오 리포터는, 세포가 파괴되어 측정가능한 신호를 생성하는 불리한 요건 없이, 표적 물질을 감시할 수 있다. 이를 통해, 연속적으로 온-라인 및 실시간으로 발생 여부를 감시할 수 있다(Simpson et al., 1998a, 1998b). 이들 세포는 리포터 효소 시스템에 대한 루시페라제 유전자(원핵생물에서 lux 및 진핵생물에서 luc로 지시)에 의존한다. 미국 특허원 제08/978,439호 및 국제 특허원 PCT/US98/25925(이들은 각각 본원에서 참조로 이의 전체가 인용되어 있다)에는 특이적 분자 표적을 원위치 외부에서(ex situ) 또는 세포외에서 (ex vivo) 검출한다고 고안된 자체-함유 소형 생물발광 바이오 리포터 집적 회로("BBIC")가 기술되어 있다.This new class of bioluminescent-based bioreporters can monitor target substances without the disadvantageous requirement that cells break down to produce measurable signals. This allows continuous on-line and real-time monitoring of occurrence (Simpson et al., 1998a, 1998b). These cells rely on the luciferase gene (directed by lux in prokaryotes and luc in eukaryotes) for the reporter enzyme system. U.S. Patent Application No. 08 / 978,439 and International Patent Application No. PCT / US98 / 25925, each of which are hereby incorporated by reference in their entirety, disclose specific molecular targets ex situ or ex vivo (ex vivo). A self-contained small bioluminescent bioreporter integrated circuit (“BBIC”) designed to detect is described.

본 발명은 동물의 신체내에 이식될 수 있고 동물 내부에 존재하는 하나 이상의 분석물의 농도를 검출할 수 있는 이식가능한, 또는 원위치 (in situ) 또는 생체내 (in vivo) BBIC 장치에 관한 것이다. 본 발명의 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치는 일반적으로, 기판, 발광에 의해 특정 물질에 반응할 수 있는 바이오 리포터, 바이오 리포터를 지지할 수 있는 기판에 부착된 용기, 광에 반응하여 물질의 농도를 나타내는 전기 신호를 발생시키도록 동작하는 광변환기를 포함하는 기판상의 집적 회로; 및 동물의 신체내에 이식될 수 있는 생체 적합성 하우징을 포함하며, 이 때 하우징 부분은 분석물을 동물의 신체로부터 통과시켜 바이오 센서와 접촉하도록 허용하는 반투과성 막을 포함하는 바이오 리포터 용기를 덮지만, 바이오 리포터 분자가 이식된 장치를 함유하는 동물의 신체로 확산되는 것을 제한한다. 바이오 리포터는 용액, 즉 세포 현탁액에 존재할 수 있으며, 용기에 반투과성 막에의해 트래핑될 수 있거나, 또는 바이오 리포터는 용액 중의 선택된 물질이 바이오 리포터에 도달하도록 허용할 수 있는 선택적 투과성 중합체 매트릭스에 봉입될 수 있다. 바람직하게는, 매트릭스는 광학적으로 투명하다.The present invention relates to an implantable, in situ or in vivo BBIC device capable of being implanted into the body of an animal and detecting the concentration of one or more analytes present within the animal. Implantable monolithic bioelectronic devices of the present invention generally include a substrate, a bioreporter capable of reacting to a specific substance by luminescence, a container attached to a substrate capable of supporting the bioreporter, and a concentration of the substance in response to light. An integrated circuit on a substrate comprising a photoconverter operable to generate an electrical signal representative of the light source; And a biocompatible housing that can be implanted into the body of the animal, wherein the housing portion covers the bioreporter container including a semipermeable membrane that allows the analyte to pass from the body of the animal and contact the biosensor, It restricts the diffusion of molecules into the body of the animal containing the implanted device. The bioreporter may be present in a solution, ie a cell suspension, may be trapped by a semipermeable membrane in a container, or the bioreporter may be enclosed in an optional permeable polymer matrix that may allow selected materials in the solution to reach the bioreporter. have. Preferably, the matrix is optically transparent.

본 발명의 장치는 기판 및 용기 사이에 생체 내성/생체 적합성 물질의 층 (예를 들어, 질화규소 층)을 추가로 포함할 수 있다. 집적 회로는 바람직하게는 CMOS 집적 회로이며, 광변환기는 바람직하게는 광 다이오드이다.The device of the present invention may further comprise a layer of bioresistant / biocompatible material (eg, silicon nitride layer) between the substrate and the container. The integrated circuit is preferably a CMOS integrated circuit and the photoconverter is preferably a photodiode.

또한, 집적 회로는 전류 대 주파수 변환기 및/또는 디지털 계수기를 포함할 수 있다. 또한, 집적 회로는 하나 이상의 송신기를 포함할 수도 있다. 이러한 송신기는 무선이거나 통상적으로 유선일 수 있다. 바람직한 양태에서, 본 발명의 장치는 또한 송신기로부터 송신을 수용할 수 있는 약물 전달 장치를 포함한다.In addition, integrated circuits may include current-to-frequency converters and / or digital counters. In addition, the integrated circuit may include one or more transmitters. Such a transmitter may be wireless or typically wired. In a preferred aspect, the device of the present invention also includes a drug delivery device capable of receiving a transmission from a transmitter.

본 발명의 추가 양태는 용액 중의 선택된 물질을 검출하기 위한 이식가능한 장치이며, 이는 전기 신호를 광에 반응하여 회로로 입력하기에 적합한 광변환기를 포함하는 집적 회로, 발광에 의해 용액 중의 선택된 물질에 반응할 수 있는 바이오 리포터, 물질과 접촉하기에 적합한 리포터; 및 광변환기 및 바이오 리포터 사이에 배치되어 바이오 리포터로부터 방출된 광이 광변환기에 닿을 수 있는 투명한, 생체 적합성 및 생체 내성 분리기를 포함한다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 선택된 물질은 글루코스이다. 바이오 리포터는 하나 이상의 발광 리포터 분자를 암호화하는 뉴클레오티드 서열을 함유하는 포유류 세포일 수 있다. 이러한 뉴클레오티드 서열은 하나 이상의 lux 유전자를 포함할 수 있다. 바람직한 양태에서, lux 유전자는 luxCDE 유전자 및 융합된 luxAB 유전자를 둘 다 포함한다. 한 양태에서, 이들 lux 유전자는 Xenorhabdus luminescens로부터 유도된다. lux 유전자는 하나 이상의 시스-작용성 글루코스 반응 요소를 포함하는 핵산 서열에 의해 조절될 수 있다. 1가지 예시적인 양태에서, 글루코스 반응 요소는 β-섬 또는 간 L-피루베이트 키나제 유전자로부터 유도될 수 있다. 매우 바람직한 양태에서, p.LPK.LucFF플라스미드가 사용되어 하나 이상의 글루코스 반응 요소 및 L-피루베이트 키나제 프로모터를 제공함으로써 하나 이상의 lux 유전자의 발현을 조종한다. 바이오 리포터를 구성하는 세포는 현탁액에 존재하고, IC 상에서 적소에 반투과성 막에 의해 트래핑될 수 있다. 또는, 바이오 리포터를 구성하는 세포는 IC에 부착된 중합체 매트릭스에 봉입될 수 있다. 이러한 매트릭스는 용액 중의 선택된 물질에 투과성일 수 있다.A further aspect of the invention is an implantable device for detecting selected materials in a solution, which includes an integrated circuit suitable for inputting an electrical signal into the circuit in response to light, reacting to the selected material in solution by luminescence Bioreporter, reporter suitable for contact with a substance; And a transparent, biocompatible and bioresistant separator disposed between the photoconverter and the bioreporter such that light emitted from the bioreporter can reach the photoconverter. In a preferred embodiment of the invention, the substance selected is glucose. The bioreporter may be a mammalian cell containing a nucleotide sequence encoding one or more luminescent reporter molecules. Such nucleotide sequences may comprise one or more lux genes. In a preferred embodiment, the lux gene comprises both the luxCDE gene and the fused luxAB gene. In one embodiment, these lux genes are derived from Xenorhabdus luminescens. The lux gene can be regulated by a nucleic acid sequence comprising one or more cis-acting glucose response elements. In one exemplary embodiment, the glucose response element can be derived from β-islet or hepatic L-pyruvate kinase gene. In a very preferred embodiment, the p.LPK.Luc FF plasmid is used to direct the expression of one or more lux genes by providing one or more glucose response elements and an L-pyruvate kinase promoter. The cells that make up the bioreporter are in suspension and can be trapped by a semipermeable membrane in place on the IC. Alternatively, the cells making up the bioreporter may be enclosed in a polymer matrix attached to the IC. Such matrices may be permeable to selected materials in solution.

본 발명의 추가 양태는 체액 중의 선택된 물질을 검출하기 위한 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치에 관한 것이다. 이 장치는 일반적으로, 생체 적합성 하우징; 발광에 의해 선택된 물질에 반응할 수 있는 바이오 리포터; 및 발광 수신에 반응하여 전기 신호를 발생시킬 수 있는 센서를 포함한다. 이러한 장치는 또한, 바이오 리포터 및 센서 사이에 배치된 투명한, 생체 내성 및 생체 적합성 분리기 및 생체 적합성 하우징에 배치된 반투과성 막을 포함할 수 있어서, 선택된 물질이 바이오 리포터에 접근할 수 있도록 한다.A further aspect of the invention relates to an implantable monolithic bioelectronic device for detecting selected substances in body fluids. The device generally includes a biocompatible housing; A bioreporter capable of reacting with a material selected by luminescence; And a sensor capable of generating an electrical signal in response to receiving light emission. Such a device may also include a transparent, bioresistant and biocompatible separator disposed between the bioreporter and the sensor, and a semipermeable membrane disposed in the biocompatible housing, allowing the selected material to access the bioreporter.

표준 집적 회로(IC)는 절연 물질(예: 이산화규소 또는 질화규소)의 층으로 피복된다. 이런 공정은 부동화 (passivation)라고 하며, 수분, 오염 및 기계적 손상으로부터 칩의 표면을 보호하는 데에 사용된다. BBIC는, 생체 적합성 및 생체 내성이어야 하며, OASIC를 화학적 응력으로부터 보호해야 하고, 시험 물질로부터 광을 효율적으로 송신하도록 광학적으로 동조되어야 하며, 산화물 코팅에 부착되어야 하고, 핀-홀(pin-hole)이 부재해야 하며, 결합 패드 위에 구멍을 형성하도록 패턴화될 수 있어야 하는 제2 코팅과 바이오 리포터를 유지하거나 샘플을 수집하는 데에 필요한 어떠한 구조물도 필요로 한다.Standard integrated circuits (ICs) are covered with a layer of insulating material such as silicon dioxide or silicon nitride. This process is called passivation and is used to protect the chip's surface from moisture, contamination and mechanical damage. The BBIC must be biocompatible and bioresistant, must protect the OASIC from chemical stress, optically tuned to efficiently transmit light from the test material, adhere to an oxide coating, and pin-hole It needs to be absent and any structure needed to hold the second coating and bioreporter or to collect the sample that must be patterned to form a hole over the bond pad.

본 발명은 바이오 센서의 성분이 킷트 형태로 포장될 수 있음을 고려한다. 상기 킷트는 적합한 용기 수단에, 하나 이상의 바이오 리포터 및 광변환기를 포함하는 집적 회로를 포함할 수 있다. 상기 킷트는 약물 전달 장치를 추가로 포함할 수 있다.The present invention contemplates that the components of the biosensor can be packaged in kit form. The kit may comprise an integrated circuit comprising one or more bioreporters and a photoconverter in suitable container means. The kit may further comprise a drug delivery device.

예시적인 양태의 설명Description of Example Aspects

루시페라제 시스템은 생체내에서 바이오 센서에 사용하기에 적합하였다. 원핵생물에서, lux 시스템은 장쇄 지방산 알데히드를 상응하는 지방산으로 산화시켜 청색-녹색 광을 490nm의 근접 파장에서 방출시키는 유전자 luxA 및 luxB에 의해 암호화된 두개의 서브유닛으로 구성된 루시페라제로 이루어진다(Tu and Mager, 1995). 시스템은 또한, 지방산을 알데히드 기판로 전환시키고 재순환시키는, 세가지 단백질, luxC에 의해 암호화된 리덕타제, luxD에 의해 암호화된 트랜스페라제 및 luxE에 의해 암호화된 신테타제로 이루어진 다효소 지방산 리덕타제를 함유한다. 유전자는 단일 오페론에 함유되어, 생물발광의 이용에 대한 사용자-특이적 프로모터로부터 하방의(downstream) 완전 lux 유전자 카세트의 클로닝이 유전자 발현을 감시하도록 허용한다. 대부분의 생물발광 바이오 리포터는 결정적으로 중요한 화학적 및 환경 스트레서를 검출하고 감시하도록 생성된 그램-음성 유기체로 이루어진다(Ramanathan et al., 1997, Steinberg et al., 1995). 그램-양성 세균 뿐만 아니라 효모 세포 라인에서 루시페라제 융합이 또한 성공적으로 수행되고 있다(Andrew and Roberts, 1993, Srikantha et al., 1996).Luciferase systems are suitable for use in biosensors in vivo. In prokaryotes, the lux system consists of luciferase consisting of two subunits encoded by the genes luxA and luxB, which oxidize long-chain fatty acid aldehydes to the corresponding fatty acids to emit blue-green light at a wavelength close to 490 nm (Tu and Mager, 1995). The system also contains three proteins, a reductase encoded by luxC, a transferase encoded by luxD, and a synthetase encoded by luxE, which converts and recycles fatty acids to an aldehyde substrate, and a polyenzyme fatty acid reductase encoded by luxE. do. The gene is contained in a single operon, allowing cloning of the full lux gene cassette downstream from the user-specific promoter for the use of bioluminescence to monitor gene expression. Most bioluminescent bioreporters consist of Gram-negative organisms created to detect and monitor critically important chemical and environmental stressors (Ramanathan et al., 1997, Steinberg et al., 1995). Luciferase fusion has also been successfully performed in yeast cell lines as well as in Gram-positive bacteria (Andrew and Roberts, 1993, Srikantha et al., 1996).

세균 리포터로 클로닝된 진핵생물 루시페라제 유전자는 560nm 근처에서 개똥벌레 루시페라제(luc) 발생 광 및 595nm 근처에서 방아벌레 루시페라제(lucOR) 방출 광을 포함한다(Cebolla et al., 1995, Hastings, 1996). 진핵생물 바이오 리포터는 래트 β-세포섬에서 글루코스 농도(Kennedy et al., 1997), HeLa 세포에서 스테로이드 활성(Gagne et al., 1994), 마우스 섬유아세포에서 자외선 효과(Filatov et al., 1996), 사람의 간암 세포에서 독성 효과(Anderson et al., 1995), 유방암 세포 라인에서 에스트로겐 및 안티에스트로겐 화합물(Demirpence et al., 1995) 및 사람의 간암 세포에서 에리트로포이에틴 유전자 유도(Gupta and Goldwasser, 1996)를 감시하도록 고안되었다. 지금까지, 대부분의 진핵생물 생물발광 리포터는 측정가능한 발광 반응을 생성하는, 세포 파괴 및 외인성 기판, 일반적으로 루시페린의 첨가를 필요로 한다.Eukaryotic luciferase genes cloned with bacterial reporters include firefly luciferase-generating light near 560 nm and firefly luciferase-emitting light near 595 nm (Cebolla et al., 1995, Hastings, 1996). Eukaryotic bioreporters are characterized by glucose concentrations in rat β-cell islets (Kennedy et al., 1997), steroid activity in HeLa cells (Gagne et al., 1994), and ultraviolet effects in mouse fibroblasts (Filatov et al., 1996). Toxic effects in human liver cancer cells (Anderson et al., 1995), estrogen and antiestrogens compounds in breast cancer cell lines (Demirpence et al., 1995) and erythropoietin gene induction in human liver cancer cells (Gupta and Goldwasser, 1996). To date, most eukaryotic bioluminescent reporters require the addition of cell disruption and exogenous substrates, generally luciferin, which produce measurable luminescent responses.

또한, 녹색 형광 단백질("GFP")은 일반적으로 리포터 시스템으로서 사용되며, 이때 중요한 잇점은 세포가 비색계 신호를 생성하는 유해한 검정 기술을 필요로 하지 않는다는 것이다(Hanakam et al., 1996; Grygorezyk et al., 1996; Siegel and Isacoff, 1997; Biondi et al., 1998). 그러나, 기판은 GFP 작제물에 첨가되어 광 반응을 먼저 개시해야 한다(Prasher, 1995). 포유류 세포, 특히 사람 유래의 것에서 고 수준 발현에 특히 적합한 인간화된 GFP cDNA가 발생되었다 (Zolotukhin 1996). 인간화된 GFP는 포유류 세포로 바이러스 벡터를 사용하여 효율적으로 삽입될 수 있다(Levy et al., 1996; Gram et al., 1998).In addition, green fluorescent protein ("GFP") is commonly used as a reporter system, where an important advantage is that cells do not require harmful assay techniques to generate colorimetric signals (Hanakam et al., 1996; Grygorezyk et al. , 1996; Siegel and Isacoff, 1997; Biondi et al., 1998). However, the substrate must be added to the GFP construct to initiate the photoreaction first (Prasher, 1995). Humanized GFP cDNAs have been generated that are particularly suitable for high levels of expression in mammalian cells, especially those derived from humans (Zolotukhin 1996). Humanized GFP can be efficiently inserted into mammalian cells using viral vectors (Levy et al., 1996; Gram et al., 1998).

리포터 유기체로부터의 생물발광 신호의 검출은, 광전 증배관, 광 다이오드, 마이크로채널 판, 사진 필름 및 전하-결합된 장치를 포함하여, 광학적 변환기의 사용을 통해 수행된다. 광은 렌즈, 광섬유 케이블 또는 액체 광 가이드를 통해 변환기로 수집되고 이동한다. 그러나, 소량, 원격 검출 또는 다수의 병렬 감지를 필요로 하는 적용은 소형이고 휴대용이면서, 고도의 감도를 유지하는 새로운 종류의 기기를 필요로 한다.Detection of bioluminescent signals from reporter organisms is performed through the use of optical transducers, including photomultipliers, photodiodes, microchannel plates, photographic films, and charge-coupled devices. Light is collected and traveled to the transducer through a lens, fiber optic cable or liquid light guide. However, applications requiring small amounts, remote detection or multiple parallel sensing require a new class of devices that are compact and portable while maintaining high sensitivity.

A. 본 발명의 시스템의 개관A. Overview of the System of the Invention

본 발명에는 선택된 물질을 검출하는 이식가능한 BBIC를 기술되어 있다. 바이오 리포터는 핵산 서열이 선택된 물질에 반응성인 시스-활성화 반응 요소를 함유하는 유전공학으로 생성된 세포 라인이다. 바람직한 양태에서, 선택된 물질은 글루코스이다. 바이오 리포터를 선택된 물질에 노출시켜 반응 요소가 발광 반응을 생성하는 하나 이상의 폴리펩타이드를 암호화하는 핵산 서열을 상향 조절하게 한다. 바람직한 양태에서, 발광 반응은 원핵생물 lux 시스템에 의해 생성된다.The present invention describes implantable BBICs that detect selected materials. Bioreporters are genetically engineered cell lines in which nucleic acid sequences contain cis-activating response elements that are reactive to selected materials. In a preferred embodiment, the substance selected is glucose. The bioreporter is exposed to the selected material, causing the reaction component to upregulate the nucleic acid sequence encoding one or more polypeptides that produce a luminescent reaction. In a preferred embodiment, the luminescence reaction is produced by a prokaryotic lux system.

BBIC의 IC 부분의 기능은 생물발광 신호를 검출하고, 여과하고, 증폭시키고, 디지털화하고, 보고하는 것이다. 실제로, IC는 칩상의 완전한 실험실 기기 (미소 광도계)로서 사용된다.The function of the IC portion of the BBIC is to detect, filter, amplify, digitize and report bioluminescent signals. In practice, the IC is used as a complete laboratory instrument (microphotometer) on a chip.

실리콘계 IC는 광학적 신호를 근자외선, 가시광선 및 근적외선 영역에서 트랜지스터를 제조하는 데에 일반적으로 사용되는 PN 접합을 사용하여 검출할 수 있다(Simpson et al., 1999a). 0.5μm 벌크 CMOS IC 방법에서 n-웰/p-기판 광 다이오드를 사용하면, 약 66% 양자 효율이 490nm 생물발광 파장에서 측정되었다(Simpson et al., 1999b). 다수의 신호 처리 도식이 사용될 수 있다. 그러나, 전류 대 주파수 변환기 회로로부터 펄스를 계수함으로써 긴 시상수 적분기가 형성되며, 이는 백색 소음에서의 저 생물발광 신호를 위한 정합 필터의 원인 부분이다. 이러한 신호 처리 방법에 의한 상술한 광 다이오드를 사용하여, 175개 전자/초의 rms 소음 수준이 13분의 적분 시간 동안 측정되며, 이는 약 500개 광자/초의 검출 제한에 상응한다(Simpson et al., 1999b).Silicon-based ICs can detect optical signals using PN junctions commonly used to fabricate transistors in the near, visible and near infrared regions (Simpson et al., 1999a). Using an n-well / p-substrate photodiode in a 0.5 μm bulk CMOS IC method, about 66% quantum efficiency was measured at 490 nm bioluminescence wavelength (Simpson et al., 1999b). Multiple signal processing schemes may be used. However, by counting pulses from the current-to-frequency converter circuit, a long time constant integrator is formed, which is the causal part of the matched filter for low bioluminescence signals in white noise. Using the photodiode described above by this signal processing method, an rms noise level of 175 electrons / second is measured for an integration time of 13 minutes, which corresponds to a detection limit of about 500 photons / second (Simpson et al., 1999b).

원형 BBIC는 톨루엔 감수성 바이오 리포터,P. putidaTVA8을 통상의 적분 미소 광도계 위에 배치하여 제작한다. 도 6은 특성화 연구에 사용되는 (바이오 리포터 봉입물을 포함하는) 원형 BBIC를 도시한다(Simpson et al., 1998b; Simpson et al., 1998c; Simpson et al., 1998d).Circular BBIC is prepared by placing a toluene sensitive bioreporter, P. putida TVA8, on a conventional integrated microphotometer. FIG. 6 shows circular BBIC (including bioreporter inclusions) used for characterization studies (Simpson et al., 1998b; Simpson et al., 1998c; Simpson et al., 1998d).

상기 세포로부터 도래하는 발광 신호의 부재하에, 1분으로 설정된 적분 시간 에 수차례 측정한다. 누설 전류는 약 6 카운트/분의 신호를 발생시키며, 이때 표준 편차(σ)는 0.22 카운트/분이다. 예상한 바와 같이, σ는 적분 시간의 제곱근으로 감소한다. 긴 적분 시간은 오프-라인으로 1분 측정을 총계하여 생성된다.In the absence of a luminescent signal from the cells, measurements are made several times at an integration time set to 1 minute. The leakage current generates a signal of about 6 counts / minute, with a standard deviation σ of 0.22 counts / minute. As expected, σ decreases with the square root of the integration time. Long integration times are generated by totaling 1 minute measurements off-line.

생물발광은 BBIC 세포 및 세포의 대조 샘플에서 톨루엔 증기에 대한 노출에 의해 유도된다. 대조 샘플 측정으로부터, 본 발명자들은 톨루엔 농도가 1ppm 이하임을 추정한다. 12 카운트/분(배경 위에서 6 카운트/분)의 신호가 측정된다. 앞의 측정으로부터,P. putidaTVA8은 톨루엔 농도에 대한 선형 반응을, 농도가 약 10ppm의 수준에 도달하는 경우에 포화될 때까지 나타낸다고 공지되어 있다. 적분 시간의 함수로서 이러한 BBIC에 대한 최소 검출가능한 톨루엔 농도가 도 8에 도시되어 있다. 일반적으로, 검출가능한 최소 농도는 또한, 바이오 리포터 세포의 수 및 광 다이오드 면적의 함수이다.Bioluminescence is induced by exposure to toluene vapor in BBIC cells and control samples of cells. From control sample measurements, we estimate that the toluene concentration is 1 ppm or less. A signal of 12 counts / minute (6 counts / minute on the background) is measured. From the previous measurements, it is known that P. putida TVA8 exhibits a linear response to toluene concentration until saturated when the concentration reaches a level of about 10 ppm. The minimum detectable toluene concentration for this BBIC as a function of integration time is shown in FIG. 8. In general, the minimum detectable concentration is also a function of the number of bioreporter cells and the photodiode area.

나프탈렌-민감성 BBIC는 상기 미소 광도계 및 바이오 리포터P. fluorescens5RL을 사용하여 제조된다. 상기 동일한 실험 방법을 사용하여, 이러한 BBIC를 나트탈렌 증기에 약 10ppm의 농도로 노출시킨다. 240 카운트/분의 신호가 기록된다.Naphthalene-sensitive BBICs are prepared using the microphotometer and bioreporter P. fluorescens 5RL. Using the same experimental method as above, this BBIC is exposed to a concentration of about 10 ppm of nattalene vapor. A signal of 240 counts / minute is recorded.

외인성 기판의 첨가에 대한 필요를 제거하기 위해서, 세포는 자체가 루시페라제에 적합한 기판을 공급해야 한다. 세균 시스템에서, 기판은 luxCDE 유전자에 의해 암호화된 지방산 리덕타제 복합체에 의해 생성된다. 이러한 효소 복합체는 짧은 사슬의 지방산을 상응하는 알데히드로 환원시킨다. 다음에, 루시페라제는 알데히드를 상응하는 지방산으로 산화시킨다. 이 반응에 바람직한 지방산은 미리스트산 (myristic acid)이며, 이는 진핵생물 유기체에 존재한다(Rudnick et al., 1993). 미리스트산은 일반적으로 막 부착과 연관된 아미노 종말의 미리스토일화에 포함된다(Borgese et al., 1996, Brand et al., 1996).To eliminate the need for the addition of exogenous substrates, the cells themselves must supply a substrate suitable for luciferase. In bacterial systems, the substrate is produced by fatty acid reductase complexes encoded by the luxCDE gene. This enzymatic complex reduces the short chain of fatty acids to the corresponding aldehyde. Luciferase then oxidizes the aldehyde to the corresponding fatty acid. Preferred fatty acids for this reaction are myristic acid, which is present in eukaryotic organisms (Rudnick et al., 1993). Myristic acid is generally included in myristoylation of the amino terminus associated with membrane adhesion (Borgese et al., 1996, Brand et al., 1996).

