WO2012080218A1 - Kompetitiver biosensor mit erhöhter sensitivität - Google Patents

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WO2012080218A1
WO2012080218A1 PCT/EP2011/072563 EP2011072563W WO2012080218A1 WO 2012080218 A1 WO2012080218 A1 WO 2012080218A1 EP 2011072563 W EP2011072563 W EP 2011072563W WO 2012080218 A1 WO2012080218 A1 WO 2012080218A1
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WO
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glucose
binding protein
poly
hydrogel
concanavalin
Prior art date
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PCT/EP2011/072563
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English (en)
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Inventor
Achim Müller
Peter Herbrechtsmeier
Monika Knuth
Katharina Nikolaus
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Eyesense Ag
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Publication date
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Priority to CN201180065209.0A priority patent/CN103328980B/zh
Priority to ES11793827.4T priority patent/ES2580207T3/es
Priority to AU2011344290A priority patent/AU2011344290B2/en
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    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/5436—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals with ligand physically entrapped within the solid phase
    • G—PHYSICS
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    • G01N33/542—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with immune complex formed in liquid phase with steric inhibition or signal modification, e.g. fluorescent quenching
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    • G01N33/66—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving blood sugars, e.g. galactose

Definitions

  • the present invention relates to measures for the determination of glucose and for the diagnosis of diseases based on a disturbed glucose metabolism.
  • the present invention relates to a device comprising a hydrogel with a stored therein
  • a glucose-binding protein and a ligand of the glucose-binding protein wherein the hydrogel comprises a first hydrogel matrix of alginate and a second hydrogel matrix which forms a parent-penetrating network within the first hydrogel matrix.
  • the invention further relates to the use of such a device for determining the glucose content in a sample and the use of the device for diagnosing a disturbed glucose
  • Z0 range for example in the diagnosis of diseases caused by a disturbed glucose metabolism, e.g. Diabetes mellitus or metabolic syndrome, the rapid and reliable determination of glucose concentration in given solutions plays a central role.
  • glucose sensors are used both in devices
  • the sensor is a glucose-binding protein and the ligand is a competitor for glucose, which is present in the sensor bound to the glucose sensor molecule.
  • the competitor is displaced by the glucose-binding protein. Displacement of the competitor by glucose from - -
  • Glucose-binding protein may be modified by a change from a physical or chemical property of the molecules, e.g. by fluorescence resonance energy transfer (FRET).
  • FRET fluorescence resonance energy transfer
  • the aforementioned systems must be present in a spatially limited area of the sensor.
  • hydrogels have been proven, inter alia.
  • Suitable hydrogels can be polyethylene glycols, but also alginates (eg US2007 / 0105176, US 6,485,703, Russell 1999, Anal Chem 71: 3126-3132).
  • sensors were described in which the aforementioned systems were enclosed in an aqueous medium by a semipermeable membrane.
  • membranes may for example consist of regenerated cellulose, polyethylene glycol, polyurethane, layer-by-layer (LBL) layers, polyethersulfones, parylene layers or perforated silica (eg US2007 / 0122829).
  • the glucose sensors described in the prior art have a relatively low glucose activity.
  • the glucose activity and thus the sensor performance is significantly determined by the binding constants for the complexes of glucose-binding protein and competitor as well as glucose-binding protein and glucose.
  • an analyte receptor with almost any high binding constant can be selected, since the analyte does not have to be released again and one usually has a very high binding constant and a very high specificity quality can receive.
  • the situation is different, since the sensor must always react reversibly to changes in the concentration of the analyte.
  • the binding constant should not be too high, otherwise the sensor would be saturated even at low analyte concentrations and could no longer show concentration changes.
  • Another problem of the in vivo sensors is that the range of analyte concentration is fixed and can not be optimized by dilutions or concentrations.
  • the prior art thus essentially describes systems of ligand and glucose-binding protein in which average binding constants are realized. Adjustment of the sensitivities by changing the concentrations of either glucose-binding protein or ligand or both are usually due to the low solubility of the corresponding molecules limited. In this respect, in the sensors described in the aforementioned prior art, both the measuring sensitivity and the measuring accuracy of the sensor are limited (see Rounds 2007, J. Fluorec 17: 57-63).
  • the object of the present invention is to provide a device which allows a more efficient determination of the level of glucose also in vivo and in which the aforementioned disadvantages are substantially eliminated.
  • the invention is solved by the embodiments described in the claims as well as the embodiments which are subsequently disclosed.
  • the invention thus relates to a device comprising a hydrogel having incorporated therein a glucose-binding protein and a ligand of the glucose-binding protein, wherein the hydrogel comprises a first hydrogel matrix of alginate and a second hydrogel matrix which forms an interpenetrating network within the first hydrogel matrix
  • the device according to the invention is also a composition consisting of the abovementioned components.
  • hydrogel describes a water-containing polymer whose molecules are chemically or physically linked to a three-dimensional network.
  • the polymer molecules can be linked to one another by covalent or ionic bonds or by looping or interweaving into the three-dimensional network.
  • the polymers that form the hydrogel preferably contain hydrophilic polymer components that allow the uptake of aqueous solutions, as well as groups that are able to interact with the glucose-binding protein.
  • the hydrogels of the invention comprise a first hydrogel matrix of alginate and a second hydrogel matrix which is capable of forming an interpenetrating network within the hydrogel matrix spanned by the alginate.
  • This second hydrogel matrix preferably consists of a water-soluble polymer having at least one crosslinkable group per molecule and a molecular weight of at most 500,000. Most preferred is a molecular weight of at most 250,000, 200,000, 150,000, 100,000 or 50,000.
  • the second hydrogel matrix is preferably selected from the group consisting of: polyvinyl alcohols (PVAs), polyethylene glycols (PEGs), poly (2-oxazolines), polyacrylamides (eg dimethylacrylamide), polyhydroxyacrylates (eg polyhydroxymethacrylate, polyhydroxyacrylamides, polyvinylpyrolinones), (2-methyl-3-ethyl [2-hydroxyethyl]) polymers, polyhydroxyalkanoates (PHAs), poly (2-methyl-2-oxazolines), poly (2-methyl) Ethyl-2-oxazolines), poly (2-hydroxyethyl-2-oxazolines), poly (2- (1- (hydroxymethyl) ethyl) -2-oxazolines), poly (hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), poly (hydroxyethyl acrylate) (PHEA Polyvinylpyrolidones, poly (dimethyl) acrylamide, poly (hydroxyethyl) acrylamide, polyvinyl alcohols (including
  • An interpenetrating network according to the invention is preferably obtained by polymerizing the monomers of the second polymer in the presence of an already existing first polymer. This can be done particularly preferably by methods which are described in more detail in the exemplary embodiments. This ensures that an interpenetrating network of the second polymer can form in the already existing network of the first polymer.
  • the polymer networks are thus intertwined and / or entwined.
  • different polymers in mixtures exist as non-interwoven and / or interlaced separate networks side by side.
  • the crosslinking mechanisms of the first and second polymers differ so that no mixed crosslinking occurs.
  • the aforementioned alginate, which is intended to generate the first hydrogel matrix is crosslinked by ionic interactions.
  • the aforementioned second polymers which are to form the interpenetrating network are all crosslinked by free radical or ionic polymerization.
  • the second hydrogel matrix is formed from polyvinyl alcohol.
  • the polyvinyl alcohol having a molecular weight of 10,000 to 100,000, more preferably 10,000 to 50,000, more preferably 10,000 to 20,000, most preferably 15,000.
  • the polyvinyl alcohol particularly preferably has a crosslinker content of at most 0.5 mmol / g, 0.4 mmol / g, 0.35 mmol / g, or 0.3 mmol / g, and very particularly preferably 0.35 mmol / g.
  • the polyvinyl alcohol most preferably has a solids content of the prepolymer of less than 40% by weight.
  • the hydrogel according to the invention may comprise additives in addition to the first hydrogel matrix and the second hydrogel matrix, for example stabilizers, emulsifiers, antioxidants, UV stabilizers, detergents, and / or UV initiators.
  • the hydrogel used according to the invention may be enclosed by a further, preferably semi-permeable, shell material. This enclosure prevents "leaching" of the sensor components from the hydrogel.
  • shell material come semi-permeable membranes or other hydrogel matrices in question.
  • Semi-permeable membranes may preferably consist of regenerated cellulose, polyethylene glycol, polyurethane layer-by-layer (LBL) layers, polyethersulfones, parylene layers or perforated silica.
  • a further hydrogel matrix may preferably be formed from a polymer selected from the group consisting of alginates, sepharoses, hyaluronic acid, chitosan, polyvinyl alcohols (PVAs), polyethylene glycols (PEGs), carrageenans and polyhydroxalkonates (PHAs), poly (2-methyl-2-oxazolines) , Poly (2-ethyl-2-oxazolines), poly (2-hydroxyethyl-2-oxazolines), poly (2- (1- (hydroxymethyl) ethyl) -2-oxazolines), poly (hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), poly (2-hydroxyethyl) (hydroxyethyl acrylate) (PHEA), poly-vinylpyrolidones, poly (dimethyl) acrylamide, poly (hydroxyethyl) acrylamide, polyvinyl alcohols (including copolymers with vinyl acetates and / or ethylene), poly (ethylene-co-viny
  • glucose-binding protein in the context of the invention refers to proteins which are able to interact specifically with glucose. Whether a protein is capable of specifically interacting with glucose can readily be determined by one skilled in the art by binding assays known in the art. Particularly preferred is the glucose-binding protein selected from the group consisting of lectins, enzymes that bind glucose as a substrate, and antibodies that specifically recognize glucose.
  • glucose-binding protein also includes surrogate molecules that can specifically recognize glucose, preferably aptamers that specifically recognize glucose, and most preferably the glucose-binding protein concanavalin A.
  • Nucleic acid sequences and amino acid sequences encoding the aforementioned glucose-binding proteins are known in the art (Yamauchi 1990, FEBS Letters 260 (1): 127-130). Accordingly, the aforementioned proteins can be readily determined by those skilled in the art to be provided. The said proteins can be produced, for example, recombinantly or purified from a biological source. In addition, the proteins can also be chemically synthesized. Most of the aforementioned proteins are also commercially available. Antibodies or aptamers that specifically recognize glucose may be readily provided by those skilled in the art by methods known in the art for antibody or aptamer recovery.
  • the aforementioned glucose-binding proteins and in particular concanavalin A may preferably also have chemical modifications which mediate increased water solubility compared to unmodified versions of the glucose-binding proteins.
  • Such modifications preferably include functionalization with a water-soluble polymer and may be selected in a particularly preferred embodiment from the group consisting of: pegylation, acetylation, polyoxazolinylation and succinylation.
  • the detection of glucose in a sample to be analyzed takes place in the device according to the invention by displacement of the ligand bound to the glucose-binding protein by the glucose contained in the sample (competition between ligand and glucose).
  • the ligand has a lower affinity for the glucose-binding protein than the glucose.
  • the displacement can preferably be detected by labeling the ligand with a dye or other detectable marker molecule.
  • Dyes or other marker molecules have proven to be particularly suitable for the detection of displacement, which cause a change of at least one measurable physical or chemical property on approach of the molecules associated therewith.
  • Suitable systems include those in which either a measurable signal is suppressed or generated by means of energy transfer between the dye molecules. Such systems based on energy transfer are described in more detail, for example, in WO2001 / 13783.
  • these may be systems in which a fluorescence signal is suppressed by quenching effects when the dye or Withrioleküle- and thus the glucose binding protein and its ligand - are in spatial proximity.
  • fluorescence photometers as described in WO2002 / 087429 can be used for the detection.
  • fluorescence resonance energy transfer (FRET) based detection systems are so-called fluorescence resonance energy transfer (FRET) based detection systems.
  • FRET fluorescence resonance energy transfer
  • One component is coupled with an acceptor dye, the other with a donor dye.
