DE10010587A1 - System zur Bestimmung von Analytkonzentrationen in Körperflüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Konzentration mindestens eines Analyten in einer Körperflüssigkeit. Das System besitzt einen ersten Körper und einen zweiten Körper von denen mindestens einer eine Vertiefung auf seiner Oberfläche beinhaltet und die Körper so zusammengefügt werden, daß die Vertiefung durch eine Fläche des jeweils anderen Körpers verschlossen wird, so daß ein Kanal gebildet wird. Der erste und/oder der zweite Körper besteht zumindest teilweise aus einer Membran, die entweder im Bereich der Vertiefung, oder dem der Vertiefung gegenüberliegenden Teil des anderen Körpers angeordnet ist, so daß über die Membran Stoffe aus der umgebenden Körperflüssigkeit aufgenommen werden können. Das System weist weiterhin einen Sensor auf, mit dem die Konzentration eines Analyten in dem Kanal ermittelt werden kann. Außerdem weist das System mindestens ein integriertes Reservoir auf das in Verbindung mit dem Kanal steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Konzentration mindestens eines Analyten in einer Körperflüssigkeit. Das System besitzt einen ersten Körper und einen zweiten Körper von denen mindestens einer eine Vertiefung auf seiner Oberfläche beinhaltet und die Körper so zusammengefügt werden, daß die Vertiefung durch eine Fläche des jeweils anderen Körpers verschlossen wird, so daß ein Kanal gebildet wird. Der erste und /oder der zweite Körper beinhaltet einen Austauschbereich, der entweder im Bereich der Vertiefung, oder dem der Vertiefung gegenüberliegenden Teil des anderen Körpers angeordnet ist, so daß über den Austauschbereich Stoffe aus der umgebenden Körperflüssigkeit aufgenommen wer­ den können. Das System weist weiterhin einen Sensor auf, mit dem die Konzentration eines Analyten in dem Kanal ermittelt werden kann. Außerdem besitzt das System mindestens ein integriertes Reservoir das in Verbindung mit dem Kanal steht.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken zur Detektion von Analytkonzentrationen in Körperflüssigkeiten bekannt. Liegt die Körperflüssigkeit extrakor­ poral vor, so kann eine Analytbestimmung auf konventionellem Wege mit einem klinischen Analyzer erfolgen. Für häufig zu vermessende Analyten, wie z. B. den Glucosegehalt von Blut, haben sich im Stand der Technik tragbare Vorrichtungen, sogenannte Blutzuckermeß­ geräte durchgesetzt. Ein Nachteil der genannten Analysemethoden liegt jedoch darin, daß zunächst eine Körperflüssigkeit entnommen werden muß, was den Anwendungsbereich im Regelfall auf Einzelmessungen beschränkt. In einigen Bereichen der Medizin, insbesondere in dem Bereich des Diabetesmonitoring, ist es jedoch von großem Vorteil, eine kontinuierliche oder zumindest quasi kontinuierliche Überwachung des Glucosespiegels durchzuführen. Hierdurch können einerseits drohende hypoglykämische Zustände, die zum Tod des Patienten führen können, rechtzeitig erkannt werden als auch andererseits eine Warnung vor hypergly­ kämischen Zuständen erfolgen, die in der Regel mit Langzeitschäden (Erblindung, Gangräne, usw.) verbunden sind. Es sind daher in letzter Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen worden, eine kontinuierliche Überwachung der Blutglucosekonzentration zu ermöglichen. Eine Forschungsrichtung strebt eine nicht-invasive Messung der Blutglucosekonzentration z. B. durch Messung der glucoseabhängigen Streuung und/oder Absorption von Infrarot­ strahlung an. Aufgrund sehr ungünstiger Signal-Rauschverhältnisse und schwer kontrollier­ barer physiologischer Einflußgrößen konnte jedoch bislang noch kein serienreifes Produkt, basierend auf einem solchen Meßverfahren entwickelt werden. Eine andere Entwicklungs­ richtung basiert auf der Verwendung von Sensoren, die direkt in den Körper implantiert wer­ den, um vor Ort Messungen durchzuführen. Ein großes Problem in diesem Technologiebe­ reich liegt jedoch in der erheblichen Drift der verwendeten Sensoren. Dieses Problem liegt u. a. daran, daß die Sensoren direkt oder über eine Membran in Kontakt mit Gewebe und Be­ standteilen der Körperflüssigkeit in Kontakt kommen. Geeignete Membranen können dieses Problem zwar verringern, jedoch findet trotzdem eine Alterung der Sensormaterialien statt, die zu einer Drift führen, welche über eine Dauer von mehreren Tagen nur schwer kompen­ sierbar ist. Exemplarisch für die vorstehend genannte Technologie wird an dieser Stelle auf das Dokument US-5,855,801 verwiesen.

Die Probleme direkt implantierter Sensoren wurden durch die Mikrodialyse, die Ultrafiltra­ tion und die Mikroperfusion weitestgehend gelöst. Bei der Mikrodialyse wird eine Perfusions­ flüssigkeit durch einen Katheter geleitet und es erfolgt eine Analytbestimmung in dem aus dem Katheter austretenden Dialysat. Hieraus ergeben sich zahlreiche Erfordernisse im Be­ reich des Fluidhandlings und Mikrodialyseanordnungen sind im Vergleich zu implantierten Sensoren größer, zumal Perfusat und Dialysat aufbewahrt werden müssen. Andererseits stellt jedoch die Mikrodialysetechnik das heutzutage verläßlichste Verfahren dar, um Analytkon­ zentration in vivo zu überwachen.

