CZ20022021A3

CZ20022021A3 - Přístroj a způsob pro odběr a měření složky biologické kapaliny

Info

Publication number: CZ20022021A3
Application number: CZ20022021A
Authority: CZ
Inventors: Robert Shartle; Koon-Wah Leong; Ernest Kiser
Original assignee: Lifescan, Inc.
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2003-06-18
Also published as: US6875613B2; AR034376A1; JP4080251B2; IL150096A; HK1050128A1; AU4445402A; US7361307B2; JP2003033336A; EP2283770A1; EP1266619B1; MXPA02005620A; CA2389829C; ES2530566T3; EP1266619A1; EP2283770B1; HK1154192A1; CA2389829A1; IL150096A0; CN1432812A; KR20080074058A

Description

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká přístrojů a způsobů pro odběr a měření složky biologické kapaliny

Dosavadní stav techniky

Detekce analytů v biologických kapalinách má stále větší význam. Testy pro detekci analytů nacházejí použití v různých aplikacích, včetně klinického laboratorního testování, domácího testování atd., a výsledky takového testování mají významnou úlohu v diagnostice a léčbě různých onemocnění. Mezi časté analyty patří glukosa, například při léčbě diabetů, cholesterol, a podobně.

Běžnou technikou pro odběr vzorku krve pro stanovení analytů je propíchnutí kůže alespoň do podkoží pro narušení krevních cév za vzniku lokalizovaného krvácení na povrchu těla. Získaná krev se potom odebere do malé kapiláry a analyzuje se v testovacím přístroji, často ve formě příručního přístroje majícího testovací proužek, na který se umístí vzorek krve. Pro tento způsob odběru krve se nej častěji používá konec prstu, protože obsahuje velké množství malých kapilár. Tato metoda má významnou nevýhodu v tom, že je velmi bolestivá, protože podkožní tkáň na konečcích prstů má vysokou koncentraci nervových zakončení. Je nevhodná pro pacienty, kteří vyžadují časté monitorování analytů a není pro ně výhodný odběr krve. Například u diabetiků vede selhání předepsaného častého měření koncentrace glukosy k chybění informací nutných pro správnou kontrolu koncentrace glukosy. Nekontrolované koncentrace glukosy mohou být velmi nebezpečné

až smrtící. Tato technika odběru krve má také riziko infekce a přenosu onemocnění na pacienta, zejména je-li prováděna často. Problémy s touto technikou jsou umocněny skutečností, že je omezen povrch kůže, který může být použit pro časté odběry krve.

Pro překonání nevýhod výše uvedené technik a jiných technik, které jsou spojeny s značnou bolestivostí byly vyvinuty některé protokoly a prostředky pro stanovení analytu, které používají mikrojehly nebo podobné nástroje pro dosažení přístupu k intersticiální kapalině v kůži. Mikrojehly penetrují do kůže do hlogbky menší než je podkožní vrstva, takže se minimalizuje bolest pociťovaná pacientem. Intersticiální kapalina se potom odebere a testuje se na koncentraci cílové sloučeniny.

Běžné mikrojehlové systémy pro odběr vzorků mají nevýhodu v tom, že v důsledku toho, že intersticiální kapalina v těle má negativní tlak přibližně 6 mm/Hg, musí být s mikrojehlami použity určité mechanické nebo vakuové prostředky.

Například, Mezinárodní patentová přihláška WO 99/27852 popisuje použití vakuového podtlaku a/nebo tepla pro zvýšení dostupnosti intersticiální kapaliny v oblasti kůže, na kterou je vakuum nebo teplo aplikováno. Vakuový podtlak způsobí to, že se kůže poblíž vakua napne a naplní se intersticiální kapalinou, což usnadní extrakci kapaliny po průniku do kůže.

Je zde popsán i další způsob, ve kterém je lokálně zahřívající element umístěn na kůži, což způsobí rychlejší tok intersticiální kapaliny do této oblasti, takže za daný čas se může odebrat více intersticiální kapaliny.

Byly vyvinuty ještě jiné detekční prostředky, které zcela eliminují penetraci do kůže. Místo toho se zevní vrstva kůže,

označovaná jako stratům corneum, naruší pasivnějšími prostředky, které umožní nebo extrahují biologickou kapalinu v kůži. Mezi takové prostředky patří použití oscilační energie, aplikace chemických činidel na kůži, atd. Například, Mezinárodní Patentová přihláška WO 98/34541 popisuje použití oscilačního koncentrátoru, jako je jehla nebo drát, který je umístěn do určité vzdálenosti od povrchu kůže a který způsobí vibraci pomocí elektro-mechanického přenašeče. Jehla se ponoří do nádržky obsahující kapalné medium, které je v kontaktu s kůží. Mechanická vibrace jehly se přenáší do kapaliny a vytváří hydrodynamický stres na povrchu kůže, který je dostatečný pro narušení buněčných struktur stratům corneum. Mezinárodní patentové přihlášky WO 97/42888 a WO 98/00193 také popisují způsoby pro detekci intersticiální kapaliny za použití ultrazvukových vibrací.

I přes pokroky v oblasti testování analytů trvá zájem o identifikaci nových metod pro detekci analytů, které by byly méně nákladné a eliminovaly by potřebu pomocného vybavení (například oscilačních, nasávacích a tepelných zařízení). Zejména důležitý je vývoj minimálně invazivního systému pro detekci analytu, který je levný, snadno použitelný, integrovatelný do jedné složky, bezpečný a účinný.

Seznam relevantní literatury

U.S. Patenty: 5,161,532, 5,582,184, 5,746,217, 5,820,570, 5879310, 5879367, 5,942,102, 6,080,116, 6,083,196, 6,091,975 a 6,162,611. Další patenty a přihlášky: WO 97/00441, WO

97/42888, WO 98/00193, WO 98/34541, WO 99/13336, WO 99/27852, WO 99/64580, WO 00/35530, WO 00/45708, WO 00/57177, WO 00/74763 a WO 00/74765A1.