  • the dyes come into spatial proximity, thereby mediating the FRET effect, in which excitation energy is transferred from the donor to the acceptor dye, thus measurably reducing the intensity of the donor dye.
  • glucose can be detected by the increase in the intensity of a signal generated by a dye or marker molecule after separation of the complex of glucose-binding protein and ligand by the analyte.
  • the dye or marker molecule is coupled to either the glucose-binding protein or the ligand.
  • a donor dye can be coupled to the glucose binding protein or ligand, with the non-donor coupled moiety coupled with a suitable acceptor dye.
  • the FRET effect is observed before exposure to a glucose-containing sample as a result of the binding of the ligand to the glucose-binding protein.
  • Birch et. al. (Birch 2001, Spectrochimica Acta Part A 57: 2245-2254) have calculated the mathematical solution of chemical equilibrium for the case of concanavalin A as a glucose-binding protein and dextran as a ligand. Simulations with varying concanavalin A and dextran concentrations have shown that the ratio (dextran) / (ConA-dextran complex) only insignificantly depends on the starting concentrations and that the binding constants Koex and KGI UC are the main factors for the sensor performance.
  • a combination of a rhodamine and an oxazine dye is clearly superior to the conventionally used combination of a xanthene and a rhodamine dye (FITC-TMR).
  • the glucose-binding protein used in the invention is linked to an oxazine dye.
  • an oxazine acceptor selected from the group consisting of: AT-TO655, ATTO680, EVObluelO, EVOblue30, EVOblue90 and EVObluelOO.
  • ATTO680 is used.
  • the oxazine dyes mentioned are commercially available.
  • Preferred degree of labeling (DOL) for the glucose-binding protein is 0.1 to 4, more preferably 1 to 4, and most preferably 1 to 3.
  • the glucose binding protein is preferably functionalized with PEG.
  • Preferred pegylation degree is 0.1 to 5, preferred molecular weight 200 to 10,000, particularly preferably 800 to 8000, further preferably 800 to 5000.
  • the improved solubility is particularly relevant when the glucose-binding proteins are to be labeled with a dye, since glucose-binding proteins labeled with dyes, for example a concanavalin A modified with one of the abovementioned oxazine dyes, have a further reduced solubility in aqueous solution , The higher the degree of labeling, the lower the solubility in aqueous solution. However, a high degree of labeling is needed especially for glucose-binding proteins as sensor components in the devices according to the invention.
  • the term "ligand of the glucose-binding protein” refers to a molecule capable of specific binding with the glucose-binding protein.
  • the molecule interacts with essentially the same binding site as glucose, so that the bound molecule can be displaced by glucose from the binding site on the glucose-binding protein.
  • Suitable molecules are therefore structurally related to glucose.
  • the ligand of the glucose-binding protein is an oligosaccharide, a glycosylated macromolecule, eg a glycosylated protein or peptide, or a glycosylated nanoparticle.
  • the aforementioned molecules, which can be used as ligands of the glucose-binding protein are known in the art and can be readily provided by one skilled in the art. Particular preference is given to using a dextran as the ligand of the glucose-binding protein.
  • the ligand of the glucose-binding protein in the device of the present invention is coupled to a rhodamine dye.
  • a rhodamine dye particularly preference may be given to using ATTO590, ATTO610, ROX, TMR, rhodamine G6, Alexa fluorine Rhodamine dyes or Dy590 and very particularly preferably ATTO590.
  • Preferred degree of labeling (DOL) for the ligand of the glucose-binding protein, eg dextran is 0.00003 to 0.016 (moles of dye) / (mol subunit), more preferably 0.00032 to 0.0065 (moles of dye) / (mol of subunit ) and most preferably from 0.0008 to 0.0035 (moles of dye) / (mol subunit).
  • the degree of labeling of the ligand also has an influence on the glucose activity. Too low levels of labeling result in poorer glucose activity as well as excessive. It can be seen from the above that, in a preferred embodiment of the device according to the invention, the glucose-binding protein is concanavalin A.
  • the Concanavalin A concentration is greater than 0.5 mg / (g matrix) and most preferably between 2 to 60 mg / (g matrix).
  • concanavalin A has increased water solubility as compared to unmodified concanavalin A by chemical modifications, preferably pegylation, acetylation, polyoxazolinylation or succinylation.
  • the glucose-binding protein is linked in a preferred embodiment with an oxazine dye and the ligand of the glucose-binding protein with a rhodamine dye.
  • a concanavalin A / dextran system is used in the device in which the dextran with a rhodamine donor dye and the Concanavalin A is linked to an oxazine acceptor dye.
  • the components are preferably present in a mass ratio (Dextran / ConA) of 1: 1 to 1:40, with mass ratios close to 1:10 being particularly preferred.
  • a hydrogel consisting of a first alginate hydrogel matrix and a second hydrogel matrix forming an interpenetrating network within the first one is capable of providing an environment for the sensor components, namely glucose binding protein and the competitive ligand of the glucose-binding protein, which allows an efficient determination of the glucose activity.
  • Many fluorescence glucose measurement approaches are successful in solution, but lose their activity when the sensor components are embedded in hydrogel matrices, since the mobility of the sensor components is limited (Rounds 2007, J. Fluoresc. 17: 57-63; 0105176 AI).
  • the solubility of the receptor component in free solution is still adversely affected by the addition of the ligand, since the receptor / competitor complex has a lower solubility due to its size and often due to multi valences.
  • a Concanavalin A / dextran complex in solution at a mass ratio of 1:10 already starting from a concanavalin A concentration of 0.5 mg / (g solution) begins to precipitate
  • the applicable concentration range can be extended 100 times. This is particularly important for applications where analyte concentration is fixed and can not be adjusted by dilution or concentration. Such difficulties occur especially in in vivo applications, such as the determination of the glucose level in on.
  • the concentration of the analyte glucose in the in vivo situation does not adapt to the specific assay conditions, but must be taken for granted.
  • solubility occurs especially in vivo applications of biological sensors. Due to the higher wavelength, the autofluorescence of the tissue decreases, so that in vivo applications long-wave fluorescent dyes are used. However, these fluorescent dyes are typically apolar due to their molecular structure and size (conjugated systems). If the glucose-binding protein is now labeled with such a dye, the solubility is lowered in addition, so that no high levels of labeling are possible. As already described above, it may therefore be necessary to functionalize the glucose-binding protein with, for example, polyethylene glycol in order to allow increased solubility and, associated therewith, higher levels of labeling.
  • the glucose activity in the hydrogel of the device according to the invention is even increased by 4, 3 times.
  • the use of the hydro gels in the inventive Device thus allows to set concentration ratios for the glucose-binding protein and its ligand, which allow at appropriate levels of labeling glucose activities that are increased by 4 times over concentrations that are adjustable in aqueous solutions. This advantageously also makes it possible to use the device according to the invention under conditions in which the analyte concentration can not be adapted to the assay conditions, eg in vivo applications.
  • an analyte concentration of 50 to 500 mg / dL must be resolved.
  • the devices can be used as a sensor both ex vivo and in vivo.
  • the sensor device may be subcutaneous, in the eye, e.g. subconjunctival, or placed elsewhere in the body, which allow an evaluation of the measured glucose activity.
  • the invention thus also relates to the use of a device according to the invention, as described above, for determining the glucose content in a sample.
  • sample is to be understood as meaning a composition, preferably an aqueous composition, which presumably or actually contains glucose, and the sample is preferably a biological sample Specimen about a ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , in particular, tissue fluid (eg, interstitial fluid), blood, plasma, serum, lymph, saliva, tears, sweat or urine.
  • tissue fluid eg, interstitial fluid
  • the sample is particularly preferably tissue fluid, blood, serum or Plasma.
  • the sample is a biological material, eg a body fluid, it may preferably be obtained from a subject who either or not actually has a disturbed glucose metabolism.
  • the device according to the invention can thus be used for the ex vivo diagnosis of diseases or disorders of the glucose metabolism, in particular for the diagnosis of diabetes mellitus or the metabolic syndrome.
  • the device according to the invention can be used not only for diagnosis, but also for monitoring the glucose level. The device thus also enables the support Therapy decisions, eg insulin doses, which must be administered in response to a change in glucose level.
  • the device according to the invention can be introduced into the ex vivo application, for example, in microtiter plates and anchored there. Samples to be measured are then applied to the wells of the microtiter plates and can then be measured with a reader device. Such an approach allows the simultaneous measurement of a large number of samples and is therefore also inexpensive, especially in clinical diagnostics operation.
  • the invention also relates to a method for determining the amount of glucose in a sample which actually or presumably contains glucose, comprising the steps:
  • the method according to the invention described above may comprise further steps. For example, further steps may involve work-up of the sample, e.g. the recovery of serum from whole blood. Further steps could be taken to set the determined glucose level in relation to pathological changes in glucose metabolism. For this purpose, the determined amount could be compared with reference amounts which are indicative of certain pathological conditions, e.g. Diabetes mellitus or metabolic syndrome. Such methods can then also be used for in vitro diagnosis of diabetes mellitus or metabolic syndrome.
  • the method according to the invention or individual steps thereof can be carried out automatically, e.g. through computer implementation and / or robotic systems.
  • Quantity refers both to the determination of absolute quantities and of relative quantities.
  • the determination of the absolute amount can preferably take place via a calibration curve which is produced from measured values for known glucose quantities with the method according to the invention.
  • Relative quantities in the sense of the invention are quantities which are set in relation to a normalizing parameter. It goes without saying that parameters which can be derived from the determined quantity values by mathematical operations can also be determined within the scope of the method according to the invention.
  • bringing into contact is intended to allow the sample and thus the glucose contained therein to penetrate into the device. Further, the contacting should allow the competition of glucose with the ligand on the glucose-binding protein embedded in the device.
  • the displacement of the ligand is preferably detected in the method of the invention by measuring the increase in intensity of fluorescence emanating from a donor dye as described elsewhere herein.
  • the increase results from the displacement of the ligand from the glucose-binding protein because the fluorescence intensity of the donor dye is complexed with the glucose-binding protein. It is understood, however, that other detection techniques for releasing the ligand can also be used.
  • the invention also relates to the device according to the invention described above for using the diagnosis of disturbed glucose metabolism in a subject.
  • the impaired glucose metabolism is caused by diabetes mellitus or the metabolic syndrome.
  • the device In the case of in vivo use of the device according to the invention, it is introduced into the body. It should be noted that the measurement of the glucose level, which is also the basis for the diagnosis, requires that the device comes into contact with a body fluid containing glucose, wherein the concentration of glucose in the fluid representative of the glucose level to be determined is. Suitable body fluids are listed elsewhere in the description. Particularly preferably, the body fluid is tissue liquid. The introduced into the body device then generates a signal that can be evaluated for the diagnosis.
  • the device according to the invention is preferably introduced at locations in the body which enable an optical measurement of the signal generated by the device. Suitable are sites with either a low tissue thickness between device and body surface or with transparent tissues that can be well penetrated by the generated signal. Most preferably, the device is administered under the skin (subcutaneously) or in the eye, e.g. subconjunctival, placed. Corresponding methods for implanting the device are known in the art.
  • the signal generated by the device according to the invention can also be transmitted out of the body by means of a suitable transmission medium.
  • a signal-conducting material can be used as a flexible cable, e.g. a fiber optic cable.
  • the transmission of the signal may also be contactless, e.g. as infrared, radio or radio signal.
  • the signal generated by the device according to the invention must first be read out by a detector, which must also be mounted in the device or at least in close proximity, and converted into an electromagnetic signal, for example a radio signal. This electromagnetic signal can then be received and evaluated by a receiver located outside the body.
  • the present invention relates to the device of the invention as described above for use in determining the need for a therapeutic intervention in a subject with impaired glucose metabolism.
  • Appropriate therapeutic measures include those used to treat diabetes mellitus or the metabolic syndrome.