Im Stand der Technik sind eine Reihe von Mikrodialysesonden bekannt, für die an dieser Stelle stellvertretend lediglich auf die in der deutschen Patentschrift DE 33 42 170 beschrie­ bene Anordnung verwiesen wird. Die in diesem Patent beschriebene Anordnung ist im Han­ del unter der Bezeichnung CMA 60 Mikrodialysekatheter erhältlich. Wie aus dem Patent er­ sichtlich wird, sind einer Verkleinerung der Anordnung, bedingt durch die notwendigen Her­ stellverfahren, Grenzen gesetzt. Eine Verkleinerung ist jedoch dringend notwendig, um einer weiteren Verbreitung der Technologie Vorschub zu leisten. Dies ist vorteilhaft, weil kleinere Mikrodialysesonden wesentlich leichter und für den Patienten weniger traumatisch in den Körper eingeführt werden können. Außerdem können kleinere Mikrodialysesonden mit weni­ ger Flüssigkeit betrieben werden, so daß eine Verkleinerung der Flüssigkeitsreservoirs mög­ lich ist.

In dem Artikel "A µTAS based on microdialysis for on-line monitoring of clinically relevant substances" S. Böhm, W. Othuis, P. Bergveld in: Micro Total Analysis Systems '98, D. J. Har­ rison, A. v. d. Berg, Eds., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1998 wird eine miniaturi­ sierte Mikrodialyseanordnung beschrieben. Die Anordnung besitzt einen mikrotechnisch her­ gestellten Teil, der einen Sensor und Fluidkanäle sowie einen Aufnahmebereich für die ei­ gentliche Mikrodialysesonde beinhaltet. Die beschriebene Mikrodialysesonde besitzt einen inneren Kanal, durch den Perfusionsflüssigkeit einströmt und am Ende dieses Kanales in ei­ nen äußeren Kanal austritt. Die Mikrodialyse erfolgt durch die Membran des äußeren Kanales und das gebildete Dialysat wird dem Sensor zugeführt. Während mit dieser Anordnung bereits eine relativ starke Miniaturisierung erreicht wird, bleiben jedoch eine Reihe von Pro­ blemen ungelöst. In erster Linie baut die beschriebene Anordnung auf dem konventionellen Prinzip von Mikrodialysesonden aus konzentrischen Röhren auf, bei dem eine innere Röhre von einer äußeren Röhre umgeben ist, die in Fluidkommunikation miteinander stehen. Dies wirft nicht nur herstellungstechnische Probleme auf, sondern setzt auch einer Miniaturisie­ rung Grenzen. Weiterhin ist die vorstehend genannte Anordnung nachteilig, da der Mikro­ dialysekatheter in einen Halter eingeklebt werden muß. Dies ist herstellungstechnisch nachtei­ lig und die Übergänge der Fluidkanäle führen zu Problemen. Es wurde nämlich festgestellt, daß derartige Fluidübergänge zur Verschlechterung der Antwortfunktion der Signale führen. Dies resultiert daraus, daß die Übergänge Totvolumina einführen.

Eine weitgehende Lösung der genannten Probleme wird durch Systeme gemäß der DE 196 02 861 erreicht. Die in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen vermeiden Quer­ schnittsveränderungen in der Meßstrecke und somit daraus resultierende Beeinflussungen der Antwortfunktion des Systems. Weiterhin ermöglichen die beschriebenen Vorrichtungen eine Miniaturisierung und besitzen trotzdem die bereits vorstehend beschriebenen Vorteile einer Mikrodialyse. In der DE 196 02 861 wird weiterhin ausgeführt, daß es sehr leicht möglich sei, Sensorelemente zu integrieren, da der Kanal vor dem Einbringen der Sensorelemente schon mit einer für den Analyten permeablen Membran bedeckt sei. Hierdurch wird ein Verschluß oder eine Kontamination des Kanals durch ein Einbringen der Sensorelemente vermieden. Die hierdurch bedingte Bauweise besitzt jedoch den Nachteil, daß der Analyt aus der Probeflüs­ sigkeit einen noch größeren Difusionsweg zurücklegen muß, als dies bei der Mikrodialyse ohnehin schon der Fall ist. Um ein Sensorsignal hervorzurufen, muß der Analyt zunächst durch die Membran in die Trägerflüssigkeit diffundieren und darauf noch aus der Trägerflüs­ sigkeit heraus durch eine Membran zum Sensor. Ein weiterer Nachteil der in der DE 196 02 861 beschriebenen Systeme liegt darin, daß die Trägerflüssigkeit, in der der Analyt aufge­ nommen wird, dem Sensorsystem über Öffnungen von Extern zugeführt werden muß. Eine derartige Konnektierung eines miniaturisierten Devices mit Schläuchen bedeutet nicht nur zusätzliche Herstellschritte, sondern wirft auch Dichtigkeitsprobleme auf. Ein unkontrolliertes Eindringen von Luftblasen in das System ist nachteilig, da hierdurch sowohl der Stoffaus­ tausch im Mikrodialysebereich als auch die Signalerzeugung im Detektionsbereich beeinflußt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein miniaturisiertes Analysesystem vorzu­ schlagen, das die bestehenden Probleme des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere war es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein herstellungstechnisch günstiges und hinreichend miniaturisierbares System vorzuschlagen. Weiterhin war es Aufgabe der Erfindung ein inte­ griertes System zu schaffen, was weitestgehend autark arbeitet und soweit als möglich auf den Anschluß von externen Reservoiren verzichtet. Hierdurch können bestimmte Fertigungs­ schritte vermieden werden, die Größe des Systems kann reduziert werden und aus Anschluß­ konnektierungen resultierende Probleme werden reduziert bzw. vermieden.

Die vorliegende Aufgabe wird durch ein System gelöst, bei dem durch das Zusammenfügen von mindestens zwei Körpern ein Kanal entsteht, der zumindest in einem Teilbereich einen Austauschbereich besitzt, so daß Stoffe aus einer umgebenden Körperflüssigkeit aufgenom­ men werden können. Darüber hinaus besitzt das System mindestens ein integriertes Reservoir, das in Verbindung mit dem Kanal steht.