• · · ·· · ···· ··· ·· ·· ··· ·· «·

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález poskytuje přístroje a systémy pro perkutánní odběr složky biologické kapaliny a měření analytu, stejně jako způsoby jejich použití. Charakteristickým rysem přístrojů podle předkládaného vynálezu je přítomnost přenosového media pro složku, které získává biologickou kapalinu z kůže a přenáší alespoň cílovou složku této kapaliny do elektrochemické komůrky, kde se provádí měření alespoň jedné cílové složky, například analytu, v biologické kapalině. Předkládaný vynález je použitelný při získávání biologických kapalin, jako je krev a intersticiální kapalina, a při odběru, detekci a měření různých analytů, jako je například glukosa, cholesterol, elektrolyty, farmaceutická činidla nebo návykové léky a podobně.

Obecně, přístroje podle předkládaného vynálezu obsahují přístroj pro průnik kůží, alespoň jeden přístroj pro odběr vzorku ve formě media pro přenos vzorku, a měřící zařízení ve formě elektrochemické komůrky, která komunikuje prostřednictvím kapaliny s mediem pro přenos vzorku.

Zařízení pro průnik kůží je tvořeno alespoň jednou dutou mikrojehlou definující v podstatě kruhový kanál skrz vnitřek mikrojehly a mající otvor, který se získává biologická kapalina a skrz který cílový analyt vstupuje do senzorového přístroje. V mnoha provedeních je zařízení pro průnik kůží tvořeno sestavou takových mikrojehel.

Elektrochemická komůrka obsahuje dvě elektrody od seeb vzdálené. Vzdálenost mezi elektrodami definuje reakční zónu, ve které je vzorek biologické kapaliny testován na koncentraci cílového analytu. Alespoň jedna z elektrod je porosní a touto elektrodou je první nebo distální elektroda, která má alespoň • · • 444 ·*···· ···· · ··· 44 « ···« ··· ·· ·· *4· ·· ·4 jeden pór nebo kanál procházející v rovině šíře élektrgdy. Každý pór nebo kanál je spojen s kanálem mikrojehly.

Při použití je jedna z elektrod elektrochemické komůrky použita jako referenční elektroda, kterou je dodáván vstupní referenční signál do senzoru z prvku generujícího signál.

Druhá elektroda potom účinkuje jako pracovní elektroda, která poskytuje výstupní signál z elektrochemické komůrky pro prvek získávající signál. Výhodně je referenční elektroda umístěna dole a pracovní elektroda nahoře. Tento výstupní signál reprezentuje koncentraci cílového analytu ve vzorku.

Medium pro přenos vzorku vyplňuje reakční zónu, póry v distální elektrodě a alespoň část každého mikrokanálu.

Medium pro přenos vzorku je vyrobeno z gelového materiálu nebo matrice, která je hydrofilní, tj. má vysokou afinitu pro ionty a anionty v biologické kapalině. Volitelně může být gelová matrice, též označovaná jako hydrogel, taková, že přenáší pouze částice mající molekulovou hmotnost menší než je určená molekulová hmotnost. Gel přenáší alespoň cílovou složku biologické kapaliny přítomné ve vstupním otvoru mikrojehly do reakční zóny. Jinými slovy, cílová složka migruje skrz gelovou matrici do té doby, než je dosaženo rovnováhy mezi koncentrací složky ve tkáni a koncentrací složky v gelové matrici. Ve srovnání s dutou mikrojehlou, ve které na biologickou kapalinu působí pouze kapilární síly a přenášejí jí do elektrochemické komůrky, může být medium pro přenos vzorku podle předkládaného vynálezu uspořádáno tak (tj. může být přítomno v plně nasyceném stavu), že je eliminován přenos vody a jiných kapalin obsažených v získané biologické kapalině a že mohou být transportovány pouze složky přítomné v biologické kapalině. Konfigurace elektrochemické komůrky selektuje cílové složky od ostatních složek pro testování.

Prostředky podle předkládaného vynálezu mohou účinkovat jako součást systému pro detekci analytu, který obsahuje zařízení pro řízení přístroje podle předkládaného vynálezu. Konkrétně, řídící zařízení obsahuje řídící jednotku, která je elektricky napojena na senzor a generuje a odesílá vstupní signály do elektrochemické komůrky a získává výstupní signály z komůrky. Tyto funkce, kromě dalších funkcí, mohou být prováděny softwarovým algoritmem naprogramovaným v řídící jednotce, který automaticky vypočítává a určuje koncentraci cílového analytu v biologickém vzorku po získání výstupního signálu z elektrochemické komůrky.

Vynález také poskytuje způsoby pro použití přístrojů a systémů podle předkládaného vynálezu, stejně jako kity pro použití přístrojů, systémů a způsobů podle předkládaného vynálezu.

Předkládaný vynález je použitelný pro měření koncentrace různých analytů a zejména je vhodný pro měření koncentrace glukosy v intersticiální kapalině.

Popis obrázků na pž*r»o-j«ťtýeh výkresech

Obr. 1 zahrnuje obr. IA a 1B, kde obr. IA je příčný řez jedním provedením přístroje pro odběr a měření analytu podle předkládaného vynálezu a obr. 1B je pohled shora na přístroj z obr. IA v rovině šipek b-b; a

Obr. 2 je schématické znázornění příručního přístroje pro odběr a měření analytu podle předkládaného vynálezu.

Podrobný pop-ie- vynález-u _}

Před dalším popisem vynálezu je třeba si uvědomit, že vynález není omezen na konkrétní provedení popsaná dále, protože i jiná provedení spadají do rozsahu připojených patentových nároků. Je také třeba si uvědomit, že použité výrazy nijak neomezují rozsah vynálezu a jsou použita pro přesnější popis vynálezu. Rozsah předkládaného vynálezu je určen pouze připojenými nároky.