  • this also includes the implementation of other therapeutic measures that can be decided on the basis of the detected disturbed glucose metabolism, such as therapeutic interventions, eg gastric bypass surgery, or lifestyle changes, such as the implementation special diets.
  • a further device for example a device which controls the delivery of a drug.
  • the device of the present invention may be coupled to a device for delivering insulin. The delivery of insulin may then be controlled based on the need determined by the device of the invention.
  • a change in the glucose level in a sample determined with the device according to the invention is hereby translated by, for example, a data processing unit in the delivery device into an instruction which determines the need for insulin delivery. This instruction then mediates the delivery of insulin into the blood for as long or in an amount as needed.
  • the uses of the device according to the invention described above thus allow an efficient ex vivo and in vivo diagnosis of blood sugar levels and thus the early detection of diseases that accompany impaired glucose metabolism, or by the use in the context of clinical monitoring and the management of such diseases.
  • the devices are also suitable for making therapy decisions based on the diagnostic results determined.
  • the alginate solution is required via a pump in a two-fluid nozzle. At the same time, compressed air is applied to the second inlet of the nozzle so that the alginate solution is atomized into fine droplets. The droplets are carried by the air flow into a bath with the calcium chloride solution where they gel and sink to the bottom. The gelled balls are then collected.
  • Alginate beads are incubated for loading sequentially in a dye-labeled concanavalin A solution and a dye-labeled dextran solution. Then the loaded balls are centrifuged off and the supernatant solution is decanted off. The loaded beads are then optionally subsequently incubated overnight in a solution of a second polymer (e.g., PVA, PEG-based) and optionally separated by centrifugation. Subsequently, the balls are mixed in an aqueous solution of a photochemically crosslinkable polymer. This mixture is then cross-linked with UV light to prevent leaching of the sensor components from the alginate beads.
  • a second polymer e.g., PVA, PEG-based
  • the amounts depend on the concentration of the analyte to be measured and the degree of labeling is selected as a function of the desired intensity of the fluorescence signal.
  • the photochemically crosslinkable polymer for example, Nelfilcon polymer, an acrylamide group-modified polyvinyl alcohol, can be used.
  • photochemical crosslinking 0.1% Irgacure 2959 is added. The final solution is dosed into suitable molds and cured by UV light.
  • Dye-labeled concanavalin A solution and dye-labeled dextran solution are added sequentially to a water-based prepolymer mixture and stirred for 3 hours. The amounts depend on the concentration of the analyte to be measured and the degree of labeling is selected as a function of the desired intensity of the fluorescence signal.
  • the photochemically crosslinkable prepolymer for example, Nelfilcon polymer, an acrylamide group-modified polyvinyl alcohol, can be used.
  • photochemical crosslinking 0.1% Irgacure 2959 is added. The final solution is dosed into suitable molds and cured by UV light.
  • the fluorescence spectrum of the sensors is determined at different glucose concentrations.
  • the change in the fluorescence intensities of the donor with increasing glucose content serves as a measure of the quality of the glucose sensor.
  • Glucose concentrations between 50 and 500 mg / dL must be measured, the glucose activity is calculated as follows:
  • GA (intensity 5 oomg / dL - intensity 5 o mg / dL) / intensity 50m g / dL
  • ConA solution and dextran solution are diluted in buffer solution and stirred for several hours.
  • the fluorescence spectrum of the solution is determined at various glucose concentrations.
  • Example 3 Determination of the Influence of the Matrix
  • the glucose-binding protein and the ligand are incorporated in a hydrogel matrix which has some interaction with the glucose-binding protein.
  • the hydrogel matrix is selected so that, on the one hand, the interaction of glucose-binding protein and hydrogel matrix is greater than that between glucose-binding protein and aqueous solution (enrichment of the sensor components).
  • the interaction between the glucose-binding protein and the analyte (glucose) must not be affected or at least significantly affected by the interaction between glucose-binding protein and hydrogel matrix.
  • hydrogel matrix With a suitable selection of the hydrogel matrix is achieved by the interaction between Glucose-binding protein and hydrogel matrix accumulation of the glucose-binding protein in the matrix far beyond the solubility limit of the glucose-binding protein in aqueous solution.
  • concentrations up to 10 times higher than in free solution can be achieved.
  • the solubility problems become even more extreme after the addition of the ligand (eg dextran), since the glucose-binding protein-ligand complex has lower solubility due to its size and often due to multivalences.
  • ConA concentrations of more than 50 mg / g can be set in a suitable hydrogel matrix at the same mass ratio become.
  • the hydrogel matrix can increase the applicable concentration range of the glucose-binding protein, eg ConA, by a factor of 100.
  • the glucose activity (GA) achieved at this concentration is set here to 1 for the determination of the relative glucose activity (rel GA).
  • the same response is obtained in the enriching matrix as in solution (rel GA-0.83).
  • significantly higher ConA concentrations can be set in the accumulating matrix.
  • a ConA concentration of 10 mg / g a 2.6-fold increase in glucose activity is obtained in the enriched hydrogel matrix (see Table 1).
  • Example 5 Determination of the influence of the degree of labeling Receptor Due to the decreasing autofluorescence of the tissue with higher wavelengths, long-wave fluorescent dyes must be used for in vivo applications. These fluorescent dyes are typically quite non-polar due to the larger conjugated systems. If the glucose-binding protein is labeled with such dyes, its solubility is lowered, so that due to the precipitation often no high label grade are possible. In order to increase the solubility of the glucose-binding protein, it is advantageous to functionalize them, for example, with polyethylene glycol. This increases the solubility of the glucose-binding protein, which allows higher levels of labeling in the synthesis.
  • Example 6 Determination of the influence of the fluorescent dyes
  • the structure of the fluorescent dyes which are bound to glucose-binding protein or ligand also has an influence on the glucose activity.
  • a combination of a rhodamine and an oxazine color substance has proved particularly suitable.
  • a rhodamine donor eg ATTO590 or ATTO610-dextran, ROX-dextran
  • an oxazine acceptor eg ATT0655 or ATTO680-ConA, Evoblue30-ConA
  • the glucose activity is also dependent on the nature of the hydrogel matix.
  • the hydrogel matrix may consist of a polymer or of a mixture of several polymers.
  • a hydrogel matrix of alginate or a mixture of an alginate and polyvinyl alcohol hydrogel has been found to be advantageous.
  • the alginate hydrogel through its interaction with the ConA and the dextran, allows the enrichment of the sensor components in high concentrations.
  • the prepolymer of the second hydrogel (eg PVA) can penetrate into the alginate spheres and, after crosslinking, form an interpenetrating network with the alginate.
  • the mesh size of the Network affects the mobility of the molecules of the glucose-binding protein and the ligand and thus also the glucose activity.
  • the mesh size can be influenced by the type, the molecular weight, the solids content of the polymer and the proportion of crosslinker groups, which determines the number of nodes.
  • a lower content of crosslinker groups leads to a higher glucose activity.
  • the activity can even be increased by 1.5 times.
  • a 4.2-fold improvement in glucose activity can likewise be achieved without an increase in the degree of labeling of the ConA (see Table 7).
  • the solids content of the network also has an influence on the glucose activity. The higher the solids content, the lower the glucose activity (see Table 8).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Maßnahmen zur Bestimmung von Glukose und zur Diagnose von Erkrankungen die auf einem gestörtem Glukosemetabolismus basieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung umfassend ein Hydrogel mit einem darin eingelagerten Glukose-bindenden Protein und einem Liganden des Glukose-bindenden Proteins, wobei das Hydrogel eine erste Hydrogelmatrix aus Alginat und eine zweite Hydrogelmatrix, die innerhalb der ersten Hydrogelmatrix ein interpenetrierendes Netzwerk ausbildet, umfasst. Die Erfindung betiifft zudem die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Bestimmung des Glukosegehalts in einer Probe sowie die Verwendung der Vorrichtung zur Diagnose eines gestörten Glukose- Metabolismus bei einem Probanden.

Description

ompetitiver Biosensor mit erhöhter Sensitivität
5
Die vorliegende Erfindung betrifft Maßnahmen zur Bestimmung von Glukose und zur Diagnose von Erkrankungen die auf einem gestörtem Glukosemetabolismus basieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung umfassend ein Hydrogel mit einem darin eingelager-
L0 ten Glukose-bindenden Protein und einem Liganden des Glukose-bindenden Proteins, wobei das Hydrogel eine erste Hydrogelmatrix aus Alginat und eine zweite Hydrogelmatrix, die innerhalb der ersten Hydrogelmatrix ein mterpenetrierendes Netzwerk ausbildet, umfasst. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Bestimmung des Glukosegehalts in einer Probe sowie die Verwendung der Vorrichtung zur Diagnose eines gestörten Glukose-
15 Metabolismus bei einem Probanden.
Die Bestimmung der Konzentration von Glukose durch effiziente und zuverlässige Messtechnik ist in vielen Bereichen der Technik von großer Bedeutung. Nicht nur in der reinen Laboranalytik, sondern auch in der Lebensmittelindustrie z.B. im Bereich der Önologie sowie im medizinischen
Z0 Bereich, beispielsweise bei der Diagnose von Erkrankungen, die durch einen gestörten Glukosemetabolismus verursacht werden, z.B. Diabetes mellitus oder metabolisches Syndrom, spielt die schnelle und zuverlässige Bestimmung der Glukosekonzentration in vorgegebenen Lösungen eine zentrale Rolle. Im Bereich der Diagnose von Erkrankungen, die auf gestörtem Glukosemetabolismus basieren, werden Glukosesensoren sowohl in Vorrichtungen verwendet,
25 die in den Körper implantierbar sind und den Glukosegehalt in einer innerhalb des Körpers genommenen Probe messen können, als auch in Sensoren, die ex vivo den Glukosegehalt aus einer Probanden Probe messen.
Zur Bestimmung des Glukosegehalts in einer Lösung sind Systeme aus Sensormolekül und Li- 30 gand beschrieben worden, wobei der Sensor ein Glukose-bindendes Protein und der Ligand ein Kompetitor für Glukose ist, der im Sensor zunächst am Glukosesensormolekül gebunden vorliegt. Durch Kompetition mit Glukose während des Messvorgangs wird der Kompetitor vom Glukose-bindenden Protein verdrängt. Die Verdrängung des Kompetitors durch die Glukose vom - -
Glukose-bindenden Protein kann hierbei mittels einer Änderung von einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft der Moleküle, z.B. mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET), nachgewiesen werden. Die zuvor genannten Systeme müssen natürlich in einem räumlich begrenzten Bereich des Sensors vorliegen.