Das erfindungsgemäße System dient zur Bestimmung der Konzentration mindestens eines Analyten in einer Körperflüssigkeit. Die Bezeichnung Analyt umfaßt im Rahmen der vorlie­ genden Erfindung sämtliche möglichen Analyten, wie z. B. Glucose, Lactat, Proteine, Mine­ ralien und Neurotransmitter. Der Begriff "Körperflüssigkeit" soll im Rahmen der vorliegen­ den Erfindung ebenfalls sämtliche möglichen Körperflüssigkeiten wie insbesondere inter­ stitielle Flüssigkeit, Blut und Hirnflüssigkeit umfassen. Das System ist in erster Linie zur in­ vivo Diagnostik beim Menschen konzipiert ist, es sollen jedoch auch andere Anwendungen, z. B. bei Tieren mit umfaßt sein.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Dialyse, Dialysemembran etc. sowohl für Ausführungsformen verwendet, bei denen über eine Membran ein Stoffaustausch zwischen dem Außenraum und einer Perfusionsflüssigkeit stattfindet (d. h. Mikrodialyse­ systeme), als auch für Systeme, bei denen durch die Membran eine Filtration der das System umgebenden Körperflüssigkeit erfolgt (im allgemeinen als Ultrafiltration bezeichnet).

Einen wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt der Aufbau des Grundkörpers aus zwei Körpern dar, von denen mindestens einer eine Vertiefung besitzt und die Körper so zusammengesetzt werden, daß ein Kanal entsteht. So können sowohl Fertigung als auch Mi­ niaturisierung vereinfacht werden. Insbesondere kann durch diesen integrierten Aufbau auf einfache Weise erreicht werden, daß zwischen dem Austauschbereich und dem Meßbereich keine Fluidübergänge mit Kavitäten, Hinterschneidungen oder dergleichen auftreten, die zu einer Signalverschlechterung führen. Jeder Fluidübergang erzeugt fertigungsbedingt einen Bereich, der nicht direkt durchströmt wird, in den jedoch durch Randströmungen Teile des Hauptstromes eindringen.

Die Körper, insbesondere der mit Vertiefung kann beispielsweise aus Silizium nach den be­ kannten Verfahren der Mikrobearbeitung von Silizium hergestellt werden. Unter Herstel­ lungs- und Kostengesichtspunkten ist jedoch eine Fertigung der Körper aus Kunststoffen, Metallen oder Keramiken bevorzugt. Insbesondere kann der bzw. die Körper auf einfache und kostengünstige Weise aus Polymeren im Spritzgußverfahren hergestellt werden, wobei z. B. Vertiefungen im Grundkörper für Reservoirs und Kanäle direkt im Spritzgußverfahren einge­ bracht werden können. Es ist jedoch auch möglich, einen Kunststoffkörper durch Prägetech­ niken und dergleichen nachträglich zu bearbeiten. Kunststoffe, die zu diesem Zweck einge­ setzt werden können, sind zum Beispiel Polymethylmethacrylat und Polycarbonat. Es sollen auch solche Ausführungsformen umfaßt sein, bei denen auf den Grundkörper nachträglich eine Beschichtung aufgebracht wird. Dies kann günstig oder notwendig sein, um die Oberflä­ che zu passivieren, ihr eine geeignete Oberflächenspannung zu verleihen oder aber um Elektroden aufzubringen. Verfahren zum Aufbringen von derartigen Beschichtungen sind bei­ spielsweise Aufdampfen oder Aufsputtern von Metallen wie Gold, Silber und Aluminium. Da diese Verfahren im Stand der Technik hinlänglich bekannt sind, wird an dieser Stelle nicht näher auf sie eingegangen.

Der Grundkörper besitzt einen Austauschbereich durch den Stoffe aus der umgebenden Kör­ perflüssigkeit in den Kanal aufgenommen werden können. Diese Aufnahme kann einerseits durch Vorbeiführen einer Flüssigkeit (Perfusionsflüssigkeit) an einer Membran (d. h. Mikro­ dialyse) oder durch Aufnahme von Flüssigkeit in den Kanal durch eine Membran (Ultrafiltra­ tion) durch Anlegen eines Druckgradienten erfolgen. Weiterhin ist es möglich, im Austausch­ bereich Perforationen vorzusehen, durch die Stoffe aus dem Außenraum aufgenommen wer­ den können. Eine solche Vorgehensweise wird im allgemeinen als Mikroperfusion bezeich­ net.

Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Austauschbereich nicht wie im Stand der Technik üblich, durch ein System aus koaxialen Röhren gebildet wird, wie zum Beispiel in der DE 33 42 170 beschrieben, sondern daß der Dialysebereich von einem nach oben offenen Kanal im Grundkörper gebildet wird, der von einer Membran oder einem perforierten Bereich abgedeckt ist. Wird Perfusionsflüssigkeit durch den Kanal hindurchge­ führt, während sich der Austauschbereich in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit befindet, so nimmt die Perfusionsflüssigkeit Substanzen aus der Körperflüssigkeit auf.

Im Falle der Mikrodialyse und Ultrafiltration richtet sich die Art der Substanzen, die aufge­ nommen werden, nach der Beschaffenheit der Membran, insbesondere nach deren Poren­ weite. Prinzipiell können für die Membran die im Stand der Technik verwendeten Mate­ rialien, wie zum Beispiel Polycarbonat, Celluloseacetat, Polysulfon, verwendet werden. Eine Beschreibung geeigneter Membranen findet sich beispielsweise in der DE 196 02 861 und US 4,832,034.

Die Membran dient vor allem dazu, molekulare Stoffe, die die Analyse stören, bzw. eine Alte­ rung des Sensors hervorrufen, auszuschließen. Dementsprechend sollten Stoffe mit einem Molekulargewicht < 10.000 Dalton durch die Membran ausgeschlossen werden.

Im Falle der Mikroperfusion besitzt der Austauschbereich Perforationen, durch die direkt Fluid zwischen dem Außenraum und dem Kanal ausgetauscht werden können. Die einzelnen Perforationen können dabei einen Öffnungsquerschnitt von wenigen Mikrometern bis hin zu etwa 0,5 mm aufweisen. Zur Vorgehensweise im Rahmen der Mikroperfusion wird an dieser Stelle auf das Dokument US 5,097,834, hingewiesen.