Když je uvedeno rozmezí hodnot, tak je to třeba chápat tak, každá hodnota mezi - na desetinu jednotky dolní hodnoty - pokud není uvedeno jinak - horním a dolním limitem, spadá do uvedeného rozsahu. Horní a dolní limity těchto menších rozmezí mohou být také zahrnuty v předkládaném vynálezu, pokud není yýslovně takový limit vyloučen. Když uvedené rozmezí zahrnuje jeden nebo oba limity, tak jsou hodnoty přesahující jeden nebo oba tyto zahrnuté limity obsaženy v předkládaném vynálezu.

Pokud není uvedeno jinak, mají všechny použité technické a vědecké termíny běžně užívané významy. Ačkoliv může být v provedení nebo testování předkládaného vynálezu použito jakýchkoliv metod a materiálů podobných uvedeným materiálům, jsou výhodné materiály a metody popsané dále. Všechny citované publikace jsou zde uvedeny jako odkazy pro způsobů a/nebo materiál popsaných v uvedených publikacích.

Je třeba si uvědomit, že v připojených patentových nárocích jednotné číslo podstatných jmen zahrnuje množné číslo. Tak, například, výraz testovací proužek označuje více takových testovacích proužků a výraz měřící přístroj označuje různé měřící přístroje.

• · · · » • · 111 1 • 9 9 9 9 g ··« 11 ..

Uvedené publikace jsou uvedeny pouze pro popis objevů uvedených před podáním předkládaného vynálezu. V předložené přihlášce neexistuje žádný záměr antedatovat takovou publikaci tímto vynálezem. Dále, data publikování se mohou lišit od skutečných dat publikování, která musí být nezávisle potvrzena.

Přehled

Předkládaný vynález poskytuje prostředky pro odběr a měření složky biologické kapaliny, stejně jako způsoby použití takových přístrojů. Předkládaný vynález je použitelný při získávání biologických kapalin, jako je krev a intersticiální kapalina, a při odběru, detekci a měření různých analytů, jako je například glukosa, cholesterol, elektrolyty, farmaceutická činidla nebo návykové léky a podobně.

Obecně, přístroje podle předkládaného vynálezu (též senzory) obsahují přístroj pro průnik kůží, alespoň jeden přístroj pro odběr vzorku ve formě media pro přenos vzorku, a měřící zařízení ve formě elektrochemické komůrky, která komunikuje prostřednictvím kapaliny s mediem pro přenos vzorku. V některých provedeních jsou tyto složky integrovány do jediné struktury.

Zařízení pro průnik kůží

Zařízení pro průnik kůží obsahuje alespoň jeden dutý mikrovýčnělek, například ve formě mikrojehly, který má v podstatě kruhový otvor nebo kanál vnitřkem mikrovýčnělku, a který má vstupní otvor, kterým biologická kapalina proniká do sensorového přístroje. V mnoha provedeních je zařízením pró průnik kůží sestava takových mikrojehel.

Mikrovýčnělky nebo mikrojehly jsou uspořádány tak, aby byly mechanicky stabilní a dostatečně silné pro penetraci do stratům corneum bez lámání nebo ohýbání. Výhodně jsou vyrobeny z biologicky kompatibilního materiálu, takže nedráždí kůži a nezpůsobují nežádoucí reakci tkáně. Protože může být senzorový přístroj podle předkládaného vynálezu vyměnitelný, pro opakované použití, je výhodné, aby byl materiál mikrojehel odolný vůči sterilizaci.

Mikrojehly nebo sestavy mikrojehel mohou být vyrobeny z nebo potaženy izolačním materiálem, jako je keramika, sklo, oxid křemičitý, polymer nebo plast. Příklady keramických materiálů jsou oxid hlinitý, karbid křemíku a oxid zirkoničitý. Příklady polymerů jsou polyakryláty, epoxidy, polyestery, polyolefiny, polyuretan, polysiloxan, polykyanoakrylát a jejich kompozity. V jiném provedení mohou být mikrojehly nebo sestavy mikrojehel potažené vodivým materiálem, jako jsou spékané částice kovu, za zisku sady elektrosenzoru. Mezi vhodné kovové materiály patří nerezová ocel, titan, drahé kovy nebo jejich slitiny a podobně.

Obecné uspořádání sensorového přístroje podle předkládaného vynálezu bude nyní popsáno s odkazem na obr. IA a IB. Na obr. IA je uveden sensorový přístroj 10 mající sestavu 16 mikrojehel 12 separovaných kontaktními povrchy 20 pro kontakt s kůží. Každá mikrojehla 12 má ostrý otevřený distální konec 14 umožňující snadný průnik kůží a kanál 13 pro získání biologické kapaliny, která vstupuje do sensorového přístroje 10.

Obr. IA ukazuje mikrojehly 12 mající konický tvar, ale jak je odborníkům v oboru jasné - mohou mít jakýkoliv vhodný tvar, jako je například tvar 3- nebo 4-bokého jehlanu. Otvory • · ··· · mikrojehel mohou mít kruhový průřez nebo jakýkoliv jiný vhodný nekruhový průřez, například polygonální tvar.

Zevní průměr mikrojehly 12 je obecně mezi 100 a 400 pm na bázi mikrojehly, a obecně je menší než 10 pm na konci 14. Průměrný zevní průměr mikrojehly 12 je obecně mezi 100 a 300 pm a lépe mezi přibližně 120 až,200 pm. Průměr kanálu 13 nebo vnitřního průměru mikrojehly 12 je obecně mezi přibližně 10 až 200 pm na bázi jehly.

