WO2001094942A1 - Verfahren zum nachweis von alpha-oxoaldehyden in vollblut, blutplasma and/oder serum eines patienten - Google Patents

Verfahren zum nachweis von alpha-oxoaldehyden in vollblut, blutplasma and/oder serum eines patienten Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for the detection of ⁇ -oxoaldehydes in whole blood, in blood plasma and / or in the serum of patients.
  • ⁇ -oxoaldehydes such as methylglyoxal, glyoxal or 3-deoxyglucuron is discussed in this context. These substances are formed in the red blood cells and are present in very low concentrations in whole blood, in blood plasma and in serum.
  • Methylglyoxal can arise from triose phosphate, the metabolism of ketone bodies and the metabolism of threonine and is further broken down by glyoxalase. Methylglyoxal then reacts with proteins to form imidazolone derivatives and bis-lysyl cross-links. This cross-linking of the proteins can lead to the stabilization of collagen and thus to the thickening of membranes. These reactions explain at least part of the diabetic complications such as kidney failure and lens opacification.
  • WO 98/57 145 AI describes a method for the early detection of biological conditions such as diseases by analyzing suitable gaseous samples.
  • WO 99/56 790 A2 describes a diagnostic kit for carrying out breath tests which are used for diabetic diagnosis.
  • DD 219 287 AI describes a measuring device for controlling blood sugar in diabetics based on the selective determination of the concentration of acetone in the breathing gas on the basis of radiation absorption using a measuring cell, filters, lenses and a power supply unit.
  • the method according to the invention is based on the fact that an examination is not carried out on the patient himself, but rather only a breath air sample (ie breathing gas and / or breathing condensate) of the patient is examined.
  • ⁇ -oxoaldehydes are also detected in the air we breathe.
  • ⁇ -oxoaldehydes which are mainly present in the blood plasma, are also easily membrane-permeable, so that they can be detected in the breathing gas or in the breathing condensate.
  • acetone markers
  • they are metabolism-specific and not ubiquitous in air.
  • Sampling can take place either by inflating appropriate sampling bags and / or suitable sample containers or by passing breathing air through an impinger.
  • This indicator can be filled with a derivatizing agent for direct detection (by fluorescence or photometric) or for a chromatographic determination. It is also possible to fill the impinger with reagents for electrochemical, spectrometric (e.g. IR spectrometric), enzymatic or immunochemical detection.
  • One detection method consists in the enzymatic conversion of methylglyoxal with glyoxalase to lactate and the subsequent determination of lactate with a modified sensor.
  • a breath sample from a patient with type II diabetes was taken and analyzed for the ⁇ -oxoaldehydes glyoxal and methylglyoxal. examined.
  • the DNPH method according to Zurek et al., Analyst 1999, Vol. 124, pp. 1291-1295 was used as the test method.
  • the breathing air was sampled as follows: The test subject / patient inflated a sampling bag (here a Tedlar ® bag) with a volume of 30 liters via a mouthpiece with a tube.
  • a sampling bag here a Tedlar ® bag
  • a defined volume of air (20 L at a volume flow of ⁇ 2 l / min) was sucked out of the bag through a cartridge containing the collection material with the help of a pump.
  • the commercially available cartridge was silica gel coated with 2,4-dinitrophenylhydrazine (Supelco:
  • part of the eluate of the collecting cartridge was analyzed under the conditions described above using an HPLC system which, in addition to the UV detector, had a mass spectrometric detector (FIG. 1). This enables the substances to be identified on the basis of their molecular mass and by the breakdown of the molecule into characteristic molecular fragments.
  • the breath samples from healthy control subjects were examined according to the method described above.
  • the resulting chromatogram for a healthy test subject is shown in FIG. 3.
  • no signal that can be evaluated is recognizable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von alpha -Oxoaldehyden in Vollblut, Blutplasma und/oder Serum eines Patienten, bei dem eine Atemluftprobe auf Vorhandensein mindestens eines alpha -Oxoaldehyden analysiert und aus dem Analyseergebnis auf das Vorhandensein von alpha -Oxoaldehyden im Vollblut, Blutplasma und/oder Serum des Patienten geschlossen wird.