Während herkömmliche Mikrodialysekatheter eine Austauschfläche besitzen, die im wesent­ lichen eine zylindrische Gestalt aufweist, besitzt der Austauschbereich der vorliegenden Erfindung eine im wesentlichen planare Fläche oberhalb des Kanales als Austauschfläche. Diese nach absoluten Maßstäben verringerte Austauschfläche wird dadurch kompensiert, daß der Kanal im Austauschbereich sehr klein, insbesondere flach, ausgeführt werden kann, was zu einem günstigen Oberflächen/Volumen-Verhältnis führt und eine schnelle prozentuale Anreicherung mit Analyt gewährleistet. Konventionelle Mikrodialysesonden weisen eine aktive Katheterlänge im Bereich weniger Zentimeter auf. Mit einem Austauschbereich gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Länge von einem Zentimeter und darunter möglich. Durch entsprechende Formengebung des Kanales im Austauschbereich, zum Beispiel Schlingen oder Meander, kann die notwendige Länge des Körpers weiter verringert bzw. die aktive Länge vergrößert werden. Wie bereits ausgeführt, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Austauschbereich durch Abdecken eines Kanales im Dialysebereich mit einer Membran oder einer perforierten Struktur erzielt. Hierzu kann die Membran oder die perforierte Struktur beispielsweise auf den Dialysebereich aufgeklebt oder aufgesiegelt werden.

Der Austauschbereich des Grundkörpers weist vorzugsweise eine längliche Gestalt auf, so daß er die Form eines Stabes besitzt. Der Stab ist vorzugsweise monolithisch mit dem Grund­ körper verbunden. Der mit dem übrigen Grundkörper verbundene Teil des Stabes wird als proximales Ende bezeichnet, wohingegen das gegenüberliegende Ende als distales Ende be­ zeichnet wird. Das distale Ende kann beispielsweise spitz ausgeführt sein, so daß eine Ein­ führung in den Körper erleichtert wird. Andererseits ist eine Spitze nicht notwendig, wenn ein sogenanntes Applikationsbesteck verwendet wird, um den Dialysebereich in den Körper einzuführen. Im Stand der Technik existieren eine Vielzahl verschiedener Typen von Appli­ kationsbestecken, auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. Es sei lediglich stell­ vertretend auf die Dokumente WO 97/14468 (TFX Medical Inc.) und WO 95/20991 (CMA Microdialysis Holding AB) hingewiesen.

Der Kanal im Austauschbereich ist so ausgeführt, daß er einen Einlaß und einen Auslaß auf­ weist, die beide vorzugsweise am proximalen Ende des Dialysebereiches angeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, daß eine strikte Unterscheidung zwischen dem Kanal des Austauschbereiches (Austauschkanal) und den übrigen Kanälen des Grundkörpers kaum möglich ist, da diese Kanäle ineinander übergehen und sich in ihrer Beschaffenheit (insbesondere ihrem Querschnitt) vorzugsweise nicht unterscheiden. Eine Definition des Austauschkanales ist allenfalls dahingehend möglich, daß man diese Bezeichnung für den Kanalteil verwendet, der von der Dialysemembran bzw. der perforierten Struktur überdeckt ist und somit zum Austauschvorgang beiträgt. Flüssigkeit, die aus dem Austauschkanal austritt, kann direkt oder über einen Kanal einem auf dem Grundkörper befindlichen Meßbereich zugeführt werden. Zur Reduktion des Zeitversatzes zwischen der Meßwertaufnahme, also dem Austauschvorgang und der Messung, wird der Kanal in aller Regel möglichst kurz ge­ wählt werden. Der Kanal wird seinerseits durch einen nach oben offenen Kanal im Grundkör­ per gebildet, der durch eine Deckplatte abgedeckt ist. Diese Deckplatte kann prinzipiell aus dem gleichen Material wie der Grundkörper bestehen, also insbesondere aus Kunststoffen. Von dem Begriff "Deckplatte" sollen auch solche Ausführungsformen umfaßt sein, die im allgemeinen Sprachgebrauch aufgrund ihrer geringen Dicke eher als Folie bezeichnet werden. Die Deckplatte sollte aus einem flüssigkeitsundurchlässigen Material bestehen, ansonsten brauchen im Normalfall jedoch keine speziellen Forderungen an sie gestellt zu werden. Zu erwähnen ist noch die Auswahl eines Materials, das mit dem Dialysat bzw. Mikroperfusat kompatibel ist und zu keinen Veränderungen führt, die die Konzentration des zu be­ stimmenden Analyten oder die Analyse als solche beeinflussen. Für bestimmte Analyten kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn die Deckplatte oder zumindest ein Teil davon im Bereich des Kanales luftdurchlässig ist. Dies ist insbesondere für den Nachweis von Glucose mittels Glucoseoxidase günstig, da die Glucose zur Detektion in der Regel mit Luftsauerstoff oxidiert wird. In einem solchen Fall ist es günstig, bereits die Perfusionsflüssigkeit mit Luftsauerstoff zu sättigen. Hierfür kann die Deckplatte ganz oder teilweise aus einem sauerstoffdurchlässi­ gen Material wie z. B. einem Silikon hergestellt werden.

Im Meßbereich des Grundkörpers ist mindestens ein Sensor zur Detektion eines Analyten angeordnet. Zur Detektion von Glucose kann z. B. eine Metallelektrode verwendet werden, die an ihrer Oberfläche mit Glucoseoxidase oder einem glucoseoxidasehaltigen Reagenzge­ misch beschichtet ist. Vorzugsweise befindet sich diese Elektrode auf der Deckplatte, so daß sie beim Zusammenfügen von Deckplatte und Grundkörper im Meßbereich oberhalb des Ka­ nales stromabwärts des Austauschbereiches angeordnet ist. Die Aufbringung einer solchen Elektrode auf die Deckplatte kann beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern eines Metallstreifens erfolgen, der nachfolgend mit Glucoseoxidase bzw. einem Reagenzgemisch beschichtet wird. Zur Aufbringung von Reagenzgemischen auf Elektroden eignen sich z. B. Siebdruckverfahren. Grundsätzlich kann die Elektrode jedoch auch als separates Bauteil auf dem Grundkörper angebracht werden.