바람직한 양태에서, 글루코스 감시용 바이오 리포터는 글루코스 농도에 반응하여 발광을 연속적으로, 세포 파괴 및 외인성 기판 첨가가 필요 없이, 발현하도록 유전공학으로 생성된 포유류 생물발광 리포터 세포 라인이다. 포유류 생물발광 리포터 세포를 사용하는 현재의 방법은 측정가능한 반응을 생성하는 데에 세포 용해 및 외인성 기판의 첨가를 필요로 한다. 결국, 이들 세포는 연속적 직결 감시 장치로서 사용하지 못한다. 바람직한 양태에서, 이러한 새로운 세포 라인은 글루코스 농도에 반응할 수 있는 진핵생물 luc 유전자를 함유하는 p.LPK.LucFF라 지시된 플라스미드계 시스템에 편입된 X. luminescens로부터luxAB 및luxCDE 유전자를 사용하는 생물발광 리포터를 사용하여 작제된다.luc유전자를luxAB 유전자로 대체하면 생물발광을 글루코스 농도와 실시간으로 측정하는 것을 허용하여, 세포 파괴 및 기판 첨가에 대한 필요가 무효하게 된다.In a preferred embodiment, the glucose report bioreporter is a mammalian bioluminescent reporter cell line genetically generated to express luminescence continuously in response to glucose concentration, without the need for cell disruption and exogenous substrate addition. Current methods using mammalian bioluminescent reporter cells require cell lysis and the addition of exogenous substrates to produce measurable responses. As a result, these cells cannot be used as a continuous direct monitoring device. In a preferred embodiment, this new cell line uses the lux AB and lux CDE genes from X. luminescens incorporated into a plasmid based system designated p.LPK.Luc FF containing eukaryotic luc genes capable of responding to glucose concentrations. It is constructed using a bioluminescent reporter. Replacing the luc gene with the lux AB gene allows bioluminescence to be measured in real time with glucose concentration, thus eliminating the need for cell disruption and substrate addition.

이식가능한 글루코스 감시 BBIC를 제조하기 위해서, 바이오 리포터는 이들을 IC 광검출기 위의 적소에 유지하는 반투과성 막 뒤의 용기에 트래핑할 수 있다. 또는, 바이오 리포터는 중합체 매트릭스에 넣을 수 있다. BBIC는 바이오 리포터 영역을 덮는 반투과성 막을 갖는 생체 적합성 하우징에 봉입된다. 이 막은 글루코스가 바이오 리포터를 통과하도록 허용하지만, 글루코스 측정을 방해할 수 있는 거대 분자의 통과를 차단한다. 글루코스가 바이오 리포터에 도달하는 경우, 이는 대사되고, 세포는 가시광선을 방출한다. IC는 이러한 광선을 검출하고, 이러한 신호를 증폭시키고 여과한 다음에, 이러한 측정을 보고한다. 이러한 측정은 환자에게 보고되거나(예: 손목시계 수신기로) 췌장과 매우 유사하게 작용하는 폐쇄 루프 시스템에서 인슐린 펌프로 보고될 수 있다.To produce implantable glucose monitoring BBICs, the bioreporter can trap them in a container behind a semipermeable membrane that holds them in place over the IC photodetector. Alternatively, the bioreporter can be placed in a polymer matrix. The BBIC is enclosed in a biocompatible housing having a semipermeable membrane covering the bioreporter region. This membrane allows glucose to pass through the bioreporter, but blocks the passage of large molecules that can interfere with glucose measurements. When glucose reaches the bioreporter, it is metabolized and the cells emit visible light. The IC detects these rays, amplifies and filters these signals and then reports these measurements. Such measurements may be reported to the patient (eg, with a wristwatch receiver) or with an insulin pump in a closed loop system that works very similarly to the pancreas.

도 1은 본 발명의 투시도를 도시한다. 검출되는 글루코스(10)는 바이오 리포터를 덮는 반투과성 막(12)을 통해 BBIC(11)로 들어간다.1 shows a perspective view of the present invention. The detected glucose 10 enters the BBIC 11 through the semipermeable membrane 12 covering the bioreporter.

도 2는 본 발명의 측면도를 도시한다. BBIC는 용기(22)에 유지된 바이오 리포터를 덮는 반투과성 막(21)을 갖는 생체 적합성 하우징(20)에 봉입된다. 바이오 리포터를 구성하는 세포는 현탁액 중에 존재하거나 중합체 매트릭스에 봉입될 수 있다. 바이오 리포터는 광검출기(23)로부터 보호 코팅(24)에 의해 분리된다. 단일 물질(25)은 광검출기 뿐만 아니라 신호를 처리하고 송신하는 추가 회로(26)를 함유한다.2 shows a side view of the present invention. The BBIC is enclosed in a biocompatible housing 20 having a semipermeable membrane 21 covering the bioreporter held in the vessel 22. The cells that make up the bioreporter may be in suspension or enclosed in a polymer matrix. The bioreporter is separated from the photodetector 23 by a protective coating 24. Single material 25 contains photodetectors as well as additional circuits 26 for processing and transmitting signals.

도 3은 집적 회로(IC)의 한 양태의 블록 선도를 도시한다. 광검출기는 전류 대 주파수 변환기(30)에 연결된 광 다이오드(33)이다. 광 다이오드는 전류를 싱크 (sink)시켜 광에 반응한다. 전류는 디지털 계수기(31)에 누산된 일련의 펄스로 변환된다. 계수기에서 고정량의 시간에서의 카운트의 수는 광 다이오드에 의해 수집된 광의 양에 직접 비례하며, 이는 글루코스의 농도에 직접 비례한다. 디지털 계수기내의 디지털 처리 회로는 측정된 글루코스 수준을 기본으로 하여, 인슐린 펌프에 적합한 다음 단계를 결정한다. 측정된 농도 또는 인슐린 펌프에 대한 다음 지시는 무선 송신기(32)를 거쳐 보고될 수 있다. 모든 이들 회로(광 다이오드, 신호 처리 및 무선 송신)는 하나의 IC 상에서 제작될 수 있다.3 shows a block diagram of one aspect of an integrated circuit (IC). The photodetector is a photodiode 33 connected to the current to frequency converter 30. Photodiodes respond to light by sinking current. The current is converted into a series of pulses accumulated in the digital counter 31. The number of counts at a fixed amount of time in the counter is directly proportional to the amount of light collected by the photodiode, which is directly proportional to the concentration of glucose. The digital processing circuit in the digital counter determines the next step suitable for the insulin pump based on the measured glucose level. The next indication for the measured concentration or insulin pump may be reported via the wireless transmitter 32. All these circuits (photodiodes, signal processing and wireless transmission) can be fabricated on one IC.

도 4는 물 및 영양소로 공급된 바이오 리포터를 도시한다. 유체 및 영양소 저장소(141)는 미량 유체 펌프(142)에 연결되어 영양소 및 유체(144)가 바이오 리포터를 둘러싸는 중합체 매트릭스(143)를 통해 유동할 수 있게 한다. 이들 소자는각각 단일 기판(140) 위에 구성될 수 있다.4 shows a bioreporter fed with water and nutrients. Fluid and nutrient reservoir 141 is connected to the microfluidic pump 142 to allow nutrients and fluid 144 to flow through the polymer matrix 143 surrounding the bioreporter. These devices may each be configured on a single substrate 140.

도 5A는 표준 N-웰 CMOS 방법을 사용하여 제조된 고 품질 광검출기를 도시한다. 광검출기는 병렬인 두개의 역 바이어스 다이오드로 이루어진다. 상부 다이오드는 P+ 활성 층(45) 및 N-웰(46) 사이에 형성되며, 하부 다이오드는 N-웰(46) 및 P-기판(47) 사이에 형성된다. 상부 다이오드는 우수한 단파장 광 감도를 갖는 반면(400 내지 550nm), 하부 다이오드는 우수한 장파장 감도를 갖는다(500 내지 1100nm). 따라서, 완전한 다이오드는 400 내지 1100nm 범위 이상에서 감응한다. 시험되는 발광 화합물(41)은 광검출기로부터 Si3N4의 층 및 SiO2의 층에 의해 분리된다.5A shows a high quality photodetector fabricated using a standard N-well CMOS method. The photodetector consists of two reverse bias diodes in parallel. The upper diode is formed between the P + active layer 45 and the N-well 46 and the lower diode is formed between the N-well 46 and the P-substrate 47. The top diode has good short wavelength light sensitivity (400-550 nm), while the bottom diode has good long wavelength sensitivity (500-1100 nm). Thus, a complete diode is sensitive in the 400-1100 nm or more range. The light emitting compound 41 to be tested is separated from the photodetector by a layer of Si 3 N 4 and a layer of SiO 2 .

도 10A, 도 10B 및 도 10C는 두개의 별도 광검출기를 글루코스 농도의 증가 또는 감소에 반응하는 바이오 리포터와 함께 함유하는 이식가능한 바이오 센서의 개략적 표현을 도시한다.10A, 10B and 10C show schematic representations of implantable biosensors containing two separate photodetectors with bioreporters in response to an increase or decrease in glucose concentration.

도 10B는 실라스틱 피복을 나타내는 바이오 센서의 측면도를 도시한다.10B shows a side view of a biosensor showing a plastic sheath.

도 10C는 면역 반응으로부터 바이오 리포터를 보호하는 선택적 투과성 막의 이용의 개략적 표현을 도시한다.10C shows a schematic representation of the use of selective permeable membranes to protect bioreporters from immune responses.

B. 광검출기B. Photodetector

미소 광도계 신호 처리 사슬에서 제1 요소는 광검출기이다. 광검출기의 주요 요건은 다음과 같다:The first element in the microphotometer signal processing chain is a photodetector. The main requirements for photodetectors are:

시험되는 생물발광 또는 화학발광 화합물에 의해 방출된 광의 파장에 대한 감도; Sensitivity to the wavelength of light emitted by the bioluminescent or chemiluminescent compounds tested;

와류 역 바이어스 다이오드에 기인하는 낮은 배경 신호(즉, 누설 전류); Low background signal (ie, leakage current) due to the eddy current reverse bias diode;

반도체 장치에서의 물질이 연구되는 생물발광 또는 화학발광 방법으로 방해하는 것을 방지하고 연구되는 방법이 미량 광도계의 성능을 저하시키는 것을 방지하기에 적합한 도막; 및 Coatings suitable for preventing the materials in the semiconductor device from interfering with the bioluminescent or chemiluminescent methods studied and for preventing the method under study from degrading the performance of the microphotometer; And

미량 광도계 회로를 형성하는 데에 사용되는 제작 방법과의 적합성. Compatibility with fabrication methods used to form microphotometer circuits.

이들 요건을 충족시키는 2가지의 광검출기 구조가 다음에 기술되어 있다. 그러나, 이러한 광검출기를 제작하는 대체 방법이 당해 분야의 전문가에 의해, 청구의 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 이탈하지 않으면서, 사용될 수 있음을 이해해야 한다.Two photodetector structures that meet these requirements are described below. However, it should be understood that alternative methods of making such photodetectors can be used by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the claims.

제1 양태에서, 광검출기는 표준 N-웰 CMOS 방법으로 제조된다. 도 5A에 도시된 이러한 검출기는 PMOS 활성 영역 및 N-웰 사이의 PN 접합부를 N-웰 및 P 타입 기판 사이의 PN 접합부와 평행하게 연결시켜 제작한다. 수득된 검출기는 약 400nm 및 약 1100nm 사이의 광에 민감하며, 이 범위는 가장 일반적으로 사용되는 생물발광 및 화학발광 화합물 또는 유기체의 450 내지 600nm 방출 범위를 포함한다. 장치가 낮은 배경 신호를 갖는다는 요건에 부합하기 위해서, 장치는 제로 바이어스로 동작되고, 기판 전압과 동일한 다이오드의 동작 전압을 설정한다. 광 다이오드 코팅은 증착된 질화규소 층 또는 반도체 처리 기술에 적합한 다른 물질로 형성될 수 있다.In a first aspect, the photodetector is manufactured by standard N-well CMOS methods. This detector shown in FIG. 5A is fabricated by connecting the PN junction between the PMOS active region and the N-well in parallel with the PN junction between the N-well and the P-type substrate. The detector obtained is sensitive to light between about 400 nm and about 1100 nm, and this range includes the 450 to 600 nm emission range of the most commonly used bioluminescent and chemiluminescent compounds or organisms. In order to meet the requirement that the device has a low background signal, the device is operated with zero bias and sets the operating voltage of the diode equal to the substrate voltage. The photodiode coating may be formed of a deposited silicon nitride layer or other material suitable for semiconductor processing techniques.

제2 광검출기 양태에서, 검출기는 절연체상 규소(SOI) CMOS 방법으로 제조된다. SOI 방법에서의 내부 누설 전류는 활성 층 및 기판 사이에 매립된 산화물 절연 층의 존재에 기인하여 표준 CMOS에서보다 2배 내지 3배 정도 낮다. 두개의 광검출기 구조물이 SOI 방법으로 고안된다. 도 5B의 좌측에 도시된 제1 구조물은 측면 PIN 검출기로 이루어지며, 여기에서 P 층은 P+ 접촉 층에 의해 형성되고, I(고유) 영역은 약간 도핑된 활성 층에 의해 형성되며, N 영역은 SOI CMOS 방법의 N+ 접촉 층에 의해 형성된다. 이러한 측면 검출기의 스펙트럼 감도는 활성 층의 두께에 의해 정해지며, 이는 특이적 생물발광 및 화학발광 화합물에 대해 동조될 수 있다.In a second photodetector embodiment, the detector is manufactured by an insulator silicon (SOI) CMOS method. The internal leakage current in the SOI method is two to three times lower than in standard CMOS due to the presence of an oxide insulating layer buried between the active layer and the substrate. Two photodetector structures are designed with the SOI method. The first structure shown on the left of FIG. 5B consists of a side PIN detector, where the P layer is formed by a P + contact layer, the I (native) region is formed by a slightly doped active layer, and the N region is Formed by the N + contact layer of the SOI CMOS method. The spectral sensitivity of this side detector is determined by the thickness of the active layer, which can be tuned for specific bioluminescent and chemiluminescent compounds.

도 3B의 우측에 도시된 제2 구조물은 제1 구조물과 유사하되, 단지 접합부가 부착된 규화코발트(CoSi2) 또는 다른 적합한 물질 층 및 약간 도핑된 활성 층 사이에서 Schottky 접합으로 형성된다.The second structure shown on the right side of FIG. 3B is similar to the first structure, but is formed as a Schottky junction between a layer of cobalt silicide (CoSi 2 ) or other suitable material to which the junction is attached and a slightly doped active layer.

본 발명자들은 다른 광검출기 구조가 상기 표준에 부합하는 실리콘 또는 다른 반도체 방법으로 고안될 수 있음을 고려한다.We contemplate that other photodetector structures may be designed with silicon or other semiconductor methods that meet the above standards.

C. 저-소음 전자 제품C. Low noise electronics

저-소음 전자 제품은 미소 광도계 신호 처리 과정에서 제2 요소이다. 저-소음 전자 제품에 대한 요건은 다음과 같다:Low-noise electronics are the second element in microphotometer signal processing. The requirements for low-noise electronics are as follows:

광검출기에 의해 제공된 매우 낮은 신호 수준에 대한 감도; Sensitivity to very low signal levels provided by photodetectors;

신호 처리 사슬에서 전자 소음에 대한 면역 또는 보상; Immunity or compensation for electronic noise in the signal processing chain;

온도 변화에 대한 최소 감도; Minimal sensitivity to temperature changes;

(배터리 공급 응용을 위한) 전원 장치 전압의 변화에 대한 최소 감도; Minimum sensitivity to changes in power supply voltage (for battery supply applications);

특정 응용에 대해, 전자 제품은 검출된 신호 수준을 정확하게 기록하기에 충분한 선형성 및 동적 범위를 가져야 한다; 및 For certain applications, the electronics must have sufficient linearity and dynamic range to accurately record the detected signal levels; And

다른 응용에서, 전자 제품은 전자 및 환경 소음의 존재하에서도 신호의 존재를 간단히 검출해야 한다. In other applications, electronic products must simply detect the presence of signals even in the presence of electronic and environmental noise.

이들 요건을 충족시키는 세가지 양태가 다음에 기술되어 있다. 그러나, 이들 요건을 충족시키면서 작은 신호를 검출하는 대체 방법이, 청구의 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 이탈하지 않으면서, 사용될 수 있음을 이해해야 한다.Three aspects of meeting these requirements are described below. However, it should be understood that alternative methods of detecting small signals while meeting these requirements may be used without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the claims.

도 6A는 매우 작은 신호를 검출하는 제1 접근법을 개략적으로 도시한다. 이 장치는 P-확산부/N-웰 광 다이오드, 표준 CMOS IC 방법에 적합한 구조물을, (광 다이오드와 동일한 IC 상에서 제조된) 판독 증폭기와 개방 회로 방식으로 사용한다. 발광 신호는 P-확산부 및 N-웰에서 전자-구멍 쌍을 생성한다. P-확산부에서 광-발생 전자는 N-웰로 주입되는 한편, N-웰에서 광-발생 구멍은 P-확산부로 주입된다. N-웰은 접지 전위에 결합되어 이 영역내에는 어떠한 전하도 축적되지 않도록 한다. 그러나, P-확산부는 (저주파에서 무한대에 근접하는) CMOS 증폭기의 입력 임피던스에만 부착되므로, (+) 전하는 이 영역에서 수집한다. 따라서, P-확산 노드 상의 전압은 상승하기 시작한다.6A schematically illustrates a first approach to detecting very small signals. The device uses a P-diffusion / N-well photodiode, a structure suitable for standard CMOS IC methods, in an open circuit manner with a read amplifier (made on the same IC as the photodiode). The luminescent signal generates electron-hole pairs in the P-diffusion and N-wells. The light-generating electrons in the P-diffusion section are injected into the N-well, while the light-generating holes in the N-well are injected into the P-diffusion section. The N-well is coupled to ground potential so that no charge builds up in this region. However, since the P-diffusion is only attached to the input impedance of the CMOS amplifier (near infinity at low frequency), the positive charge collects in this region. Thus, the voltage on the P-diffusion node begins to rise.

P-확산 전압이 상승함에 따라서, P-확산부/N-웰 광 다이오드는 순방향 바이어스(bias)가 되고, 이에 의해 광-발생 전류와 반대 방향으로 전류를 생성시킨다. 상기 시스템은, P-확산 노드상의 전압이 광전류와 크기가 정확하게 동일한 순방향 바이어스 전류(그러나, 극성은 반대)를 생성하는 경우, 정상 상태에 도달한다. 이러한 PN 접합이 이상적 다이오드 방정식으로부터 벗어나지 않는다면, 출력 전압은 하기 수학식 1에 의해 주어진다:As the P-diffusion voltage rises, the P-diffusion / N-well photodiode becomes a forward bias, thereby generating a current in the opposite direction to the photo-generated current. The system reaches a steady state when the voltage on the P-diffusion node produces a forward bias current (but opposite polarity) that is exactly the same size as the photocurrent. If this PN junction does not deviate from the ideal diode equation, the output voltage is given by:

[수학식 1][Equation 1]

Vout= Vtln(Ip/(A IS) + 1)V out = V t ln (I p / (AI S ) + 1)

상기식에서,In the above formula,

Vt는 열전압(실온에서 약 26mV),V t is the thermal voltage (approximately 26 mV at room temperature),

Ip는 광전류,I p is photocurrent,

A는 PN 접합부의 횡단면적,A is the cross-sectional area of the PN junction,

IS는 단위 횡단면을 갖는 PN 접합부에 대한 역 포화 전류이다.I S is the reverse saturation current for the PN junction with unit cross section.

IS의 값은 IC 방법 및 물질 파라미터에 크게 의존한다.The value of I S is highly dependent on the IC method and the material parameters.

2가지의 주요 착오 전류(error current) - 재결합 전류 및 발생 전류 - 는 낮은 전류 밀도에서 작동하는 PN 접합부에 존재한다. 매우 낮은 온도에서 이외에는, 자유 담체 (carrier)가 PN 접합부 공간 전하 영역에서 임의로 생성된다. 이 영역은 높은 장을 가지므로, 이러한 열로 여기된 담체는 접합부에 걸쳐 즉시 스윕(sweep)되며 광전류와 동일한 방향으로 전류 성분(발생 전류)을 생성한다. 또한, 공간-전하 영역을 횡단하는 담체는 재결합되는 유한 기회를 갖는다. 이에 의해 광전류와 반대 방향으로 다른 전류 성분(재결합 전류)이 생성된다. 따라서, 이들 착오 전류를 고려하면, 상기 수학식 1은 다음의 수학식 2가 된다:Two major error currents-recombination current and generated current-are present in the PN junction operating at low current densities. Except at very low temperatures, free carriers are optionally produced in the PN junction space charge region. Since this region has a high field, these thermally excited carriers are immediately swept across the junction and produce a current component (generated current) in the same direction as the photocurrent. In addition, the carrier crossing the space-charge region has a finite opportunity to recombine. This produces a different current component (recombination current) in the opposite direction to the photocurrent. Therefore, considering these error currents, Equation 1 becomes the following Equation 2:

[수학식 2][Equation 2]

Vout= Vtln((Ip+ Ig-Ir)/(A IS) + 1)V out = V t ln ((I p + I g -I r ) / (AI S ) + 1)

이러한 출력 전압은 일반적으로 발명자들이 통제하지 못하는 파라미터의 함수이다. 그러나, 본 발명자들은 접합 영역, A 위에서 통제한다. 불행하게도, 본 발명자들의 출력 신호를 크게 만들기 위해서, 본 발명자들은 작은 A를 원하는 반면, 본 발명자들은 높은 양자 효율(QE)을 위해서 큰 A를 원한다.This output voltage is generally a function of parameters beyond the inventors' control. However, we control over the junction region, A. Unfortunately, in order to make our output signal large, we want a small A, while we want a large A for high quantum efficiency (QE).

도 6B는 이들 요구를 둘다 충족시키는 제2 미소 광도계 양태를 도시한다. 이 회로는 유효한 광 수집을 위한 대규모 광 다이오드를 사용하지만, 광전류를 소멸시키는 순방향 바이어스 전류를 공급하는 피드백 루프에서 소규모 다이오드를 사용한다. 다시 한 번, 증폭기 및 피드백 다이오드가 광 다이오드와 동일한 IC에서 제조된다. 이 회로의 경우, 하기 수학식 3이 된다:6B shows a second microphotometer embodiment that meets both of these needs. The circuit uses large photodiodes for effective light collection, but uses small diodes in a feedback loop that provides forward bias current to dissipate photocurrent. Once again, amplifiers and feedback diodes are manufactured in the same IC as the photodiodes. For this circuit, the following equation 3 is obtained:

[수학식 3][Equation 3]

Vout= 3 Vtln((Ip+ Ig-Ir/(AfbIS) + 1)V out = 3 V t ln ((I p + I g -I r / (A fb I S ) + 1)

상기식에서,In the above formula,

Afb는 피드백 다이오드의 소형 횡단면적이다.A fb is the small cross sectional area of the feedback diode.

하나 이상의 다이오드는 피드백 경로에서 사용되어 후속 증폭기 단계의 DC 오프셋에 비하여 큰 출력 신호를 만든다. 이 기술에 의해 대규모 광 다이오드를 사용하여 광의 효율적 수집이 허용되지만, 피드백 경로에서 소규모 다이오드에 기인하여 큰 출력 전압을 생성한다.One or more diodes are used in the feedback path to produce a large output signal compared to the DC offset of subsequent amplifier stages. This technique allows for the efficient collection of light using large photodiodes, but produces large output voltages due to the small diodes in the feedback path.

도 6B의 피드백 회로는 제로 바이어스 (zero bias)에서 광 다이오드를 유지한다. 적용 전위의 부재하에, 재결합 및 발생 전류는 소멸된다. 소형 피드백 전류에서 작은 재결합 및 발생 전류가 무시되는 경우, 상기 수학식 3은 하기 수학식 4가 된다:The feedback circuit of FIG. 6B maintains the photodiode at zero bias. In the absence of application potential, the recombination and generated current dissipate. When small recombination and generated currents are ignored in the small feedback current, Equation 3 becomes Equation 4:

[수학식 4][Equation 4]

Vout= 3 Vtln((Ip/(AfbIS) + 1)V out = 3 V t ln ((I p / (A fb I S ) + 1)

도 6B에 도시된 제2 미소 광도계 양태의 주요 잇점에는 아래의 내용들이 포함된다:Key benefits of the second microphotometer embodiment shown in FIG. 6B include the following:

SNR은 광 다이오드에 의해 전체적으로 측정되며, 소형 다이오드 및 증폭기로부터 소음은 사소하다; SNR is measured entirely by photodiodes, and noise from small diodes and amplifiers is minor;

다이오드는, 증폭기의 출력시에 신호 수준이 후속 단계의 오프셋 전압(및 오프셋 전압 드리프트)에 비해서 상당할 때까지, 피드백 경로에 넣을 수 있다; The diode may enter the feedback path until the signal level at the output of the amplifier is comparable to the offset voltage (and offset voltage drift) of the subsequent stages;

이 방법은 마스크, 물질 또는 제작 단계를 추가하지 않으면서 표준 CMOS 방법에 완전히 적합하다; This method is fully suitable for standard CMOS methods without adding masks, materials or fabrication steps;

이 검출 방법은 유사 및 디지털 신호 처리 회로 및 RF 통신 회로와 동일한 IC에서 제조될 수 있다; This detection method can be manufactured in the same IC as similar and digital signal processing circuits and RF communication circuits;

회로에 전력이 적용되지 않은 상황에서도 측정이 가능하다. 전력을 적용한 후에 측정치를 판독할 수 있지만, 측정치는 전력의 부재하에 수득할 수 있다. Measurements can be taken even when no power is applied to the circuit. Measurements can be read after applying power, but measurements can be obtained in the absence of power.