Délka mikrojehly 12 závisí na požadované hloubce zavedení mikrojehly. Přesněji, mikrojehly 12 mají délky a velikosti v určitých rozmezích závisejících na typu odebírané biologické kapaliny (například intersticiální kapaliny, krve nebo obou typů) a na síle kožních vrstev u testovaného pacienta. Mezi cílové vrstvy kůže, do kterých mohou být takové prostředky zaváděny, patří dermis, epidermis a stratům corneum (tj. zevní vrstva epidermis). Obecně mají mikrojehly 12 délku alespoň přibližně 0,05 pm a lépe alespoň přibližně 0,1 pm, kdy délka může být i 500 pm nebo více, ale obvykle nepřesahuje přibližně 200 pm a nejčastěji nepřesahuje přibližně 100 pm.

Jak bylo uvedeno výše, v sensorovém přístroje podle předkládaného vynálezu může být použito více než jednoho nástroje pro penetraci kůže. V přístroje podle předkládaného vynálezu může být použito jakéhokoliv vhodného počtu mikrojehel 12. Optimální počet závisí na různých faktorech, včetně typu detekované sloučeniny, místa aplikace na těle pacienta a na požadovaných okrajích. Bez ohledu na počet mikrojehel 12 jsou mikrojehly od sebe dostatečně separované, aby bylo zajištěno, že stratům corneum bude penetrováno bez nežádoucího tlaku na kůži. Obecně jsou mikrojehly 12 separovány od sebe vzdáleností, tj. délkou kontaktních povrchů

20, v rozmezí od přibližně 10 pm do přibližně 2 mm, lépe od přibližně 100 do 1000 pm, a nejlépe od 200 do 400 pm.

Sestava 16, včetně mikrojehel 12 a kožních kontaktních povrchů 20, může definovat spodní okraj 18a krytu 18, jehož vrchní okraj je definován krytem 18b. Kryt 18a má podpůrnou funkci pro medium pro přenos složky 22 a, jak bylo uvedeno výše pro mikrojehly 12, může být vyroben z izolačního nebo vodivého materiálu. Kryt 18b je výhodně vyroben z izolačního materiálu, jako je plast nebo polymer, který izoluje elektrochemickou komůrku.

Elektrochemická komůrka

Jak bylo uvedeno výše, senzor 10 podle předkládaného vynálezu obsahuje měřící zařízení ve formě elektrochemické komůrky. Elektrochemická komůrka obsahuje dvě elektrody, které jsou navzájem uspořádány tak, že povrch jedné elektrody je obrácen k povrchu druhé elektrody. Výhodně jsou elektrody v podstatě rovnoběžné a paralelní. Prostor mezi oběma elektrodami definuje reakční zónu, ve které biologická kapalina testováha na koncentraci cílového analytu. Systém redukčních činidel nebo materiálů může být použit v elektrochemické komůrce pro usnadnění analýzy daného analytu. Redukční činidlo může být přítomno na jedné nebo na obou elektrodách, výhodně alespoň na části povrchu elektrody směřujícího do reakční zóny, kde chemicky reaguje s analytem. Konkrétní použitý redukční materiál je vybrán podle měřeného analytu.

Alespoň jedna ze dvou elektrod je porózní. Přesněji, první nebo distální elektroda je porózní a má alespoň jeden pór skrz příčnou rovinu. Každý pór nebo otvor je spojen s kanálem mikrojehly, takže je vytvořena dráha pro kapalinu, která může

4«

• · ·· proudit skrz otvor mikrojehly kanálem mikrojehly a potom pórem do reakční zóny. Počet pórů závisí na počtu mikrojehel použitých v sensorovém přístroje.

Druhá nebo proximální elektroda může být tvořena zcela pevným vodivým materiálem nebo může mít porosní strukturu, jak je tomu v případě metalizovaného porosního materiálu, ve kterém póry probíhají většinou struktury a jsou mnohem menší než póry první elektrody. Velikost pórů druhé elektrody je dostatečně malá pro to, aby daly vznik kapilární síle působící na kapalinu, se kterou jsou v kontaktu, což způsobí nasátí kapaliny v reakční zóně do druhé elektrody. Tato konfigurace usnadňuje kontinuální nasávání odebírané biologické kapaliny a/nebo složek biologické kapaliny do elektrochemické komůrky za vytlačování vzduchu z komůrky. Přítomnost vzduchu může interferovat s měřením analytu. Alternativně může být místo hrotové elektrody použita běžná koplanární elektroda. Přístroj podle předkládaného vynálezu může dále obsahovat vrstvu izolačního materiálu pokrývající druhou elektrodu, která izoluje elektrochemickou komůrku a kryje přístroj.

V provedeních s porosní proximální elektrodou, jako je právě popsané provedení, může být přítomen jeden nebo více otvorů v krytu poblíž elektrody.

V předkládaném vynálezu mohou být použity různé typy elektrochemických systémů a způsobů známých pro detekci a měření analytu, včetně systémů, které jsou ampermetrické (t.j. měří proud), coulometrické (t.j., měří elektrický náboj) nebo potenciometrické (t.j. měří napětí). Příklady takových elektrochemických měřících systémů jsou dále popsány v U.S. Patentech č.: 4,224,125; 4,545,382; a 5,266,179; a WO 97/18465 a WO 99/49307; jejichž objevy jsou zde uvedeny jako odkazy.

Jak je uvedeno na obr., má elektrochemická komůrka z obr. IA první neboli horní elektrodu 26 a druhou neboli dolní elektrodu 28, které jsou od sebe v určité vzdálenosti. Prostor mezi oběma elektrodami 26 a 28 definuje reakční zónu 30 komůrky, ve které je biologická kapalina testována na koncentraci cílového analytu. Komůrka může dále obsahovat systém redukčních činidel nebo materiálů vybraných podle měřeného analytu. Tak analyt v reakční zóně 30 chemicky reaguje s redukčním činidlem. Alespoň část povrchů elektrod směřujících k reakčním zónám je vyrobena z vysoce vodivého materiálu, jako je paladium, zlato, platina, stříbro, iridium, uhlík, oxid cíničitý obohacený indiem, nerezová ocel a podobně, nebo kombinací těchto materiálů. Činidlo, obsahující oxidační enzym a mediátorovou složku, je přítomno na jedné nebo obou površích elektrod.