Zusätzlich zu der beschriebenen Meßelektrode weist das System noch eine Gegenelektrode auf, die in entsprechender Weise auf die Deckplatte aufgebracht sein kann. Bei einer weiter unten näher ausgeführten Anordnung kann auf die Beschichtung einer Elektrode mit einem Reagenzgemisch verzichtet werden, da dem Dialysat eine flüssige Lösung von Glucose­ oxidase beigemischt wird. Dieses Meßverfahren und eine in diesem Rahmen geeignete Sensoranordnung ist in der EP B 0 393 054 beschrieben. Neben den vorstehend genannten elektrischen Meßzellen können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch optische Meß­ zellen verwendet werden. Hierzu kann beispielsweise im Meßbereich ein mit dem Analyten farbbildendes Reagenzsystem angeordnet sein, wie es für Teststreifen zur Blutglucosemes­ sung bekannt ist. Ein optischer Sensor, der zur Messung der Glucosekonzentration geeignet ist, wird beispielsweise in der EP A 0 693 271 beschrieben. Eine weitere Möglichkeit, das System mit einem Sensor auszustatten, besteht in Meßzellen gemäß der US 5,393,401. Diese Meßzellen können in den Grundkörper integriert werden, indem sie als separate Bauteile eingesetzt werden oder indem in dem Körper eine sich in Richtung des Kanales verjüngende Ausnehmung eingebracht wird, in der sich das Sensorsystem befindet.

Ein wesentlicher Aspekt eines erfindungsgemäßen Systems ist es. daß zwar einerseits Fluide transportiert werden, um eine Detektion zu ermöglichen, wie dies bei Mikrodialyse, Ultrafil­ tration und Mikroperfusion der Fall ist, daß jedoch andererseits hierzu notwendige Flüssig­ keiten oder Reservoirs zur Aufnahme von Flüssigkeiten so weit als möglich, vorzugsweise vollständig in den Grundkörper integriert sind, so daß auf Flüssigkeitsanschlüsse verzichtet werden kann. Dieses wird erreicht, indem Reservoirs in den Grundkörper integriert werden. Für eine Durchführung einer Mikrodialyse ist es beispielsweise vorteilhaft, ein Reservoir für Perfusionsflüssigkeit und/oder ein Reservoir zur Aufnahme von Dialysat nach der Analyse vorzusehen. Für eine Ultrafiltration, bei der im Normalfall keine Perfusionsflüssigkeit einge­ setzt wird, kann erfindungsgemäß ein Abfallreservoir zur Aufnahme von Ultrafiltrat strom­ abwärts der Meßstelle vorgesehen werden. Sowohl für ein Mikrodialyse, als auch für eine Ultrafiltration kann es notwendig oder vorteilhaft sein, Hilfsfluide wie Enzymlösungen (ins­ besondere Glucoseoxidaselösung) oder Kalibrationsflüssigkeit zu verwenden. Auch Re­ servoirs zur Aufnahme dieser Hilfsflüssigkeiten können vorteilhaft in den Grundkörper inte­ griert werden. Jeder Einführungskanal in den Grundkörper, der vermieden werden kann, ist dabei von Vorteil, da entsprechende Arbeitsschritte zur Konnektierung, Herstellung und Sterilisierung, sowie Probleme mit Fluidübergängen, wie Dichtigkeit und Signalverschlechte­ rungen entfallen.

Bei einem besonders bevorzugten System sind alle notwendigen Reservoirs in dem Grund­ körper integriert, so daß auf externe Fluidanschlüsse vollständig verzichtet werden kann. Ein solches System weist einen abgeschlossenen Flüssigkeitspfad auf.

Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung weist, sofern mit ihm eine Mikrodialyse oder eine Mikroperfusion durchgeführt wird, ein Reservoir für Perfusionsflüssigkeit auf, das direkt oder über einen Perfusatkanal mit dem Austauschbereich verbunden ist. Vorzugsweise ist das Reservoir für Perfusionsflüssigkeit und ggf. der Perfusatkanal in den Grundkörper integriert. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei dem das Reservoir separat vom Grund­ körper, beispielsweise in Form eines Kunststoffbeutels vorliegt, der direkt oder über einen Kanal an den Austauschbereich angeschlossen wird. Aufgrund der bereits erwähnten her­ stellungstechnischen Nachteile diskret aufgebauter Systeme ist es jedoch vorteilhaft, ein Re­ servoir für Perfusionsflüssigkeit im Grundkörper vorzusehen. Dies kann durch eine Vertie­ fung im Grundkörper erfolgen, die durch Abdecken des Grundkörpers mit der Deckplatte verschlossen wird. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß es von der vorliegenden Erfindung auch umfaßt sein soll, wenn statt einer einzelnen Deckplatte zur Abdeckung des Grundkörpers zwei oder mehr diskrete Platten verwendet werden. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn das Verschließen des Reservoirs und das Abdecken des Meßbereiches in separaten Schritten erfolgen soll.