도 6C에 도시된 제3 미소 광도계 수행은 상관된 이중 샘플링(CDS)을 사용하여 저주파수(명멸) 증폭기 소음 효과 뿐만 아니라 증폭기 오프셋 전압에서 시간 또는 온도 의존성 변화를 최소화한다. 도 6C에 도시된 바와 같이, 커패시턴스 Cd및 소음 전력 스펙트럼 밀도 St를 갖는 광 다이오드는, 플립-플롭 출력(flip-flop output)의 부분적 수준에 의해 제어되는 개폐기 세트를 통한 피드백 커패시턴스 Cf및 투입 소음 전력 스펙트럼 밀도 SV를 갖는 적분 전치증폭기 (integrating preamplifier)에 연결된다. 플립-플롭 출력이 낮은 경우, 개폐기는 광전류가 전치증폭기 밖으로 흘러서 적분기의 출력 전압이 증가하도록 배치된다. 저역 통과-필터링된 적분기 출력 전압이 임계치, VHI를 초과하는 경우, 상부 비교기 (comparator)는 플립-플롭의 설정 및 이의 출력의 상승 유발을 "자극한다". 검출기는 변화 위치를 개폐시켜, 전류가 적분 증폭기로 흐르도록 유발하며, 이는 다시 증폭기 출력 전압을 감소시킨다. 적분기 출력이 제2 임계치, VLO이하인 경우, 하부 비교기는 플립플롭의 재설정 및 출력의 재감소 유발을 "자극한다". 상기 방법은 광전류가 존재하는 한, 자체를 반복한다.The third microphotometer implementation shown in FIG. 6C uses correlated double sampling (CDS) to minimize time- or temperature-dependent changes in amplifier offset voltage as well as low frequency (blink) amplifier noise effects. As shown in FIG. 6C, a photodiode with capacitance C d and noise power spectral density S t is provided with a feedback capacitance C f through a set of switches controlled by a partial level of flip-flop output and It is connected to an integrated preamplifier with input noise power spectral density S V. When the flip-flop output is low, the switch is positioned so that photocurrent flows out of the preamplifier to increase the output voltage of the integrator. If the low pass-filtered integrator output voltage exceeds the threshold, V HI , the upper comparator "stimulates" the setting of the flip-flop and causing the rise of its output. The detector opens and closes the change position, causing current to flow into the integral amplifier, which in turn reduces the amplifier output voltage. If the integrator output is below the second threshold, V LO , the lower comparator "stimulates" resetting the flip-flop and causing the output to decrease again. The method repeats itself as long as there is a photocurrent.

출력 펄스의 평균 기간, △t는 하기 수학식 5에 의해 주어진다:The average duration of the output pulses, Δt, is given by:

[수학식 5][Equation 5]

상기식에서,In the above formula,

VHI및 VLO는 비교기의 임계 전압,V HI and V LO are the threshold voltages of the comparator,

IP는 다이오드 광전류이다.I P is a diode photocurrent.

2가지 소음 공급원은 △t의 측정치에서 오차의 원인이 되며, Si는 기본적으로 광 다이오드와 연관된 입력 소음 전류 전력 스펙트럼 밀도이고, SV는 기본적으로 전치증폭기와 연관된 입력 소음 전압 전력 스펙트럼 밀도이다.The two noise sources are sources of error in the measurements of Δt, where S i is basically the input noise current power spectral density associated with the photodiode and S V is basically the input noise voltage power spectral density associated with the preamplifier.

다이오드 소음은 하기 수학식 6에 의해 주어진다:Diode noise is given by Equation 6:

[수학식 6][Equation 6]

상기식에서,In the above formula,

IS는 광 다이오드 역 포화 전류,I S is the photodiode reverse saturation current,

IP는 광전류이다.I P is a photocurrent.

광전류가 0에 접근하면서, 소음 전력 스펙트럼 밀도는 4qISA2/Hz의 유한치에 접근한다. 전치 증폭기의 소음 전압 SV는 이의 디자인에 의해 결정되고, V2/Hz의 단위를 갖는다.As the photocurrent approaches zero, the noise power spectral density approaches a finite value of 4qI S A 2 / Hz. The noise voltage S V of the preamplifier is determined by its design and has a unit of V 2 / Hz.

다이오드 소음이 적분기의 출력에 도입된 지점으로부터의 이동 함수는, 하기 수학식 7에 의해 대략적으로 주어진다:The transfer function from the point at which diode noise is introduced at the integrator's output is given by Equation 7:

[수학식 7][Equation 7]

상기식에서,In the above formula,

ω1은 적분 증폭기의 절점 주파수 (corner frequency),ω 1 is the nominal frequency of the integral amplifier,

s = jω이다.s = jω.

잠시 동안 개폐기의 효과를 무시하면, 증폭기 소음이 적분기의 출력에 도입된 지점으로부터 이동 함수는 대략 수학식 8에 의해 주어진다:Neglecting the effect of the switch for a while, the transfer function from the point where the amplifier noise is introduced at the integrator's output is given by:

[수학식 8][Equation 8]

개폐기는 출력 펄스 스트링의 개폐 주파수 이하에서 나타나는 소음을 감쇠시키는 상관 이중 샘플링 기능을 수행한다. 상관 이중 샘플링 회로의 전달 함수는 1차로 수학식 9에 의해 접근한다:The switch performs a correlated double sampling function that attenuates noise that appears below the open and close frequencies of the output pulse string. The transfer function of a correlated double sampling circuit is first approached by:

[수학식 9][Equation 9]

상기식에서,In the above formula,

△t는 출력 펄스 스트링 (output pulse string)의 평균 기간이다.Δt is the average duration of the output pulse string.

따라서, 개폐기를 고려하면, 증폭기 소음이 적분기의 출력에 도입된 지점으로부터의 전달 함수는 대략 수학식 10에 의해 주어진다:Thus, considering the switchgear, the transfer function from the point where the amplifier noise is introduced at the output of the integrator is given by approximately:

[수학식 10][Equation 10]

이는 소음 전압 전달 함수에 도입된 유용한 0은 증폭기의 명멸 소음의 효과를 감소시키므로 중요한 결과이다. 이는 명멸 소음이 뚜렷한 효과를 나타낼 수 있는 미소 광도계의 CMOS 수행에 특히 유용하다.This is an important result as the useful zero introduced into the noise voltage transfer function reduces the effect of the flicker noise of the amplifier. This is particularly useful for CMOS performance in microphotometers where flicker noise can have pronounced effects.

적분기의 출력시에 평균 출력 소음의 제곱은 수학식 11에 의해 주어지고, RMS 소음 전압은 수학식 12에 의해 주어진다:The square of the mean output noise at the output of the integrator is given by Equation 11, and the RMS noise voltage is given by Equation 12:

[수학식 11][Equation 11]

[수학식 12][Equation 12]

측정된 기간내의 RMS 오차는, 적분 신호의 기울기 및 적분기의 출력시에 소음에 의해 수학식 13의 관계에 따라서, 또는 대략 수학식 14에 의해 결정된다:The RMS error in the measured period is determined according to the relationship of equation (13) or approximately by equation (14) by the slope of the integral signal and the noise at the output of the integrator:

[수학식 13][Equation 13]

[수학식 14][Equation 14]

△t 측정시 오차는 많은 출력 펄스를 수집하고 평균 기간을 수득함으로써 감소될 수 있다. 측정된 평균 펄스 기간내에 오차는 수집된 펄스의 수의 제곱근에 비례하여 개선되어, 수학식 15 또는 16으로 된다.The error in Δt measurements can be reduced by collecting many output pulses and obtaining the average duration. The error within the measured average pulse duration is improved in proportion to the square root of the number of pulses collected, resulting in equation (15) or (16).

[수학식 15][Equation 15]

[수학식 16][Equation 16]

상기식에서,In the above formula,

tmeas는 전체 측정 시간이다.t meas is the total measurement time.

따라서, 미소 광도계의 수행은 아래의 잇점을 갖는다:Thus, performance of microphotometers has the following advantages:

증폭기의 저주파 "명멸" 소음은 상관 이중 샘플링 방법에 의해 감소되고; Low frequency “blink” noise of the amplifier is reduced by the correlated double sampling method;

이상적으로, 측정된 광전류의 정확도는 기간의 증가에 대한 데이터를 획득함으로써 무제한으로 개선될 수 있다. Ideally, the accuracy of the measured photocurrent can be improved indefinitely by acquiring data on the increase in duration.

물론, 시험되는 발광 화합물에 의해 생성된 신호의 수명 및 안정성에 의해 부과된 실제적 제한사항은 이러한 수행의 해상도를 궁극적으로 결정한다.Of course, the practical limitations imposed by the lifetime and stability of the signal produced by the luminescent compounds tested ultimately determine the resolution of this performance.

D. 판독 전자 제품 (READ-OUT ELECTRONICS)D. READ-OUT ELECTRONICS

BBIC로부터 외부 수신기로 또는 생체내 약물 전달 시스템으로 데이터를 통신하는 다수의 방법이 구상된다. 바람직한 양태에서, 통신 방법은 생체내 약물 전달 시스템 또는 외부 수신기내에 함유된 연산 회로로 광전류의 수준을 보고하는 반도체 칩의 무선 통신 시스템이다. 폐쇄 루프 시스템에서, 이러한 연산 회로는 생체내 약물 전달 시스템에 의해 전달되는 약물의 양을 측정한다. 외부 수신기가 사용되는 경우, 사용자 투입에 따라서 BBIC로부터 데이터를 사용하여 투여되는 약물의 양을 측정한다. 외부 수신기는 생체내 약물 전달 시스템과 통신하기 위한 무선 송신 회로를 포함할 수 있거나 약물을 손으로 투여할 수 있다. BBIC 데이터를 통신하는 기타의 다른 방법은 다음을 포함한다:Many methods of communicating data from a BBIC to an external receiver or to an in vivo drug delivery system are envisioned. In a preferred embodiment, the method of communication is a wireless communication system of a semiconductor chip that reports the level of photocurrent to a computational circuit contained in an in vivo drug delivery system or an external receiver. In a closed loop system, this computational circuit measures the amount of drug delivered by the in vivo drug delivery system. If an external receiver is used, the data from the BBIC is used to determine the amount of drug administered, depending on user input. The external receiver may include a wireless transmission circuit for communicating with the in vivo drug delivery system or may administer the drug by hand. Other methods of communicating BBIC data include:

생체내 약물 전달 시스템으로 배선 연결을 사용하여 광전류에 비례하는 DC 전압 수준의 생성; Generation of DC voltage levels proportional to photocurrent using wiring connections with in vivo drug delivery systems;

생체내 약물 전달 시스템으로 배선 연결을 사용하여 광전류에 비례하는 DC 전류 수준의 생성; Generation of DC current levels proportional to photocurrent using wiring connections with in vivo drug delivery systems;

생체내 약물 전달 시스템으로 배선 연결을 사용하여 속도가 광전류에 비례하는 논리적 펄스 스트링의 생성; The generation of logical pulse strings whose speed is proportional to photocurrent using wiring connections to the in vivo drug delivery system;

생체내 약물 전달 시스템으로 배선 연결을 사용하여 광전류에 비례하는 수치를 보고하는 아날로그-디지털 변환기의 반도체 칩 완성; Completion of a semiconductor chip of an analog-to-digital converter that reports numerical values proportional to photocurrent using wire connections as an in vivo drug delivery system;

생체내 약물 전달 시스템으로 배선 연결을 사용하여 광전류에 비례하는 숫자를 보고하는 일련의 또는 평행한 통신 포트의 반도체 칩 완성; Semiconductor chip completion of a series or parallel communication ports that report numbers proportional to photocurrent using wiring connections with an in vivo drug delivery system;

광전류가 생체내 약물 전달 시스템으로 배선 연결을 사용하여 미리 제한된 수준을 초과하는 경우, 논리 표시 문자의 생성; 및 The generation of logical markers if the photocurrent exceeds previously limited levels using wiring connections to the in vivo drug delivery system; And

광전류가 미리 제한된 수준을 초과하는 경우, 무선 주파수 신호 또는 비이컨의 생성. Generation of radio frequency signals or beacons when photocurrent exceeds a predefined level.

생체내 무선 통신은 체액에 의한 신호 감쇠, 및 RF 신호 수준에 대한 건강-관련 제한사항에 의해 제한될 수 있다. 이는 근접하게 배치된 BBIC 및 생체내 약물 전달 시스템을 필요로 할 수 있으며, 이는 모든 경우에 대한 최적 구조가 아닐 수 있다. 이러한 경우, BBIC는 탈체이지만 BBIC에 근접하게 배치된 외부 수신기로 통신할 수 있다. 이러한 수신기는 생체외 (ex vivo)이지만 생체내 약물 전달 시스템에 근접하게 배치된 송신기로 (배선에 의해 또는 무선으로) 연결될 수 있다.In vivo wireless communication may be limited by signal attenuation by body fluids, and health-related restrictions on RF signal levels. This may require closely spaced BBICs and in vivo drug delivery systems, which may not be the optimal structure for all cases. In this case, the BBIC is disjoint but can communicate to an external receiver placed in close proximity to the BBIC. Such a receiver may be connected (by wiring or wirelessly) to a transmitter ex vivo but placed proximate to an in vivo drug delivery system.

많은 연산 방식이 BBIC를 사용하여 생체내 약물 전달 시스템을 통제하기 위해 기대된다. 이들은 다음을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다:Many computational methods are expected to control in vivo drug delivery systems using BBIC. These include, but are not limited to:

단일 BBIC 데이터 포인트에 의해서만 측정되는 처방된 약물 수준을 투여하는 간단한 순람 테이블 (look-up table); A simple look-up table for administering prescribed drug levels measured only by a single BBIC data point;

소정의 데이터 포인트 숫자가 예비설정 임계치를 초과하는 경우, 처방된 약물 수준을 투여하는 간단한 순람 테이블; A simple tour table for administering the prescribed drug level if the predetermined data point number exceeds a preset threshold;

BBIC 신호의 증가 또는 감소 속도에 의해 약물 용량을 결정하는 알고리즘; An algorithm for determining drug dose by the rate of increase or decrease of the BBIC signal;

BBIC 데이터 포인트를 메모리에 저장된 데이터 포인트 패턴에 정합시켜 약물 용량을 결정하는 알고리즘; 및 An algorithm that matches the BBIC data points to data point patterns stored in memory to determine drug dose; And

BBIC 데이터 포인트 변천 및 사용자 입력을 사용하여 목적하는 결과를 달성하는 정확한 약물 용량을 예상하는 학습 알고리즘. A learning algorithm that uses BBIC data point transitions and user input to estimate the correct drug dose to achieve the desired result.

이들 알고리즘 중의 몇가지는 BBIC 및 생체내 약물 전달 시스템 사이에서 2방식 통신을 필요로 할 수 있다. 이러한 경우, 수신기는 BBIC 위에 포함된다.Some of these algorithms may require two way communication between the BBIC and the in vivo drug delivery system. In this case, the receiver is included above the BBIC.

E. 생체 적합성 하우징 및 반투과성 막E. Biocompatible Housings and Semi-Permeable Membranes

BBIC는 바이오 리포터 영역을 덮는 반투과성 막을 갖는 생체 적합성 하우징에 봉입된다. 캡슐 형성 및 신체 거부를 최소화하도록 이식 및 보철 장치에 대한 생체 적합성 덮개의 제조는 광범위한 연구 영역이었다. 예를 들어, 미국 특허 제5,370,684호 및 미국 특허 제5,387,247호(각각 본원에서 참조로 이의 전체가 특별히 인용되어 있다)에는 보철 장치에 얇은 생체 적합성 탄소 필름의 적용이 기술되어 있다. 3차원 유기 섬유의 직물 또는 편직물을 포함하는 생체 적합성 이식재는 본원에서 전체가 특별히 포함된 미국 특허 제5,711,960호에 기술되어 있다. 생체 적합성 표면을 신체에 제공하도록 구성된 이식물용 다른 덮개가 미국 특허 제5,653,755호, 미국 특허 제5,799,734호 및 미국 특허 제5,814,091호에 기술되어 있다(각각 본원에서 참조로 이의 전체가 특별히 인용되어 있다). 또한, 콜라겐 피막 및 알부민 피막이 이식물 및 보철 장치의 생체 적합성을 개선시키는 것으로 나타났다(Marios et al., 1996; Ksander, 1988). 본 발명에서는 하우징을 피복하거나 형성하는 적합한 생체 적합성 물질의 사용을 고려한다.The BBIC is enclosed in a biocompatible housing having a semipermeable membrane covering the bioreporter region. The manufacture of biocompatible covers for implants and prosthetic devices to minimize capsule formation and body rejection has been an extensive area of research. For example, US Pat. No. 5,370,684 and US Pat. No. 5,387,247, each of which is specifically incorporated herein by reference, describe the application of thin biocompatible carbon films to prosthetic devices. Biocompatible implants comprising woven or knitted fabrics of three-dimensional organic fibers are described in US Pat. No. 5,711,960, which is specifically incorporated herein in its entirety. Other covers for implants configured to provide a biocompatible surface to the body are described in US Pat. No. 5,653,755, US Pat. No. 5,799,734 and US Pat. No. 5,814,091, each of which is specifically incorporated herein by reference in its entirety. In addition, collagen and albumin coatings have been shown to improve the biocompatibility of implants and prosthetic devices (Marios et al., 1996; Ksander, 1988). The present invention contemplates the use of suitable biocompatible materials to coat or form the housing.

반투과성 막은 바이오 리포터를 덮고 이들을 집적 회로 위에 트래핑하는 BBIC 하우징 부분을 포함한다. 이 막은 선택된 물질(예: 글루코스)이 바이오 리포터를 통과하도록 허용하지만, 거대 분자의 통과를 방지한다. 또한, 글루코스-옥시다제 기본 바이오 센서로 사용하기 위해 고안된 막은, 본 발명의 바람직한 양태에 사용할 수 있다. 글루코스-옥시다제 기본 바이오 센서로 사용하기 위해 연구되고 고안된 막은 다음을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다: 폴리테트라플루오로에틸렌 막(Vaidaya and Wilkins, 1993); 과불소화 이오노머 막(Moussy et al., 1994); 충전 및 방전된 폴리카보네이트 막(Vadiya and Wilkins, 1994); 및 셀룰로스 아세테이트 막(Wang and Yuan, 1995; Sternberg et al., 1988). 또한, 다른 막이 인슐린을 생성하도록 생명공학으로 생성된 섬 또는 다른 세포의 이식에 사용하기 위해 개발되었다. 이러한 막은 글루코스 및 다른 대사물질에 투과성인 반면, 숙주 면역 시스템의 요소를 배제해야 한다. 이러한 막은 본 발명에 사용하기에 적합할 수 있으며, 다음을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다: 비대칭 폴리(비닐 알콜) 막(Young et al., 1996); 폴리(L-리신) 막(Tziampazis and Sambanis, 1995); 폴리우레탄(Zondervan et al., 1992); 핵공 막(Ohgawara et al., 1998); 및 아가로스 겔(Taniguchi et al., 1997). 인공 기관을 생성하는 세포를 봉입하기에 생체 적합한 반투과성 막이 미국 특허 제5,795,790호 및 미국 특허 제5,620,883호에 기술되어 있다(각각 본원에서 참조로 이의 전체가 특별히 인용되어 있다). 생체 적합성 반투과성 분절된 블록 폴리우레탄 공중합체 막 및 소정의 분자량 범위의 분자를 투과시키기 위한 이의 용도가 미국 특허 제5,428,123호에 기술되어 있다(본원에서 참조로 이의 전체가 특별히 인용되어 있다). 본 발명에서는 선택된 물질이 바이오 리포터에 접근을 허용하지만, 거대 분자의 통과를 방해하는 적합한 반투과성 막의 사용을 고려한다.The semipermeable membrane includes a BBIC housing portion that covers the bioreporter and traps them over the integrated circuit. This membrane allows selected materials (eg glucose) to pass through the bioreporter, but prevents the passage of large molecules. In addition, membranes designed for use as glucose-oxidase based biosensors may be used in preferred embodiments of the present invention. Membranes studied and designed for use as glucose-oxidase based biosensors include, but are not limited to: polytetrafluoroethylene membranes (Vaidaya and Wilkins, 1993); Perfluorinated ionomer membranes (Moussy et al., 1994); Charged and discharged polycarbonate membranes (Vadiya and Wilkins, 1994); And cellulose acetate membranes (Wang and Yuan, 1995; Sternberg et al., 1988). In addition, other membranes have been developed for use in transplantation of islets or other cells that have been biotechnically produced to produce insulin. Such membranes are permeable to glucose and other metabolites, while excluding elements of the host immune system. Such membranes may be suitable for use in the present invention, including but not limited to: asymmetric poly (vinyl alcohol) membranes (Young et al., 1996); Poly (L-lysine) membranes (Tziampazis and Sambanis, 1995); Polyurethanes (Zondervan et al., 1992); Nuclear pore membranes (Ohgawara et al., 1998); And agarose gels (Taniguchi et al., 1997). Biopermeable membranes that are biocompatible to enclose cells producing artificial organs are described in US Pat. No. 5,795,790 and US Pat. No. 5,620,883, each of which is specifically incorporated herein by reference in its entirety. Biocompatible semipermeable segmented block polyurethane copolymer membranes and their use for permeation of molecules in a range of molecular weights are described in US Pat. No. 5,428,123 (in particular incorporated herein by reference in its entirety). Although the selected material allows access to the bioreporter, it contemplates the use of suitable semipermeable membranes that hinder the passage of macromolecules.

F. 약물 전달 장치F. Drug Delivery Device

무선 원격측정법에 의해 통제할 수 있는 이식가능한 및 외부의, 많은 약물 전달 장치가 이전에 기술되었다. 예를 들어, 미국 특허 제4,944,659호(본원에서 참조로 이의 전체가 특별히 인용되어 있다)에는 외래 환자에 있어서 약물 전달하기 위한 이식가능한 압전기 펌프가 기술되어 있다. 본원에서 이의 전체가 특별히 포함된 미국 특허 제5,474,552호에는 필요한 경우, 다수의 활성제(예: 글루코스, 글루카곤 또는 인슐린)를 전달할 수 있는 글루코스 센서와 함께 사용하기 위한 이식가능한 펌프가 기술되어 있다. 별도의 펌프가 각각의 제제를 전달하기 위해 사용될 수 있거나 이들 사이에서 개폐가능한 단일 펌프가 사용될 수 있다. 본원에서 이의 전체가 특별히 포함된 미국 특허 제5,569,186호에는 글루코스 센서에 의해 통제된 폐쇄된 루프 주입 펌프가 기술되어 있다. 본원에서 이의 전체가 특별히 포함된 미국 특허 제4,637,391호에는 약제학적 제제를 전달하기 위해 원격 통제된 이식가능한 마이크로 펌프가 기술되어 있다. 외부 약물 전달 시스템의 사용이 본 발명의 다른 양태에서 고려된다. 예를 들어, 본원에서 이의 전체가 특별히 포함된 미국 특허 제5,800,420호에는 액체 약물(예: 인슐린)을, 진피로 연장되는 중공 전달 바늘을 통해 전달하는 피부 표면에 대해 국소적인 펌프 위치가 기술되어 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 약물 전달 시스템은, BBIC로부터 원격 측정법 통제와 반대로, 바이오 센서 장치와 접속되고 직접 통제될 수 있다.Many drug delivery devices, both implantable and external, that can be controlled by wireless telemetry have been described previously. For example, US Pat. No. 4,944,659, which is specifically incorporated herein by reference in its entirety, describes implantable piezoelectric pumps for drug delivery in outpatients. US Pat. No. 5,474,552, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes implantable pumps for use with glucose sensors that can deliver multiple active agents (eg, glucose, glucagon, or insulin), if necessary. Separate pumps can be used to deliver each formulation or a single pump that can be opened and closed between them can be used. US Pat. No. 5,569,186, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes a closed loop infusion pump controlled by a glucose sensor. US Pat. No. 4,637,391, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes a remotely controlled implantable micropump for delivering pharmaceutical agents. The use of an external drug delivery system is contemplated in another aspect of the present invention. For example, US Pat. No. 5,800,420, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes a local pump position relative to the skin surface for delivering a liquid drug (eg insulin) through a hollow delivery needle extending into the dermis. . In another aspect of the invention, the drug delivery system may be directly connected and controlled with the biosensor device, as opposed to telemetry control from the BBIC.

상기 펌프 전달 시스템은 본 발명의 용도를 유용하게 하는 예이다. 펌프 시스템 이외에 다른 약물 전달 시스템이 또한 본 발명에서 고려된다. 예를 들어, 본원에서 이의 전체가 특별히 포함된 미국 특허 제5,421,816호에는 초음파 경피 약물 전달 시스템이 기술되어 있다. 초음파 에너지를 사용하여 저장된 약물을 방출시키고 유기체의 피부를 통해 혈류로 약물을 강제로 이동시킨다. 따라서, 본 발명에서는 BBIC 글루코스 모니터에 의해 통제될 수 있는 적합한 약물 전달 시스템의 사용을 고려한다. 이러한 약물 전달 시스템의 선택 및 BBIC 글루코스 모니터 사용과 함께 이의 사용을 지시하는 인자는 당해 분야의 전문가에게 본 발명의 기술에 비추에 공지되어 있다.The pump delivery system is an example that makes use of the present invention useful. In addition to the pump system, other drug delivery systems are also contemplated in the present invention. For example, US Pat. No. 5,421,816, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes an ultrasound transdermal drug delivery system. Ultrasound energy is used to release stored drugs and to force them into the bloodstream through the skin of the organism. Accordingly, the present invention contemplates the use of a suitable drug delivery system that can be controlled by a BBIC glucose monitor. The selection of such drug delivery systems and the factors that direct their use with the use of BBIC glucose monitors are known in the light of the art to those skilled in the art.