Description

Verfahren zum Nachweis von α-Oxoaldehyden in Vollblut, Blutplasma und/oder Serum eines Patienten
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver- fahren zum Nachweis von α-Oxoaldehyden in Vollblut, im Blutplasma und/oder im Serum von Patienten.
Infolge von langjährigen Diabetes-Erkrankungen, d.h. insulinabhängiger und/oder insulinunabhängiger Diabe- tes, auftretende Komplikationen, wie Nierenschädigungen oder Trübungen der Augenlinsen lassen sich nur schwer und oft erst spät erkennen. Mitverantwortlich für diese Komplikationen und Folgeerkrankungen sind oftmals reaktive StoffWechselprodukte, die mit Kolla- gen, Enzymen oder anderen zellulären Bestandteilen Glykolate bilden und durch diesen Mechanismus als Zellgifte wirken können. Entsprechende Marker für diese Erkrankung sind nach dem Stand der Technik nur über eine aufwendige Blutanalytik im Labor erfaßbar. In den letzten drei bis vier Jahren haben Untersuchungen zur Aufklärung von Folgeerkrankungen im Verlauf einer langjährigen Diabetes gezeigt, daß die cytotoxischen α-Oxoaldehyde eine wichtige und ursäch- liehe Rolle spielen (Beisswenger et al. (1999) Diabetes, Band 48, S. 198-202) . Daher wird in diesem Zusammenhang insbesondere die Rolle der α-Oxoaldehyde wie Methylglyoxal, Glyoxal oder 3-Deoxyglucuron diskutiert. Diese Stoffe werden in den roten Blutkörper- chen gebildet und liegen in sehr geringen Konzentrationen im Vollblut, im Blutplasma und im Serum vor.
Von besonderem Interesse ist hierbei das α-Oxoaldehyd Methylglyoxal. Methylglyoxal kann aus Triosephosphat, der Metabolisierung von Keton-Körpern sowie bei der Verstoffwechselung von Threonin entstehen und wird durch Glyoxalase weiter abgebaut. Methylglyoxal reagiert dann mit Proteinen unter Bildung von Imidazo- lon-Derivaten und bis-Lysyl-Quervernetzungen. Diese Quervernetzung der Proteine kann zur Stabilisierung von Kollagen und damit zur Verdickung von Membranen führen. Damit erklären diese Reaktionen zumindest einen Teil der diabetischen Komplikationen, wie Nieren- versagen und Linsentrübung.
Die alleinige Blutzuckerbestimmung, wie sie bisher bei Diabetikern üblich ist, gibt keinen direkten Rückschluß auf die momentane Methylglyoxalkonzentra- tion im Vollblut, im Plasma oder im Serum.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Bestimmung von α-Oxoaldehyden daher ausschließlich invasiv, d.h. aus dem Blutplasma. Bei Patienten mit einer insulinabhängigen Diabetes konnte von Thornally T.J., "Advanced Glycation and the development of diabetic co plica- tions . Unifying the involvement of glucose, methyl- glyoxal and oxidative stress" Endocrinology and Meta- bolism, 1996, 3, 149-166, direkt im Plasma im Vergleich zu gesunden Vergleichsprobanden eine fünf- bis sechsfach höhere, bei Patienten mit insulinabhängiger Diabetes eine zwei- bis dreifach höhere Methylglyox- alkonzentration nachgewiesen werden. Alternativ wäre eine Bestimmung von α-Oxoaldehyd im Urin möglich, ist jedoch in der Literatur nicht beschrieben, da die zu erwartenden physiologisch bedingt sehr niedrigen Kon- zentrationen im Urin einen zu hohen Analyseaufwand erfordern würden. Daher ist eine direkte Bestimmung der α-Oxoaldehyde im Plasma erforderlich.