Zum Einschluss der Systemkomponenten, d.h. des Glukose-bindenden Moleküls und des Liganden, der als Kompetitor dient, haben sich u.a. Hydrogele bewährt. Geeignete Hydrogele können hierbei Polyethylenglykole, aber auch Alginate sein (z.B. US2007/0105176; US 6,485,703; Russell 1999, Anal Chem 71 : 3126-3132). Desweiteren wurden Sensoren beschrieben, bei denen die zuvor genannten Systeme in wässrigem Milieu durch eine semipermeable Membran eingeschlossen wurden. Solche Membrane können beispielsweise aus regenerierter Zellulose, Polyethylenglykol, Polyurethan, layer-by-layer (LBL) Schichten, Polyethersulfone, Parylen- Schichten oder perforiertem Silika bestehen (z.B. US2007/0122829). Die im Stand der Technik beschriebenen Glukosesensoren weisen jedoch eine relativ geringe Glukoseaktivität auf. Die Glukoseaktivität und damit die Sensorleistung wird maßgeblich durch die Bindungskonstanten für die Komplexe aus Glukose-bindendem Protein und Kompetitor sowie Glukose-bindendem Protein und Glukose bestimmt. Im Fall von ex vivo Sensoren kann, um eine möglichst hohe Sensorempfindlichkeit zu erhalten, ein Analyt-Rezeptor mit nahezu beliebig hoher Bindungskonstante gewählt werden, da der Analyt nicht wieder freigegeben werden muss und man durch eine sehr hohe Bindungskonstante meist eine sehr hohe Spezifität und damit gute
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erhalten kann. Bei in vivo Sensoren sieht die Situation jedoch anders aus, da der Sensor ständig reversibel auf Konzentrationsänderungen des Analyten reagieren muss. Somit darf die Bindungskonstante nicht zu hoch sein, da der Sensor sonst schon bei niedrigen Analytkonzentrationen gesättigt wäre und Konzentrationsänderangen nicht mehr anzeigen könnte. Zudem besteht eine weitere Problematik der in vivo Sensoren darin, dass der Bereich der Analytkonzentration festliegt und nicht durch Verdünnungen oder Ankonzentrierungen optimiert werden kann. Im Stand der Technik werden somit im Wesentlichen Systeme aus Ligand und Glukose-bindendem Protein beschrieben, bei denen mittlere Bindungskonstanten verwirklicht werden. Eine Anpassung der Messempfindlichkeiten durch Änderung der Konzentrationen von entweder Glukose-bindendem Protein oder Ligand oder beidem, sind regelmäßig durch die geringe Löslichkeit der entsprechenden Moleküle begrenzt. Insofern ist bei den im zuvor genannten Stand der Technik beschriebenen Sensoren sowohl die Messempfindlichkeit als auch die Messgenauigkeit des Sensors eingeschränkt (s. Rounds 2007, J. Fluorec. 17: 57-63). Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereit zu stellen, die eine effizientere Bestimmung des Glukosespiegels auch in vivo erlaubt und bei der die zuvor genannten Nachteile im Wesentlichen ausgeräumt sind. Die Erfindung wird durch die in den Ansprüchen beschriebenen Ausführungsfornien sowie die Ausführungsformen, die anschließend offenbart werden, gelöst.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung umfassend ein Hydrogel mit einem darin eingelagerten Glukose-bindenden Protein und einem Liganden des Glukose-bindenden Proteins, wobei das Hydrogel eine erste Hydrogelmatrix aus Alginat und eine zweite Hydrogelmatrix, die innerhalb der ersten Hydrogelmatrix ein interpenetrierendes Netzwerk ausbildet, umfasst
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich auch um eine Zusammensetzung, bestehend aus den oben genannten Komponenten.
Der Begriff "Hydrogel" beschreibt ein Wasser-enthaltendes Polymer, dessen Moleküle chemisch oder physikalisch zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Die Polymermoleküle können untereinander durch kovalente oder ionische Bindungen oder durch Verschlaufen oder Verweben zu dem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft werden. Die Polymere, die das Hydrogel bilden, enthalten vorzugsweise hydrophile Polymerkomponenten, die die Aufnahme von wässrigen Lösungen ermöglichen sowie Gruppen, die in der Lage sind, mit dem Glukose- bindenden Protein zu interagieren.
Die erfindungsgemäßen Hydro gele bestehen aus einer ersten Hydrogelmatrix aus Alginat und einer zweiten Hydrogelmatrix, die innerhalb der durch das Alginat aufgespannten Hydrogelmatrix in der Lage ist, ein interpenetrierendes Netzwerk auszubilden. Diese zweite Hydrogelmatrix besteht vorzugsweise aus einem wasserlöslichen Polymer mit mindestens einer vernetzbaren Gruppe pro Molekül und einem Molekulargewicht von höchstens 500.000. Besonders bevorzugst ist ein Molekulargewicht von höchstens 250.000, 200.000, 150.000, 100.000 oder 50.000. Bevorzugt ist die zweite Hydrogelmatrix hierbei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyvinylalkoholen (PVAs), Polyethylenglykolen (PEGs), Poly(2-oxazolinen), Polyacrylamiden (z.B. Dimethylacrylamid), Polyhydroxyacrylaten (z.B. Polyhydroxymetacrylat, Polyhydroxyacrylamide, Polyvinylpyrolinone), (2-Methyl-3-Ethyl[2-Hydroxyethyl]) Polymeren, Polyhydroxyalkanoaten (PHAs), Poly (2-Methyl-2 oxazolinen), Poly (2-Ethyl-2 oxazolinen), Poly (2-Hydroxyethyl~2 oxazolinen), Poly (2-(l-(Hydroxymethyl)-ethyl)-2 oxazolinen), Poly- (hydroxyethylmetacrylat) (PHEMA), Poly-(hydroxyethylacrylat) (PHEA), Poly- vinylpyrolidonen, Poly-(dimethyl)acrylarnid, Poly-(hydroxyethyl)acrylamid, Polyvinylalkoholen (einschließlich Copolymere mit Vinylacetate und/oder Ethylene), Poly(ethylene-co- vinylalkohol), Poly(vinylacetat-co-vinylalkohol), Poly(ethylene-co-vinylacetat-co-vinylalkohol), Polyethylenglycolen und Poly(ethylenglycol-co-propylenglycol).
Ein erfindungsgemäßes interpenetrierendes Netzwerk wird bevorzugt erhalten durch Polymeri- sierung der Monomere des zweiten Polymers in Gegenwart eines bereits existierenden ersten Polymers. Besonders bevorzugt kann dies durch Verfahren geschehen, die in den Ausfuhrungsbeispielen näher beschrieben werden. Hierdurch wird erreicht, dass sich im bereits bestehenden Netzwerk des ersten Polymers ein interpenetrierendes Netzwerk des zweiten Polymers ausbilden kann. Die Polymer-Netzwerke sind also ineinander verwoben und/oder verschlauft. Im Gegensatz dazu liegen verschiedene Polymere in Gemischen als nicht ineinander verwobene und oder verschlaufte separate Netzwerke nebeneinander vor. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Vernetzungsmechanismen des ersten und des zweiten Polymers, so dass keine gemischte Vernetzung auftritt. Das zuvor genannten Alginat, das die erste Hydrogelmatrix erzeugen soll, wird durch ionische Wechselwirkungen vernetzt. Die zuvor genannten zweiten Polymere, die das interpenetrierende Netzwerk ausbilden sollen, werden alle durch radikalische oder ionische Polymerisation vernetzt.
Besonders bevorzugt wird die zweite Hydrogelmatrix aus Polyvinylalkohol gebildet. Besonders bevorzugt wird der Polyvinylalkohol mit einem Molekulargewicht von 10.000 bis 100.000, mehr bevorzugt 10.000 bis 50.000, mehr bevorzugt 10.000 bis 20.000, ganz besonders bevorzugt 15.000. Besonders bevorzugt weist der Polyvinylalkohol einen Vernetzergehalt von höchsten 0,5 mmol/g, 0,4 mmol/g, 0,35 mmol/g, oder 0,3 mmol/g und ganz besonders bevorzugt 0,35 mmol/g auf. Weiterhin weist der Polyvinylalkohol besonders bevorzugt einen Feststoffgehalt des Präpolymers von weniger als 40 Gewichtsprozent auf. Das erfindungsgemäße Hydrogel kann neben der ersten Hydrogelmatrix und der zweiten Hydro- gelmatrix Zusatzstoffe enthalten, z.B. Stabilisatoren, Emulgatoren, Antioxidantien, UV- Stabilisatoren, Detergentien, und/oder UV-Initiatoren. Das erfindungsgemäß verwendete Hydrogel kann zudem von einem weiteren, bevorzugt semi- permeablen, Hüllmaterial umschlossen sein. Durch diese Umschließung wird ein„Ausbluten" („leaching") der Sensorkomponenten aus dem Hydrogel verhindert. Als Hüllmaterial kommen semipermeable Membranen oder weitere Hydrogelmatrices in Frage. Semipermeable Membranen können bevorzugt aus regenerierter Zellulose, Polyethylenglykol, Polyurethan layer-by-layer (LBL) Schichten, Polyethersulfone, Parylen-Schichten oder perforiertem Silika bestehen. Bevorzugt kann eine weitere Hydrogelmatrix aus einem Polymere gebildet werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alginaten, Sepharosen, Hyaluronsäure, Chitosan, Polyvinylalkohoien (PVAs), Polyethylenglykolen (PEGs), Carrageenanen und Polyhydroxalkonoaten (PHAs), Poly (2-Methyl-2 oxazolinen), Poly (2-Ethyl-2 oxazolinen), Poly (2-Hydroxyethyl-2 oxazolinen), Poly (2-(l-(Hydroxymethyl)-ethyl)-2 oxazolinen), Poly-(hydroxyethylmetacrylat) (PHEMA), Poly-(hydroxyethylacrylat) (PHEA), Poly-vinylpyrolidonen, Poly-(dimethyl)acrylamid, Poly- (hydroxyethyl)acrylamid, Polyvinylalkohoien (einschließlich Copolymere mit Vinylacetate und/oder Ethylene), Poly(ethylene-co-vinylalkohol), Poly(vinylacetat-co-vinylalkohol), Poly(ethylene-co-vinylacetat-co-vinylalkohol), Polyethylenglycolen und Poly(ethylenglycol-co- propylenglycol).
Der Begriff "Glukose-bindendes Protein" bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf Proteine, die in der Lage sind, spezifisch mit Glukose zu interagieren. Ob ein Protein in der Lage ist, spezifisch mit Glukose zu interagieren, kann durch im Stand der Technik bekannte Bindungstests vom Fachmann ohne weiteres bestimmt werden. Besonders bevorzugt ist das Glukose-bindende Protein, ausgewählt aus der Gruppe bestehende aus Lektinen, Enzymen, die Glukose als Substrat binden, und Antikörpern, die spezifisch Glukose erkennen. Der Begriff„Glukose-bindendes Protein" schließt auch Surrogatmoleküle mit ein, die Glukose spezifisch erkennen können, bevorzugt Aptamere, die spezifisch Glukose erkennen. Ganz besonders bevorzugt ist das Glukose- bindende Protein Concanavalin A.
Nukleinsäuresequenzen und Aminosäuresequenzen, die die zuvor genannten Glukose-bindenden Proteine codieren, sind im Stand der Technik bekannt (Yamauchi 1990, FEBS Letters 260(1): 127-130). Dementsprechend können die zuvor genannten Proteine ohne weiteres vom Fachmann bereitgestellt werden. Die besagten Proteine können beispielsweise rekombinant hergestellt werden oder aus einer biologischen Quelle aufgereinigt werden. Darüber hinaus können die Proteine auch chemisch synthetisiert werden. Die meisten der zuvor genannten Proteine sind zudem kommerziell erhältlich. Antikörper oder Aptamere, die spezifisch Glukose erkennen, können vom Fachmann ohne weiteres durch im Stand der Technik bekannte Methoden zur Antikörperoder Aptamer-Gewinnung bereitgestellt werden.