Zum Transport von Perfusionsflüssigkeit durch den Austauschbereich und hin zum Sensorbe­ reich ist erfindungsgemäß eine Pumpe vorgesehen. Eine solche Pumpe kann beispielsweise im Druckbetrieb arbeiten und somit Flüssigkeit aus dem Reservoir für Perfusionsflüssigkeit herausdrücken oder aber sie kann auch im Saugbetrieb arbeiten und Flüssigkeit durch das System hindurchziehen. Weiterhin kann eine Pumpe beispielsweise so angeordnet sein, daß sie Flüssigkeit aus dem Fluidreservoir herauszieht und dem Austauschbereich zuführt. Letzere Variante kann analog einer konventionellen Schlauchpumpe ausgeführt sein, bei der durch ein von außen angreifendes Rollenelement Flüssigkeit durch Zusammenquetschen eines zusam­ mendrückbaren Bereiches des Fluidkanales verschoben wird. Ein solcher zusammen­ quetschbarer Teil läßt sich beispielsweise im Bereich des Perfusatkanales realisieren, wenn der Grundkörper und/oder die Deckplatte in diesem Bereich zusammendrückbar gestaltet sind.

Eine Druckpumpe kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung dadurch realisiert werden, daß das System im Bereich des Perfusatreservoirs zusammendrückbar gestaltet ist und von außen ein mechanischer Druck auf diesen Bereich ausgeübt wird. Weiterhin ist es möglich, das Innere des Perfusatreservoirs mit einem Gasdruck zu beaufschlagen, um Perfusionsflüs­ sigkeit herauszudrücken. Entsprechende Systeme, sind beispielsweise im Bereich der "im­ planted delivery devices" gebräuchlich. Exemplarisch sei an dieser Stelle jedoch auf das Do­ kument WO99/41606 (Fig. 7) aus dem Bereich der Mikrodialyse, verwiesen.

Wie bereits erwähnt, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Saugpumpen ein­ gesetzt werden, mit denen ein Unterdruck stromabwärts des Meßbereiches angelegt wird, um Flüssigkeit durch den Austauschbereich hindurch in den Sensorbereich zu ziehen. Entspre­ chende Sauganordnungen sind insbesondere aus dem Bereich des on-line monitoring von Körperflüssigkeiten mittels der Ultrafiltration bekannt. Insbesondere wird in diesem Zusam­ menhang auf die in dem Artikel "Ultrafiltrate sampling device for continous monitoring"; D. Muskone, K. Venema, J. Korff; in Medical a. biological engineering and computing, 1996, 34, Seiten 290-294, und in der US 4,777, 953 beschriebene Anordnungen verwiesen.

Bei diesen Anordnungen wird zunächst ein Unterdruckreservoir geschaffen, z. B. durch das Aufziehen einer Spritze und die Auffüllung des Unterdruckreservoir wird durch eine Fluß­ restriktion verzögert, so daß über einen Zeitraum von mehreren Tagen ein im wesentlichen konstanter Fluß erzielt wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise Kanäle mit einem Durchmesser im Bereich von 10-1000 µm eingesetzt. Bei Kanallängen im Bereich einiger Zentimeter ergibt sich, daß zur Erzielung linearer Flußraten von etwa 1 cm/min Drücke im Bereich weniger Millibar hinreichend sind. Dies bedeutet jedoch auch, daß bereits geringe Druckschwankun­ gen (z. B. Lageänderungen des Systems) den Flüssigkeitstransport ungewollt beeinflussen können. Dementsprechend ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, Flußbe­ grenzungen einzubauen, die dazu führen, daß ein Flüssigkeitstransport erst beim Vorhanden­ sein einer größeren Druckdifferenz erfolgt. Solche Flußbegrenzungen können vorteilhaft in den Grundkörper integriert werden, indem Kanalbereiche vorgesehen werden, bei denen der Kanal auf einer Länge von mehreren Zentimetern auf einen geringeren Querschnitt (beispiels­ weise unterhalb 100 µm²) begrenzt ist. Solche Verjüngungen können mit den weiter oben genannten Produktionstechniken für den Grundkörper auf einfache Weise erzielt werden.

Ein erfindungsgemäßes System weist weiterhin eine mit dem Sensor verbundene Auswerte­ einheit auf, die zur Umwandlung von Sensorsignalen in Konzentrationswerte des Analyten dienen. Derartige Auswerteeinheiten sind im Stand der Technik, beispielsweise für elektro­ chemische Blutzuckermeßgeräte, hinlänglich bekannt, so daß an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht. Es sei jedoch angemerkt. daß die Auswerteeinheit nicht direkt mit dem Sensor verbunden zu sein braucht sondern daß beispielsweise ein Sender vorgesehen werden kann, der mit dem Sensor verbunden ist und Signale an einen Empfänger sendet, der seinerseits mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Eine solche räumliche Tren­ nung zwischen dem Grundkörper und der Auswerteeinheit kann in mehrfacher Hinsicht vor­ teilhaft sein. Unter anderem wird hierdurch erreicht, daß das System von Ballast (Auswerte­ einheit, Display) befreit wird. Dies erhöht insbesondere den Tragekomfort des Systems für einen Patienten.

Die vorliegende Erfindung wird anhand einiger Figuren näher erläutert.

Fig. 1: Aufsicht auf und vertikaler Schnitt durch den Grundkörper einer ersten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 2: Aufsicht auf und vertikaler Schnitt durch einen Grundkörper einer zweiten Ausfüh­ rungsform eines Mikrodialysesystems;

Fig. 3: Darstellung unterschiedlicher Schichten-Kombinationen zur Generierung des Grundkörpers;

Fig. 4: Druckpumpenanordnung.