G. 생물발광 바이오 리포터G. Bioluminescent Bio Reporter

본 발명의 바람직한 양태에서, 글루코스 감시용 바이오 리포터는 글루코스 농도에 반응하여 발광을 연속적으로 발현하도록 유전공학으로 생성된 포유류 생물발광 리포터 세포 라인이다. 이식가능한 생물발광 센서는 루시페라제 반응을 위한 외인성 기판의 첨가 없이 작용할 수 있는 생물발광 리포터를 필요로 한다. 분자 생물학에서 사용되는 현재의 진핵생물 루시페라제 시스템은 진핵생물 루시페린을 제조하기 위한 복잡한 특성에 기인하여 외인성 기판의 첨가를 필요로 한다. 세포는 투과되거나 용해된 다음에, 루시페린을 함유하는 분석 용액으로 처리해야 한다. 따라서, 현재의 진핵생물 루시페라제 시스템은 직결 감시용에 바람직한 후보가 아니다.In a preferred embodiment of the invention, the glucose report bioreporter is a mammalian bioluminescent reporter cell line genetically generated to continuously express luminescence in response to glucose concentration. Implantable bioluminescent sensors require bioluminescent reporters that can function without the addition of an exogenous substrate for the luciferase reaction. Current eukaryotic luciferase systems used in molecular biology require the addition of exogenous substrates due to the complex nature of producing eukaryotic luciferins. Cells must be permeated or lysed and then treated with assay solution containing luciferin. Thus, current eukaryotic luciferase systems are not preferred candidates for direct monitoring.

외인성 기판의 첨가에 대한 요건은 세균lux유전자의 사용에 의해 제거될 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서,X. luminescens,luxAB 및luxCDE의lux유전자가 생물발광 리포터 시스템으로서 사용된다.X. luminescens luxAB 유전자는 열안정성을 37℃에서 최대로 나타내는 효소의 루시페라제의 α- 및 β-서브유닛을 암호화하는 한편, 다른 세균 루시페라제는 30℃ 이상에서 상당한 활성을 상실한다.luxCDE 유전자는 외인성 기판의 첨가에 대한 필요를 없애는 데에 필요하다.luxAB 유전자에 의해 암호화된 루시페라제의 알데히드 기판은luxCDE 유전자에 의해 암호화된 지방산 리덕타제 복합체에 의해 생성된다. 이 반응에 바람직한 지방산은 미리스트산이며, 이는 진핵생물 유기체에 존재하고(Rudnick et al., 1993), 따라서 진핵생물 세포는 이러한 리포터에 적합한 숙주 세포이다. 효소 복합체는 지방산을 상응하는 알데히드로 환원시킨다. 다음에, 루시페라제는 알데히드를 다시 지방산으로 산화시킨다.The requirement for the addition of exogenous substrates can be removed by the use of the bacterial lux gene. In a preferred embodiment of the invention, the lux genes of X. luminescens , lux AB and lux CDE are used as bioluminescent reporter systems. The X. luminescens lux AB gene encodes the α- and β-subunits of the luciferase of an enzyme that exhibits maximum thermal stability at 37 ° C, while other bacterial luciferases lose significant activity above 30 ° C. The lux CDE gene is needed to eliminate the need for the addition of exogenous substrates. The aldehyde substrate of luciferase encoded by the lux AB gene is produced by the fatty acid reductase complex encoded by the lux CDE gene. Preferred fatty acids for this reaction are myristic acid, which is present in eukaryotic organisms (Rudnick et al., 1993), and eukaryotic cells are therefore suitable host cells for such reporters. Enzyme complexes reduce fatty acids to the corresponding aldehydes. Luciferase then oxidizes the aldehyde back to fatty acids.

다른 생물발광 핵산 단편은Vibrio fischerii,luxCDABE의lux유전자, 또는 외인성 기판의 첨가를 필요로 하지 않도록 적합될 수 있는 생물발광이 가능한 다른 유기체로부터 루시페라제를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 핵산 단편은Aqueorea victoria또는Renilla reniformis의 녹색 형광 단백질을 암호화한다.Other bioluminescent nucleic acid fragments may include luciferase from Vibrio fischerii , the lux gene of lux CDABE, or other bioluminescent capable organisms that may be suitable to not require the addition of exogenous substrates. In another embodiment of the invention, the nucleic acid fragment encodes a green fluorescent protein of Aqueorea victoria or Renilla reniformis .

H. 생물발광 유전자를 발현시키는 재조합 벡터H. Recombinant Vectors Expressing Bioluminescent Genes

본 발명의 한가지 중요한 양태는, 하나 이상의 생물발광 폴리펩타이드를 암호화하는 하나 이상의 핵산 단편을 포함하는 재조합 벡터이다. 이러한 벡터는 진핵생물 또는 원핵생물 숙주로 이동하고 여기에서 복제될 수 있다.One important aspect of the present invention is a recombinant vector comprising one or more nucleic acid fragments encoding one or more bioluminescent polypeptides. Such vectors can be transferred to and replicated in eukaryotic or prokaryotic hosts.

암호화 DNA 분절은 재조합 또는 이형 프로모터의 통제하에 있다고 고려된다. 본원에서 사용된 바와 같이, 재조합 또는 이형 프로모터는 이의 자연 환경에서 결정 단백질 또는 펩타이드를 암호화하는 DNA 분절과 일반적으로 연관되지 않은 프로모터를 언급하려는 것이다. 본래, 발현에 선택된 세포종, 유기체 또는 심지어 동물에서 DNA 분절의 발현을 유효하게 지시하는 프로모터를 사용하는 것이 중요하다. 단백질 발현을 위한 프로모터 및 세포종 조합의 사용은 분자 생물학 분야의 전문가에게 일반적으로 공지되어 있다(예: Sambrook et al., 1989). 이의 바람직한 양태에서, 이러한 프로모터는 시스-작용성 글루코스 반응 요소에 의해 지시된다. 한가지 바람직한 양태에서, 글루코스 반응 요소는 간 및 β-세포섬에서 L-피루베이트 키나제("L-PK") 프로모터를 지시하는 L4 박스이다. L4 박스는 비-표준 E-박스의 직렬 반복으로 이루어진다(Kennedy et al., 1997). 글루코스는 L4 박스에 결합된 상방 자극 인자("USF")의 상호활성화 성능을 변경시켜 간 및 췌장 β-세포를 증진시킨다(Kennedy et al., 1997; Doiron et al., 1996).The coding DNA segment is considered to be under the control of a recombinant or heterologous promoter. As used herein, a recombinant or heterologous promoter is intended to refer to a promoter that is not generally associated with a DNA segment that encodes a crystalline protein or peptide in its natural environment. Inherently, it is important to use a promoter that effectively directs the expression of DNA segments in the cell species, organism or even animal selected for expression. The use of promoter and cell species combinations for protein expression is generally known to experts in the field of molecular biology (eg Sambrook et al., 1989). In its preferred embodiment, such promoters are indicated by cis-acting glucose response elements. In one preferred embodiment, the glucose response element is an L4 box that directs the L-pyruvate kinase (“L-PK”) promoter in the liver and β-cell islets. L4 boxes consist of series repetitions of non-standard E-boxes (Kennedy et al., 1997). Glucose alters the interactivation performance of the upward stimulating factor ("USF") bound to the L4 box to promote liver and pancreatic β-cells (Kennedy et al., 1997; Doiron et al., 1996).

글루코스가 USF 단백질의 상호활성화 성능을 통제하는 정확한 메커니즘은 불명확하다. 1가지 가능성은 USF 단백질의 가역성 인산화이다. 글루코스는 크실로스-5-포스페이트를 거쳐 펜토스 포스페이트 단락을 통해 인산화 상태를 변경시킬 수 있다(Dorion et al., 1996). 대체 메커니즘은 글루코스 6-포스페이트의 세포내 농도를 통해 이루어진다(Foufelle et al., 1992). 또한, 다른 글루코스 대사물질이 포함될 수 있다. 인산화된 글루코스 대사물질은 다음을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다: 프룩토스 6-포스페이트, 6-포스포글루콘산, 6-포스포글루코노-δ-락톤, 리불로스 5-포스페이트, 리보스 5-포스페이트, 에리트로스 4-포스페이트, 세도헵툴로스 7-포스페이트, 글리세르알데히드 3-포스페이트 및 디하이드록시아세톤 포스페이트. 비-인산화 글루코스 대사물질은 시트르산, 시스-아코니트산, 트레오-이소시트르산, 석신산, 푸마르산, 말산, 옥살로아세트산, 피루브산 및 락트산을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다.The exact mechanism by which glucose controls the interactivation performance of USF proteins is unclear. One possibility is reversible phosphorylation of USF proteins. Glucose can alter the phosphorylation state via xylose-5-phosphate via pentose phosphate shorts (Dorion et al., 1996). An alternative mechanism is via intracellular concentrations of glucose 6-phosphate (Foufelle et al., 1992). In addition, other glucose metabolites may be included. Phosphorylated glucose metabolites include, but are not limited to: fructose 6-phosphate, 6-phosphogluconic acid, 6-phosphoglucono-δ-lactone, ribulose 5-phosphate, ribose 5- Phosphate, erythrose 4-phosphate, sedoheptulose 7-phosphate, glyceraldehyde 3-phosphate and dihydroxyacetone phosphate. Non-phosphorylated glucose metabolites include, but are not limited to, citric acid, cis-aconic acid, threo-isocitric acid, succinic acid, fumaric acid, malic acid, oxaloacetic acid, pyruvic acid and lactic acid.

L-PK 유전자 L4 박스와 배열이 유사한, 다른 글루코스 반응 요소는 래트 S14 유전자의 전사 유도에 포함된 조절 서열이다(Shih et al., 1995). 기술된 다른 글루코스 반응 요소는 다음을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다: 간 6-포스포프럭토-2-키나제 유전자(Dupriez and Rousseau, 1997), β-섬 인슐린 유전자(German and Wang. 1994), 사구체간질 형질전환 성장 인자-β 유전자(Hoffman et al., 1998) 및 아세틸-조효소-A 카복실라제에 대한 유전자(Girard et al., 1997). 본 발명에서는 프로모터를 유효하게 지시하거나 달리 글루코스에 반응하여 리포터 단백질의 발현을 통제할 수 있는 글루코스 반응 요소의 사용을 고려한다.Another glucose response element, similar in arrangement to the L-PK gene L4 box, is the regulatory sequence involved in the transcriptional induction of the rat S14 gene (Shih et al., 1995). Other glucose response elements described include, but are not limited to: liver 6-phosphopructo-2-kinase gene (Dupriez and Rousseau, 1997), β-islet insulin gene (German and Wang. 1994), Gene for glomerular interstitial transforming growth factor-β gene (Hoffman et al., 1998) and acetyl-coenzyme-A carboxylase (Girard et al., 1997). The present invention contemplates the use of a glucose response element that can effectively direct a promoter or otherwise control the expression of a reporter protein in response to glucose.

바람직한 양태에서, 재조합 벡터는 하나 이상의 생물발광 폴리펩타이드를 암호화하는 핵산 단편을 포함한다. 매우 바람직한 핵산 단편은X. luminescens luxAB 및luxCDE의lux유전자이다. 세균 루시페라제는 변경되어 진핵생물 세포에서 발현을 최적화할 수 있다. 알마샤누(Almashanu) 등(1990)은luxA, 두가지 유전자 사이의 개재 영역으로부터 TAA 중지 코돈, 및luxB로부터 최초 메티오닌을, 판독 프레임을 파괴하지 않으면서,V. harveyi로부터luxAB 유전자를 제거함으로써 융합시켰다. 융합은Saccharomyces cerevisiaeDrosophila melanogaster에서성공적으로 발현된다. 동일한 방법이X. luminescens로부터luxAB로 사용된다. 수득된 작제물은 유전학적 변화를 입증하도록 서열화되어 융합물을 생성하고, 이들은 확인된다. 융합 영역의 서열은 다음과 같다:In a preferred embodiment, the recombinant vector comprises a nucleic acid fragment encoding one or more bioluminescent polypeptides. Highly preferred nucleic acid fragments are the lux genes of X. luminescens lux AB and lux CDE. Bacterial luciferase can be altered to optimize expression in eukaryotic cells. Almashanu et al. (1990) remove lux A, the TAA stop codon from the intervening region between the two genes, and the original methionine from lux B, and the lux AB gene from V. harveyi without destroying the reading frame. By fusion. Fusion is successfully expressed in Saccharomyces cerevisiae and Drosophila melanogaster . The same method is used for lux AB from X. luminescens . The resulting constructs are sequenced to demonstrate genetic changes, resulting in fusions, which are identified. The sequence of the fusion region is as follows:

5'-tacctagggagaaagagaatg-3'(SEQ ID NO:7) 5'- tac ctagggagaaagaga atg-3 '(SEQ ID NO: 7)

(밑줄친luxA의 종점) (밑줄친luxB의 출발점)(End point of underlined lux A) (starting point of underlined lux B)

융합은 E. coli에서 융합된 단백질을 성공적으로 발현시키고, 실시예 1에 기술된 바와 같이 포유류 벡터로 성공적으로 클로닝되었다.Fusions successfully expressed fused proteins in E. coli and were cloned successfully into mammalian vectors as described in Example 1.

추가 양태에서, 본 발명자들은 발광 생성물 또는 발광 신호로 직접 전환될 수 있는 생성물을 생성하는 반응을 생성할 수 있는 하나 이상의 효소를 암호화하는 핵산 단편을 포함하는 재조합 벡터를 고려한다. 예를 들어, 일반적으로 사용되는 β-갈락토시다제 및 알칼리성 포스페이트 효소의 기판이 시판되며, 이는 각각의 효소에 의해 전환되는 경우, 발광성(화학발광)이다.In a further aspect, we contemplate recombinant vectors comprising nucleic acid fragments encoding one or more enzymes capable of producing a reaction that produces a luminescent product or a product that can be converted directly into a luminescent signal. For example, substrates of commonly used β-galactosidase and alkaline phosphate enzymes are commercially available, which, when converted by each enzyme, are luminescent (chemiluminescent).

다른 중요한 양태에서, 바이오 센서는 하나 이상의 재조합 발현 벡터를 발현시키는 하나 이상의 제1 형질전환된 숙주 세포를 포함한다. 숙주 세포는 원핵생물 또는 진핵생물 세포일 수 있다. 바람직한 양태에서, 숙주 세포는 포유류 세포이다. 숙주 세포는 간세포, β-섬 세포 또는 간세포를 포함할 수 있다. 바람직한 양태에서, 숙주 세포는 동종 세포, 즉 배양되고, 유전공학으로 생성된 다음에, BBIC로 편입된 환자로부터 취득한 세포이다. 특히 바람직한 숙주 세포는X. luminescens,luxAB 및luxCDE의lux유전자를 암호화하는 재조합 벡터를 포함하는 핵산 단편(nucleic acid segment)을 발현시키는 것이다. 이들 서열은,X.luminescens lux시스템의 전사된 단백질이 37℃(주위 인체 온도)에서 작용하는 능력을 가지므로, 특히 바람직하다.In another important aspect, the biosensor comprises one or more first transformed host cells that express one or more recombinant expression vectors. The host cell can be a prokaryotic or eukaryotic cell. In a preferred embodiment, the host cell is a mammalian cell. Host cells can include hepatocytes, β-islet cells, or hepatocytes. In a preferred embodiment, the host cell is a homologous cell, ie a cell obtained from a patient who has been cultured, genetically generated and then incorporated into BBIC. Particularly preferred host cells are those expressing nucleic acid segments comprising recombinant vectors encoding the lux genes of X. luminescens , lux AB and lux CDE. These sequences are particularly preferred because the transcribed proteins of the X.luminescens lux system have the ability to act at 37 ° C. (ambient human temperature).

광범위한 종류의 방법이 유전자의 안정한 유지 및 발현을 허용하는 조건하에 미생물 숙주에 생물발광 또는 화학발광을 제공할 수 있는 폴리펩타이드를 발현시키는 핵산 단편을 도입하기 위해 유용하다. 한가지는 핵산 단편의 발현을 위한 전사 및 번역 조절 신호를 포함하는 DNA 작제물을 제공할 수 있고(이때, 핵산 단편은 조절 통제하에 있으며, DNA 서열은 숙주 유기체에서 서열과 동종이다), 이에 의해 조립 또는 숙주에서 작용하는 복제 시스템이 일어나고, 이에 의해 조립 또는 안정한 유지가 일어나거나 둘다 일어난다.A wide variety of methods are useful for introducing nucleic acid fragments that express polypeptides that can provide bioluminescence or chemiluminescence to microbial hosts under conditions that allow stable maintenance and expression of the gene. One can provide a DNA construct comprising transcriptional and translational control signals for the expression of a nucleic acid fragment, wherein the nucleic acid fragment is under regulatory control and the DNA sequence is homologous to the sequence in the host organism. Or a replication system acting on the host, whereby assembly or stable maintenance occurs, or both.

전사 개시 신호는 프로모터 및 전사 개시 출발 부위를 포함한다. 바람직한 경우, 생물발광 또는 화학발광을 제공할 수 있는 핵산 단편의 조절 발현을 제공하는 것이 필요할 수 있으며, 여기에서 핵산 단편의 발현은 적합한 환경으로 방출된 후에만 일어난다. 이는 작동기 또는 활성기 또는 증진기로 결합되는 영역을 사용하여 수행할 수 있으며, 이는 미생물의 신체 또는 화학적 환경의 변화시에 유도될 수 있다. 번역 개시를 위해서, 리보솜 결합 부위 및 개시 코돈이 존재한다.The transcription initiation signal includes a promoter and a transcription initiation start site. If desired, it may be necessary to provide regulated expression of nucleic acid fragments that can provide bioluminescence or chemiluminescence, where expression of the nucleic acid fragments occurs only after release into a suitable environment. This can be done using a region that is bound to an actuator or activator or enhancer, which can be induced upon changes in the body or chemical environment of the microorganism. For initiation of translation, ribosomal binding sites and initiation codons are present.

많은 조작이, 특히 활성 프로모터를 사용할 뿐만 아니라 서열을 사용함으로써 전령 RNA의 발현을 증진시키기 위해 사용될 수 있으며, 이는 전령 RNA의 안정성을 증진시킨다. 전사 및 번역 종료 영역은 중지 코돈(들), 종지기 영역 및 임의로, 폴리아데닐화 신호(진핵생물 시스템에 사용되는 경우)를 포함한다.Many manipulations can be used to enhance expression of messenger RNA, in particular by using sequences as well as using active promoters, which enhance the stability of messenger RNA. Transcriptional and translational termination regions include stop codon (s), species stage regions, and optionally, polyadenylation signals (if used in eukaryotic systems).

전사 방향에서 (즉, 암호화 또는 센스 서열의 5' 내지 3' 방향), 작제물은,존재하는 경우, 전사 조절 영역, 및 프로모터를 포함하며, 여기에서 조절 영역은 프로모터의 5' 또는 3', 리보솜 결합 부위, 개시 코돈, 개시 코돈을 갖는 상에서 개방 판독 프레임을 갖는 구조 유전자, 중지 코돈(들), 존재하는 경우, 폴리아데닐화 신호 서열 및 터미네이터 영역일 수 있다. 이중 스트랜드로서 이 서열은 미생물 숙주의 형질전환에 혼자 사용될 수 있지만, 표지를 포함하는 DNA 서열과 함께 일반적으로 포함되고, 여기에서 제2 DNA 서열은 DNA를 숙주에 도입하는 동안에 발현 작제물에 결합될 수 있다.In the direction of transcription (ie, 5 'to 3' direction of the coding or sense sequence), the construct, if present, comprises a transcriptional regulatory region, and a promoter, wherein the regulatory region is the 5 'or 3' of the promoter, Ribosome binding site, start codon, structural gene with open reading frame in the phase with start codon, stop codon (s), if present, polyadenylation signal sequence and terminator region. As a double strand, this sequence can be used alone in the transformation of a microbial host, but is generally included with a DNA sequence comprising a label, where the second DNA sequence is to be bound to the expression construct during the introduction of the DNA into the host. Can be.

본원에서의 용어 "표지(marker)"란 본 발명자들은 변경되거나 형질전환된 숙주의 선택을 제공하는 구조 유전자를 언급한다. 표지는 예를 들어, 살생물제 내성(예: 항생제 또는 중금속에 대한 내성); 상보성을 제공하는 선택적 잇점을 일반적으로 제공하여, 영양균주 숙주 등에 프로토트로피를 제공하도록 한다. 하나 이상의 표지가 작제물의 발생 뿐만 아니라 숙주를 변경시키는 데에 사용될 수 있다.The term "marker" as used herein refers to structural genes that provide for the selection of altered or transformed hosts. The label may be, for example, biocidal resistance (eg resistance to antibiotics or heavy metals); The selective benefit of providing complementarity is generally provided to provide prototrophy to the host of the strain, for example. One or more labels can be used to alter the host as well as the generation of the construct.

작용성 복제 시스템이 부재하는 경우, 작제물은 또한 50 basepair(bp) 이상, 바람직하게는 약 100bp 이상, 더욱 바람직하게는 약 1000bp 이상의 서열을 포함하고, 일반적으로 약 2000bp 이하의, 숙주에서의 서열과 동종인 서열을 포함한다. 이러한 방식으로, 적합한 재조합의 가능성이 증진되어, 유전자가 숙주에 조립되고 숙주에 의해 안정하게 유지되도록 한다. 바람직하게는, 생물발광 또는 화학발광을 제공할 수 있는 핵산 단편은 상보성을 제공하는 유전자 뿐만 아니라 경쟁적 잇점을 제공하는 유전자에 근접하여 존재한다. 따라서, 생물발광 또는 화학발광을 제공할수 있는 핵산 단편이 숙주인 경우, 수득된 유기체는 또한 상보성 유전자, 및 경쟁적 잇점을 제공하는 유전자 및 이들을 둘다 상실할 것 같다.In the absence of a functional replication system, the construct also comprises a sequence of at least 50 basepairs (bp), preferably at least about 100 bp, more preferably at least about 1000 bp, and generally at most about 2000 bp Include sequences that are homologous to In this way, the possibility of suitable recombination is enhanced, allowing the gene to be assembled into the host and maintained stable by the host. Preferably, nucleic acid fragments that can provide bioluminescence or chemiluminescence are present in close proximity to genes that provide complementarity as well as genes that provide competitive advantages. Thus, when the nucleic acid fragments that can provide bioluminescence or chemiluminescence are hosts, the organisms obtained are also likely to lose complementary genes, and genes that provide competitive advantages, and both.

다수의 전사 조절 영역은 광범위한 종류의 미생물 숙주(예: 박테리아, 박테리오파지, 시아노박테리아, 조류, 진균 등)로부터 유용하다. 많은 전사 조절 영역은 trp 유전자, lac 유전자, gal 유전자, λL및 λR프로모터, tac 프로모터와 연관된 영역을 포함한다. 예를 들어, 미국 특허 제4,332,898호; 미국 특허 제4,342,832호; 및 미국 특허 제4,356,270호(각각 본원에서 참조로 이의 전체가 인용되어 있다) 참조. 터미네이터 영역은 전사 개시 영역 또는 상이한 전사 개시 영역이 숙주에서 적합하고 작용성인 한, 두개의 영역과 일반적으로 연관된 터미네이터 영역일 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서, L-피루베이트 키나제 유전자의 단편이 사용되며, 이는 케네디(Kennedy) 등(1997)에 의해 기술된 L-PK 프로모터 및 L4 박스 글루코스 반응성 요소를 함유한다. 매우 바람직한 양태에서, p.LPK.LucFF플라스미드가 사용되며(Kennedy et al., 1997), 단지 개똥벌레 루시페라제를 암호화하는 luc 유전자는 제거되고 융합된X. luminescens luxAB 유전자로 대체된다.Many transcriptional regulatory regions are useful from a wide variety of microbial hosts (eg, bacteria, bacteriophages, cyanobacteria, algae, fungi, etc.). Many transcriptional regulatory regions include regions associated with trp genes, lac genes, gal genes, λ L and λ R promoters, and tac promoters. See, for example, US Pat. No. 4,332,898; US Patent No. 4,342,832; And US Pat. No. 4,356,270, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. The terminator region may be a transcription initiation region or a terminator region generally associated with two regions, as long as different transcription initiation regions are suitable and functional in the host. In a preferred embodiment of the invention, fragments of the L-pyruvate kinase gene are used, which contain the L-PK promoter and L4 box glucose reactive elements described by Kennedy et al. (1997). In a very preferred embodiment, the p.LPK.Luc FF plasmid is used (Kennedy et al., 1997) and only the luc gene encoding firefly luciferase is removed and replaced with the fused X. luminescens lux AB gene.

안정한 에피솜 유지 또는 조립이 바람직한 경우, 숙주에서 작용성인 복제 시스템을 갖는 플라스미드가 사용된다. 복제 시스템은 염색체, 숙주 또는 상이한 숙주에 존재하는 에피솜 요소, 또는 숙주에서 안정한 바이러스로부터 복제 시스템으로부터 유도될 수 있다. 다수의 플라스미드가 유용하며, 예를 들어, pBR322, pACYC184, RSF1010, pR01614 등이다. 예를 들어, 문헌(Oslen et al., 1982;Bagdasarian et al., 1981), 미국 특허 제4,356,270호, 미국 특허 제4,362,817호, 미국 특허 제4,371,625호 및 미국 특허 제5,441,884호를 참조하며, 이들은 각각 본원에서 참조로 특별히 인용되어 있다.Where stable episomal maintenance or assembly is desired, plasmids with replication systems functional in the host are used. The replication system may be derived from a replication system from a chromosome, host or episomal element present in a different host, or from a virus stable in the host. Many plasmids are useful, for example pBR322, pACYC184, RSF1010, pR01614 and the like. See, eg, Oslen et al., 1982; Bagdasarian et al., 1981, US Pat. No. 4,356,270, US Pat. No. 4,362,817, US Pat. No. 4,371,625 and US Pat. No. 5,441,884, respectively. Specifically cited herein by reference.

바람직한 유전자는 개시 영역을 조절 통제하도록, 전사 및 번역 개시 영역 및 전사 및 번역 터미네이터 영역 사이에 도입할 수 있다. 이 작제물은 플라스미드에 포함되고, 이는 하나 이상의 복제 시스템을 포함하지만, 하나보다 많이 포함할 수 있으며, 여기에서 하나의 복제 시스템은 플라스미드의 개발 동안에 클로닝하기 위해 사용되고, 제2 복제 시스템은 마지막 숙주에서 작용시키기 위해 필수적이다. 또한, 하나 이상의 표지가 존재할 수 있으며, 이는 이전에 기술되었다. 조립이 바람직한 경우, 플라스미드는 바람직하게는 숙주 게놈과 동종인 서열을 포함한다.Preferred genes can be introduced between the transcriptional and translational initiation region and the transcriptional and translational terminator region to regulate and control the initiation region. This construct is included in the plasmid, which includes one or more replication systems, but may include more than one, where one replication system is used for cloning during the development of the plasmid and the second replication system is in the last host. It is essential to make it work. In addition, more than one label may be present, as previously described. If assembly is preferred, the plasmid preferably comprises sequences homologous to the host genome.