Die zuvor genannten Glukose-bindenden Proteine und insbesondere Concanavalin A können bevorzugt auch chemische Modifikationen aufweisen, die eine im Vergleich zu unmodifizierten Versionen der Glukose-bindenden Proteine erhöhte Wasserlöslichkeit vermitteln. Solche Modifikationen umfassen bevorzugt die Funktionalisierung mit einem wasserlöslichen Polymer und können in einer besonders bevorzugten Ausführangsform ausgewählt werden, aus der Gruppe bestehend aus: Pegylierung, Acetylierung, Polyoxazolinylierung und Succinylierung. Der Nachweis von Glukose in einer zu analysierenden Probe erfolgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Verdrängung des an das Glukose-bindende Protein gebundenen Liganden durch die in der Probe enthaltene Glukose (Kompetition zwischen Ligand und Glukose). Bevorzugt hat der Ligand daher eine geringere Affinität zu dem Glukose-bindenden Protein als die Glukose. Die Verdrängung kann bevorzugt nachgewiesen werden durch Markierung des Li- ganden mit einem Farbstoff oder einem anderen nachweisbaren Markermolekül. Als besonders geeignet für den Nachweis einer Verdrängung haben sich Farbstoffe oder andere Markermoleküle erwiesen, die bei Annäherung der damit verbundenen Moleküle eine Änderung von zumindest einer messbaren physikalischen oder chemischen Eigenschaft hervorrufen. Geeignete Systeme umfassen solche, bei denen mittels Energietransfer zwischen den Farbstoffmo- lekülen entweder ein messbares Signal unterdrückt oder generiert wird. Solche auf Energietransfer basierte Systeme sind beispielsweise in WO2001/13783 näher beschrieben. Bevorzugt kann es sich hierbei um Systeme handeln bei denen durch Quenching Effekte ein Fluoreszenz Signal unterdrückt wird, wenn die Farbstoff- oder Markenrioleküle— und damit das Glukose bindende Protein und sein Ligand - in räumlicher Nähe sind. Nach der Verdrängung des Liganden durch den Analyten wird der Quenching Effekt dann aufgehoben. Dieser Effekt ist durch eine Veränderung der Fluoreszenz nachweisbar. Zum Nachweis können beispielsweise Fluoreszenz- Photometer wie in WO2002/087429 beschrieben eingesetzt werden. Weitere geeignete System sind sogenannte Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer- (FRET) basierte Nachweissysteme. Hierbei werden zwei interagierende Komponenten, wie das Glucose-bindende Protein und sein Ligand, mit Fluoreszenz-Farbstoffen markiert. Eine Komponente wird mit einem Akzeptor- Farbstoff, die andere mit einem Donor-Farbstoff gekoppelt. Durch die Interaktion der Komponeneten kommen die Farbstoffe in räumliche Nähe wodurch der FRET Effekt vermittelt wird, bei dem Anregungsenergie vom Donor- auf den Akzeptor-Farbstoff transferiert wird und somit die Intensität des Donor-Farb Stoffes messbar geringer wird. Sobald die Interaktion der Komponenten unterbrochen wird, nimmt die Fluoreszenz Intensität des Donors wieder zu. Im Fall der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Glukose somit über die Zunahme der Intensität eines Signals nachgewiesen werden, das von einem Farbstoff oder Markermolekül nach Trennung des Komplexes aus Glukose-bindendem Protein und Ligand durch den Analyten gene- riert wird. Der Farbstoff oder das Markermolekül ist entweder an das Glukose-bmdenden Protein oder den Liganden gekoppelt. Beispielsweise kann ein Donor-Farb stoff an das Glukosebindenden Protein oder den Liganden gekoppelt sein, wobei die nicht mit dem Donor- Farbstoff gekoppelte Komponente mit einem geeigneten Akzeptor-Farbstoff gekoppelt ist. In einer derart ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vor Beaufschlagung mit einer Glukose- haltigen Probe der FRET Effekt als Resultat der Bindung des Liganden an das Glukose-bindende Protein zu beobachten. Nach Beaufschlagung verdrängt die Glukose den Liganden, so dass die messbare Intensität der Fluoreszenz des Donor-Farbstoffes zunimmt und zwar proportional zur Menge an Glukose. Birch et. al. (Birch 2001, Spectrochimica Acta Part A 57: 2245-2254) haben die mathematische Lösung des chemischen Gleichgewichts für den Fall Concanavalin A als Glukose-bindendes Protein und Dextran als Ligand berechnet. Simulationen mit variierenden Concanavalin A und Dextran Konzentrationen haben ergeben, dass das Verhältnis (Dextran) / (ConA-Dextran- Komplex) nur unwesentlich von den Ausgangskonzentrationen abhängt und die Bindungskon- stanten Koex und KGIUC die Hauptfaktoren für die Sensor-Performance sind.
Überraschenderweise wirkt sich die Struktur der Farbstoffe jedoch ebenfalls auf die Glucose- Aktivität aus. So ist erfindungsgemäß eine Kombination aus einem Rhodamin- und einem Oxazin-Farbstoff der herkömmlich verwendeten Kombination aus einem Xanthen- und einem Rhodamin-Farbstoff (FITC-TMR) deutlich überlegen.
Bevorzugt ist das Glukose-bindende Protein, das im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird, mit einem Oxazin-Farbstoff verknüpft. Wie eine solche Verknüpfung erfolgen kann, ist dem Fachmann wohl bekannt und im Stand der Technik hinreichend beschrieben. Besonders bevorzugt ist der Oxazin-Far stoff, ein Oxazin-Akzeptor, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AT- T0655, ATTO680, EVObluelO, EVOblue30, EVOblue90 und EVObluelOO. Ganz besonders bevorzugt wird ATTO680 eingesetzt. Die genannten Oxazin-Farbstoffe sind kommerziell erhältlich.
Bevorzugter Markierungsgrad (DOL, "degree of labeling") für das Glukose-bindende Protein, z.B. Concanavalin A, ist 0,1 bis 4, stärker bevorzugt 1 bis 4 und besonders bevorzugt 1 bis 3. Bei Concanavalin A entspricht ein DOL von 1 hierbei einem Mol Farbstoff pro Mol Concanavalin A Tetramer (MW = 104.000). Bei hohem DOL und Verwendung von relativ unpolaren Farbstoffen (typischerweise langwellige Fluoreszenzfarb Stoffe) ist das Glukose-bindende Protein vorzugsweise mit PEG funktionalisiert. Bevorzugter Pegylierungsgrad ist 0,1 bis 5, bevorzugtes Molekulargewicht 200 bis 10.000, besonders bevorzugt 800 bis 8000, weiterhin bevorzugt 800 bis 5000.
Im Rahmen der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Experimente wurde festgestellt, dass chemischen Modifikationen der Glukose-bindenden Proteine, die eine im Vergleich zu unmodifizierten Varianten erhöhte Wasserlöslichkeit vermitteln, in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können, um einen besseren Markierungsgrad an den Glukose-bindenden Proteinen zu erzielen. Für die modifizierten Glukose-bindenden Proteine gemäß der vorliegenden Erfindung können auch höhere Markierungsgrade mit einem Farbstoff erreicht werden als für unmodifizierte Varianten davon. Für solche modifizierten Concanavalin A Proteine können bevorzugt Konzentrationen größer als 0,5 mg/(g Matrix) und ganz besonders bevorzugt zwischen 2 und 60 mg (g Matrix) erreicht werden. Überraschenderweise war die gemessene Glukoseaktivität von modifizierten Concanavalin A Proteinen hierbei auch vergleichbar mit der von nativem Concanavalin A in Hydrogel.
Die verbesserte Löslichkeit ist insbesondere relevant wenn die Glukose-bindenden Proteine mit einem Farbstoff markiert werden sollen, da mit Farbstoffen markierte Glukose-bindende Proteine, beispielsweise ein mit einem der zuvor genannten Oxazin-Farbstoffen modifiziertes Concanavalin A, eine in wässriger Lösung nochmals reduzierte Löslichkeit besitzen. Je höher hierbei der Markierungsgrad ist, desto niedriger ist die Löslichkeit in wässriger Lösung. Ein hoher Markierungsgrad wird jedoch gerade für Glukose-bindende Proteine als Sensorkomponenten in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen benötigt. Der Begriff "Ligand des Glukose-bindenden Proteins" bezeichnet ein Molekül, das in der Lage ist, eine spezifische Bindung mit dem Glukose-bindenden Protein einzugehen. DAbei interagiert das Molekül im Wesentlichen mit der selben Bindungsstelle wie Glukose, so dass das gebundene Molekül durch Glukose von der Bindungsstelle am Glukose-bindenden Protein verdrängt werden kann. Geeignete Moleküle sind daher strukturell mit Glukose verwandt. Vorzugsweise ist der Ligand des Glukose-bindenden Proteins ein Oligosaccharid, ein glykosyliertes Makromolekül, z.B. ein glykosyliertes Protein oder Peptid, oder ein glykosylierter Nanopartikel. Die zuvor genannten Moleküle, die als Liganden des Glukose-bindenden Proteins zum Einsatz kommen können, sind im Stand der Technik bekannt und können vom Fachmann ohne weiteres bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt wird als Ligand des Glukose-bindenden Proteins ein Dextran eingesetzt.
Vorzugsweise ist der Ligand des Glukose-bindenden Proteins in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem Rhodamin-Farbstoff gekoppelt. Besonders bevorzugt können hierbei ATTO590, ATTO610, ROX, TMR, Rhodamin G6, Alexa Fluor Rhodamine Farbstoffe oder Dy590 und ganz besonders bevorzugt ATTO590 eingesetzt werden.
Bevorzugter Markierungsgrad (DOL) für den Liganden des Glukose-bindenden Protein, z.B. Dextran, ist 0,00003 bis 0,016 (mol Farbstoff)/(mol Untereinheit), besonders bevorzugt 0,00032 bis 0,0065 (mol Farbstoff)/(mol Untereinheit) und ganz besonders bevorzugt 0,0008 bis 0,0035 (mol Farbstoff)/(mol Untereinheit). Der Markierungsgrad des Liganden hat ebenfalls einen Ein- fluss auf die Glukose-Aktivität. Zu geringe Markierungsgrade führen zu einer schlechteren Gukoseaktivität genauso wie zu hohe. Aus dem zuvor Gesagten ergibt sich, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Glukose-bindende Protein Concanavalin A ist. Besonders bevorzugt ist die Concanavalin A-Konzentration hierbei größer als 0,5 mg/(g Matrix) und ganz besonders bevorzugt zwischen 2 bis 60 mg/(g Matrix). Ebenso weist das Concanavalin A durch chemische Modifikationen, bevorzugt Pegylierung, Acetylierung, Polyoxazolinylierung oder Succinylierung, eine im Vergleich zum unmodifizierten Concanavalin A erhöhte Wasserlöslichkeit auf. Das Glukose-bindende Protein ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Oxazin-Farb stoff verknüpft und der Ligand des Glukose-bindenden Proteins mit einem Rhodamin-Farbstoff. Ganz besonders bevorzugt wird ein Concanavalin A / Dextran-System in der Vorrichtung verwendet, bei dem das Dextran mit einem Rhodamin-Donor Farbstoff und das Concanavalin A mit einem Oxazin-Akzeptor Farbstoff verknüpft ist. In dem bevorzugten Concanavalin A / Dextran System liegen die Komponenten bevorzugt in einem Massenverhältnisse (Dextran/ConA) von 1 :1 bis 1:40 vor, wobei Massenverhältnisse nahe 1 :10 besonders bevorzugt sind.
Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Kombination von Oxazin- und Rhodamin-Farb Stoffen eine heterodimere Wechselwirkung zwischen den Farbstoffresten bewirkt, die die Glukoseaktivität verstärkt. Somit kann durch die Verwendung von Oxazin- Akzeptor und Rhodamin-Donor Farbstoffen bereits in wässriger Lösung vorzugsweise eine 2,1- fache Glukoseaktivität erzielt werden. In dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Hydrogel konnte sogar eine 2,6-fach Erhöhung der Glukoseaktivität bewirkt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde vorteilhafterweise festgestellt, dass die Verwendung eines Hydrogels, bestehend aus einer ersten Hydrogelmatrix aus Alginat und einer zweiten Hydrogelmatrix, die innerhalb der ersten ein interpenetrierendes Netzwerk ausbildet, in der Lage ist, eine Umgebung für die Sensorkomponenten, nämlich das Glukose-bindenden Protein und den kompetitiven Liganden des Glukose-bindenden Proteins, zu schaffen, die eine effiziente Bestimmung der Glukoseaktivität erlaubt. Viele Ansätze zur Glukosemessung mittels Fluoreszenz sind in Lösung erfolgreich, verlieren jedoch ihre Aktivität, wenn die Sensorkomponenten in Hydrogelmatrices eingebettet werden, da die Beweglichkeit der Sensorkomponenten einge- schränkt wird (Rounds 2007, J. Fluoresc. 17: 57-63; US 2007/0105176 AI). Überraschenderweise insbesondere auch im Hinblick auf die Berechnungen von Birch et al. (Birch 2001, loc cit.) konnte jedoch im vorliegend Fall eine gegenüber wässrigen Lösungen um bis zu 2,6-fach gesteigerte Aktivität festgestellt werden. Durch die Auswahl von geeigneten Hydrogelmatrices konnte eine Anreicherung des Glukose-bindenden Proteins weit über dessen Löslichkeitsgrenze in wässriger Lösung erzielt werden. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefundene verbesserte Löslichkeit in den erfindungsgemäß eingesetzten Hydrogelmatrices ist auf die besonderen Eigenschaften der Hydrogelmatrices im Zusammenspiel mit den Sensorkomponenten und insbesondere den Glukose-bindenden Proteinen, wie dem Concanavalin A, zurückzuführen. Im Falle von Concanavalin A konnte beispielsweise eine mehr als 10-fache erhöhte Konzentration gegenüber einer in freier Lösung erreichbaren Konzentration erreicht werden. Üblicherweise wird die Löslichkeit der Rezeptorkomponente in freier Lösung noch negativ durch die Zugabe des Liganden beeinflusst, da der Rezeptor / Kompetitor-Komplex aufgrund seiner Größe und häufig auch aufgrund von Multi Valenzen eine geringere Löslichkeit aufweist. Während beispielsweise ein Concanavalin A / Dextran-Komplex in Lösung bei einem Massenverhältnis von 1:10 schon ab einer Concanavalin A-Konzentration von 0,5 mg/(g Lösung) beginnt auszufallen, können in einem geeigneten Hydrogel bei gleichem Massenverhältnis Concanavalin A-Konzentrationen von über 50 mg/(g Matrix) eingestellt werden. Somit kann der anwendbare Konzentrationsbereich um ein 100-faches erweitert werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung für Anwendungen, bei denen die Analytkonzentration festliegt und nicht durch Verdünnungen oder Ankonzentrierung angepasst werden kann. Solche Schwierigkeiten treten gerade bei in vivo Anwendungen, wie der Bestimmung des Glukosespiegels in
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auf. Die Konzentration des Analyten Glukose ist in der in vivo Situation nicht an die spezifischen Assay-Bedingungen anzupassen, sondern muss als gegeben hingenommen werden.
Ein weiteres Löslichkeitsproblem tritt insbesondere bei in vivo Anwendungen von biologischen Sensoren auf. Aufgrund der höheren Wellenlänge nimmt die Eigenfluoreszenz des Gewebes ab, so dass bei in vivo Anwendungen langwellige Fluoreszenz-Farbstoffe eingesetzt werden. Diese Fluoreszenz-Farbstoffe sind jedoch typischerweise aufgrund ihrer molekularen Struktur und Größe (konjungierte Systeme) apolar. Wird das Glukose-bindende Protein nun mit einem solchen Farbstoff markiert, erniedrigt sich die Löslichkeit zusätzlich, so dass auch keine hohen Markierungsgrade möglich sind. Wie bereits zuvor beschrieben, kann es daher notwendig werden, das Glukose-bindende Protein mit z.B. Polyethylenglykol zu funktionalisieren, um eine ge- steigerte Löslichkeit und damit verbunden höhere Markierungsgrade zu ermöglichen. Die Funktionarisierung mit Polyethylenglykol (Pegylierung) führt jedoch in Lösung regelmäßig zu einer stark reduzierten Glukoseaktivität von zum Beispiel nativem Concanavalin A (relative Glukoseaktivität von 0,4 oder weniger). Überraschenderweise wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass in dem Hydrogel der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese Ver- schlechterung nicht auftritt. Vielmehr können Glukoseaktivitäten für mit Polyethylenglykol funktionalisiertem Concanavalin A erzielt werden, die mit denen von nativem Concanavalin A vergleichbar sind (relative Glukoseaktivität = 2,2 bzw. 2,6). Darüber hinaus wurde gefunden, dass die Glukose- Aktivität durch die Erhöhung des Markierungsgrades am Concanavalin A noch zusätzlich gesteigert werden kann in einem Hydrogel, wie es in der Vorrichtung der vorliegen- den Erfindung eingesetzt wird. So wurde überraschenderweise in dem anreichenden Hydrogel durch Erhöhung des Markierungsgrads am mit Polyethylenglykol funktionalisierten Concanavalin A sogar eine Verdopplung der Glukoseaktivität erreicht. Im Vergleich zur Messung in Lösung wird die Glukoseaktivität in dem Hydrogel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sogar um das 4, 3 -fache gesteigert. Die Verwendung des Hydro gels in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt es also, Konzentrationsverhältnisse für das Glukose-bindende Protein sowie seinen Liganden einzustellen, die bei entsprechenden Markierungsgraden Glukose- Aktivitäten erlauben, die um das 4-fache erhöht sind gegenüber von Konzentrationen, die in wässrigen Lösungen einstellbar sind. Dies ermöglicht vorteilhafter Weise auch den Einsatz der erfindungsge- mäßen Vorrichtung unter Bedingungen, bei denen die Analytkonzentration nicht den Assay- Bedingungen angepasst werden kann, z.B. bei in vivo Anwendungen.
Zur Bestimmung der Glukosekonzentration unter in vivo Verhältnissen, z.B. bei Diabetikern, muss eine Analytkonzentration von 50 bis 500 mg/dl aufgelöst werden. Eine solche Auflösung kann mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ohne weiteres erreicht werden. Die Vorrichtungen können hierbei als Sensor sowohl ex vivo als auch in vivo eingesetzt werden. Bei in vivo Anwendungen kann die Sensorvorrichtung beispielsweise subkutan, im Auge, z.B. subkonjunktival, oder an anderen Stellen im Körper platziert werden, die eine Auswertung der gemessenen Glukoseaktivitäten erlauben.
Die Erfindung betrifft somit auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie zuvor beschrieben, zur Bestimmung des Glukosegehalts in einer Probe.
Unter dem Begriff„Probe" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Zusammensetzung, vorzugsweise eine wässrige Zusammensetzung, zu verstehen, die vermutlich oder tatsächlich Glukose enthält. Bevorzugt handelt es sich bei der Probe um eine biologische Probe. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei der Probe um eine Κδ εΓΐΜεΒί^είΐ, insbesondere, Gewebsflüssigkeit (z.B. interstitielle Flüssigkeit), Blut, Plasma, Serum, Lymphe, Speichel, Tränenflüssigkeit, Schweiß oder Urin. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Probe um Gewebs- flüssigkeit, Blut, Serum oder Plasma.
Sofern die Probe ein biologisches Material, z.B. eine Körperflüssigkeit ist, kann sie vorzugsweise aus einem Probanden gewonnen werden, der einen gestörten Glukosemetabolismus entweder tatsächlich oder vermutlich aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit zur ex vivo Diagnostik von Erkrankungen oder Störungen des Glukose-Metabolismus eingesetzt werden, insbesondere zur Diagnose von Diabetes mellitus oder dem metabolischen Syndrom. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zur Diagnose, sondern auch zum Monitoring des Glukosespiegels eingesetzt werden. Die Vorrichtung ermöglicht somit auch die Unterstüt- zung von Therapieentscheidungen, z.B. Insulingaben, die als Antwort auf einen geänderten Glukosespiegel verabreicht werden müssen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für die ex vivo Anwendung beispielsweise in Mikrotiterplatten eingebracht und dort verankert werden. Zu messende Proben werden dann in die Vertiefungen der Mikrotiterplatten aufgetragen und können dann mit einer Reader- Vorrichtung gemessen werden. Ein solcher Ansatz erlaubt das simultane Vermessen einer großen Zahl von Proben und ist somit auch kostengünstig, insbesondere im klinischen Diagnostik- Betrieb.
Im Rahmen der in vitro Anwendung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung der Menge an Glukose in einer Probe, die tatsächlich oder vermutlich Glukose enthält, umfassend die Schritte:
(a) In-Kontakt-Bringen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Probe für einen Zeit- räum und unter Bedingungen, die die Bindung von der in der Probe enthaltenen Glukose an das Glucose-bindende Proteine aus der Vorrichtung ermöglicht; und
(b) Bestimmen der Menge an durch die Glukose verdrängten Liganden in der Vorrichtung, wodurch die Menge an Glukose ermittel wird. Das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann noch weitere Schritte umfassen. Beispielsweise können weitere Schritte die Aufarbeitung der Probe betreffen, z.B. die Gewinnung von Serum aus Vollblut. Weitere Schritte könnten durchgeführt werden, um die ermittelte Glukose Menge in Bezug zu pathologischen Veränderungen des Glukosemetabolismus zu setzen. Hierzu könnte die ermittelte Menge mit Referenzmengen abgeglichen werden, die indikativ für bestimmte pathologische Zustände sind, z.B. Diabetes mellitus oder metabolisches Syndrom. Solche Verfahren können dann auch zur in vitro Diagnose von Diabetes mellitus oder metabolischem Syndrom eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. einzelne Schritte davon können automatisiert durchgeführt werden, z.B. durch Computer-Implementierung und/oder Robotersysteme.
Geeignete Proben, die mit dem zuvor beschriebenen Verfahren analysiert werden können, sind an anderer Stelle in der Beschreibung ausführlicher beschrieben. Der Begriff "Menge" bezieht sich sowohl auf die Bestimmung absoluter Mengen als auch relativer Mengen. Die Bestimmung der absoluten Menge kann bevorzugt über eine Kalibrierungskurve erfolgen, die aus Messwerten für bekannte Glukose Mengen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wird. Relative Mengen im Sinne der Erfindung sind Mengen, die in Bezug zu einem Normalisierangsparameter gesetzt werden. Es versteht sich, dass im Rahmen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens auch Parameter bestimmt werden können, die durch mathematische Operationen aus den ermittelten Mengenwerten abgeleitet werden können.
Das In-Kontakt-Bringen soll im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Eindringen der Probe und damit der darin enthaltenen Glukose in die Vorrichtung ermöglichen. Ferner soll das In-Kontakt-Bringen die Kompetition von Glukose mit dem Liganden am Glukose-bindenden Protein, das in die Vorrichtung eingebettet ist, ermöglichen.
Der Nachweis der Verdrängung des Liganden erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren vor- zugsweise durch Messung der Zunahme der Intensität an Fluoreszenz, die von einem Donor- Farbstoff ausgeht wie andernorts hierin beschrieben. Die Zunahme resultiert von vor der Verdrängung des Liganden vom Glukose-bindenden Protein, da die Fluoreszenzintensität des Donor- Farbstoffes im Komplex mit dem Glukose-bindenden Protein reduziert ist. Es versteht sich aber, dass andere Nachweistechniken zur Freisetzung des Liganden ebenso eingesetzt wer- den können.
Neben den zuvor beschriebenen ex vivo Verwendungen und ex vivo Verfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die Erfindung jedoch auch die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung der Diagnose eines gestörten Glukosemetabolismus bei einem Probanden. Vorzugsweise wird der gestörte Glukosemetabolismus hierbei durch Diabetes mellitus oder das metabolische Syndrom verursacht.
Bei der in vivo Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diese in den Körper eingebracht. Hierbei ist zu beachten, dass die Messung des Glukosespiegels, die ja auch die Basis für die Diagnose ist, voraussetzt, dass die Vorrichtung in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit kommt, die Glukose enthält, wobei die Konzentration Glukose in der Flüssigkeit repräsentativ für den zu ermittelnden Glukosespiegel ist. Geeignete Körperflüssigkeiten werden an anderer Stelle in der Beschreibung aufgezählt. Besonders bevorzugt ist die Körperflüssigkeit Gewebe- flüssigkeit. Die in den Körper eingebrachte Vorrichtung generiert dann ein Signal, das zur Diagnosestellung ausgewertet werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt an Stellen im Körper eingebracht, die eine optische Messung des von der Vorrichtung generierten Signals ermöglichen. Geeignet sind Stellen mit entweder einer geringen Gewebedicke zwischen Vorrichtung und Körperoberfläche oder mit transparenten Geweben, die gut von dem generierten Signal durchdrungen werden können. Besonders bevorzugt wird die Vorrichtung unter der Haut (subkutan) oder im Auge, z.B. subkonjunktival, platziert. Entsprechende Verfahren zur Implantation der Vorrichtung sind im Stand der Technik bekannt.