In der Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Grundkörpers für ein Mikrodialysesystem gezeigt. In der Fig. 1A ist zu erkennen, daß der Grundkörper zwei Bereiche aufweist. Der erste Bereich (4) beinhaltet den Meßbereich und der zweite Teil (5) den Dialysebereich. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich im ersten Bereich (4) eine Vertiefung im Grundkörper, die ein Reservoir (6) für Perfusionsflüssigkeit bildet. Im vorliegenden Fall weist das Reservoir ein Volumen von 250 µl auf und enthält, wie im Bereich der Mikrodialyse ge­ bräuchlich, Ringerlösung. Perfusionsflüssigkeit kann aus diesem Reservoir durch Anlegen eines Druckes durch den Perfusatkanal (7) in den Dialysekanal (8) gedrückt werden. Im dar­ gestellten Beispiel besteht der Dialysekanal (8) aus einer nach oben offenen Vertiefung im Dialysebereich. Dieser Kanal erstreckt sich vom proximalen Ende des Dialysekanales bis in die Nähe des distalen Endes, macht dort eine Biegung und verläuft zurück in den proximalen Teil des Dialysebereiches. Wie aus der Ausschnittszeichnung, die einen Querschnitt durch den vorderen Teil des Dialysebereiches zeigt, hervorgeht, ist der Kanal (8) durch eine Mem­ bran (9) abgedeckt, die eine Dialyse ermöglicht, wenn sich der Dialysebereich in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit befindet. An den Auslaß des Dialysekanales schließt sich im ersten Bereich (4) der Dialysatkanal (10) an, durch den das im Dialysebereich gebildete Dialysat in den Meßbereich (14) transportiert wird. Im Meßbereich befindet sich ein Sensor (15), mit dem eine Analytkonzentration im Dialysat bestimmt werden kann. Ein hierfür geeigneter Sen­ sor ist beispielsweise in der EP B 0 603 154 (AVL Medical Instruments AG) beschrieben. In dem in Fig. 1 dargestellten Fall wird hingegen ein einfacher Metallelektrodensensor ver­ wendet, wie er in der EP B 0 393 054 beschrieben ist. Dieser Sensor arbeitet ohne ein immo­ bilisiertes Enzym, so daß sonst häufig auftretende Probleme, wie eine Signaldrift, wegfallen. Bei Anwendung dieses Sensors wird im vorliegenden Fall dem Dialysat eine Lösung von Glucoseoxidase beigemischt, so daß in der Flüssigkeit eine Oxidation der Glucose stattfindet, wobei Wasserstoffperoxid entsteht. Das Wasserstoffperoxid ist das eigentliche Agens, das vom Sensor detektiert wird. Die Lösung von Glucoseoxidase kann beispielsweise als Perfu­ sionsflüssigkeit verwendet werden, so daß die Mikrodialyseanordnung mit nur einer Flüssig­ keitskomponente auskommt. Um einen Austritt von glucoseoxidasehaltiger Flüssigkeit in den Körperinnenraum jedoch auf jeden Fall ausschließen zu können, ist es bevorzugt, die Gluco­ seoxidaselösung wie in Fig. 1 dargestellt, dem bereits gebildeten Dialysat beizumischen. In Fig. 1 ist hierfür eine Mischstelle (13) vorgesehen. Vorteilhaft kann der Bereich des Dia­ lysatkanales, der stromabwärts der Mischstelle (13) liegt, durch ein sauerstoffdurchlässiges Material abgedeckt sein, so daß die sauerstoffverbrauchende Oxidation der Glucose vollstän­ dig ablaufen kann. Nachdem das Dialysat an dem Meßbereich (14) vorbeigeströmt ist, gelangt es in einen Abfallkanal (16) und wird von dort aus in ein Abfallreservoir (nicht dargestellt) eingeleitet, der sich im Unterteil (3) befindet. Aus der Fig. 1 ist durch die Angabe eines Zentimetermaßstabes zu erkennen, wie stark das Mikrodialysesystem durch Verwendung eines integrierten Grundkörpers miniaturisiert werden kann.

Figur B zeigt einen Querschnitt durch den monolithischen Grundkörper, der längs zum Dia­ lysebereich verläuft. In dem Oberteil (2) befinden sich die Reservoirs (6, 11) und die Kanäle des Grundkörpers (7, 10, 12, 16). Der untere Teil (3) dient als Abdeckplatte, um die Kanäle im Oberteil (2) zu verschließen und beinhaltet das Abfallreservoir. Der äußeren geometri­ schen Form des Dialysebereichs und des Deckels sind kaum Grenzen gesetzt, so daß man sie den anatomischen Bedürfnissen anpassen kann.

In Fig. 2 ist ein Grundkörper dargestellt, dessen Aufbau analog zu der in Fig. 1 dargestell­ ten Ausführungsform ist. Für die einzelnen Einheiten wurden Bezugszeichen verwendet, die zu denen in Fig. 1 korrespondieren und lediglich durch einen hochgesetzten Strich unter­ schieden wurden. Ein wesentlicher Unterschied der beiden Ausführungsformen besteht darin, daß der Aufbau so gewählt wurde, daß ein senkrechtes Einführen des Dialysebereiches (5') in den Körper möglich ist und der erste Teil des Grundkörpers (4') mit der Fläche (20) auf dem Körper aufliegt. Der Flüssigkeitstransport findet in der in Fig. 2 dargestellten Anordnung analog zur Fig. 1 statt, indem Perfusionsflüssigkeit aus dem Reservoir (6') durch den Dialysekanal (8') gelangt, ihr Glucoseoxidaselösung aus dem Reservoir (11') an der Misch­ stelle (13') zugemischt wird und schließlich zum Sensor (15') gelangt. Der Flüssigkeitstrans­ port erfolgt bei dieser Ausführungsform, indem an den Anschluß (17') ein Unterdruck ange­ legt wird, so daß Flüssigkeit aus dem Reservoir (6') durch den Dialysekanal und zum Sensor transportiert wird. Durch Regelung des Einströmens von Flüssigkeit oder Luft in das Reser­ voir (11') durch den Einlaß (18') kann die Menge an zugemischter Glucoseoxidaselösung geregelt werden.