형질 전환체는 통상적인 방법에 따라서, 일반적인 선별 기술을 사용하여 분리할 수 있는 데, 이로 인해 비-변경 유기체 또는 이입 유기체 (transferring organism)- 존재하는 경우 - 와 목적하는 유기체를 선별할 수 있다. 그리고 나서, 형질 전환체는 생물발광 또는 화학발광 활성을 시험할 수 있다. 필요한 경우, 원하지 않거나 부수적인 DNA 서열은 부위-특이적 재조합 시스템을 사용함으로써 재조합 세균으로부터 선택적으로 제거할 수 있으며, 예를 들어, 본원에서 참조로 이의 전체가 특별하게 인용된 미국 특허 제5,441,884호에 기술되어 있다.Transformants can be isolated using conventional screening techniques, according to conventional methods, thereby allowing selection of non-altering or transferring organisms, where present and the desired organisms. The transformant can then be tested for bioluminescent or chemiluminescent activity. If desired, unwanted or concomitant DNA sequences can be selectively removed from recombinant bacteria by using site-specific recombination systems, see, for example, US Pat. No. 5,441,884, which is specifically incorporated herein by reference in its entirety. Described.

I. 생체내 바이오 센서의 조립 및 저장I. Assembly and Storage of In Vivo Biosensors

바이오 센서가 매트릭스에 봉입된 것과 반대로, 반투과성 막 너머 현탁액에트래핑된 생명공학으로 생성된 세포로 이루어진 경우, 세포는 BBIC에 즉시 내지 수시간의 시점에 첨가한 후, 바이오 센서를 이식할 수 있다. 바이오 센서는 또는, 중합체 매트릭스에 봉입된 세포로 이루어질 수 있다. 매트릭스는 생체 세포의 봉입에서 성공한 것으로 이전에 나타난 물질을 포함하며, 이는 폴리비닐 알콜, 졸-겔 및 알기네이트를 포함한다(Cassidy et al., 1996). 봉입하기 전에, 원핵생물 세포 라인은 제조업자의 프로토콜에 따라서 동결 건조 시스템(예: Savant)으로 동결건조시킬 수 있다. 동결건조는 세포가 장기간 저장 기간(수년)을 거치도록 허용하며, 이때 간단한 재수화 프로토콜이 BBIC 사용 전에 세포 재활성증강에 필요하다(Malik et al., 1993).S. cerevisiae진핵생물 세포가 유사하게 동결건조될 수 있다. 바람직하게는 β-세포섬, 간세포 또는 간세포로 이루어진 진핵생물 세포 라인은 IC 위에서 폴리비닐 알콜 메시-보강된 또는 미소 다공성 필터 지지된 하이드로겔내에 봉입될 수 있으며, 이는 이전에 이러한 종류의 세포 봉입물에서 성공적으로 수행되었다(Baker et al., 1997; Burczak et al., 1996; Gu et al., 1994; Inoue et al., 1991).In contrast to biosensors encapsulated in a matrix, when the biosensors consist of biotechnology-generated cells trapped in a suspension beyond a semipermeable membrane, the cells can be immediately added to the BBIC at a time point of several hours before implanting the biosensors. Biosensors can also consist of cells enclosed in a polymer matrix. The matrix includes materials previously shown to be successful in the encapsulation of living cells, including polyvinyl alcohol, sol-gels and alginates (Cassidy et al., 1996). Prior to encapsulation, prokaryotic cell lines can be lyophilized with a lyophilization system (eg Savant) according to the manufacturer's protocol. Lyophilization allows cells to undergo long term storage periods (years), where a simple rehydration protocol is required for cell reactivation prior to BBIC use (Malik et al., 1993). S. cerevisiae eukaryotic cells can similarly be lyophilized. Eukaryotic cell lines, preferably consisting of β-cell islets, hepatocytes or hepatocytes, may be enclosed in polyvinyl alcohol mesh-reinforced or microporous filter supported hydrogels on IC, which previously contained cell sorts of this kind (Baker et al., 1997; Burczak et al., 1996; Gu et al., 1994; Inoue et al., 1991).

그러나, 포유류 세포 라인의 경우, 동결건조는 대안이 아니다. 이러한 경우, 포유류 세포는 이전에 기술된 바와 같이 졸 겔 또는 다른 고정 매트릭스에 봉입시키고 BBIC에 부착될 수 있다. 다음에, 봉입물에서 완성된 BBIC는 혈청 또는 다른 적합한 유지 매질에 저장되고, 사용할 때까지 유지된다. 죽지 않는 간세포 라인 사용의 잇점은 장기간 사용 및 저장 둘 다에 있어서 명백하다. 이식은 특정한 적용에 따라 수행될 수 있다. 글루코스 검출의 경우, 간질 유체가 이용가능한영역이 가장 적합하다. 그러나, 호르몬 또는 다른 혈액 함유 분자를 검출하는 특정 적용을 갖는 이식가능한 장치가 혈류에 이용가능하다. 합성 정맥 또는 카테터 (catheter) 시스템은 표적 분자의 혈액 수준의 연속적 감시를 허용하도록 사용하는 것이 필요할 수 있다. 글루코스 이외에 다른 특정한 예는 결장암과 연관된 분자를 검출하는 생체내 바이오 센서 장치의 사용이다. 이러한 경우, 바이오 센서는 결장에 이식된다.However, for mammalian cell lines, lyophilization is not an alternative. In such cases, mammalian cells may be enclosed in a sol gel or other fixed matrix and attached to BBIC as previously described. The finished BBIC in the enclosure is then stored in serum or other suitable maintenance medium and maintained until use. The benefits of using intact hepatocyte lines are evident for both long term use and storage. Transplantation can be performed depending on the particular application. For glucose detection, the area where the interstitial fluid is available is most suitable. However, implantable devices with specific applications for detecting hormones or other blood containing molecules are available for the bloodstream. Synthetic venous or catheter systems may need to be used to allow continuous monitoring of the blood levels of the target molecule. Another particular example besides glucose is the use of an in vivo biosensor device to detect molecules associated with colon cancer. In this case, the biosensor is implanted into the colon.

집적 회로는 멸균성 성장 방지 백에 개별적으로 포장될 수 있다. 동결건조된 세포로 이루어진 원핵생물계 및 효모 진핵생물 바이오 센서는 수년에 가까운 기간동안 멸균성, 성장 방지, 진공 밀봉된 백에 개별적으로 저장될 수 있다. 세포는 일반적으로 사용하기 전에 최소 영양 배지에서 재수화된다. 포유류 세포 라인은 별도로, 또는 트래핑되는 경우, 발생부위에서 BBIC 위에 동결되거나 냉동되어, 장기간 저장을 위해 동결된 채로 유지되거나(-150℃에서 7년까지) 단기간 저장(수일)을 위해 냉동된다. 모든 경우에, BBIC를 중요한 분석물의 공지된 농도에 노출시키므로, 공지된 크기의 정량적 생물발광 신호를 생성하는 세포 생존 능력을 검사할 수 있다. 분석물(들) 또는 참조 "표준"의 하나 이상의 대조 바이알은 진단 킷트의 일부로서 포함되거나 이식가능한 장치의 적합한 검정에 공급될 수 있다.Integrated circuits may be individually packaged in sterile growth prevention bags. Prokaryotic and yeast eukaryotic biosensors, consisting of lyophilized cells, can be stored individually in sterile, growth resistant, vacuum sealed bags for close to several years. Cells are generally rehydrated in minimal nutrient medium before use. Mammalian cell lines, either separately or when trapped, are frozen or frozen on the BBIC at the site of development, remain frozen for long term storage (up to 7 years at -150 ° C.) or frozen for short term storage (several days). In all cases, BBIC is exposed to known concentrations of important analytes, which allows testing of cell viability to produce quantitative bioluminescent signals of known size. One or more control vials of the analyte (s) or reference “standard” may be included as part of a diagnostic kit or supplied in a suitable assay of an implantable device.

J. 바이오 센서 장치의 이식 및 사용J. Implantation and Use of Biosensor Devices

본 발명의 바람직한 양태에서, BBIC 분석물 바이오 센서는 동물의 간질 유체와 접촉하도록 이식된다. 예를 들어, 글루코스 바이오 센서의 경우, 간질 유체에서 글루코스 역학이 구획 모형 제작에 의해 예상할 수 있음이 나타났다(Gastaldelli et al., 1997). 특히, 글루코스 센서의 피하 배치가 입증되었다 (Schmidt et al., 1993; Poitour et al., 1993; Ward et al., 1994; Stenberg et al., 1995; Bantle and Thomas, 1997). 다른 가능한 분석물 바이오 센서 조직 이식 부위는 복막, 흉막 및 심막을 포함한다 (Wolfson et al., 1982). 사실상, 본 발명자들은 검출되는 특정 분석물 또는 대사물질에 따라서, 이식가능한 바이오 센서가 신체 전체에 걸쳐서 편리한 위치에 통상적인 수술 및 이식 방법을 사용하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 간질 유체, 림프액, 혈액, 혈청, 활액 또는 뇌척수 유체와 접촉되는 방식으로 검출되는 특정 분석물에 따라서 이식될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the BBIC analyte biosensor is implanted in contact with the interstitial fluid of the animal. For example, in the case of glucose biosensors, it has been shown that glucose dynamics in interstitial fluid can be predicted by compartmental modeling (Gastaldelli et al., 1997). In particular, subcutaneous placement of glucose sensors has been demonstrated (Schmidt et al., 1993; Poitour et al., 1993; Ward et al., 1994; Stenberg et al., 1995; Bantle and Thomas, 1997). Other possible analyte biosensor tissue transplant sites include the peritoneum, pleura and pericardium (Wolfson et al., 1982). Indeed, we can place implantable biosensors at convenient locations throughout the body, using conventional surgical and implantation methods, depending on the particular analyte or metabolite detected. For example, the device of the present invention may be implanted in accordance with a particular analyte detected in such a way as to be in contact with interstitial fluid, lymph, blood, serum, synovial fluid or cerebrospinal fluid.

특정 양태에서, 상기한 이식가능한 장치는 특정 조직, 기관 또는 특정 기관 시스템과 접촉하여 배치될 수 있다. 마찬가지로, 특정 세포내 유체, 세포간 유체(interstitial fluid), 또는 표적 물질이 검출될 수 있는 다른 체액과 접촉하도록 바이오 센서를 이식하는 것이 바람직할 수 있다.In certain embodiments, the implantable device described above may be placed in contact with a particular tissue, organ or particular organ system. Similarly, it may be desirable to implant the biosensors into contact with certain intracellular fluids, interstitial fluids, or other body fluids from which the target material can be detected.

또한, 본 발명에서는 다수의 상이한 분석물을 검출하기 위한 다수의 바이오 센서 사용을 고려한다. 예를 들어, 글루코스 감시의 경우, 하나 이상의 장치를 사용하여 각종 글루코스 또는 글루코스 대사물질, 글루카곤, 인슐린 등을 감시할 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 바이오 센서 장치가 통제된 약물 전달 시스템에 사용될 수 있다. 이런 식으로, 이러한 장치는 바이오 센서에 의해 통제될 수 있고 동물의 신체에 BBIC 장치에 의해 검출된 하나 이상의 분석물의 농도에 의해 측정된 특정 약물, 호르몬, 단백질, 펩타이드 또는 다른 약제학적 조성물의 양을 도입할수 있는 바이오 센서에 의해 통제가능한 약물 전달 펌프 또는 장치로 적합하게 연결될 수 있다. 따라서, 통제된 약물 전달 시스템은 본 발명자들에 의해 만성 또는 평생 의학적 상태의 경우 또는 증상이 장기간 지속되는 경우와 같이 동물에게 장기간 약물 투여를 제공하는 데에 특히 바람직한 것으로 고려된다. 통증 약제, 심장 또는 다른 심장 조절제, 이뇨제, 또는 호르몬 또는 펩타이드(예: 인슐린) 또는 대사물질(예: 글루카곤 또는 글루코스)과 같은 약물의 장기간 통제된 전달은 이러한 바이오 센서/펌프 시스템에 의해 촉진될 수 있다. 하나 이상의 약물 또는 대사물질을 동물에게 전달하는 것이 필요한 경우, 다수의 약물 전달 시스템 또는 단일 개폐식 약물 전달 시스템이 특히 유용하다고 고려된다.In addition, the present invention contemplates the use of multiple biosensors to detect multiple different analytes. For example, for glucose monitoring, one or more devices may be used to monitor various glucose or glucose metabolites, glucagon, insulin, and the like. Likewise, one or more biosensor devices can be used in a controlled drug delivery system. In this way, such a device can be controlled by a biosensor and determine the amount of a particular drug, hormone, protein, peptide or other pharmaceutical composition measured by the concentration of one or more analytes detected by the BBIC device in the body of the animal. Introducing biosensors can be suitably connected to a controlled drug delivery pump or device. Accordingly, controlled drug delivery systems are considered by the inventors to be particularly desirable for providing long term drug administration to animals, such as in the case of chronic or lifelong medical conditions or when symptoms persist for a long time. Prolonged controlled delivery of pain medications, heart or other cardiac modulators, diuretics, or drugs such as hormones or peptides (such as insulin) or metabolites (such as glucagon or glucose) can be facilitated by such biosensor / pump systems. have. If it is necessary to deliver one or more drugs or metabolites to the animal, it is contemplated that multiple drug delivery systems or single gated drug delivery systems are particularly useful.

숙주-거부 효과는 면역분리 기술을 통해 최소화될 수 있다. 이전의 연구는 하이드로겔 막에 밀봉된 생체 비-숙주 세포가 이식 후에 면역 거부로부터 보호됨을 알아냈다 (Baker et al., 1997; Burczak et al., 1996; Inoue et al., 1991). 하이드로겔 블록은 숙주의 면역계의 체액 및 세포 성분에 의해 접근하지만, 표적 물질 글루코스에 투과성인 채로 유지된다. Gu 등(1994)에 의해 개발된 메쉬-보강된 폴리비닐 알콜 하이드로겔 백은 사용하여 BBIC를 완전히 봉입시켜 면역억제 반응의 이식 공극을 허용한다.Host-rejection effects can be minimized through immunoisolation techniques. Previous studies have found that bio-host cells sealed to hydrogel membranes are protected from immune rejection after transplantation (Baker et al., 1997; Burczak et al., 1996; Inoue et al., 1991). The hydrogel block is accessed by the humoral and cellular components of the host's immune system but remains permeable to the target substance glucose. The mesh-reinforced polyvinyl alcohol hydrogel bag developed by Gu et al. (1994) is used to fully encapsulate BBIC to allow graft porosity of the immunosuppressive response.

숙주로부터 세포가 바이오 센서 제작에 사용되는 경우, 이식된 바이오 센서의 숙주 거부는 문제가 아니다. 그러나, 다른 세포가 사용되는 경우, 세포 및 신호 분자 또는 분석물의 통과를 허용하지만 바이오 리포터 세포 또는 체세포(백혈구 등)의 통과를 허용하지 않는 적합한 체액 사이에 장벽을 제공하는 것이 필요할 수있다. 면역억제된 환자는, 이식물이 환자를 침범하는 종류의 병원체 제제를 함유하지 않으므로, 감염되지 않는다. 모든 경우에, 기술된 BBIC 장치의 이식에 포함된 수술 방법은 외과 분야의 전문가에게 익히 공지되어 있다.If cells from the host are used for biosensor fabrication, host rejection of the implanted biosensor is not a problem. However, where other cells are used, it may be necessary to provide a barrier between suitable body fluids that allow passage of cells and signal molecules or analytes but do not allow passage of bioreporter cells or somatic cells (such as white blood cells). Immunosuppressed patients are not infected because the implant does not contain a pathogen agent of the kind that invades the patient. In all cases, the surgical methods involved in the implantation of the described BBIC device are well known to those skilled in the surgical art.

예시적인 양태에서, BBIC 글루코스 센서가 당뇨병 환자의 글루코스 감시에 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 센서는 지속 운동 또는 저혈당증 또는 고혈당증을 포함하는 다른 상태에서와 같이 글루코스 농도가 중요한 기타의 다른 상태에 사용될 수 있다. 이러한 측정은 연구 또는 진단 목적의 종점일 수 있고, 또는 이러한 센서는 원격측정법을 거쳐 또는 약물 전달 시스템에 직접 연결될 수 있다.In an exemplary embodiment, a BBIC glucose sensor can be used to monitor glucose in diabetic patients. However, such sensors can be used in other conditions where glucose concentration is important, such as in sustained exercise or other conditions, including hypoglycemia or hyperglycemia. Such measurements may be endpoints for research or diagnostic purposes, or such sensors may be connected via telemetry or directly to the drug delivery system.

글루코스 이외에 다른 물질에 대한 이식가능한 BBIC의 용도는 일정 범위의 치료 상황에 사용될 수 있다. 적합한 시스-활성화 반응 요소를 편입시켜, BBIC는 다수의 물질을 감시하고, 만성 통증 치료, 암 치료, 만성 면역억제, 호르몬 치료, 콜레스테롤 관리, 및 심장 발작 환자의 락테이트 한계치에서 용도를 발견할 수 있다. 예를 들어, 하기 실시예 7에서는 암의 검출 및 진단에서 BBIC의 사용이 기술되어 있다.The use of implantable BBICs for other substances besides glucose can be used for a range of therapeutic situations. By incorporating suitable cis-activating response elements, BBIC can monitor a number of substances and find use in the treatment of chronic pain, cancer treatment, chronic immunosuppression, hormone therapy, cholesterol management, and lactate limits in heart attack patients. have. For example, Example 7 below describes the use of BBIC in the detection and diagnosis of cancer.

개별적 바이오 센서는 세포의 생존 능력 뿐만 아니라 성능을 검사하도록 검정할 수 있다. 검정은 중요한 분석물(들)의 농도 변화를 함유하는 용액에 센서를 노출시켜 수행한다. 바이오 리포터는 이의 최초 작제 후에 특정 적용에 대한 일련의 표준 분석물 농도에 의해 검정할 수 있다. 전체적인 온-라인 성능(on-line performance)은 미소유체를 사용하여 분석물의 저장소로 감시할 수 있으며, 이는 세포에 대해 공지된 농도를 체계적으로 제공하여, 검정 및 생존 능력에 대한 시험이 가능하다.Individual biosensors can be assayed to examine the performance as well as the viability of the cells. The assay is performed by exposing the sensor to a solution containing a change in concentration of the important analyte (s). The bioreporter can be assayed by a series of standard analyte concentrations for a particular application after its initial construction. Overall on-line performance can be monitored with analyte reservoirs using microfluidics, which systematically provide known concentrations for cells, allowing for assays and viability testing.

이 때, 발광 반응은 농도 및 파라미터 세트와 상관된다. 생존 능력은 또한, 생명공학으로 생성된 세포에 의해 연속적으로 감시할 수 있으며, 여기에서 리포터는 연속 발광을 나타낸다. 생존 능력의 손실은 발광을 감소시킨다. 이 기술을 사용하여 원핵생물 세포의 생존 능력을 검출하였다. 따라서, BBIC는 2가지의 바이오 리포터, 선택된 물질을 검출하는 바이오 리포터 및 세포 생존 능력에 비례하여 발광을 나타내는 제2 바이오 리포터를 함유한다. 2가지의 바이오 리포터로부터의 신호의 비를 측정하여, 생존 능력의 손실을 자동적으로 보정하는 검출 방법을 제공할 수 있다.At this time, the luminescence reaction is correlated with the concentration and parameter set. Viability can also be monitored continuously by cells produced by biotechnology, where the reporter exhibits continuous luminescence. Loss of viability reduces luminescence. This technique was used to detect the viability of prokaryotic cells. Thus, BBIC contains two bioreporters, a bioreporter that detects selected substances, and a second bioreporter that exhibits luminescence in proportion to cell viability. A detection method can be provided that measures the ratio of signals from two bioreporters and automatically corrects for loss of viability.

일단 제조되면, 바이오 리포터는 적합한 유지 배질(예: 표준 조직 배양 배지, 혈청, 또는 다른 적합한 성장 또는 영양소 제형)에 저장된 다음에, 이식 전에 검정될 수 있다. 이 장치의 생존 능력은 미소유체를 사용하는 생물발광에 의해, 또는 이식 전후에 시스템의 생존 능력 및 통합성을 보장하는 공지된 표준 또는 다른 참조 용액의 정량화에 의해 검사할 수 있다.Once prepared, the bioreporter can be stored in a suitable maintenance medium (eg, standard tissue culture medium, serum, or other suitable growth or nutrient formulation) and then assayed prior to transplantation. The viability of this device can be examined by bioluminescence using microfluidics or by quantification of known standards or other reference solutions to ensure the viability and integrity of the system before and after implantation.

본 발명의 특정한 양태에서, 모놀리틱 바이오 센서 장치는 감시된 개체의 신체로 외부 사용될 수 있다. 특정 임상 설정에서, 모니터를 사용하여 체액 중의 글루코스를 탈체 방식으로 감시할 수 있다. 장치는 심지어 병리학 또는 법의학 분야에 사용하여 조직 또는 체액 등에서 특정 분석물의 양을 검출할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에서는 또한 수의학 분야에서 바이오 센서 장치의 사용을 고려한다. 혈액 중의 호르몬 수준을 감시하고(즉, 우유 생산을 최적화하기 위해), 다수의 동물에서 발정기의 개시(열)을 감시하여 인공 수정 효율을 최대화하고, 생성된 우유의 호르몬 수준 등을 직결 감시(젖통에서)하기 위해 동물에서 이러한 장치의 이식은 상업적 영농 작업, 축산업 및 수의학의 전문가에 의해 사용하기 위해 특정한 이익을 제공한다고 고려된다.In certain aspects of the invention, the monolithic biosensor device can be externally used as the body of the monitored individual. In certain clinical settings, monitors may be used to monitor glucose in body fluids in a decongested manner. The device may even be used in the pathology or forensic field to detect the amount of a particular analyte, such as in tissues or body fluids. Likewise, the present invention also contemplates the use of biosensor devices in the field of veterinary medicine. Monitor hormone levels in the blood (i.e. to optimize milk production), monitor the onset (heat) of estrus in many animals to maximize artificial insemination efficiency, and directly monitor hormone levels in the resulting milk Implantation of such devices in animals is considered to provide certain benefits for use by professionals in commercial farming operations, animal husbandry and veterinary medicine.

K. 생체내 바이오 센서를 포함하는 진단 킷트K. Diagnostic Kits Including Biosensors In Vivo

본원에서 기술된 본 발명의 개별적 성분은 개별적으로 수득되고 구성될 수 있지만, 본 발명자들은 편리하게는, 바이오 센서의 성분이 킷트 형태로 포장될 수 있음을 고려한다. 상기 킷트는 적합한 용기 수단에, 하나 이상의 바이오 리포터 및 광변환기를 포함하는 집적 회로를 포함할 수 있다. 또한, 상기 킷트는, 바람직하게는 바이오 센서 장치의 사용에 대한 지시서를 포함하고, 임의로 약물 전달 장치 또는 제2 바이오 센서 장치를 추가로 포함할 수 있다. 상기 킷트는 하나 이상의 바이오 리포터 및 광변환기를 포함하는 집적 회로를 함유하는 단일 용기 수단 및 약물 전달 장치를 포함할 수 있다. 또는, 본 발명의 킷트는 각 성분에 대해 별도 용기 수단을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 하나의 용기는 적합한 매질 중의 또는 중합체 매트릭스에 예비봉입된 하나 이상의 바이오 리포터를 함유하며, 다른 용기는 집적 회로를 포함하고, 다른 용기는 약물 전달 장치를 포함한다. 바이오 리포터가 예비 봉입(pre-encapsulation)되는 경우, 킷트는 하나 이상의 봉입 매질을 함유할 수 있다. 각 성분에 대해 별도 용기 수단을 사용함으로써 킷트의 여러 성분의 변경을 허용한다. 예를 들어, 다수의 바이오 리포터는 검출을 원하는 물질에 따라서 선택하는 것이 유용할 수 있다. 바이오 리포터를 대체함으로써, 완전히상이한 목적으로 킷트의 성분을 유지시킬 수 있어서, 성분의 재사용할 수 있다.While the individual components of the invention described herein can be obtained and configured individually, the inventors conveniently contemplate that the components of the biosensor can be packaged in kit form. The kit may comprise an integrated circuit comprising one or more bioreporters and a photoconverter in suitable container means. In addition, the kit preferably includes instructions for the use of the biosensor device, and may optionally further comprise a drug delivery device or a second biosensor device. The kit may comprise a single container means and drug delivery device containing an integrated circuit comprising one or more bioreporters and a photoconverter. Alternatively, the kits of the present invention may comprise separate container means for each component. In this case, one container contains one or more bioreporters in a suitable medium or pre-encapsulated in a polymer matrix, another container comprising an integrated circuit, and another container containing a drug delivery device. If the bioreporter is pre-encapsulation, the kit may contain one or more encapsulation media. The use of separate container means for each component allows for modification of the various components of the kit. For example, many bioreporters may be useful to select, depending on the desired material for detection. By replacing the bioreporter, the components of the kit can be retained for completely different purposes, and the components can be reused.

상기한 용기 수단은 바이알, 시험관, 주머니, 슬리브, 수축포장 또는 킷트의 상기 성분들이 배치될 수 있는 기타의 다른 용기 수단과 같은 용기일 수 있다. 바이오 리포터 또는 어떠한 시약이라도, 필요한 경우, 소형 용기 또는 전달 비히클로 분배될 수 있다.The container means described above can be a container such as a vial, test tube, bag, sleeve, shrink wrap or any other container means in which the components of the kit can be placed. The bioreporter or any reagent may be dispensed into a small container or delivery vehicle, if necessary.

또한, 본 발명의 킷트는, 개별 용기를 상업 규모에 대한 폐쇄 범위로 함유하는 수단을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 킷트의 목적하는 성분이 보유된 사출 또는 취입-성형된(blow-molded) 플라스틱 용기이다.In addition, the kits of the present invention may include means for containing individual containers in a closed range on a commercial scale, for example injection or blow-molded with the desired components of the kit. It is a plastic container.