Alternativ kan das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Signal auch mittels eines geeigneten Übertragungsmediums aus dem Körper heraus übertragen werden. Hierzu kann vorzugsweise ein Signal-leitendes Material als flexibles Kabel eingesetzt werden, z.B. ein Glasfa- serkabel. Die Übertragung des Signals kann jedoch auch kontaktlos erfolgen z.B. als Infrarot-, Radio- oder Funksignal. Es versteht sich, dass in diesen Fall das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Signal zunächst von einem Detektor, der ebenfalls in der Vorrichtung oder zumindest in räumlicher Nähe angebracht sein muss, ausgelesen und in ein elektromagnetisches Signal, beispielsweise ein Funksignal, umgewandelt werden muss. Dieses elektromagnetische Signal kann dann von einem außerhalb des Körpers liegenden Empfänger empfangen und ausgewertet werden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie oben beschrieben, zur Verwendung bei der Bestimmung der Notwendigkeit für eine therapeutische Maßnahme bei einem Probanden mit gestörtem Glukosemetabolismus.
Entsprechende therapeutische Maßnahmen umfassen solche, die zur Behandlung von Diabetes mellitus oder dem metabolischen Syndrom eingesetzt werden. Hierzu gehört neben der Verabreichung von Arzneimitteln, z.B. Insulin, auch die Durchführung anderer therapeutischer Maß- nahmen, über die aufgrund des ermittelten gestörten Glukose Metabolismus entschieden werden kann, wie therapeutische Eingriffe, z.B. Gastric-Bypass Operationen, oder Änderungen der Lebensgewohnheiten, z.B. die Durchführung spezieller Diäten. Im Rahmen der zuvor beschriebenen Anwendung der Vorrichtung kann diese auch mit einer weiteren Vorrichtung gekoppelt werden, z.B. einer Vorrichtung, die die Abgabe eines Arzneimittels steuert. Bevorzugt kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hierbei mit einer Vorrichtung zur Abgabe von Insulin gekoppelt werden. Die Abgabe von Insulin kann dann basierend auf der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelten Notwendigkeit gesteuert werden. Eine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelte Änderung des Glukosespiegels in einer Probe wird hierbei durch z.B. eine Datenverarbeitungseinheit in der Abgabe- Vomchtung in eine Anweisung übersetzt, die die Notwendigkeit der Insulinabgabe bestimmt. Diese Anweisung vermittelt dann die Abgabe von Insulin ins Blut so lange oder in einer Menge wie benötigt.
Die erfindungsgemäßen Verwendungen der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung erlauben somit eine effiziente ex vivo und in vivo Diagnostik des Blutzuckerspiegels und damit die Früherkennung von Erkrankungen, die mit gestörtem Glukosemetabolismus einhergehen, bzw. durch die Verwendung im Rahmen eines klinischen Monitorings auch das Management von solchen Erkrankungen. Die Vorrichtungen sind in diesem Zusammenhang auch geeignet, um Therapieentscheidungen basierend auf den ermittelten diagnostischen Resultaten zu fällen.
Die Erfindung wird durch die folgenden Ausführungsbeispiele illustriert. Die Beispiele schränken jedoch den Schutzbereich nicht ein.
BEISPIELE
Beispiel 1: Herstellung von Sensoren zur Bestimmung von Glukose
Herstellung von Hydrogelpartikeln (anreichernde Matrix)
1 g Alginsäure-Natriumsalz werden in 100 g Wasser unter Rühren gelöst. In einem 5L Becher werden 66,2 g CaC12 x 2H20 in 4931,3 g Wasser gelöst.
Die Alginat-Lösung wird über eine Pumpe in eine Zwei-Stoffdüse gefordert. Gleichzeitig wird am zweiten Eingang der Düse Druckluft angelegt, sodass die Alginat-Lösung in feine Tröpfchen zerstäubt wird. Die Tröpfchen werden durch die Luftströmung in ein Bad mit der Calciumchlorid Lösung getragen, wo sie gelieren und zu Boden sinken. Die gelierten Kugeln werden anschließend gesammelt. Herstellung von Sensoren in anreichernder Matrix:
Alginatkugeln werden zur Beladung nacheinander in einer farbstoffmarkierten ConcanavalinA- Lösung und einer farbstoffmarkierten Dextran-Lösung inkubiert. Anschließend werden die beladenen Kugeln abzentrifügiert und die überstehende Lösung abdekantiert. Die beladenen Kugeln werden ggf. anschließend über Nacht in einer Lösung eines zweiten Polymers (z.B. PVA-, PEG- basiert) inkubiert und ggf. durch Zentrifugation abgetrennt. Anschließend werden die Kugeln in eine wässrige Lösung eines photochemisch vernetzbaren Polymers eingemischt. Diese Mischung wird anschließend mit UV-Licht vernetzt, um das Auslaugen der Sensorkomponenten aus den Alginatkugeln zu verhindern.
Die Mengen richten sich dabei nach der Konzentration des zu messenden Analyten und der Markierungsgrad wird in Abhängigkeit von der gewünschten Intensität des Fluoreszenz-Signals gewählt. Als photochemisch vernetzbares Polymer kann beispielsweise Nelfilcon Polymer, ein mit Acrylamid-Gruppen modifizierter Polyvinylalkohol, verwendet werden. Für die photochemische Vernetzung wird noch 0,1% Irgacure 2959 zugegeben. Die fertige Lösung wird in geeignete Formen dosiert und durch UV-Licht ausgehärtet.
Herstellung von Sensoren in nicht anreichernder Matrix:
Farbstoffmarkierte ConcanavalinA-Lösung und farbstoffmarkierte Dextran-Lösung werden nacheinander in eine wasserbasierende Präpolymermischung gegeben und 3 Stunden gerührt. Die Mengen richten sich dabei nach der Konzentration des zu messenden Analyten und der Markierungsgrad wird in Abhängigkeit von der gewünschten Intensität des Fluoreszenz-Signals gewählt. Als photochemisch vemetzbares Präpolymer kann beispielsweise Nelfilcon Polymer, ein mit Acrylamid-Gruppen modifizierter Polyvinylalkohol, verwendet werden. Für die photochemi- sehe Vernetzung wird noch 0,1% Irgacure 2959 zugegeben. Die fertige Lösung wird in geeignete Formen dosiert und durch UV-Licht ausgehärtet.
Beispiel 2: Bestimmung der Glukoseaktivität für die Sensoren
Bestimmung der Glucose-Aktivität in Sensoren:
Das Fluoreszenzspektrum der Sensoren wird bei verschiedenen Glucosekonzentrationen bestimmt. Die Veränderung der Fluoreszenzintensitäten des Donors mit steigendem Glucosegehalt dient als Maß für die Güte des Glucosesensors. Da bei einem in vivo Glucose-Sensor Glucosekonzentrationen zwischen 50 und 500 mg/dL gemessen werden müssen, wird die Glucose-Aktivität folgendermaßen berechnet:
GA = (Intensität5oomg/dL - Intensität5omg/dL) / Intensität50mg/dL
Alle Responsewerte werden zum besseren Vergleich auf die Response des gleichen Systems in Lösung normiert. Zur Ermittlung der relativen Glucose-Aktivität wird die Glucose-Aktivität der Sensoren (in Matrix) durch die Glucose-Aktivität in Lösung dividiert, rel GA = GA(Matrix) / GA (Lösung)
Bestimmung der Glucose-Aktivität in Lösung:
ConA-Lösung und Dextran-Lösung werden in Pufferlösung verdünnt und mehrere Stunden gerührt. Das Fluoreszenzspektrum der Lösung wird bei verschiedenen Glucosekonzen-trationen bestimmt. Die Veränderung der Fluoreszenzmtensitäten des Donors mit steigendem Glucosegehalt dient als Maß für die Güte des Systems. Da bei einem in vivo Glucose-Sensor Glucosekonzentrationen zwischen 50 und 500 mg dL gemessen werden müssen, wird die Glucose-Aktivität folgendermaßen berechnet: GA = (Intensität50omg/dL - Intensität50mg/dL) / Intensität5omg/dL
Beispiel 3: Bestimmung des Einflusses der Matrix Erfindungsgemäß werden das Glukose-bindende Protein und der Ligand in einer Hydrogelmatrix eingebaut, die eine gewisse Wechselwirkung mit dem Glukose-bindende Protein aufweist. Dabei wird die Hydrogelmatrix so ausgewählt, dass zum einen die Wechselwirkung Glukosebindendem Protein und Hydrogelmatrix größer ist als die zwischen Glukose-bindendem Protein und wässriger Lösung (Anreicherung der Sensorkomponenten). Andererseits darf aber die Wechselwirkung zwischen Glukose-bindendem Protein und dem Analyten (Glukose) nicht oder nicht wesentlich durch die Wechselwirkung Glukose-bindende Protein und Hydrogelmatrix beeinträchtigt werden.
Bei geeigneter Auswahl der Hydrogelmatrix erzielt man durch die Wechselwirkung zwischen Glukose-bindende Protein und Hydrogelmatrix eine Anreicherung des Glukose-bindenden Proteins in der Matrix weit über die Löslichkeitsgrenze des Glukose-bindende Protein in wässriger Lösung. Im Falle von Con A können beispielsweise bis zu 10-fach höhere Konzentrationen als in freier Lösung erzielt werden. Noch extremer gestalten sich die Löslichkeitsprobleme nach Zu- gäbe des Liganden (z.B. Dextran), da der Glukose-bindende Protein-Ligand - Komplex aufgrund seiner Größe und häufig auch aufgrund von Multivalenzen eine geringere Löslichkeit aufweist. Während der ConA-Dextran-Komplex in Lösung bei einem Massenverhältnis von 1:10 schon ab einer ConA-Konzentration von 0,5 mg/g beginnt auszufallen, können in einer geeigneten Hydrogelmatrix bei gleichem Massenverhältnis ConA-Konzentrationen von über 50 mg/g eingestellt werden. Durch die Hydrogelmatrix kann der anwendbare Konzentrationsbereich des Glucose- bindenden Proteins, z.B. ConA, um ein 100-faches erhöht werden.
Da bei einer In vivo-Anwendung der Bereich der Analyt-Konzentration fest liegt und nicht z.B. durch Verdünnen oder Aufkonzentrieren angepasst werden kann, müssen die Konzentrationen von Glukose-bindendem Protein und Ligand auf den In vivo-Konzentrationsbereich des Analyten angepasst werden. Oftmals besteht jedoch die Schwierigkeit, dass deshalb Glukosebindende Protein-Konzentrationen und / oder Ligand-Konzentrationen nötig wären, die die Löslichkeitsgrenze überschreiten. Bei dem ConA-Dextran- System kann z.B. in Lösung nur eine ConA-Konzentration von 0,5 mg/g bei einem Massenverhältnis (Dex : ConA) von 1 :10 eingestellt werden, da sonst der ConA- Dextran-Komplex beginnt, zu präzipitieren. Die bei dieser Konzentration erreichte Glucose- Aktivität (GA) wird hier zur Ermittlung der relativen Glucose-Aktivität (rel GA) gleich 1 gesetzt. Wie erwartet wird in einer nicht anreichernden Matrix die Glucose-Aktivität aufgrund der geringeren Beweglichkeit der Sensorkomponenten auf die Hälfte verringert (rel GA = 0,52). m anreichernder Matrix wird bei gleicher Konzentration fast die gleiche Response wie in Lösung erhalten (rel GA— 0,83). In der anreichernden Matrix sind jedoch auch wesentlich höhere ConA- Konzentrationen einstellbar. Bei einer ConA-Konzentration von 10 mg/g wird in anreichernder Hydrogelmatrix eine um das 2,6-fache gesteigerte Glucose-Aktivität erhalten (s. Tabelle 1).