Aufgrund dieser Untersuchungsmethoden nach dem Stand der Technik sind regelmäßige Kontrollen und eine eventuelle bedarfsorientierte Dosierung von Medikamenten zur gezielten Reduzierung von α-Oxoaldehyden wie Methylglyoxal im Vollblut, Blutplasma und Serum sehr aufwendig.
Die WO 98/57 145 AI beschreibt ein Verfahren zur frühzeitigen Erkennung von biologischen Zuständen wie Krankheiten durch die Analyse von geeigneten gasförmigen Proben.
Die WO 99/56 790 A2 beschreibt ein diagnostisches Kit zur Durchführung von Atemtests, die für die Diabetik- diagnose verwendet werden.
Die DD 219 287 AI beschreibt ein Meßgerät zur Kontrolle von Blutzucker bei Diabetikern auf Basis der selektiven Bestimmung der Konzentration von Aceton im Atemgas auf der Grundlage der Strahlungsabsorption unter Verwendung einer Meßküvette, von Filtern, Lin- sen und einem Stromversorgungsteil. Diese Verfahren nach dem Stand der Technik sind folglich extrem aufwendig und kostenträchtig und eignen sich daher bisher nicht für eine regelmäßige Routinekontrolle zur Bestimmung des α-Oxoaldehydgehaltes im Vollblut, Blutplasma oder Serum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Nachweis von α-Oxoaldehyden im Vollblut, Blutplasma und/oder Serum eines Patienten zur Verfügung zu stellen, das einfach, kostengünstig und sicher durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter- bildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß nicht etwa eine Untersuchung am Patienten selbst durchgeführt wird, sondern lediglich eine Atemluftprobe (also Atemgas und/oder Atemkondensat) des Patienten untersucht wird. Mit diesem Verfahren werden, α-Oxoaldehyde auch in der Atemluft nachgewiesen. Offenbar sind α-Oxoaldehyde, die hauptsächlich im Blut- plasma vorliegen, zusätzlich leicht membrangängig, so daß diese im Atemgas oder im Atemkondensat nachgewiesen werden können. Weiterhin sind sie im Gegensatz zu anderen bekannten Markern wie Aceton, stoffwechselspezifisch und in Luft nicht ubiquitär auftretend. Damit ist eine einfache, kostengünstige und sichere, regelmäßige und nicht invasive Überwachung der α- Oxoaldehydbildung im Vollblut, Blutplasma und Serum bei Diabetikern möglich, so daß durch geeignete Medi-. kation das Risiko möglicher Folgeerkrankungen von Diabetes reduziert werden kann. Damit besteht die
Möglichkeit bei Patienten mit Langzeit-Diabetes neue Strategien zur Vorbeugung von diabetischen Komplikationen einzuführen. Zum Beispiel ist es möglich, daß durch Verabreichung von sogenannten Scavenger- Verbindungen die Konzentration von α-Oxoaldehyden im Blut reduziert werden kann. Derartige Therapien werden durch das erfindungsgemäße nichtinvasive Testverfahren unterstützt und erst routinemäßig möglich.
Die Probennahme kann entweder durch das Aufblasen entsprechender Probenahmebeutel und/oder geeigneter Probenbehältnisse oder durch das Durchleiten von Atemluft durch einen Impinger erfolgen. Dieser Irnpin- ger kann mit einem Derivatisierungsmittel zum direkten Nachweis (durch Fluoreszenz oder photometrisch) oder für eine chromatographische Bestimmung gefüllt sein. Möglich ist auch die Befüllung der Impinger mit Reagenzien zur elektrochemischen, spektrometrischen (z.B. IR-spektrometrischen) , enzymatischen oder immunchemischen Detektion.
Ein Nachweisverfahren besteht in der enzymatischen Umsetzung von Methylglyoxal mit Glyoxalase zu Lactat und die anschließende Bestimmung von Lactat mit einem modifizierten Sensor.