용기의 수와 무관하게, 본 발명의 킷트는 또한, 집적 회로에 바이오 리포터의 배치를 보조하기 위한 기기를 포함하거나 이를 사용하여 포장할 수 있다. 이러한 기기는 주사기, 피펫, 핀셋 또는 다른 유사한 수술 또는 이식 장치일 수 있다. 또한, 상기 킷트는, 하나 이상의 스텐트, 카테터 또는 표적 동물의 신체내에서 이식을 촉진하는 다른 수술 기기를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 킷트는, 원격 측정용 장치 또는 데이터 저장 또는 감시 장치로부터 수득된 데이터의 장기간 기록을 위한 장치를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 통제된 약물 전달 시스템의 경우, 킷트는 상기한 바와 같은 하나 이상의 약물 전달 펌프를 포함할 수 있고, 하나 이상의 약제학적 제제 자체를 투여하기 위해 포함할 수 있다. 예로서, 글루코스 감시 시스템의 경우, 시스템은 글루코스-민감성 BBIC 장치, 약물 전달 펌프, 시스템의 이식 및/또는 사용에 대한 지시서 및 임의로, 참조 표준 또는 인슐린, 글루카곤 또는 다른 약제학적 조성물의 약제학적 제형을 일반적으로 포함한다. 또한, 상기 시스템은, BBIC 장치내에 포함된 바이오 리포터 세포의 영양 요구를 지지하는 성장 및/또는 저장 배지를 임의로 포함할 수 있다.Regardless of the number of containers, the kit of the present invention may also include or use a device for assisting the placement of the bioreporter in an integrated circuit. Such device may be a syringe, pipette, tweezers or other similar surgical or implantable device. The kit may also include one or more stents, catheters or other surgical instruments that facilitate implantation in the body of the target animal. Such kits may also include devices for long term recording of data obtained from telemetry devices or data storage or monitoring devices. Likewise, in the case of a controlled drug delivery system, the kit may include one or more drug delivery pumps as described above, and may include one or more pharmaceutical agents to administer themselves. For example, in the case of a glucose monitoring system, the system may include glucose-sensitive BBIC devices, drug delivery pumps, instructions for implantation and / or use of the system, and optionally, reference standards or pharmaceutical formulations of insulin, glucagon or other pharmaceutical compositions. Generally includes. In addition, the system may optionally include growth and / or storage medium to support the nutritional needs of the bioreporter cells included in the BBIC device.

다음 실시예가 포함되어 본 발명의 바람직한 양태를 입증한다. 하기 실시예에 개시된 기술은 본 발명자에 의해 밝혀진, 본 발명의 수행시에 잘 작용하는 기술을 나타내며, 따라서 수행에 바람직한 방식을 구성한다고 고려될 수 있음이 본 발명의 전문가에 의해 이해된다. 그러나, 당해 분야의 전문가는 본 기술에 비추어, 기술되고 여전히 유사한 결과를 수득하는 특정 양태에서, 본 발명의 정신 및 범위를 이탈하지 않으면서 많은 변화가 이루어질 수 있음을 이해한다.The following examples are included to demonstrate preferred embodiments of the present invention. It is understood by those of ordinary skill in the art that the techniques disclosed in the following examples represent techniques that work well in the practice of the present invention, as revealed by the inventors, and thus may be considered to constitute a preferred manner for performance. However, one of ordinary skill in the art appreciates that many changes can be made in the light of the present technology without departing from the spirit and scope of the invention in certain embodiments that are described and still yield similar results.

실시예 1Example 1

포유류 세포 라인에 대한 생물발광 리포터의 작제Construction of Bioluminescent Reporters for Mammalian Cell Lines

이식가능한 생물발광 글루코스 센서의 작제를 용이하게 하려면, 루시페라제 반응을 위한 기판을 외인성 첨가하지 않으면서 작용할 수 있는 생물발광 리포터 시스템을 형성하는 것이 필수적이다. 이러한 외인성 첨가는 많은 진핵생물 루시페라제에 대한 루시페린 생성의 복합체 특성에 기인한다. 세포를 투과시키거나 용해시킨 다음에, 루시페린을 함유하는 검정 용액으로 처리해야 한다. 따라서, 진핵생물 분자 생물학에 사용된 생물발광 리포터의 현재 상태는 이들을 "온-라인(on-line)" 감시에 부적합하게 만든다. 개똥벌레 루시페라제는 단일 생체 β-세포섬에서 L-피루베이트 키나제 프로모터 활성의 조절 검사에 사용되었다(Kennedy et al., 1997). 그러나 이들 세포는 발광 반응을 생성하기 위해서 Beetle 루시페린으로 관류시켜야 한다.To facilitate the construction of an implantable bioluminescent glucose sensor, it is essential to form a bioluminescent reporter system that can function without exogenous addition of a substrate for the luciferase reaction. This exogenous addition is due to the complex nature of luciferin production for many eukaryotic luciferases. Cells must be permeated or lysed and then treated with assay solution containing luciferin. Thus, the current state of bioluminescent reporters used in eukaryotic molecular biology makes them unsuitable for "on-line" monitoring. Firefly luciferase has been used to test the regulation of L-pyruvate kinase promoter activity in single living β-cell islets (Kennedy et al., 1997). However, these cells must be perfused with Beetle luciferin to produce a luminescent response.

이러한 제한을 완화하기 위해서, 본 발명에 바람직한 생물발광 리포터 시스템은 외인성 기판의 첨가를 필요로 하지 않는다는 것이다. 세균 루시페라제-기본 검출 시스템의 경우에, 이는X. luminescens로부터 생물발광 유전자를 사용하여 수행할 수 있다. 이 유기체에서,luxA 및luxB 유전자(또는 단일 융합된luxAluxB유전자)는 각각 루시페라제 효소의 α- 및 β-서브유닛을 암호화한다 (Meighen et al., 1991). 이 루시페라제는 37℃에서 최대 안정성을 나타내는 한편, 다른 세균 루시페라제는 30℃ 이상에서 상당한 활성을 상실한다. 따라서, 이들 세균 루시페라제는 약간 변경된 진핵생물 세포에서 발현될 수 있다. 알마샤누 등(1990)은 V. luxA, 2개의 유전자 사이의 개재 영역으로부터 TAA 중지 코돈, 및 luxB로부터 최초 메티오닌을, 판독 프레임을 붕괴시키지 않으면서 제거함으로써V. harveyi로부터luxAB유전자를 융합시켰다. 융합은S. cerevisiaeD. melanogaster에서 성공적으로 발현된다. 동일한 방법을 사용하여 융합된luxAB유전자 서열은X. luminescens로부터 유전자를 사용하여 발생한다.In order to alleviate this limitation, preferred bioluminescent reporter systems in the present invention do not require the addition of an exogenous substrate. In the case of bacterial luciferase-based detection systems, this can be done using bioluminescent genes from X. luminescens . In this organism, the lux A and lux B genes (or single fused luxAluxB genes) respectively encode the α- and β-subunits of the luciferase enzyme (Meighen et al., 1991). This luciferase shows maximum stability at 37 ° C., while other bacterial luciferases lose significant activity above 30 ° C. Thus, these bacterial luciferases can be expressed in slightly altered eukaryotic cells. Almashanu et al. (1990) fused the luxAB gene from V. harveyi by removing V. luxA, the TAA stop codon from the intervening region between the two genes, and the original methionine from luxB without disrupting the reading frame. Fusion is successfully expressed in S. cerevisiae and D. melanogaster . The luxAB gene sequence fused using the same method is generated using genes from X. luminescens .

외인성 기판의 첨가 필요를 제거하기 위해서, 세포는 자체를 루시페라제에 적합한 기판을 공급해야 한다. 세균 시스템에서, 기판은luxCDE유전자에 의해 암호화된 지방산 리덕타제 복합체에 의해 생성된다. 이러한 효소 착제는 단쇄 지방산을 상응하는 알데히드로 환원시킨다. 다음에, 루시페라제는 알데히드를 상응하는 지방산으로 산화시킨다. 이 반응에 바람직한 지방산은 미리스트산이며, 이는 진핵생물 유기체에 존재한다 (Rudnick et al., 1993). 미리스트산은 일반적으로 막 부착과 연관된 아미노 종말의 미리스토일화에 포함된다 (Borgese et al., 1996, Brand et al., 1996). 따라서, 루시페라제 기판의 외인성 공급에 대한 필요를 제거하기 위해서, 바이오 센서는 또한 바람직하게는, 세가지 luxC, luxD 및 luxE-암호화된 서브유닛을 암호화하는 핵산 서열을 포함한다. luxAluxB 유전자 융합의 경우에서와 같이, luxC, luxD 및 luxE 유전자는 융합되어 효소 복합체의 세가지 서브유닛을 암호화하는 단일 luxCDE 유전자 융합물을 생성시켰다. 이러한 유전자 융합물의 생성 방법은 아래에 기술되어 있다.To eliminate the need for the addition of exogenous substrates, the cells themselves must supply a substrate suitable for luciferase. In bacterial systems, the substrate is produced by fatty acid reductase complexes encoded by the luxCDE gene. Such enzyme complexes reduce short chain fatty acids to the corresponding aldehydes. Luciferase then oxidizes the aldehyde to the corresponding fatty acid. Preferred fatty acids for this reaction are myristic acid, which is present in eukaryotes organisms (Rudnick et al., 1993). Myristic acid is generally involved in myristoylation of the amino terminus associated with membrane adhesion (Borgese et al., 1996, Brand et al., 1996). Thus, in order to eliminate the need for exogenous supply of luciferase substrates, the biosensor also preferably comprises a nucleic acid sequence encoding three luxC, luxD and luxE-encoded subunits. As in the case of the luxAluxB gene fusion, the luxC, luxD and luxE genes were fused to produce a single luxCDE gene fusion encoding the three subunits of the enzyme complex. Methods of generating such gene fusions are described below.

A.luxAB 및 luxCDE 유전자의 융합 A. Fusion of the luxAB and luxCDE Genes

luxAB 유전자는 통상적인 분자 생물학 기술을 사용하여 융합시킬 수 있다. 예를 들어, 폴리메라제 연쇄 반응이 일반적으로 이러한 목적으로 사용될 수 있다. 3'-프라이머 종말에 의해 나란히 놓인 luxA 유전자에 대한 출발 코돈에 대해 ATG로 서열이 개시되는 5'-프라이머를 합성함에 의한 것이며, 이때 코돈은 즉시 ATT 중지 코돈에 선행한다. 다음에, 이들 프라이머는 증폭 반응 및 겔 정제된 생성물에 사용할 수 있다. 또한, luxB 유전자는, ATG 개시 메티오닌 코돈을 제거하지만 판독 프레임을 보존하는 프라이머를 사용하여 위와 같이 증폭시킬 수 있다. PCR™ 반응은 Stratagene(미국 캘리포니아 라 졸라 소재)의 Pfu™ 폴리메라제와 같은 열안정성 폴리메라제를 사용하고, 이는 종말 데옥시트랜스페라제 활성을 갖지 않으며, 따라서 무딘 종말을 생성한다. 수득된 PCR™ 생성물은 블런트-엔드 (blunt-end) 연결되고나서, 이러한 연결은 PCR™에 luxA로부터 5'-프라이머 및 luxB로부터 3'-프라이머를 사용하고 Taq 폴리메라제를 사용하여 적용함으로써 TA 클로닝을 촉진시킨다(미국 캘리포니아 샌 디에고 소재의 Invitrogen). 단편이 정확히 배향된 연결만 증폭된다. 다음에, luxAB 암플리콘은 겔 정제되고 TA는 적합한 벡터(예: PCRII™ 벡터)로 클로닝되며, 표준 제조업자 프로토콜을 사용하여 E. coli로 형질전환된다.The luxAB gene can be fused using conventional molecular biology techniques. For example, polymerase chain reactions can generally be used for this purpose. By synthesizing a 5'-primer whose sequence is initiated by ATG for the start codon for the luxA gene placed side by side with the 3'-primer end, where the codon immediately precedes the ATT stop codon. These primers can then be used for amplification reactions and gel purified products. The luxB gene can also be amplified as above using primers that remove the ATG initiating methionine codons but preserve the reading frame. The PCR ™ reaction uses a thermostable polymerase, such as Pfu ™ polymerase from Stratagene (La Jolla, Calif.), Which has no terminal deoxytransferase activity and thus produces a blunt end. The PCR ™ product obtained is blunt-end linked, and this linkage is then applied by PCR using 5'-primer from luxA and 3'-primer from luxB and Taq polymerase to PCR ™. Promotes cloning (Invitrogen, San Diego, Calif.). Only linkages in which the fragments are correctly oriented are amplified. Next, the luxAB amplicon is gel purified and the TA is cloned into a suitable vector (eg PCRII ™ vector) and transformed into E. coli using standard manufacturer protocols.

형질전환체는 n-데칸알을 첨가하여 광 생성에 대해 선별하며,이는 루시페라제에 의해 산화되는 경우, 생물발광을 생성한다. 광을 방출하는 콜로니만 선택되는데, 이들은 추가 유전학적 조작에 적합한 배향으로 존재하기 때문이다. luxCDE 융합물은 위와 동일한 방법을 사용하여 생성되며, 단지 형질전환체는 미니프렙에 의해 선별한 후, 제한 용해 분석하여 배향을 측정한다. 플라스미드는 E. coli에서 증폭되고, 회수되며 CsCl 구배로 2회 정제시킨다.Transformants are screened for light production by the addition of n-decanal, which, when oxidized by luciferase, produces bioluminescence. Only colonies that emit light are selected because they exist in a suitable orientation for further genetic manipulation. luxCDE fusions are generated using the same method as above, only transformants are selected by miniprep and then subjected to restriction lysis analysis to determine orientation. Plasmids are amplified in E. coli, recovered and purified twice with CsCl gradient.

B. HeLa 세포에서 luxAB 및 luxCDE의 발현B. Expression of luxAB and luxCDE in HeLa Cells

융합된 세균 루시페라제 성분의 상대 활성을 측정하기 위해서, luxAB를 함유하는 클로닝된 단편을 적합한 포유류 발현 벡터(예: pcDNA 3.1)로 클로닝하고, luxCDE-함유 단편을 적합한 포유류 발현 벡터(예: pcDNA/Zeo 3.1)로 클로닝한다(미국 캘리포니아 패러데이 소재의 Invitrogen). 상기 2가지 벡터 둘다는 삽입된 유전자를 항상적으로(constitutively) 발현시킨다. 그리고 나서, HeLa 세포는 luxAB 또는 luxAB 및 luxCDE로 형질감염되고, 제조업자의 프로토콜에 따라서 적합한 항생제를 사용하여 선택한다(미국 위스콘신 매디슨 소재의 Promega). luxAB 융합을 수용하는 세포를 n-데칸알에 노출시키고 생물발광을 검사한다. 다음에, luxCDE로 동시트랜스펙션된 이들 세포를 생물발광에 대해 검사하여 luxCDE 융합의 상대 발현을 확인한다. 이에 의해 외인성 알데히드의 첨가 대 내부에서 생성되는 알데히드를 통한 생물발광을 비교할 수 있다.To determine the relative activity of the fused bacterial luciferase component, the cloned fragment containing luxAB is cloned into a suitable mammalian expression vector (eg pcDNA 3.1) and the luxCDE-containing fragment is converted to a suitable mammalian expression vector (eg pcDNA). / Zeo 3.1) (Invitrogen, Faraday, Calif.). Both of these vectors constitutively express the inserted gene. HeLa cells are then transfected with luxAB or luxAB and luxCDE and selected using a suitable antibiotic according to the manufacturer's protocol (Promega, Madison, Wisconsin). Cells receiving luxAB fusion are exposed to n-decane and bioluminescence is examined. Next, these cells co-transfected with luxCDE are examined for bioluminescence to confirm the relative expression of luxCDE fusion. This makes it possible to compare the addition of exogenous aldehydes versus bioluminescence through aldehydes produced internally.

생물발광 발현을 증진시키는 대체 방법은 pcDNA 3.1(미국 캘리포니아 라 졸라 소재의 Stratagene)에 함유된 진핵생물 발현기의 세가지 복사를 함유하는 벡터의 생성을 포함한다. 이에 의해 luxCDE의 개별 성분을 발현시킬 수 있는데, 융합된 루시페라제는 진핵생물 세포 라인에서 발현된다고 이미 나타났기 때문이다(Almashanu et al., 1990).An alternative method of enhancing bioluminescent expression involves the generation of a vector containing three copies of the eukaryotic expression group contained in pcDNA 3.1 (Stratagene, La Jolla, Calif.). This allows for the expression of individual components of luxCDE, since it has already been shown that fused luciferases are expressed in eukaryotic cell lines (Almashanu et al., 1990).

실시예 2Example 2

글루코스 생물발광 바이오 센서의 작제Construction of Glucose Bioluminescent Biosensors

개똥벌레 루시페라제가 단일 생체 β-세포섬에서 L-피루베이트 키나제 프로모터 활성의 조절을 검사하는 데에 사용하였다 (Kennedy et al., 1997). L4 박스로 지시된 글루코스 반응 요소는 근접 프로모터에 존재한다고 측정되었다. 이 영역을 함유하는 200bp 단편을 플라스미드 pGL3Basic에서 개똥벌레 루시페라제(luc)의 전면에서 클로닝하여 p.LPK.LucFF로 지시된 글루코스 리포터 플라스미드를 생성한다. 결과는 16mM 글루코스에 노출되지만 3mM 글루코스에 노출되지 않은 단일 세포를 검출시킨다. 그러나, 이들 세포는 Beetle 루시페린으로 관류시켜 직결 바이오 센서에 허용되지 않게 만들어야 한다. 따라서, 글루코스에 대한 생물발광 센서는 p.LPK.LucFF에서 개똥벌레 루시페라제를 다음에 기술된 융합된 luxAB 유전자로 대체시켜 작제한다.Firefly luciferase was used to test the regulation of L-pyruvate kinase promoter activity in single living β-cell islets (Kennedy et al., 1997). The glucose response element indicated by the L4 box was determined to be present in the proximity promoter. The 200 bp fragment containing this region was cloned in front of firefly luciferase (luc) in plasmid pGL3Basic to generate a glucose reporter plasmid designated p.LPK.Luc FF . The result detects single cells exposed to 16 mM glucose but not exposed to 3 mM glucose. However, these cells must be perfused with Beetle luciferin to render it unacceptable to direct biosensors. Thus, a bioluminescent sensor for glucose is constructed by replacing firefly luciferase in p.LPK.Luc FF with the fused luxAB gene described below.

실시예 3Example 3

생물발광 리포터 작제 및 래트 β-섬 세포(islet β-cell)의 형질감염Bioluminescent Reporter Construction and Transfection of Rat β-Islet Cells

생물발광 리포터 플라스미드는 개똥벌레 루시페라제를 암호화하는 luc 유전자를 p.LPK.LucFF로부터 제거하고 이를 융합된 luxAB 유전자로 대체함으로써 작제한다. 이는 luc 유전자를 p.LPK.LucFF로부터 분리하고 luxAB 유전자에서 클로닝하여 수행한다. 수득된 플라스미드는 E. coli에서 증폭되고, 플라스미드 DNA를 추출하고, CsCl 구배로 2회 정제한다.Bioluminescent reporter plasmids are constructed by removing the luc gene encoding firefly luciferase from p.LPK.Luc FF and replacing it with the fused luxAB gene. This is done by separating the luc gene from p.LPK.Luc FF and cloning in the luxAB gene. The resulting plasmid is amplified in E. coli, plasmid DNA is extracted and purified twice with CsCl gradient.

섬 세포(islet cell)는 앞에서 기술된 바와 같이 제조하고(German et al., 1990), 생물발광 리포터 작제물 및 본질적으로 발현된 luxCDE 작제물을 함유하는 플라스미드로 전기천공 (electroporation)시켜 형질감염시킨다. 이 구조는 세포가 리포터 유전자(luxAB)에 이용가능한 알데히드 기판의 풀을 유지하도록 한다. 세포를 3mM 내지 30mM의 글루코스 농도 범위로 광 생성을 위해 선별한다. 형질감염된 세포를 세척하고, 농축시키고, 마이크로 웰에서 약간 빽빽한 세포에 놓은 다음에, 집적 회로에 첨부한다. 상이한 농도의 글루코스 및 검정 배지(Kennedy et al., 1997)를 세포에 첨가하여 글루코스 BBIC의 감도 및 반응 시간을 검사한다.Islet cells are prepared as described above (German et al., 1990) and transfected by electroporation with plasmids containing bioluminescent reporter constructs and essentially expressed luxCDE constructs. . This structure allows cells to maintain a pool of aldehyde substrates available for the reporter gene (luxAB). Cells are selected for light production in a glucose concentration range of 3 mM to 30 mM. The transfected cells are washed, concentrated, placed in slightly dense cells in the microwells and then attached to the integrated circuit. Different concentrations of glucose and assay medium (Kennedy et al., 1997) are added to the cells to examine the sensitivity and response time of glucose BBIC.

실시예 4Example 4

생물발광 리포터 작제물의 제조Preparation of Bioluminescent Reporter Constructs

리포터 유전자 기술의 사용은 진핵생물 및 원핵생물 시스템 둘다에서 유전자 조절 연구에 널리 퍼져 있다. 세포 라인이 연구됨에 따라서 다수의 유전자가 사용된다. 그러나, BBIC 기술을 사용하여 광을 방출시키는 리포터 유전자의 사용이 필요하다. 따라서, 생물발광을 암호화하는 리포터 유전자가 사용된다. 다른 리포터 유전자, 예를 들어, β-갈락토시다제(lacZ)를 암호화하는 유전자를 사용하여 이전에 발생된 모든 리포터는 표준 분자 기술 및 본 명세서에서 사용된 리포터 유전자(변경된 lux 시스템)를 사용하여 생물발광 변형으로 전환시킬 수 있다. 따라서, 포유류 세포 라인에서 유전자 발현을 시험하기 위한 현존하는 리포터 세포 라인은, lux 리포터로 전환되는 경우, 바이오 리포터로서 사용하기에 적합할 수 있다. 이식가능한 시스템은 단순히 적합한 리포터 세포 라인을 함유한다. 표 1은 이식가능한 바이오 센서에서 이용될 수 있는 진핵생물 리포터 세포 라인의 예의 목록을 나타낸다.The use of reporter gene technology is widespread in gene regulation research in both eukaryotes and prokaryotic systems. As cell lines are studied, a number of genes are used. However, there is a need for the use of reporter genes that emit light using BBIC technology. Therefore, reporter genes encoding bioluminescence are used. All reporters previously generated using other reporter genes, eg, genes encoding β-galactosidase (lacZ), can be prepared using standard molecular techniques and reporter genes (modified lux system) used herein. Can be converted to bioluminescent transformations. Thus, existing reporter cell lines for testing gene expression in mammalian cell lines may be suitable for use as bioreporters when converted to lux reporters. Implantable systems simply contain suitable reporter cell lines. Table 1 shows a list of examples of eukaryotic reporter cell lines that can be used in implantable biosensors.

[표 1]TABLE 1

리포터 유전자 적 용 참 조 문 헌Reporter Gene Application Reference

융합fusion

ADH4-LUC 알콜의 농도를 증가시키는 알콜 Edenberg et al., 1999Alcohols that increase the concentration of ADH4-LUC alcohols Edenberg et al., 1999

데하이드로게나제의 발현을 감시To monitor the expression of dehydrogenase

TH-lacZ 만성 코카인 또는 모르폴린에 노출된 Boundy et al., 1998Boundy et al., 1998 exposed to TH-lacZ chronic cocaine or morpholine

마우스의 증가된 유전자 발현을 나타냄Shows increased gene expression in mice

에스트로겐 에스트로겐 반응 요소에 대한 효과에 Balaguer et al., 1999Estrogens on the effects on estrogen response factors Balaguer et al., 1999

조절된-LUC 의해 에스트로겐 및 이종에스트로겐을 검출Detects Estrogens and Heterologous Estrogens by Regulated-LUC

IGFBP-5-LUC 리포터 작제물의 상향조절에 의해 BoonyaratanakomkitBoonyaratanakomkit by Upregulation of IGFBP-5-LUC Reporter Constructs

프로게스테론의 존재를 검출 et al., 1999Detect the presence of progesterone et al., 1999

CYPIA-lacZ 시토크롬 P450(강력한 발암물질)의 Campbell et al., 1996Campbell et al., 1996 of CYPIA-lacZ cytochrome P450 (potent carcinogen)

상향조절을 유발하는 화합물을 검출Detect compounds that cause upregulation

실시예 5Example 5

글루코스 바이오 센서 및 인슐린 전달 펌프의 작제 및 이식Construction and Transplantation of Glucose Biosensors and Insulin Delivery Pumps

본 발명의 한 양태에서, 직렬로 존재하고 글루코스 농도의 편차에 특이하게 반응하는 1쌍의 생물발광 리포터를 사용할 수 있다. 1가지의 바이오 리포터는p.LPK.LucFF로 지시된 플라스미드-기본 시스템에 편입된 X. luminescens로부터 luxAB 및 luxCDE 유전자를 사용하며, 이는 글루코스 농도에 반응할 수 있는 진핵생물 luc 유전자를 함유한다 (생물발광 증가는 글루코스 농도 증가에 상응한다). 또한, 제2 바이오 리포터는 글루코스 농도에 반응하는 포스포에놀피루베이트 카복실라제 유전자(PEPCK)에 대한 프로모터를 함유하는 플라스미드 작제물을 사용하며, 단 증가된 생물발광은 감소된 글루코스 수준에 상응한다. luxAB 및 luxCDE 유전자의 각 작제물로의 편입은 생물발광 측정이 실시간으로 글루코스 농도의 편차를 사용하여 일어나도록 허용하여, 세포 파괴 및 기판 첨가에 대한 요건을 부인한다.In one aspect of the invention, one pair of bioluminescent reporters can be used which are present in series and which specifically respond to variations in glucose concentration. One bioreporter uses the luxAB and luxCDE genes from X. luminescens incorporated into the plasmid-based system designated p.LPK.Luc FF , which contains eukaryotic luc genes that can respond to glucose concentrations ( Increased bioluminescence corresponds to increased glucose concentration). In addition, the second bioreporter uses a plasmid construct containing a promoter for the phosphoenolpyruvate carboxylase gene (PEPCK) that responds to glucose concentration, with the increased bioluminescence corresponding to reduced glucose levels. . The incorporation of the luxAB and luxCDE genes into each construct allows bioluminescence measurements to occur using variations in glucose concentration in real time, thus denying the requirement for cell destruction and substrate addition.