Elektrody 26 a 28 jsou v podstatě paralelní, aby bylo zajištěno přesné měření analytu, a výhodně jsou ploché, ale mohou mít jakýkoliv vhodný tvar nebo konfiguraci, jako je například tvar čtverce, obdélníku, kruhu a podobně. Rozměry dvou elektrod jsou výhodně stejné a plocha každé elektrody 26, 28 je obvykle v rozmezí od přibližně 0,1 do 2 cm² a typicky mezi přibližně 0,25 a 1 cm². Elektrody mohou být velmi tenké a mají sílu v rozmezí od přibližně 50 do 1000 A, lépe od přibližně 100 do 500 A, ještě lépe od přibližně 150 do 300 A. Vzdálenost mezi elektrodami je obvykle v rozmezí od 1 do 1000 pm, lépe od přibližně 10 do 100 pm, a nejlépe od přibližně 10 do 25 pm.

Jak je uvedeno na obr. 1B, má první neboli dolní elektroda 26 povrch 16 s mikrojehlami 12, kde mezi elektrodami jsou povrchy pro kontakt s kůží 20. Proužek vysoce vodivého materiálu první elektrody 26 přesahuje laterálně přes okraj 27 (viz obr. 1B) povrchu první elektrody 26 na povrch krytu 18a,

kde působí jako vodivý kontakt 32 pro elektrické napojení první elektrody 26 na řídící jednotku 52 (jak je popsáno dále s odkazem na obr. 2). Alternativně může mít první vodivý kontakt 32 tvar rozšířeného kroužku. První elektroda 26 má otvory nebo póry 15 skrz svůj povrch. Průměry pórů 15 jsou obvykle v rozmezí od přibližně 25 do 200 pm, lépe od přibližně 50 do 150 pm a nejlépe mezi přibližně 100 a 150 pm.

Druhá neboli vrchní elektroda 28 může být vyrobena zcela z neporosního vodivého materiálu, který je přítomen na dolní straně krytu 18b, nebo z porosního vodivého materiálu, jako je sintrovaný kovový materiál. V každém případě prochází kovový proužek skrz kryt 18b (viz obr. IA) a tvoří druhý vodivý kontakt 34 pro elektrické navázání druhé elektrody 28 na řídící jednotku 52 (jak je popsáno dále s odkazem np obr. 2). Velikost pórů ve druhé elektrodě 28 mající porosní uspořádání je obvykle v rozmezí od přibližně 0,1 do 50 pm, lépe od přibližně 0,1 do 10 pm. Tato porosní konfigurace usnadňuje kontinuální nasávání odebírané biologické kapaliny a/nebo jejich složek do elektrochemické komůrky za vytlačování vzduchu z komůrky skrz jeden nebo více úzkých otvorů pro vzduch v krytu 18b (nejsou uvedeny). Toto je důležité, protože přítomnost vzduchu v komůrce by mohla interferovat s měřením analytu.

Medium pro přenos složky kapaliny

V mnoha provedeních je medium pro přenos složky kapaliny přítomno v celém objemu reakční zóny, pórech distální elektrody a v alespoň části kanálu každé mikrojehly, ale může vyplňovat - částečně nebo úplně - kanál až k vstupnímu otvoru. Mediem pro přenos složky kapaliny je výhodně materiál na bázi vody mající vysokou afinitu pro vodu. V mnoha provedeních je mediem pro přenos složky kapaliny hydrofilní gelový materiál

nebo matrice. Hydrofilní gel napomáhá v přípravě elektrod a při rekonstituci činidel při přípravě pro elektrochemické měření cílového analytu.

Schopnost media pro přenos složky kapaliny absorbovat kapaliny, zejména vodu, závisí na rozsahu, ve kterém je přenosové medium nasyceno před expozicí kapalině. Pro redukci času, po který je mirkojehla zavedena nebo aplikována do kůže, je medium pro přenos kapaliny obvykle v nasyceném stavu před insercí mikrojehly do kůže. Tak jsou přenášeny pouze nekapalné složky, včetně jedné nebo více cílových složek, obsažené v biologické kapalině, což eliminuje dobu pro prvotní přenos biologické kapaliny. Protože intersticiální kapaliny obsahují přibližně 98% vody, může být redukce času pro difusi gelem v některých aplikacích významná.

U složek, které mohou difundovat do a skrz gelovou matrici, závisí rychlost, jakou dosáhnou reakční zóny, na velikosti jejich molekul. Obecně, menší molekuly rychleji difundují gelem. Protože má mnoho cílových analytů, jako je glukosa, elektrolyty, kyselina askorbová, kyselina močová atd, malou molekulu, difundují tyto analyty gelovou matricí rychleji než jiné složky intersticiální kapaliny s větší molekulou.

Vhodnými gelovými materiály jsou přirozené polymery, jako je agarosa, želatina, mukopolysacharid, škrob a podobně, a syntetické gely vyrobené z - alespoň částečně - syntetických polymerů, jako je kterýkoliv z neutrálních polymerů rozpustných ve vodě nebo polyelektrolytů (tj. syntetických nebo přirozených polymerů, které tvoří náboj po rozpuštění ve vodě), jako je polyvinylpyrrolidon, polyethylenglykol, kyselina polyakrylová, polyvinylalkohol, polyakrylamid a jejich kopolymery.