Tabelle 1 : Einfluss der Matrix
in Lösung in nicht anreiin anreichernin anreichernchernder Mat- der Matrix der Matrix rix
ConA-Konzentration 0,5 mg g 0,5 mg/g 0,5 mg g 10 mg/g
rel GA 1 0,52 0,83 2,55
Natives ConA mit DOL = 1, Dextran mit 0,001 mol Farbstoff (FS) pro mol Dex-Untereinheit (UE), Massenverhältnis Dex : ConA = 1 :10
Beispiel 4: Bestimmung des Einflusses der Konzentration des Rezeptors
In anreichernder Matrix sieht man deutlich eine Abhängigkeit der Glucose-Aktivität von der Ausgangskonzentration des Glukose-bindende Proteins und des Liganden. Bei einem Anstieg der Konzentration wird auch ein Anstieg der Glucose-Aktivität erhalten. Bei sehr hohen Rezeptor- Konzentrationen nimmt die Glucose-Aktivität wieder ab. Die optimale ConA-Konzentration für einen in vivo-Assay liegt zwischen 8 und 20 mg ConA / g Matrix (s. Tabelle 2).
Tabelle 2: Einfluss der Rezeptor Konzentration
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(UE), Massenverhältnis Dex : ConA = 1:10
Beispiel 5: Bestimmung des Einflusses des Markierungsgrades Rezeptor Aufgrund der mit höheren Wellenlängen abnehmenden Eigenfluoreszenz des Gewebes müssen bei in vivo Anwendungen langwellige Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt werden. Diese Fluoreszenzfarbstoffe sind typischerweise aufgrund der größeren konjugierten Systeme recht unpolar. Wird das Glukose-bindende Protein mit solchen Farbstoffen markiert, so erniedrigt sich seine Löslichkeit, so dass aufgrund des Ausfallens häufig keine hohen Label grade möglich sind. Um die Löslichkeit des Glukose-bindende Proteins zu erhöhen, ist es vorteilhaft, diese z.B. mit Polyethylenglycol zu funktionalisieren. Dadurch erhöht sich die Löslichkeit des Glukosebindende Proteins, wodurch höhere Labelgrade bei der Synthese möglich sind. Pegylierte ConA's führen jedoch in Lösung nur zu weniger als der Hälfte der Glucose- Aktivität von nativen ConA (rel GA = 0,4). Überraschenderweise tritt in der Hydrogel-Matrix diese Verschlechterung nicht auf. Es wird mit PEG-ConA eine vergleichbare Glucose- Aktivität wie mit nativem ConA erhalten (rel GA = 2,2 vs. 2,6) (s. Tabelle 3).
Tabelle 3: Einfluss des Markierungsgrades (DOL)
Figure imgf000022_0001
Durch die Pegylierung wird es erst möglich, ConA mit einem hohen Markierungsgrad eines langwelligen Fluoreszenzfarbstoffes zu versehen, welches in Lösung langzeitstabil ist und nicht präzipitiert. Überraschenderweise wird in anreichernder Matrix im Vergleich zu in Lösung keine Verschlechterung der Glucose-Aktivität durch die Pegylierung beobachtet. Nur durch den positiven Effekt der Matrix ist es somit möglich, in einem Assay PEG-ConA mit hohem Labelgrad in hohen Konzentrationen einzusetzen. Erstaunlicherweise kann die Glucose-Aktivität durch eine Erhöhung des Labelgrades am ConA zusätzlich gesteigert werden. In der anreichernden Hydrogel-Matrix wird bei ConA mit DOL = 2,5 fast eine Verdoppelung der Glucose-Aktivität erreicht (rel GA = 4,3 vs. 2,6). Im direkten Vergleich zu der Messung in Lösung wird die Glucose-Aktivität in Matrix durch den kombinierten Effekt von Konzentration und DOL somit sogar um das 4,3 -fache erhöht (s. Tabelle 4)
Tabelle 4: Einfluss des Markierungsgrades (DOL)
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*natives ATTO680-ConA mit einem DOL von >1,5 ist in Lösung nicht stabil und fällt aus. Beispiel 6: Bestimmung des Einflusses der Fluoreszenz-Farbstoffe Die Struktur der Fluoreszenz-Farbstoffe, die an Glukose-bindendes Protein bzw. Ligand gebunden sind, hat ebenfalls einen Einfluss auf die Glucose- Aktivität. Als besonders geeignet hat sich eine Kombination aus einem Rhodamin- und einem Oxazin-Farb Stoff erwiesen. Für das ConA- Dextran-System ist ein Rhodamin-Donor (z.B. ATTO590- oder ATTO610-Dextran, ROX- Dextran) und ein Oxazin-Acceptor (z.B. ATT0655- oder ATTO680-ConA, Evoblue30-ConA) besonders bevorzugt. Im Gegensatz zu dem herkömmlich verwendeten TMR-ConA / FITC- Dextran-System (Xanthen - Rhodamin - Kombination) wird dadurch in Lösung eine 2,1 -fache und in anreichernder Matrix sogar eine 2,6-fache Glucose- Aktivität erhalten. Bei einem Rhoda- min-Oxazin-Farb stoffpaar kann eine Heterodimer-Wechselwirkung zwischen den Farbstoffen auftreten, welche die Glucose- Aktivität verstärkt (s. Tabelle 5 und 6).
Tabelle 5: Einfluss der Farbstoffe
Figure imgf000023_0001
entsprechenden Werte aufgrund der Erfahrungswerte mit PEG-ConA hochgerechnet:
FITC-Dextran mit 0,01 mol FS/mol UE, Massenverhältnis Dex : ConA = 1:10 Tabelle 6: Einfluss der Farbstoffe
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Natives ConA mit DOL = 1, Dextran mit 0,001 mol Farbstoff (FS) pro mol D ex-Untereinheit (UE), Massenverhältnis Dex : ConA = 1:10 Beispiel 7: Bestimmung des Einflusses der Beschaffenheit der Hydrogelmatrix
Die Glucose-Aktivität ist auch abhängig von der Beschaffenheit der Hydrogel-Matix. Die Hydrogel-Matrix kann aus einem Polymer oder aus einer Mischung von mehreren Polymeren bestehen. Es hat sich eine Hydrogel-Matrix aus Alginat oder einer Mischung aus einem Alginat- und Polyvinylalkohol-Hydrogel als vorteilhaft herausgestellt. Das Alginat-Hydrogel ermöglicht durch seine Wechselwirkung mit dem ConA und dem Dextran die Anreicherung der Sensorkomponenten in hohen Konzentrationen.
Das Präpolymer des 2. Hydrogels (z.B. PVA) kann in die Alginatkugeln eindringen und nach seiner Vernetzung ein interpenetrating Network mit dem Alginat bilden. Die Maschenweite des
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Network beeinflusst die Beweglichkeit der Moleküle des Glukose-bindenden Proteins und des Liganden und somit auch die Glucose-Aktivität. Die Maschenweite kann beeinflusst werden durch die Art, das Molekulargewicht, den Feststoffgehalt des Polymers sowie den Anteil an Vernetzergruppen, welcher die Anzahl an Knotenpunkten bestimmt.
Ein geringerer Gehalt an Vernetzergruppen führt zu einer höheren Glucose-Aktivität. Durch eine Halbierung der Vernetzergruppen kann die Aktivität sogar um das 1,5 -fache gesteigert werden. Im Vergleich zu dem System in Lösung kann somit ebenfalls eine 4,2-fache Verbesserung der Glucose-Aktivität erzielt werden, ohne eine Erhöhung des Labelgrades am ConA (s. Tabelle 7).
Tabelle 7: Einfluss des Vernetzergehaltes
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Natives ConA (13 mg/g) mit DOL = 1, Dextran mit 0,001 mol Farbstoff (FS) pro mol Dex- Untereinheit (UE), Massenverhältnis Dex : ConA
Der Feststoffgehalt des Netzwerkes hat ebenfalls einen Einfluss auf die Glucose-Aktivität. Je höher der Feststoffgehalt umso geringer ist die Glucose-Aktivität (s. Tabelle 8).
Tabelle 8: Einfluss des Feststoffgehaltes
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Natives ConA ( 3 mg/g) mit DOL = 1, Dextran mit 0,001 mol Farbstoff (FS) pro mol Dex
Untereinheit (UE), Massenverhältnis Dex : ConA

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung umfassend ein Hydrogel mit einem darin eingelagerten Glukose-bindenden Protein und einem Liganden des Glukose-bindenden Proteins, wobei das Hydrogel eine erste Hydrogelmatrix aus Alginat umfasst und eine zweite Hydrogelmatrix, die innerhalb der ersten Hydrogelmatrix ein interpenetrierendes Netzwerk ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Hydrogelmatrix aus einem wasserlöslichen Polymer besteht mit mindestens einer vernetzbaren Gruppe pro Molekül und einem Molekulargewicht von höchstens 500.000.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Hydrogelmatrix ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Polyvinylalkoholen (PVAs; einschließlich Copolymere mit Vinylacetate und/oder Ethylene), Polyethylenglykolen (PEGs), und Polyhydroxyalkanoaten (PHAs), Poly (2-Methyl-2 oxazolinen), Poly (2-Ethyl-2 oxazolinen), Poly (2-Hydroxyethyl-2 oxazolinen), Poly (2-(l-(Hydroxymethyl)-ethyl)-2 oxazolinen), Poly-(hydroxyethylmetacrylat) (PHEMA), Poly-(hydroxyethylacrylat) (PHEA), Poly-vinylpyrolidonen, Poly-(dimethyl)acrylamid, Poly-
(hydroxyethyl)acrylamid, Poly(ethylene-co-vinylalkohol), Poly(vinylacetat-co- vinylalkohol), Poly(ethylene-co-vinylacetat-co-vinylalkohol) und Poly(ethylenglycol-co- propylenglycol).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und oder die zweite Hydrogelmatrix, die in der Lage sind, mit dem Glukose-bindenden Protein zu interagieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Glukose-bindende Protein ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lektinen, Enzymen, die Glukose als Sub- strat binden, Antikörpern, die spezifisch Glukose erkennen, und Aptameren, die spezifisch Glukose erkennen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ligand des Glukose-bindenden Proteins ein Oligosaccharid, ein glykosyliertes Markromolekül oder ein glykosylierter Nanopartikel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Glukose-bindende Protein Concanavalin A ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Concanavalin A Konzentration größer als 0,5 mg/(g Matrix) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Concanavalin A Konzentration zwischen 2 und 60 mg (g Matrix) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Concanavalin A durch chemische Modifikation eine im Vergleich zu unmodifiziertem Concanavalin A erhöhte Wasserlöslichkeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Modifikation ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Pegylierung, Acetylierung, Succinylierung und Polyoxazolinylierung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Glukose-bindende Protein mit einem Oxazin-Farbstof verknüpft und der Ligand des Glukose-bindenden Proteins mit einem Rhodamin-Farbstoff verknüpft ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Bestimmung des Glukosegehalts in einer Probe.
14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei die Probe aus einem Probanden gewonnen wurde, der einen gestörten Glukosemetabolismus aufweist oder der vermutlich einen gestörten Glukosemetabolismus aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Verwendung der Diagnose eines gestörten Glukosemetabolismus bei einem Probanden.
Verwendung nach Anspruch 13 oder 14 oder Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der gestörte Glukosemetabolismus durch Diabetes mellitus oder metabolisches Syndrom verursacht wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Verwendung bei der Bestimmung der Notwendigkeit für eine therapeutischen Maßnahme bei einem Probanden mit gestörtem Glukosemetabolismus.
PCT/EP2011/072563 2010-12-17 2011-12-13 Kompetitiver biosensor mit erhöhter sensitivität WO2012080218A1 (de)

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