본 양태에서, 집적 회로는 각각의 바이오 리포터에 대한 별도 광검출기 단위장치를 포함한다 (도 9A, 도 9B 및 도 9C). 각 작제물로부터 생물발광 반응은 독립적으로 감시되어, 신호 처리 회로가 증가된 글루코스 농도에 대한 바이오 리포터의 반응 및 감소된 글루코스 농도에 대한 제2 바이오 리포터의 반응을 구별하도록 허용할 수 있다. 신호 처리 회로는 광검출기로부터 신호를 처리하고, 이를 디지털 형태로 전환시키고, 정보를 이식된 인슐린 펌프에 중계한다 (도 10). 바이오 리포터의 직렬 세트는 더욱 정확한 신호 뿐만 아니라 검출기에서 반복성을 허용한다. 또한, 저혈당증의 빈번한-치명적 결과에 기인하여, 이러한 직렬 시스템은 저혈당증의 개시를 더욱 조심해서 감시하고 경고하도록 허용한다.In this aspect, the integrated circuit includes a separate photodetector unit for each bioreporter (FIGS. 9A, 9B and 9C). The bioluminescent response from each construct can be monitored independently, allowing the signal processing circuit to distinguish between the bioreporter's response to increased glucose concentration and the second bioreporter's response to reduced glucose concentration. The signal processing circuit processes the signal from the photodetector, converts it to digital form, and relays the information to the implanted insulin pump (FIG. 10). The serial set of bioreporters allows for more accurate signals as well as repeatability in the detector. In addition, due to the frequent-fatal consequences of hypoglycemia, this serial system allows for more careful monitoring and warning of the onset of hypoglycemia.

직렬 바이오 리포터 시스템에 사용된 세포는 각각의 광검출기에, 부착에 의해 직접 또는 하이드로겔에 봉입시켜 첨부할 수 있다 (Prevost et al., 1997). 반투과성 막을 사용하여 바이오 리포터를 분리시켜 소형 분자 (예: 글루코스 및 인슐린)의 막을 횡단하는 수송을 허용하고 면역 효과기 세포 및 항체의 유입을 금지하는 것이 필요할 수 있다 (Monaco et al., 1993, Suzuki et al., 1998). 그러나, 소형 분자(예: 시토킨)는 여전히 선택성 막에 들어가고 생물발광 리포터 세포 라인을 방해할 수 있다. 이러한 접근법은 당해 분야의 전문가에 의해 광범위하게 사용되고 있다.Cells used in the serial bioreporter system can be attached to each photodetector either directly by attachment or encapsulated in a hydrogel (Prevost et al., 1997). It may be necessary to separate bioreporters using semipermeable membranes to allow transmembrane transport of small molecules (eg glucose and insulin) and to prohibit the influx of immune effector cells and antibodies (Monaco et al., 1993, Suzuki et. al., 1998). However, small molecules (eg cytokines) can still enter the selective membrane and interfere with the bioluminescent reporter cell line. This approach is widely used by those skilled in the art.

적용가능한 경우, 생물발광 리포터 세포 라인은 이식을 수용하는 환자로부터 직접 취한 세포로부터 작제할 수 있다. 이러한 방법은 장기간 이식(예: 이식가능한 인슐린 전달)의 경우에 특히 바람직하다. 세포는 환자로부터 수득하고, 적합한 감시 기능을 위해 유전공학으로 생성되고, 세포 배지에서 성장하고, 평가된 다음에, 장기간 저장을 위해 보존할 수 있다. 환자 자신의 세포로부터 발생된 세포 라인의 사용이 특히 바람직한데, 이는 숙주 거부 기회 및 이식된 장치에 대한 면역 반응의 생성을 감소시키기 때문이다. 바람직하게는, 간세포(수득가능한 경우, 죽지 않는 간세포)를 필요한 경우, 사용하며, 이는 적합한 배양 배지에서 유지되고 성장할 수 있다. 이러한 다능성, 전능성 또는 다른 죽지 않는 세포 라인은 적합한 장기간 이식가능한 장치의 형성에서 특정한 잇점을 제공한다.If applicable, bioluminescent reporter cell lines can be constructed from cells taken directly from a patient receiving the transplant. This method is particularly desirable in the case of long term transplantation (eg implantable insulin delivery). Cells can be obtained from a patient, genetically generated for appropriate surveillance functions, grown in cell media, assessed and then preserved for long term storage. The use of cell lines generated from the patient's own cells is particularly desirable because it reduces the chance of host rejection and the generation of an immune response to the implanted device. Preferably, hepatocytes (if possible, hepatocytes which do not die) are used if necessary, which can be maintained and grown in a suitable culture medium. Such pluripotent, omnipotent, or other non-dying cell lines offer particular advantages in the formation of suitable long-term implantable devices.

이식하기 전에, 바이오 센서는 검정되어 보조 펌프 및 인슐린 전달 펌프로부터 전달된 여러 농도의 글루코스를 사용하여 세포를 함유하는 챔버에 주입할 수 있다 (도 10). 이는 적합한 용량의 인슐린을 전달하게 하는 적합한 파라미터의 측정을 허용한다. 일단 파라미터가 설정되면, 펌프는 인슐린 전달에 대해 평가할 수있다. 체계적으로 글루코스 바이오 센서는 환자에 있어서 전달 펌프에 함유된 글루코스 표준을 사용하여 재검정한다.Prior to implantation, the biosensor can be assayed and injected into the chamber containing the cells using different concentrations of glucose delivered from the auxiliary pump and the insulin delivery pump (FIG. 10). This allows the determination of suitable parameters that allow delivery of an appropriate dose of insulin. Once the parameters are set, the pump can evaluate for insulin delivery. Systemically, the glucose biosensor is retested in the patient using the glucose standard contained in the delivery pump.

약물 전달 시스템의 경우, 글루코스 바이오 센서는 전달 펌프에 배선 또는 무선 연결을 통해 적합하게 연결될 수 있다. 바이오 칩은 인슐린을 비례 분배하는 펌프의 신호 처리 회로에 직접 투입될 수 있는 디지털 데이터를 제공한다. 또는, 디지털 데이터는 아날로그 데이터로 전환되고, 펌프를 통제하는 데에 사용될 수 있다. 무선 성능이 바이오 리포터 장치에 첨가되는 경우, 센서의 원격 감시가 가능하다. 예를 들어, 이 구조에서, 환자는 무선 송신기/수신기를 이식된 장치에 가까운 신체 외부에 배치하여 이식된 장치로부터 원격 상태로 데이터를 통신할 수 있다. 특정 적용에서, 무선 송신기/수신기는 데이터를 원격 상태로 회로망(예: 지방 회로망, 광역 회로망 또는 심지어 인터넷)을 넘어 보내도록 계획된 컴퓨터에 연결할 수 있다. 이러한 무선 적용은 환자의 원격 감시 및 유지를 허용한다. 현재 표지에 대한 다수의 펌프가 있으며, 이는 바이오 센서와 접속하기 위한 후보이다. 본 발명의 한 양태에서, Medtronic Synchronized 융합 시스템이 사용될 수 있는데, 이는 약물 전달에 광범위하게 사용되고 있으며, 신체의 외부로부터 펌프의 프로그래밍을 허용하는 휴대용 컴퓨터를 사용하기 때문이다 (www.asri.edu/neuro/brochure/pain6.htm). 또한, 상기 펌프는, 자체 밀봉 격벽을 거친 피부를 통해 재충전될 수 있다. 상기 펌프는 두께가 1 인치(inch)이고, 직경이 3 인치이며, 중량이 약 6 온스(ounce)이다. 바이오 센서는 먼저 존재하는 전기 회로에 통합되어 휴대용 컴퓨터에 의한 탈체 (out-of-body) 프로그래밍을 이용할수 있다. 상기 칩은 전달 펌프를 움직하게 하는 충전지를 사용하여 동력을 제공할 수 있다.In the case of drug delivery systems, the glucose biosensor can be suitably connected to the delivery pump via wiring or wireless connection. Biochips provide digital data that can be put directly into the signal processing circuit of a pump that proportionally distributes insulin. Alternatively, the digital data can be converted into analog data and used to control the pump. When wireless capability is added to the bioreporter device, remote monitoring of the sensor is possible. For example, in this architecture, the patient can place the wireless transmitter / receiver outside the body close to the implanted device to communicate data remotely from the implanted device. In certain applications, the wireless transmitter / receiver may connect to a computer that is intended to send data over a network (eg, local area network, wide area network, or even the Internet) to a remote state. This wireless application allows for remote monitoring and maintenance of the patient. There are currently many pumps for markers, which are candidates for connecting with biosensors. In one aspect of the invention, a Medtronic Synchronized fusion system can be used because it is widely used for drug delivery and uses a portable computer that allows programming of the pump from outside the body (www.asri.edu/neuro /brochure/pain6.htm). The pump can also be refilled through the skin across the self-sealing septum. The pump is 1 inch thick, 3 inches in diameter, and weighs about 6 ounces. Biosensors can be integrated into existing electrical circuits first to take advantage of out-of-body programming by portable computers. The chip may use a rechargeable battery to move the delivery pump.

바이오 센서/인슐린 펌프 장치는 복강에서 국소 마취를 사용하여 수술로 이식할 수 있다. 상기 센서 및 펌프는 둘 다 간단하게 하도록 및 혈류에 직접 카테터 배치의 합병증을 방지하기 위해서 배의 복막 공간에 이식할 수 있다. 글루코스 농도를 감시하고, 환자에게 필요한 인슐린을 복막으로 전달한다 (도 10).The biosensor / insulin pump device can be surgically implanted using local anesthesia in the abdominal cavity. The sensor and pump can be implanted into the peritoneal space of the embryo to simplify both and to prevent complications of catheter placement directly into the bloodstream. Glucose concentrations are monitored and insulin required by the patient is delivered to the peritoneum (FIG. 10).

실시예 6Example 6

생물발광 리포터 작제 및 래트 β-섬 세포 및 H4IlE 간암 세포의 형질감염Bioluminescent Reporter Construction and Transfection of Rat β-Islet Cells and H4IlE Liver Cancer Cells

PEPCK 유전자의 조절은 감소된 글루코스 농도를 검출하기 위한 생물발광 리포터의 작제에 이용된다. 이 시스템은 포스포에놀피루베이트 카복실라제가 포도당신생에서 속도-제한 효소이므로, 높게 조절된다. PEPCK 유전자 발현은 글루코코르티코이드 및 cAMP의 존재하에 증가하고, 인슐린의 존재하에 감소한다(Sasaki et al., 1984; Short et al., 1986). 래트 간 및 H4IlE 간 세포 둘다에서 인슐린 효과는 현저하며, 글루코코르티코이드 및 cAMP가 추가된다. PEPCK의 프로모터 영역은 융합된 luxAB의 전면에서 클로닝된다. 다음에, 수득된 작제물은 낮은 글루코스 농도의 존재하에 증가된 생물발광을 생성한다.Modulation of the PEPCK gene is used in the construction of bioluminescent reporters to detect reduced glucose concentrations. This system is highly regulated because phosphoenolpyruvate carboxylase is a rate-limiting enzyme in grapevine life. PEPCK gene expression increases in the presence of glucocorticoids and cAMP and decreases in the presence of insulin (Sasaki et al., 1984; Short et al., 1986). Insulin effects are prominent in both rat liver and H4IE liver cells, with the addition of glucocorticoids and cAMP. The promoter region of PEPCK is cloned in front of the fused luxAB. The construct obtained then produces increased bioluminescence in the presence of low glucose concentrations.

증가된 글루코스 농도를 검출하기 위한 생물발광 리포터 플라스미드는 개똥벌레 루시페라제를 암호화하는 luc 유전자를 p.LPK.LucFF로부터 제거하고, 이를 융합된 luxAB 유전자로 대체하여 작제할 수 있다. 이는 luc 유전자를 p.LPK.LucFF로부터 분리하고 luxAB 유전자에서 클로닝하여 수행한다. 낮은 글루코스 농도를 검출하기 위한 생물발광 리포터 플라스미드는 이전에 작제된 PEPCK 프로모터 클로람페니콜 트랜스페라제(CAT) 융합(Petersen et al., 1988; Quinn et al., 1988)에서 CAT 유전자를 luxAB 유전자로 대체하여 작제한다. 수득된 플라스미드는 E. coli에서 증폭되고, 플라스미드 DNA를 추출하고, CsCl 구배로 2회 정제한다.Bioluminescent reporter plasmids for detecting increased glucose concentrations can be constructed by removing the luc gene encoding firefly luciferase from p.LPK.Luc FF and replacing it with the fused luxAB gene. This is done by separating the luc gene from p.LPK.Luc FF and cloning in the luxAB gene. Bioluminescent reporter plasmids for detecting low glucose concentrations were substituted for the luxAB gene by replacing the CAT gene in the previously constructed PEPCK promoter chloramphenicol transferase (CAT) fusion (Petersen et al., 1988; Quinn et al., 1988). To construct. The resulting plasmid is amplified in E. coli, plasmid DNA is extracted and purified twice with CsCl gradient.

섬 세포 및 간암 세포는 이전에 기술된 바와 같이 제조하고(German et al., 1990; Petersen et al., 1988), 생물발광 리포터 작제물 및 목적물에서 작제된 항상적으로 발현된 luxCDE 유전자를 함유하는 플라스미드로 동시-형질감염(co-transfection)될 수 있다. 이 구조에 의해 리포터 유전자(luxAB)에 이용가능한 알데히드 기판의 풀을 유지하게 된다. 세포를 3mM 내지 30mM의 글루코스 농도 범위에서 광 생성에 대해 선별한다. 형질감염된 세포를 세척하고, 농축시키고, 약간 빽빽한 챔버에서 마이크로 웰에 놓고, 다음에 집적 회로에 첨부한다. 상이한 농도의 글루코스 및 검정 배지 (Kennedy et al., 1997)를 세포에 첨가하여 글루코스 BBIC의 감도 및 반응 시간을 검사한다. 최초 특성화 후에, 생물발광 글루코스 리포터는 또한 유동 세포에서 시험할 수 있다. 세포를 집적 회로 위의 봉입 배지에 놓고, 다음에 상이한 농도 (3 내지 30mM)의 글루코스를 함유하는 배지를 세포를 횡단하여 관류시켜 동적 반응을 검사한다.Islet cells and liver cancer cells are prepared as previously described (German et al., 1990; Petersen et al., 1988) and contain the constantly expressed luxCDE gene constructed in bioluminescent reporter constructs and targets. The plasmid may be co-transfected. This structure maintains a pool of aldehyde substrates available for the reporter gene (luxAB). Cells are selected for light production in the glucose concentration range of 3 mM to 30 mM. The transfected cells are washed, concentrated, placed in microwells in a slightly dense chamber and then attached to the integrated circuit. Different concentrations of glucose and assay medium (Kennedy et al., 1997) are added to the cells to examine the sensitivity and response time of glucose BBIC. After initial characterization, bioluminescent glucose reporters can also be tested in flow cells. Cells are placed in inclusion medium above the integrated circuit, and then media containing glucose at different concentrations (3-30 mM) are perfused across the cells to examine the dynamic response.

실시예 7Example 7

암의 진단 및 검출에서 BBICBBIC in the Diagnosis and Detection of Cancer

결장암은 미국에서 폐암 다음으로 암 사망의 두번째 주요 원인이며, 결장암의 97%가 40세 이상의 사람에게 일어난다는 점에서 발생률은 연령에 따라 증가한다(Coppola and Karl, 1998). 결장암의 대부분의 경우는 산발성이지만, 환자의 15%에서 최우선 상대적 관계에서 유사한 종양의 유력한 가족사가 있다 (Coppola and Karl, 1998). 이들 가족성 암(예: 유전성 비폴립증 결장암(HNPCC)) 및 가족성 선종양 폴립증(FAP)은 추정상 종양 억제자 유전자에서 상염색체 우세한 유전성 유전학적 돌연변이로부터 유래하며, 병소의 스펙트럼은 증식-이형성-선종-암종으로부터 일어난다(Coppola and Karl, 1998). 많은 조기 분자 병변이 유전된 결장암에 대해 공지되어 있으므로, 이들은 조기 임상적 검출에 대한 신규한 바이오 센서 방법의 개발에 유용한 모델을 나타낸다. 바이오 센서는 생물학적 성분과 자동화된 측정 변환기를 결합시킨 혼성 장치이다.Colon cancer is the second leading cause of cancer deaths after lung cancer in the United States, and the incidence increases with age, with 97% of colon cancers occurring in people over 40 (Coppola and Karl, 1998). Most cases of colon cancer are sporadic, but in 15% of patients there is a potent family history of similar tumors in the highest relative relationship (Coppola and Karl, 1998). These familial cancers (eg hereditary non-polyposis colon cancer (HNPCC)) and familial adenocarcinoma polyposis (FAP) are allegedly derived from autosomal predominant genetic genetic mutations in the tumor suppressor gene, with the spectrum of the lesion proliferating -Is dysplastic-adeno-carcinoma (Coppola and Karl, 1998). Since many early molecular lesions are known for inherited colon cancer, they represent a useful model for the development of new biosensor methods for early clinical detection. Biosensors are hybrid devices that combine biological components and automated measuring transducers.

본 실시예에는 암의 조기 검출을 허용하고 암의 완화 및 재발을 감시하기 위한 수단을 허용하는 이식가능한 바이오 센서 장치의 적응이 기술되어 있다. 본 발명의 소형 바이오 센서는 이식가능하기에 충분히 작고, 생성된 리포터 시스템과 결합하여 세포 용해 또는 추가 기판이 필요 없이 광을 생성할 수 있으므로, 이식가능한 장치 형태로 결장암의 조기 진단에 유력한 도구가 현재 처음으로 가능하다.This example describes the adaptation of an implantable biosensor device that allows for early detection of cancer and means for monitoring the alleviation and recurrence of cancer. Since the small biosensors of the present invention are small enough to be implantable and can be combined with the resulting reporter system to generate light without the need for cell lysis or additional substrates, tools currently available for the early diagnosis of colon cancer in the form of implantable devices are currently available. It is possible for the first time.

글루코스 및 다른 대사물질 바이오 센서에 대해 위에 기술된 바와 같이, 사용된 유도가능한 리포터 시스템은 진핵생물 리포터 세포에 놓인X. luminescens로부터 luxAB 및 luxCDE 유전자를 기본으로 하므로, 특정 유전자 또는 이의 생성물의 발현이 BBIC 장치에 의한 생물발광의 발현에 의해 검출될 수 있도록 한다. 진핵생물 리포터 세포는 미토마이신 C로 처리하고, 따라서 분리하지 못하지만, 여전히 대사작용에 반응하고 정량적 생물발광 신호를 생성할 수 있다.As described above for glucose and other metabolite biosensors, the inducible reporter system used is based on the luxAB and luxCDE genes from X. luminescens placed in eukaryotic reporter cells, so that the expression of a specific gene or product thereof is BBIC. Detection by expression of bioluminescence by the device. Eukaryotic reporter cells are treated with mitomycin C and thus cannot be isolated, but can still respond to metabolism and produce quantitative bioluminescent signals.

결장암은 미국에서 암 사망의 두번째 주요 원인이며, 이때 집단의 50% 이상은 70세에 결장직장 종양을 나타낸다(Kinzler and Vogelstein, 1996). 결장직장암의 대부분의 경우는 산발성이지만, 15%는 유전성 암 증후군, 가족성 선종양 폴립증(FAP) 및 유전성 비폴립증 결장직장암(HNPCC)이다 (Kinzler and Vogelstein, 1996). 가족성 선종양 폴립증은 결장 및 직장에서 수백 내지 수천개의 선종 또는 폴립의 발생을 특징으로 하는 증후군이며, 이들 중 소수만 침습성 암을 나타낸다 (Kinzler and Vogelstein, 1996). 선종양 폴립증 콜(coll)(APC) 종양 억제자 유전자의 양쪽 대립인자의 기능 상실은 사람에게 질병 소질을 주어 악성 암을 나타낸다 (Coppola and Marks, 1998). 또한, 대부분의 산발성 결장암은 또한 APC 유전자에서 돌연변이를 함유한다고 밝혀진다 (Kinzler and Vogelstein, 1996). 유전성 비폴립증 결장직장암에서, DNA 부적합 수복 유전자(예: hMSH2 및 hMSH1)에서 돌연변이에 이차적인 현저한 소부수체 불안정성이 존재하며; 단일 고급 종양은 청소년기에 발생하고, 일반적으로 우측 결장으로 제한된다 (Coppola and Karl, 1996; Smyrk, 1994). 유전자APC에 돌연변이를 갖는 세포는 일반적으로 염색체의 전체 절편의 손실로부터 정배수성이 아닌 반면, hMSH2 및 hMSH1에 돌연변이를 갖는 세포는 정배수성이다 (Lengauer et al., 1998).Colon cancer is the second leading cause of cancer death in the United States, with over 50% of the population showing colorectal tumors at age 70 (Kinzler and Vogelstein, 1996). Most cases of colorectal cancer are sporadic, but 15% are hereditary cancer syndrome, familial adenomatous polyposis (FAP) and hereditary non-polyposis colorectal cancer (HNPCC) (Kinzler and Vogelstein, 1996). Familial adenocarcinoma polyposis is a syndrome characterized by the development of hundreds to thousands of adenomas or polyps in the colon and rectum, with only a few of these invasive cancers (Kinzler and Vogelstein, 1996). The loss of function of both alleles of the adenomatous polyposis coll (APC) tumor suppressor gene gives human predisposition to malignant cancer (Coppola and Marks, 1998). In addition, most sporadic colon cancers are also found to contain mutations in the APC gene (Kinzler and Vogelstein, 1996). In hereditary non-polyposis colorectal cancer, there is a significant minor pituitary instability secondary to mutations in the DNA misfit repair genes (eg, hMSH2 and hMSH1); Single advanced tumors develop in adolescence and are generally limited to the right colon (Coppola and Karl, 1996; Smyrk, 1994). Cells with mutations in the gene APC are generally not euploid from loss of the entire segment of the chromosome, whereas cells with mutations in hMSH2 and hMSH1 are euploid (Lengauer et al., 1998).

결장 종양형성의 발현을 유도하는 분자 사건은 매우 잘 이해된다(Kinzler and Vogelstein, 1996). APC가 완전히 손실된 사람은 조기 선종으로 진행되는 이형성 이상 병소와라고 하는 결장에서의 병변을 나타낸다(Kinzler and Vogelstein,1996). K-Ras 또는 p53에서의 것과 같이, 다른 돌연변이가 누적되기 시작하며, 종양은 말기 선종, 암종 및 전이성 암종으로 진행된다(Kinzler and Vogelstein, 1996). 유사한 진행이 HNPCC에서 마찬가지로 잘 나타난다. 유전학적 사건의 순서는 이들 종류의 암에 대해 매우 잘 이해되므로, 이들은 하나 이상의 시험관내 변경된 세포를 검출하는 데에 사용될 수 있는 민감하고 특이적인 진단 시험의 개발에 탁월한 모델을 나타낸다.Molecular events leading to the expression of colon tumorigenesis are well understood (Kinzler and Vogelstein, 1996). Persons with complete loss of APC show lesions in the colon called dysplastic abnormalities that progress to early adenoma (Kinzler and Vogelstein, 1996). As in K-Ras or p53, other mutations begin to accumulate and the tumor progresses to terminal adenomas, carcinomas and metastatic carcinomas (Kinzler and Vogelstein, 1996). Similar progress is shown in HNPCC as well. Since the sequence of genetic events is very well understood for these types of cancers, they represent an excellent model for the development of sensitive and specific diagnostic tests that can be used to detect one or more altered cells in vitro.

미소관의 말단으로 병소 부착 복합체에서 국재하는 APC 유전자는 세포질 단백질을 암호화한다 (Kinzler and Vogelstein, 1996). 세포가 소와를 통해 이입됨에 따라서, APC의 발현은, 마지막으로 분화되고 국재하는 결장 상피 세포가 세포사멸 (apoptosis)를 거칠 때까지 증가한다 (Kinzler and Vogelstein, 1996). 카데린은 병소 부착 반점으로 대부분의 상피 세포에 국재하는 경막 단백질이다(Aplin et al., 1998). 각 카데린의 카복시 종말은 카테닌으로 공지된 세포질 구조 단백질과 상호작용한다 (Aplin et al., 1998). 세가지 종류의 카테닌이 있다: β-카테닌은 카데린의 세포질 영역에 결합한다; -카테닌은 β-카테닌 및 악틴 세포골격에 -악티닌을 거쳐 결합한다; 카테닌은 β-카테닌 대신에 특정 세포종에서 작용한다(Aplin et al., 1998). 또한, β-카테닌은, 분비된 당단백질 Wnt 및 글리코겐 신타제 키나제 3(GSK3)을 포함하는 신호 변환 경로의 일부이다(Aplin et al., 1998). APC는 β- 및 γ-카테닌, GSK3, 및 투불린을 포함하여, Wnt-β-카테닌-GSK3 경로의 다수 성분과 상호작용한다(Aplin et al., 1998). 결장 직장암에서 대부분의 돌연변이는 APC의 카복시 말단 영역에 존재하여, 더 이상 β-카테닌과 결합하지 않도록 한다(Aplin et al., 1998). 사실상, 카테닌은 APC의 하방에 있으며, 종양 억제자 유전자로서 작용하기 위해 중요하다(Aplin et al., 1998). Wnt 경로가 불활성화되는 경우, GSK3은 β-카테닌의 N-종말을 인산화시켜 유비퀴틴 경로에 의한 분해를 목표로 한다(Munemitsu et al., 1996). β-카테닌이 축적되는 경우, 이는 전사 인자 Lef-1/TCF를 통한 유전자 전사를 활성화한다(Morin et al., 1997). APC는 GSK3에 관해 작용하여 카테닌-매개된 전사 활성을 억제한다(Kinzler and Vogelstein, 1996).The APC gene, localized in the lesion attachment complex to the end of the microtubule, encodes a cellular protein (Kinzler and Vogelstein, 1996). As cells enter through the bovine, the expression of APC increases until finally differentiated and localized colonic epithelial cells undergo apoptosis (Kinzler and Vogelstein, 1996). Catherine is a dural protein local to most epithelial cells with lesion attachment spots (Aplin et al., 1998). The carboxy terminus of each katherine interacts with cytoplasmic structural proteins known as catenin (Aplin et al., 1998). There are three kinds of catenin: β-catenin binds to the cytoplasmic region of catenin; -Catenin binds via -actinine to β-catenin and actin cytoskeleton; Catenin acts on specific cell types instead of β-catenin (Aplin et al., 1998). In addition, β-catenin is part of a signal transduction pathway including the secreted glycoprotein Wnt and glycogen synthase kinase 3 (GSK3) (Aplin et al., 1998). APC interacts with a number of components of the Wnt-β-catenin-GSK3 pathway, including β- and γ-catenin, GSK3, and tubulin (Aplin et al., 1998). Most of the mutations in colorectal cancer are present in the carboxy terminal region of APC so that they no longer bind β-catenin (Aplin et al., 1998). In fact, catenin is below APC and is important for acting as a tumor suppressor gene (Aplin et al., 1998). When the Wnt pathway is inactivated, GSK3 phosphorylates the N-terminus of β-catenin and targets degradation by the ubiquitin pathway (Munemitsu et al., 1996). When β-catenin accumulates, it activates gene transcription via the transcription factor Lef-1 / TCF (Morin et al., 1997). APC acts on GSK3 to inhibit catenin-mediated transcriptional activity (Kinzler and Vogelstein, 1996).