* · · £· ·

Jak je uvedeno na obr., gelový materiál media pro přenos složky kapaliny 22 je umístěn a vyplňuje alespoň část kanálů mikrojehel 13 a proniká skrz póry 15 do reakční zóny 30.

V mnoha provedeních gelový materiál zcela vyplňuje reakční zónu 30 a zcela pokrývá a je v kontaktu s povrchy první a druhé elektrody 26 a 28, tak, že v gelu a v reakční zóně 30 nejsou přítomny žádné vzduchové kapsy. Medium pro přenos složky kapaliny 22 tedy slouží jako dráha pro složky biologické kapaliny, které putují z otevřeného distálního konce 14 do reakční zóny 30.

Způsoby výroby

Příkladný způsob výroby přístroje podle předkládaného vynálezu, jako je senzorový přístroj 10 z obr. 1, zahrnuje následující stupně. Pro výrobu krytu 18a mohou být použity způsoby jako je mikroinjekční odlévání. Nejprve se připraví forma pro kryt 18a mající vhodné rozměry, která obsahuje jeden nebo více hrotů daného průměru pro získání struktury, ze které mohou být připraveny mikrojehly. Tyto hroty definují kanály mikrojehly. Forma se potom naplní taveným plastem za vysokého tlaku a ochladí se. Po dostatečném ochlazení se hroty odstraní a získaná struktura se vyndá z formy. Mezi materiály vhodné pro výrobu mikrojehel patří například polyetherketon, kapalné krystalické polyestery, nylony, polyimid, epoxidy, polyakryláty a plněné nebo neplněné termoplasty. První elektroda 26 může být potom vyrobena pokovením proximálního konce mikrojehel pomocí rozprašování ve vakuu za použití vhodného kovu nebo kombinace kovů.

Činidla

Pro izolování a měření cílového analytu nebo složky vybrané pro analýzu mezi dalšími složkami odebrané biologické kapaliny «·

V ·

• · · se obvykle v reakční zóně elektrochemické komůrky použije redukční činidlo. Činidlo může být přítomno na reaktivních povrchách jedné nebo obou elektrod. Obvykle se činidlo nanese na elektrody pomocí trysky, jak je známo v oboru, ale mohou být použity i jiné vhodné techniky.

Činidlem může být jeden nebo více enzymů a volitelně mediátorová složka. Enzymy použité v předkládaném vynálezu oxidují daný analyt. V mnoha provedeních je enzymovou složkou činidla více enzymů, které současně oxidují daný analyt.

Jinými slovy, enzymová složka systému činidel je tvořena jedním enzymem oxidujícím analyt nebo více enzymy, které současně oxidují požadovaný analyt. Mezi vhodné enzymy patří oxidasy, dehydrogenasy, lipasy, kinasy, diaforasy, chinoproteiny a podobně. Konkrétní typ enzymu přítomný v reakční oblasti závisí na konkrétním analytu, který má detekovat elektrochemický testovací proužek, a mezi příklady enzymů patří: glukosa-oxidasa, glukosa- dehydrogenasa, cholesterol-esterasa, cholesterol-oxiďasa, lipoprotein-lipasa, glycerol-kinasa, glycerol-3-fosfat-oxidasa, laktat-oxidasa, laktat-dehydrogenasa, pyruvat-oxidasa, alkohol-oxidasa, bilirubin-oxidasa, urikasa a podobně. V mnoha výhodných provedeních, kde je analytem glukosa, je enzymovou složkou systému činidel enzym oxidující glukosu (např. glukosa-oxidasa nebo glukosa-dehydrogenasa). Množství různých složek může být rů?né a množství enzymové složky je obvykle v rozmezí od přibližně 0,1 do 10% hmotnostních.

Volitelná druhá složka systému činidel je mediátorová složka, která se skládá z jednoho nebo více mediátorových činidel. V oboru jsou známá různá mediátorová čindla a patří mezi ně: ferrokyanid, fenazinethosulfát, fenazinmethosulfát, fenylendiamin, 1-methoxy-fenazinmethosulfát, 2,6-dimethyl18 ·» • · • · • · • · «·· ·· · * • · · • · · · • * · ··· ·« ·· ····

-1,4-benzochinon, 2,5-dichíor-l,4-benzochinon, deriváty ferrocénu, komplexy osmium-bipyridyl, rutheniové komplexy a podobně. V těch provedeních, kde je analytem glukosa a enzymem buď glukosa-oxidasa nebo glukosa-dehydrogenasa, je výhodným mediátorem ferrokyanid. Mezi další činidla, která mohou být přítomná v reakční zóně, patří pufrovací činidla, (například citrakonát, citrát, fosfát), Good pufry a podobně.

Sensorový systém

V senzorových systémech podle předkládaného vynálezu jsou referenční a pracovní elektrody elektrochemické komůrky v elektrické komunikaci s řídícím prvkem, který nastavuje vstupní referenční signál přenášený do elektrochemické komůrky, získává výstupní signál z elektrochemické komůrky a potom stanovuje koncentraci analytu ve vzorku z výstupního signálu. Jinými slovy, řídící prvek umožňuje aplikaci elektrického proudu mezi dvěma elektrodami, měří změnu proudu v čase a stanovuje vztah mezi pozorovanou změnou proudu a koncentrací analytu v elektrochemické komůrce. Potom se odvodí koncentrace analytu v krvi pacienta a její numerická hodnota se potom výhodně zobrazí na displeji.

V některých provedeních jsou řídící a zobrazovací jednotka integrálně umístěny v příruční řídící jednotce, jako je jednotka zobrazená na obr. 2. Řídící jednotka také výhodně poskytuje přístroj pro zajištění nebo připevnění jednoho nebo více senzorů v pozici a uspořádání vhodném pro odběr vzorku a ruční měření.