In Fig. 2B ist ein Querschnitt durch den Bereich (4') der Figur A gezeigt. Es ist zu erkennen, daß der Bereich (4') aus zwei Hälften zusammengesetzt ist, zwischen denen sich eine Platte (30) befindet. In Fig. 2B ist weiterhin ein Abfallbehältnis (19) dargestellt, das stromabwärts des Sensors angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes System, das aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Wie aus Fig. 3A hervorgeht, weist auch dieses System einen Austauschbereich (5") zur Einfüh­ rung in den Körper, sowie einen Bereich (4") auf, in dem der Meßbereich angeordnet ist. In den Fig. 3B-3C sind Querschnitte längs dem Austauschbereich (linke Spalte) als auch quer durch den Austauschbereich (rechte Spalte) dargestellt. Diese Figuren zeigen unter­ schiedliche Schichtenaufbauten zur Realisierung der Kanäle. In Fig. 3B ist zunächst eine un­ strukturierte Platte (30) mit planer Oberfläche verwendet worden, auf die eine Platte (31) mit Ausnehmungen aufgebracht ist. Durch Zusammenwirken dieser beiden Platten ergibt sich ein erster Körper, der auf seiner Oberfläche nach oben offene Kanäle aufweist. Dieser Kanal bzw. die Kanäle werden im dargestellten Fall durch eine Membran (32) abgedeckt, so daß sich ein geschlossener Kanal (33) ergibt.

In Fig. 3C schließlich ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der ein oberflächenstrukturierter Körper (38) mit nach oben offenen Vertiefungen verwendet wurde, der durch eine ebene Membran (39) abgedeckt ist. Auch hier entstehen durch das Zusammenwirken der Körper eine oder mehrere Fluidkanäle (40).

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Druckpumpe, wie sie bevorzugt in Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Druckpumpe besitzt zunächst ein Einlaßventil (50), durch das mit einer Vorrichtung, z. B. mit einem Kolbenprober bzw. einer Spritze ein Gasdruck in den Druckbehälter (51) gegeben werden kann. Nach dem Her­ ausziehen der Pipette bzw. eines Druckanschlusses aus dem Ventil schließt dieses, so daß der Gasdruck in dem Druckbehälter erhalten bleibt. Der Druckbehälter ist über einen Kanal (57) mit einem Membransystem (52) verbunden, das eine flexible impermeable Membran (54) aufweist. Im für eine Anwendung bereiten Ausgangszustand befindet sich die Membran (54) in einer Lage, in der der Hohlraum (53) klein oder sogar verschwindend ist und der mit Per­ fusionsflüssigkeit gefüllte Bereich (55) groß ist. Mit aus dem Druckbehälter durch den Kanal (57) einströmendem Gas wird die Membran verschoben und Perfusionsflüssigkeit aus dem Reservoir (55) in den Kanal (58) hineingedrückt. Stromabwärts des Membransystems befin­ det sich ein Flußbegrenzer (56), beispielsweise in Form einer Verjüngung des Kanales, der die pro Zeiteinheit aus dem Reservoir (55) austretende Flüssigkeitsmenge begrenzt und kon­ stant hält. Auf diese Weise ist es möglich, einen über mehrere Tage konstanten Fluß von Per­ fusionsflüssigkeit zur Verfügung zu stellen, um damit einen Austauschbereich zu beaufschla­ gen.

Die in Fig. 4 dargestellte Pumpenanordnung ist für ein sandwichartig aufgebautes System gemäß der vorliegenden Erfindung produktionstechnisch besonders günstig, denn die obere Halbschale der Membrananordnung kann als Vertiefung in dem ersten Körper und die untere Halbschale durch eine Vertiefung des zweiten Körpers gebildet werden und die Membran (54) kann auf einfache Weise zwischen diesen beiden Halbschalen bzw. Körpern durch Ein­ klemmen oder Einkleben befestigt werden.

Claims (10)

1. System zur Bestimmung der Konzentration mindestens eines Analyten in einer Kör­ perflüssigkeit beinhaltend
einen ersten Körper (2, 2'), sowie mindestens einen weiteren, zweiten Körper (3, 3'), von denen mindestens einer eine Vertiefung auf seiner Oberfläche besitzt und erster und zweiter Körper so zusammengefügt sind, daß die Vertiefung durch eine Fläche des anderen Körpers verschlossen wird, so daß ein Kanal (7, 8, 10) gebildet wird, wobei

• - der erste und/oder der zweite Körper einen Austauschbereich (9) beinhaltet, der im Bereich der Vertiefung oder dem in diesem Bereich liegenden Teil des gegenüberliegenden Körpers angeordnet ist, so daß über den Austauschbereich Stoffe aus der umgebenden Körperflüssigkeit aufgenommen werden können und
• - das System weiterhin einen stromabwärts vom Austauschbereich angeordneten Sensor (15) aufweist, mit dem die Konzentration eines Analyten ermittelt wer­ den kann,

wobei das System mindestens ein integriertes Reservoir (6, 11) besitzt, das in Verbindung mit dem Kanal steht.

2. System gemäß Anspruch 1, das einen länglichen, in den Körper einführbaren Aus­ tauschbereich aufweist, in dem zumindest ein Teil des Kanales verläuft.

3. System gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Reservoir durch eine Vertie­ fung in dem ersten oder/und zweiten Körper gebildet wird.

4. System gemäß Anspruch 1, das eine Pumpe zur Bewegung von Flüssigkeit mittels Druck oder Unterdruck durch den Kanal beinhaltet

5. System gemäß Anspruch 4, bei dem die Pumpe in die Anordnung aus erstem und zweitem Körper integriert ist.

6. System gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Reservoir oder ein zusätzli­ ches Reservoir zur Aufnahme von Flüssigkeit dient und stromabwärts vom Sensor an­ geordnet ist.

7. System gemäß Anspruch 1, das einen Begrenzer zur Begrenzung eines Flusses in dem Kanal aufweist.

8. System gemäß Anspruch 1, bei dem der Körper mit Vertiefung sowohl eine Platte (30) als auch eine auf der Platte befestigte Folie (31) mit Ausnehmungen beinhaltet, so daß die Vertiefung durch Zusammenwirken von Platte und Folie gebildet wird.

9. System gemäß Anspruch 1, bei dem alle für die Funktion des Systems notwendigen Reservoirs in den ersten und/oder zweiten Körper integriert sind.

10. System gemäß Anspruch 4, bei dem die Pumpe in das System integriert ist.