유전성 비폴립증 결장암에서, 소부수체 불안정성은 하나 이상의 DNA-부적합 수복 유전자에서 돌연변이의 결과이다(Jiricny 1998; Nicholaides et al., 1994). HNPCC 종양의 90% 이상은 소부수체 불안정을 나타낸다(Karran 1996; Smyrk 1994). 결장직장 종양에서 소부수체 불안정성에 대해 한가지 가능한 표지는 TGF-β에 대한 타입 II 수용체의 불활성화이다(Markowitz et al., 1995). βRII의 기능 상실은 성장 조절의 상실 및 HNPCC에서 결장직장 선종의 종양 진행과 연관된다(Wang et al., 1995). 결장직장 종양발생에 포함된 TGF-β 경로의 다른 신호화 성분은 Smad 3 및 Smad 4에서 돌연변이를 포함하며, 이들은 둘다 마우스에서 결장직장 선암을 발생시킨다(Zu et al., 1998; Takaku et al., 1998). βRII의 기능 상실은 HNPCC에서 조기 병변에 유용한 표지이다(Markowitz et al., 1995).In hereditary non-polyposis colon cancer, subploid instability is the result of mutation in one or more DNA-incompatible repair genes (Jiricny 1998; Nicholaides et al., 1994). More than 90% of HNPCC tumors show minor pituitary instability (Karran 1996; Smyrk 1994). One possible label for small pituitary instability in colorectal tumors is the inactivation of type II receptors for TGF-β (Markowitz et al., 1995). Loss of function of βRII is associated with loss of growth regulation and tumor progression of colorectal adenoma in HNPCC (Wang et al., 1995). Other signaling components of the TGF-β pathway involved in colorectal tumorigenesis include mutations in Smad 3 and Smad 4, both of which cause colorectal adenocarcinoma in mice (Zu et al., 1998; Takaku et al. , 1998). Malfunction of βRII is a useful marker for early lesions in HNPCC (Markowitz et al., 1995).

APC에서의 돌연변이는 결장 직장암에서 가장 일반적인 돌연변이이므로, T 세포 전사 인자(Tcf)에 대한 리포터 작제물은 전사 활성의 활성화를 위해 다수의 결장암 세포 라인을 선별하도록 고안된다. APC 또는 β-카테닌에서의 돌연변이는 불충분하게 인산화된 세포질 β-카테닌의 축적을 통한 Tcf-반응성 전사를 활성화시키고 (Morin et al., 1997), 리포터 작제물의 활성화 검출은 어떠한 이들 유전자에서도 돌연변이에 대한 표지로서 유용하다. 벡터 pDISPLAY(Invitrogen)는 바이오 리포터 세포의 표면에서 Tcf에 대한 프로모터의 발현을 허용하며; 이 작제물은 Tcf 프로모터의 직결 세트로 이루어진다: luxAB에 대한 유전자의 한가지 상부, luxCDE의 다른 상부. 과량의 β-카테닌의 존재하에 프로모터 작제물은 리포터의 활성을 자극하고 생물발광이 생성된다. Since mutations in APCs are the most common mutations in colorectal cancer, reporter constructs for T cell transcription factor (Tcf) are designed to select multiple colon cancer cell lines for activation of transcriptional activity. Mutations in APC or β-catenin activate Tcf-reactive transcription through the accumulation of insufficiently phosphorylated cytoplasmic β-catenin (Morin et al., 1997), and activation detection of reporter constructs results in mutations in any of these genes. Useful as a marker for Vector pDISPLAY (Invitrogen) allows expression of a promoter for Tcf on the surface of bioreporter cells; This construct consists of a direct set of Tcf promoters: one top of the gene for luxAB, the other top of luxCDE. In the presence of excess β-catenin the promoter construct stimulates reporter activity and bioluminescence is produced.

일단 HepG2 및 HeLa 세포가 luxAB 유전자를 암호화하는 pcDNA3으로 트랜스펙션되면, 세포는 바이오 센서 칩에 부착된다. 이들 세포는 분리되지 못함을 보증하는 것이 필요하며, 따라서 트랜스펙션 및 선택 후에, 세포는60Co 공급원으로부터 6,000rad γ-방사선으로 조사된다 (UT College of Veterinary Medicine). 특정 양태에서 세포를 조사 전에 바이오칩에 부착시켜 효율적 부착이 일어나도록 하는 것이 필요할 수 있다. 이에 대한 대안은, 세포를 미토마이신 C로 처리하여 추가 유사분열을 방지하는 것이다. 바이오 칩은 Matrigel, 상피 세포의 부착을 촉진하는 최하부 막 물질로 피복할 수 있다. 대체적인 접근 방법에서는, 세포를 Matrigel에 현탁시키고 이것이 바이오칩의 표면에 겔을 형성하도록 허용한다. 다음에, 세포를 최하부 막 물질에 고정시키고, 마찰에 의한 이동에는 적용하지 않는다. 임의로, 칩의 표면은 순수 충전물(예: 폴리-L-리신)을 첨가하고, 표면을 수술 조직 아교로 피복함으로써, 또는 생물중합체가 표면에 긴밀하게 부착되도록 허용하는 다른 표면변경을 첨가함으로써 변경시킬 수 있다. APC에서 돌연변이는 결장직장암에서 가장 일반적인 돌연변이이므로, T 세포 전사 인자(Tcf)에 대한 리포터 작제물은 전사 활성의 활성화를 위해 다수의 결장암 세포 라인을 선별하도록 고안될 수 있다.Once HepG2 and HeLa cells are transfected with pcDNA3, which encodes the luxAB gene, the cells attach to the biosensor chip. It is necessary to ensure that these cells are not isolated, so after transfection and selection, the cells are irradiated with 6,000 rad γ-radiation from a 60 Co source (UT College of Veterinary Medicine). In certain embodiments it may be necessary to attach the cells to the biochip prior to irradiation so that efficient attachment occurs. An alternative to this is to treat the cells with mitomycin C to prevent further mitosis. Biochips can be coated with Matrigel, the lowest membrane material that promotes adhesion of epithelial cells. In an alternative approach, cells are suspended in Matrigel and allow it to form a gel on the surface of the biochip. Next, the cells are fixed to the lowermost membrane material and do not apply to frictional movement. Optionally, the surface of the chip can be altered by adding pure filler (e.g. poly-L-lysine) and coating the surface with surgical tissue glue, or by adding other surface modifications that allow the biopolymer to adhere closely to the surface. Can be. Since mutations in APC are the most common mutations in colorectal cancer, reporter constructs for T cell transcription factor (Tcf) can be designed to select multiple colon cancer cell lines for activation of transcriptional activity.

또한, 본 발명은, 전체 형태 변경이 개시되기 전에 돌연변이된 세포의 존재를 검출하는 결장 점막의 내시경검사 선별을 위해 사용될 수 있는 바이오 센서를 제공한다. 하나 이상의 비정상의 검출을 특정 시점에서 악성 형질전환의 작은 병소를 검출하는 데에 필요한 정도의 감도에 대해 시도하는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 다수의 결장 종양, 특히 APC에서 돌연변이를 갖는 것은 사이클로옥시게나제-2(COX-2)를 과다발현시키고, 다량의 프로스타글란딘을 분비한다(Kutchera et al., 1996; Scheng et al., 1997; Coffey et al., 1997; Kinzler and Vogelstein, 1996). 사이클로옥시게나제-2는 본질적으로 발현되지 않는 조기 반응 유전자이지만, 결장 상피 세포에서 성장 인자 및 종양 프로모터에 의해 전환된다(Kutchera et al., 1996; Schen et al., 1997; Coffey et al., 1997). 생명공학 리포터 세포는 장강에서 증가된 수준의 프로스타글란딘의 존재하에 생물발광이 가능할 수 있다. 프로스타글란딘은 세포막을 자유롭게 통과하며, 리포터 세포의 세포질에 들어가서 리포터 작제물을 활성화할 수 있다. 증가된 수준의 프로스타글란딘을 luxAB 유전자에 융합된 사이클로옥시게나제-2 프로모터의 사용을 통해 검출하는 리포터 세포의 생성은 또한, 결장암의 조기 검출에 유리할 수 있다. 프로스타글란딘의 수준은 염증 뿐만 아니라 종양에서 상승할 수 있으므로, 이 접근법은 암을 진단하기 위해 적합한 특이성이 부족하다. 그러나, 환자가 특정한 사이클로옥시게나제 억제제로처리하여 이익을 얻는지 결정하는 데에 유용하다.The present invention also provides a biosensor that can be used for endoscopic screening of colonic mucosa to detect the presence of mutated cells before the initiation of an overall morphology change. It may be necessary to attempt the detection of one or more abnormalities to the extent of sensitivity required to detect small lesions of malignant transformation at a particular point in time. For example, having mutations in many colon tumors, particularly APCs, overexpresses cyclooxygenase-2 (COX-2) and secretes large amounts of prostaglandins (Kutchera et al., 1996; Scheng et al. , 1997; Coffey et al., 1997; Kinzler and Vogelstein, 1996). Cyclooxygenase-2 is an early response gene that is not essentially expressed, but is converted by growth factors and tumor promoters in colonic epithelial cells (Kutchera et al., 1996; Schen et al., 1997; Coffey et al., 1997). Biotech reporter cells may be bioluminescent in the presence of increased levels of prostaglandins in the intestinal lumen. Prostaglandins pass freely through the cell membrane and can enter the cytoplasm of reporter cells to activate reporter constructs. The production of reporter cells that detect increased levels of prostaglandin through the use of a cyclooxygenase-2 promoter fused to the luxAB gene may also be beneficial for early detection of colon cancer. Since levels of prostaglandins can be elevated in tumors as well as inflammation, this approach lacks suitable specificity for diagnosing cancer. However, it is useful in determining whether a patient benefits from treatment with a specific cyclooxygenase inhibitor.

참조문헌Reference

아래의 참조문헌은, 예시적 방법 또는 본원에서 기술된 것을 보충하는 다른 상세한 사항을 제공하는 정도로, 본원에서 참조로 특별히 인용되어 있다.The following references are specifically incorporated by reference herein to the extent that they provide exemplary methods or other details that supplement those described herein.

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본원에서 기술되고 청구된 모든 조성물, 방법, 기구, 장치 및 시스템은 본 발명의 기술에 비추어 과도하게 실험하지 않으면서 제조하고 수행할 수 있다. 본 발명의 방법, 기구, 장치 및 시스템은 바람직한 양태에 의해 기술되지만, 당해 분야의 전문가에게, 방법, 기구, 장치 및 시스템에 및 본원에서 기술된 방법의 단계로 또는 이러한 단계의 순서로, 본 발명의 개념, 정신 및 범위를 이탈하지 않으면서 변형을 적용할 수 있음은 명백하다. 특히, 화학적으로 및 생리학적으로 관련된 특정 제제가 본원에서 기술된 제제 대신에 대체될 수 있는 한편, 동일하거나 유사한 결과가 수득됨은 명백하다. 당해 분야의 전문가에게 명백한 모든 유사한 치환 및 변형은 첨부된 청구의 범위에 의해 한정된 본 발명의 정신, 범위 및 개념내에 있는 것으로 간주된다. 따라서, 특허받으려고 하는 배타적 권리는 하기 특허청구범위에 기술된 바와 같다.All compositions, methods, instruments, devices and systems described and claimed herein can be made and performed without undue experimentation in light of the techniques of the present invention. The methods, instruments, devices and systems of the present invention are described by the preferred embodiments, but to those skilled in the art, the methods, instruments, devices and systems, and in the order of or in the order of the methods described herein, the present invention It is clear that modifications can be applied without departing from the concept, spirit and scope of the In particular, it is evident that certain chemically and physiologically relevant agents may be substituted for the agents described herein, while the same or similar results are obtained. All similar substitutions and modifications apparent to those skilled in the art are considered to be within the spirit, scope and concept of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the exclusive right to patent is as set forth in the claims below.

Claims (45)

(a) 분석물과 접촉하는 경우에 분석물을 대사시킬 수 있고 이러한 대사작용에 대한 결과로서 광을 방출할 수 있는, 집적 회로상의 기판 위에 있는 바이오 리포터; 및(a) a bioreporter on a substrate on an integrated circuit, capable of metabolizing the analyte when in contact with the analyte and emitting light as a result of this metabolism; And (b) 상기 방출된 광의 수용에 반응하여 전기 신호를 생성하는, 상기 집적 회로에 근접 배치된 센서를 포함하고,(b) a sensor disposed proximate to the integrated circuit that generates an electrical signal in response to receiving the emitted light, 동물의 생체내에 이식되는 생체 적합성 용기내에 함유되어 있는, 동물의 생체내에서 분석물을 검출하기 위한 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.Implantable monolithic bioelectronic device for detecting an analyte in vivo in an animal contained in a biocompatible container implanted in vivo in the animal. 제1항에 있어서, 상기한 생체 적합성 용기가 중합체 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the biocompatible container comprises a polymer matrix. 제2항에 있어서, 상기한 중합체 매트릭스가 폴리비닐 알콜, 폴리-L-리신 또는 알기네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 2, wherein the polymer matrix comprises polyvinyl alcohol, poly-L-lysine or alginate. 제2항에 있어서, 상기한 중합체 매트릭스가 미소 다공성, 메쉬-보강 또는 필터-지지된 하이드로겔을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 2, wherein the polymer matrix further comprises a microporous, mesh-reinforced or filter-supported hydrogel. 제1항에 있어서, 상기한 집적 회로가 광 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.2. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said integrated circuit comprises an optical transducer. 제5항에 있어서, 상기한 광 변환기와 바이오 리포터 사이에 작동가능하게 배치된 투명한 생체-적합성 생체-내성 분리기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.6. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 5 further comprising a transparent biocompatible bio-resistant separator operably disposed between the light transducer and the bio reporter. 제1항에 있어서, 상기한 바이오 리포터가, 분석물의 존재에 반응하여 생물발광 리포터 폴리펩타이드를 생성하는 다수의 진핵생물 또는 원핵생물 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the bioreporter comprises a plurality of eukaryotic or prokaryotic cells that produce a bioluminescent reporter polypeptide in response to the presence of an analyte. 제7항에 있어서, 상기한 다수의 원핵생물 세포가 세균을 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.8. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 7, wherein said plurality of prokaryotic cells comprise bacteria. 제7항에 있어서, 상기한 다수의 진핵생물 세포가 포유동물 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.8. The implantable monolithic bioelectronic device according to claim 7, wherein said plurality of eukaryotic cells comprise mammalian cells. 제9항에 있어서, 상기한 다수의 진핵생물 세포가 β-섬 세포, 죽지 않는 간세포(stem cell) 또는 간세포(hepatic cell)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.10. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 9, wherein said plurality of eukaryotic cells comprise β-islet cells, intact stem cells, or hepatocytes. 제10항에 있어서, 상기한 다수의 진핵생물 세포가 사람의 죽지 않는 재조합 간세포(stem cell)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.11. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 10, wherein said plurality of eukaryotic cells comprise human intact recombinant stem cells. 제7항에 있어서, 상기한 다수의 세포가, 상기한 분석물의 존재에 반응하여 상기한 세포에 의해 생성된 루시페라제 폴리펩타이드 또는 녹색 형광 단백질을 암호화하는 핵산 단편을 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.8. The transplant of claim 7, wherein said plurality of cells comprises a nucleic acid fragment encoding a luciferase polypeptide or green fluorescent protein produced by said cells in response to the presence of said analyte. Possible monolithic bioelectronic devices. 제12항에 있어서, 상기한 핵산 단편이Aqueorea victoria또는Renilla reniformis녹색 형광 단백질을 암호화하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.13. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein said nucleic acid fragment encodes Aqueorea victoria or Renilla reniformis green fluorescent protein. 제12항에 있어서, 상기한 핵산 단편이 인간화된 녹색 형광 단백질을 암호화하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.13. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein said nucleic acid fragment encodes a humanized green fluorescent protein. 제12항에 있어서, 상기한 핵산 단편이 세균 Lux 폴리펩타이드를 암호화하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.13. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein said nucleic acid fragment encodes a bacterial Lux polypeptide. 제15항에 있어서, 상기한 핵산 단편이 세균 LuxA, LuxB, LuxC, LuxD 또는 LuxE 폴리펩타이드이거나, LuxAB 또는 LuxCDE 융합된 폴리펩타이드를 암호화하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 15, wherein the nucleic acid fragment is a bacterial LuxA, LuxB, LuxC, LuxD or LuxE polypeptide, or encodes a LuxAB or LuxCDE fused polypeptide. 제16항에 있어서, 상기한 핵산 단편이Vibrio fischerii또는Xenorhabdus luminescensLuxA, LuxB, LuxC, LuxD 또는 LuxE 폴리펩타이드이거나, LuxAB 또는 LuxCDE 융합된 폴리펩타이드를 암호화하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic of claim 16, wherein the nucleic acid fragment is Vibrio fischerii or Xenorhabdus luminescens LuxA, LuxB, LuxC, LuxD or LuxE polypeptide, or encodes a LuxAB or LuxCDE fused polypeptide. Device. 제17항에 있어서, 상기한 핵산 단편이Xenorhabdus luminescensLuxA, LuxB, LuxC, LuxD 또는 LuxE 폴리펩타이드이거나, LuxAB 또는 LuxCDE 융합된 폴리펩타이드를 암호화하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.18. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 17, wherein the nucleic acid fragment is a Xenorhabdus luminescens LuxA, LuxB, LuxC, LuxD or LuxE polypeptide, or encodes a LuxAB or LuxCDE fused polypeptide. 제18항에 있어서, 상기한 폴리펩타이드가 SEQ ID NO:1에서 유래하는 25개 이상의 연속적인 뉴클레오티드를 포함하는 서열에 의해 암호화되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.19. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 18, wherein said polypeptide is encoded by a sequence comprising at least 25 contiguous nucleotides derived from SEQ ID NO: 1. 제19항에 있어서, 상기한 폴리펩타이드가 SEQ ID NO:1에서 유래하는 30개 이상의 연속적인 뉴클레오티드를 포함하는 서열에 의해 암호화되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.20. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 19, wherein said polypeptide is encoded by a sequence comprising at least 30 consecutive nucleotides derived from SEQ ID NO: 1. 제20항에 있어서, 상기한 폴리펩타이드가 SEQ ID NO:1에서 유래하는 35개 이상의 연속적인 뉴클레오티드를 포함하는 서열에 의해 암호화되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 20, wherein said polypeptide is encoded by a sequence comprising at least 35 contiguous nucleotides derived from SEQ ID NO: 1. 제16항에 있어서, 상기한 핵산 단편의 발현이, 상기한 분석물의 존재에 반응성인 시스-작용성 요소를 포함하는 핵산 서열에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.17. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 16, wherein the expression of said nucleic acid fragment is regulated by a nucleic acid sequence comprising a cis-functional element that is reactive to the presence of said analyte. 제22항에 있어서, 상기한 시스-작용성 반응 요소가, S14 유전자 서열, 간의 L-피루베이트 키나제 유전자 서열, 간의 6-포스포프럭토-2-키나제 유전자 서열, β섬 인슐린 유전자 서열, 사구체간질 형질전환 성장 인자-β 유전자 서열 및 아세틸-조효소-A 카복실라제 유전자 서열로 이루어진 그룹으로부터 선택된 뉴클레오티드 서열인 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.23. The method of claim 22, wherein said cis-acting response element comprises: S14 gene sequence, hepatic L-pyruvate kinase gene sequence, hepatic 6-phosphofructo-2-kinase gene sequence, β islet insulin gene sequence, glomerular epilepsy An implantable monolithic bioelectronic device, characterized in that the nucleotide sequence is selected from the group consisting of the transforming growth factor-β gene sequence and the acetyl-coenzyme-A carboxylase gene sequence. 제23항에 있어서, 상기한 시스-작용성 반응 요소가 β섬 인슐린 유전자 서열 또는 간의 L-피루베이트 키나제 유전자 서열에서 유래하는 연속적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.24. The implantable monolithic bioelectronic of claim 23, wherein said cis-functional response element comprises a continuous nucleotide sequence derived from a β-islet insulin gene sequence or a liver L-pyruvate kinase gene sequence. Device. 제12항에 있어서, 상기한 핵산 서열의 발현이 L-피루베이트 키나제 암호화 유전자로부터 유도된 프로모터 서열에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.13. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein the expression of said nucleic acid sequence is regulated by a promoter sequence derived from an L-pyruvate kinase coding gene. 제1항에 있어서, 상기한 분석물이 글루코스, 글루카곤 또는 인슐린인 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said analyte is glucose, glucagon or insulin. 제7항에 있어서, 상기한 세포를 유지할 수 있는 영양소의 공급원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.8. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 7, further comprising a source of nutrients capable of maintaining said cells. 제1항에 있어서, 무선 송신기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising a wireless transmitter. 제1항에 있어서, 안테나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.10. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising an antenna. 제1항에 있어서, 본 장치에 의해 통제될 수 있고, 약물을 동물의 생체로 전달할 수 있는 이식가능한, 약물 전달 펌프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising an implantable, drug delivery pump that is controlled by the device and capable of delivering the drug to a living body of the animal. 제1항에 있어서, 상기한 생체 적합성 용기가 상기한 분석물에 대해서는 투과성이지만 바이오 리포터에 대해서는 불투과성인, 막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the biocompatible container further comprises a membrane that is permeable to the analyte but impermeable to the bioreporter. 제1항에 있어서, 상기한 바이오 리포터가, 상기한 바이오 리포터에 의한 상기한 분석물의 대사 작용 후에 발광 폴리펩타이드를 발현시키는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the bioreporter expresses the luminescent polypeptide after metabolism of the analyte by the bioreporter. 제2항에 있어서, 상기한 생체 적합성 용기가 질화규소 또는 산화규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.3. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 2, wherein the biocompatible container comprises silicon nitride or silicon oxide. 제1항에 있어서, 상기한 집적 회로가 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 집적 회로인 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the integrated circuit is a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuit. 제5항에 있어서, 상기한 광변환기가 광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.6. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 5 wherein said photoconverter comprises a photodiode. 제1항에 있어서, 상기한 집적 회로가 광 다이오드 및 전류-주파수 변환기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.2. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said integrated circuit further comprises a photodiode and a current-frequency converter. 제1항에 있어서, 상기한 집적 회로가 전류-주파수 변환기 및 디지털 계수기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.2. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said integrated circuit further comprises a current-frequency converter and a digital counter. 제1항에 있어서, 송신기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising a transmitter. 제38항에 있어서, 상기한 송신기가 디지털 데이터를 송신할 수 있는 것을 특징으로 하는 이식가능한 모놀리틱 생체 전자 장치.39. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 38, wherein said transmitter is capable of transmitting digital data. 제1항의 장치 및 제1항의 장치에 의해 작동가능하게 통제될 수 있는 이식가능한 약물 전달 펌프를 포함하는, 이식가능한 통제된 약물 전달 시스템.An implantable controlled drug delivery system comprising an apparatus of claim 1 and an implantable drug delivery pump operably controlled by the device of claim 1. 환자의 생체내에 제40항의 통제된 약물 전달 시스템을 이식하는 것을 포함하여, 환자에게 통제된 방식으로 약물을 공급하는 방법.A method of delivering a drug to a patient in a controlled manner, the method comprising implanting the controlled drug delivery system of claim 40 in the patient's body. 환자의 생체내에 제1항의 장치를 이식하고, 제1항의 장치로부터 산출된 결과를 기본으로 하여 환자가 필요로 하는 약물의 양을 측정하는 것을 포함하여, 환자가 필요로 하는 약물의 양을 측정하는 방법.Measuring the amount of drug required by the patient, including implanting the device of claim 1 in the patient's body and measuring the amount of drug needed by the patient based on the results calculated from the device of claim 1 Way. 제1항의 장치 및 제1항의 장치를 사용하기 위한 지시서를 포함하는, 분석물을 검출하기 위한 킷트.A kit for detecting an analyte, comprising instructions for using the device of claim 1 and the device of claim 1. 제43항에 있어서, 표준화된 참조 용액을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 킷트.44. The kit of claim 43, further comprising a standardized reference solution. 제1항의 장치 또는 제43항의 킷트를 사용하여 환자의 혈류 또는 간질 유체 중의 글루코스 수준을 감시하고, 환자에게 혈당 수준을 조절하기에 충분한 유효량의 인슐린 조성물을 투여하는 것을 포함하여, 동물의 혈당 수준을 조절하는 방법.Using the device of claim 1 or the kit of claim 43 to monitor glucose levels in a patient's blood or interstitial fluid and administering to the patient an effective amount of an insulin composition sufficient to control blood glucose levels, How to adjust.
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