Na obr. 2 je schématicky znázorněn senzorový systém 50 podle předkládaného vynálezu. Senzorový systém 50 obsahuje příruční řídící jednotku 52 a senzor, jako je sensor 10 z obr. 1, operativně připevněný na distální konec 54 řídící jednotky

52. Řídící jednotka 52 má kryt 56, výhodně vyrobený z lékařského plastu, který je určen pro uložení zařízení (není uvedeno) pro řízení senzorového přístroje 10, t.j., pro generování a přenos vstupního referenčního signálu do elektrochemické komůrky senzoru 10 a získávání výstupních signálů z komůrky. Software v řídící jednotce 52 automaticky vypočítává koncentrace cílového analytu v biologickém vzorku po získání výstupního signálu. Koncentrace (a další požadované informace) se potom přenášejí na externí display nebo obrazovku 58, která ukazuje informaci uživateli. Řídící tlačítka 60 umožňují uživateli vkládat informace, jako je typ analytu, který se má měřit, do řídící jednotky.

Senzorový přístroj 10 je elektricky a fyzikálně napojen na řídící jednotku 52. Elektrická komunikace mezi těmito dvěma jednotkami je provedena pomocí vodivých kontaktů 32 a 34 na přístroji 10, jak jsou uvedeny na obr. 1, a odpovídajících vodičů (nejsou uvedeny) v řídící jednotce 52., Výhodně jsou přístroj 10 a řídící jednotka 52 fyzikálně spojeny mechanismem s rychlým spojováním a rozpojováním (jako jsou mechanismy známé v oboru) tak, že senzor může být rychle odpojen a vyměněn. Řídící jednotka 52 je výhodně použitelná s jakýmikoliv senzory podle předkládaného vynálezu. Tyto vlastnosti umožňují odběr více vzorků a účinné a rychlé měření.

Přístroj, jako je řídící jednotka 52, který automaticky vypočítává a určuje koncentraci vybraného analytu v biologické kapalině a/nebo v systému pacienta, takže uživatel musí pouze zavést mikrojehlu podle předkládaného vynálezu do kůže pacienta a odečíst výsledek koncentrace analytu z displaye přístroje, je dále popsán v U.S. Patentu č. 6193873, nazvaném Sample Detection to Initiate Timing of an Electrochemical Assay, který je zde uveden jako odkaz.

····

..........

Způsoby použití

Vynález také poskytuje způsoby pro použití přístrojů podle předkládaného vynálezu a systémy pro stanovení koncentrací analytu ve fyziologickém vzorku. Různé analyty mohou být detekovány za použití senzorových systémů podle předkládaného vynálezu, a mezi reprezentativní analyty patří glukosa, cholesterol, laktát, alkohol a podobně.

Při provádění způsobů podle předkládaného vynálezu (podle obr.) je prvním krokem poskytnutí senzoru 10 podle předkládaného vynálezu. Výhodně je senzor 10 určen (t.j. obsahuje vhodné činidlo) pro cílový analyt. Senzor 10 je operativně napojen a propojen s řídící jednotkou 52, která může být držena v ruce a ovládána uživatelem. Řídící jednotka 52 je naprogramována pro testování cílového analytu. Uživatel umístí senzor 10 na vybranou oblast kůže pacienta a při mírném tlaku penetruje mikrojehla 12 senzoru 10 do kůže. Hloubka, do které je mikrojehla zavedena, závisí na délce mikrojehel nebo jiných přístrojů asociovaných se senzorem 10, který omezují hloubku průniku do kůže.

Po zavedení do kůže pacienta určité množství (t.j. vzorek) biologické kapaliny přítomné v místě otvoru 14 mikrojehel 12 pronikne otvorem 14 do kanálu 13 mikrojehly působením difusních sil způsobených koncentračním gradientem hydrogelu. Složka vzorku se absorbuje do gelu a difunduje proximálním směrem skrz kanály 13, skrz póry 15 první elektrody 26 a do reakční zóny 30. Jakmile se dostane do reakční zóny 30, tak cílová složka nebo analyt chemicky reaguje s vybraným činidlem za vzniku elektroaktivních produktů. Vzniklé produkty jsou potom buď oxidovány, nebo redukovány volitelným mediátorem nebo přímo na povrchu pracovní elektrody 28. Signál se potom • · · vede do řídící jednotky pomocí elektrody 28. Software v řídící jednotce 52 potom automaticky určí rozdíl mezi výstupním a referenčním signálem, z této hodnoty odvodí koncentraci analytu ve vzorku a potom určí odpovídající koncentraci daného analytu v krvi pacienta. Jakákoliv nebo všechny tyto hodnoty mohou být zobrazeny na display nebo obrazovce 58.

Kity

Vynález také poskytuje kity pro provádění způsobů podle předkládaného vynálezu. Kity podle předkládaného vynálezu obsahují alespoň jeden senzor podle předkládaného vynálezu obsahující jednu nebo více mikrojehel podle předkládaného vynálezu. Kity mohou také obsahovat opakovaně nebo jednorázově použitelnou řídící jednotku, která může být použita s opakovaně nebo jednorázově použitelnými senzory z kitu nebo jiných kitů podle předkládaného vynálezu. Tyto kity mohou obsahovat sestavu senzorů obsahujících mikrojehly stejné nebo různé délky. Některé kity mohou obsahovat různé senzory, kde každý senzor obsahuje stejná nebo různá činidla. Jedna sestava mikrojehel může také obsahovat více než jedno činidlo, a v takových sestavách je přítomna jedna nebo více mikrojehel s prvním činidlem pro testování prvního cílového analytu a jedna nebo více dalších mikrojehel s jinými činidly pro testování jiných cílových analytů. Nakonec kity výhodně obsahují návod pro použití senzorů pro určení koncentrace analytu ve fyziologickém vzorku. Tyto instrukce mohou být přítomny na obalu, příbalovém letáku nebo na zásobníku v kitu a podobně.

Z výše uvedeného popisu je jasné, že předměty vynálezu lze snadno použít, za eliminace pomocných zařízení pro zvýšení rychlosti toku kapaliny v kůži a pro kompenzaci negativního tlaku v kůži. Dále předkládaný vynález poskytuje možnost rychlé výměny senzorů, což snižuje dobu pro každý odběr vzorku a měření, což je zejména výhodné, když se provádí více testů na jednom pacientovi nebo když se testuje více pacientů najednou. Proto je předkládaný vynález významným vylepšením oboru.

Předkládaný vynález byl popsán na svých nejpraktičtějších a výhodných provedeních. Nicméně, existují modifikace předkládaného vynálezu, které spadají do rozsahu připojených patentových nároků.

Ačkoliv je předkládaný vynález použitelný pro různé aplikace v oblasti odběru různých biologických kapalin a detekce různých složek biologických kapalin, je určen zejména pro detekci analytů v intersticiální kapalině a hlavně pro detekci glukosy v intersticiální kapalině. Proto jsou popsané specifické prostředky a způsoby a aplikace, biologické kapaliny a složky uvedené výše pouze ilustrativní a ne restriktivní. Modifikace spadají do rozsahu připojených patentových nároků.

Claims

Patentové nároky

1. Přístroj pro odběr složky biologické kapaliny a měření její koncentrace vyznačující se t i m, že obsahuje:

(a) alespoň jeden prvek pro penetraci kůží mající otvor pro dosažení biologické kapaliny;

(b) elektrochemickou komůrku pro měření koncentrace analytu v biologické kapalině, kde komůrka obsahuje alespoň jednu porosní elektrodu; a (c) medium pro přenos složky biologické kapaliny tvořené hydrofilním materiálem komunikujícím prostřednictvím kapaliny s alespoň jedním prvkem pro penetraci kůží a s alespoň jednou porosní elektrodou.
2. Přístroj podle nároku lvyznačuj.ící se tím, že hydrofilním materiálem je gelová matrice.
3. Přístroj podle nároku lvyznačující se tím, že elektrochemická komůrka obsahuje dvě od sebe vzdálené elektrody definující reakční komůrku, kde alespoň jedna elektroda je porosní.
4. Přístroj pro odběr složky biologické kapaliny a měření její koncentrace vyznačující se tím, že obsahuje:

(a) sestavu mikrojehel, kde každá mikrojehla má otvor pro přístup k biologické kapalině;

(b) vrstvu hydrofilního gelového materiálu překrývající sestavu;

(c) první vrstvu vodivého materiálu nad vrstvou hydrofilního gelového materiálu, kde první vrstva vodivého materiálu je porosní a dále kde v otvorech tvoří vrstva hydrofilního gelového materiálu a první vrstva vodivého materiálu dráhu pro přenos složky kapaliny; a (d) druhou vrstvu vodivého materiálu, kde první vrstva vodivého materiálu a druhá vrstva vodivého materiálu jsou od sebe v určité vzdálenosti, kde biologická kapalina přítomná ve vstupním otvoru je přenášena do prostoru mezi první a druhou vrstvou vodivého materiálu.
5. Přístroj podle nároku 4vyznačující se tím, že dále obsahuje vrstvu izolačního materiálu nad druhou vrstvou vodivého materiálu.
6. Systém pro odběr složek biologické kapaliny z kůže pacienta a měření cílových složek v biologické kapalině vyznačující se tím, že obsahuje:

(a) alespoň jeden přístroj podle nároku 1; a (b) řídící jednotku elektricky spojenou s alespoň jedním prostředkem, která obsahuje:

(1) zařízení pro odeslání elektrického vstupního signálu do přístroje a pro získání elektrického výstupního signálu z přístroje; a (2) software, který automaticky vypočítává koncentraci cílové složky v biologické kapalině po získání elektrického výstupního signálu.
7. Způsob pro získání biologické kapaliny z kůže pacienta a pro odběr vzorku z této kapaliny a pro určení koncentrace alespoň jednoho cílového analytů obsaženého v kapalině vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

poskytnutí alespoň jedné mikrojehly obsahující otevřený distální konec a kanál;

zavedení alespoň jedné mikrojehly do kůže do vybrané hloubky;

absorbování složek přítomných v biologické kapalině na otevřeném distálním konci do kanálu mikrojehly; a • · · ·· *· difundování absorbovaných složek do a skrz vodivý materiál do měřící komůrky.
8. Způsob podle nároku 7vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

způsobení toho, že odebrané složky chemicky reagují s vybraným činidlem v reakční komůrce;

dodání prvního signálu do měřící komůrky; a získání druhého signálu z měřící komůrky, kde druhý elektrický signál representuje koncentraci cílového analytu v získané biologické kapalině.
9. Způsob podle nároku 8v yznačující se tím, že dále zahrnuje kroky:

působení kapilárních sil na odebranou biologickou kapalinu přítomnou v měřící komůrce; a přenos odebraných složek skrz druhý vodivý materiál.
10. Způsob pro odběr složek biologické kapaliny v kůži pacienta a pro stanovení koncentrace jednoho nebo více cílových analytů přítomných v biologické kapalině vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

poskytnutí systému obsahující první přístroj pro odběr vzorku a měření koncentrace analytu podle nároku 1 a řídící jednotku, kde přístroj je operativně napojen na řídící jednotku;

aplikování prvního přístroje na kůži pacienta, kde systém odebere složku biologické kapaliny pacienta a měří koncentraci jednoho nebo více cílových analytů ve vzorku;

odstranění prvního přístroje z kůže pacienta; odstranění prvního přístroje z řídící jednotky; operativní napojení druhého přístroje pro odběr vzorku a měření koncentrace analytu podle nároku 1 na řídící jednotku;

a ·· ···· opakování kroků do té doby, než se provede požadovaný počet odběrů vzorku a měření.