Wesentlich bei dem vorliegenden Verfahren ist dabei, daß sämtliche Bestandteile einer Atemluftprobe, d.h. sowohl die Atemluft als auch das Atemkondensat sich zur Analyse des α-Oxoaldehydgehaltes eignen.
Im folgenden wird ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
Bei diesem Beispiel wurde eine Atemluftprobe einer Patientin mit Diabetes vom Typ II genommen und auf die α-Oxoaldehyde Glyoxal und Methylglyoxal unter- sucht. Als Untersuchungsverfahren wurde die DNPH- Methode gemäß Zurek et al., Analyst 1999, Bd. 124, S. 1291-1295 verwendet.
Die Probenahme der Atemluft wurde wie folgt durchgeführt: Über ein Mundstück mit Schlauch wurde von der Testperson/ dem Patienten ein Probenahmebeutel (hier ein Tedlar®-Beutel) mit einem Volumen von 30 Litern aufgeblasen.
Die Probenahme über einen Tedlar-Beutel wurde durchgeführt, um anschließend ein definiertes Volumen über die Sammelphase leiten zu können.
Im Anschluss an die Probenahme wurde mit Hilfe einer Pumpe ein definiertes Luftvolumen (20 L bei einem Volumenstrom von < 2 1/min) aus dem Beutel über eine Kartusche, die das Sammelmaterial enthält, gesaugt. Die kommerziell erhältliche Kartusche war mit 2,4- Dinitrophenylhydrazin belegtem Kieselgel (Supelco:
Artikelnummer 505358) als Sammelmaterial befüllt. Die α-Oxoaldehyde reagierten entsprechend der folgenden Gleichung zu 2, 4-Dinitrohydrazonen und wurden auf dem Kieselgel zurückgehalten.
Figure imgf000007_0001
Die entstandenen Derivate wurden anschließend mit 4ml Acetonitril von der Kartusche eluiert und das erhaltene Eluat bis zur Trockne eingeengt. Der verbleibende Rückstand wurde mit 500 μl Acetonitril wieder auf- gelöst. Ein Aliquot von 20 μl wurde in das HPLC- Syste zur Analyse überführt. Zur Analyse wurde ein HPLC-Verfahren nach dem Prinzip der Umkehrphasenchromatographie mit folgende methodischen Parametern verwendet: Säule: Hypersil BDS C18, Säulenlänge: 10 cm, Säulendurchmesser: 4mm, Teilchengrösse: 3μm
Mobile Phase: Gemisch aus Acetonitril und Wasser, Volumenstrom von 0,5 ml/min Startbedingungen: Gemisch aus Acetonitril und Wasser (50: 50;Volumenverhältnisse)
Gradient: Konstante Startbedingungen über 10 Minuten, dann innerhalb von 27 Minuten auf einen Volumenanteil Acetonitril von 100%. Die Daten wurden mittels UV- Detektion bei 360 und 404 nm erfaßt und mit einer Hewlett-Packard Chem-Station aufgezeichnet.
Figur 1 :
Zur Absicherung der Identifizierung der Substanzen wurde ein Teil des Eluates der Sammelkartusche unter den oben beschriebenen Bedingungen mit einem HPLC- System analysiert, das zusätzlich zum UV-Detektor über einen Massenspektrometrischen Detektor verfügte (Fig. 1) . Dieser erlaubt die Identifizierung der Substanzen anhand ihrer Molekülmasse sowie durch den Zerfall des Molekül in charakteristische Molekülfragmente .
Einem weiteren Teil des Eluates wurden definierte Mengen der Derivate der α-Oxoaldehyde zugesetzt und die Lösung anschließend mittels HPLC und UV-Detektion analysiert (Prinzip der Standardaddition) (Fig. 2) . In Abhängigkeit von der zugegebenen Menge an Derivat wird im Chromatogramm das entsprechende Signal der Verbindung erhöht und somit die Identifizierung be- stätigt. In Figur 1 ist unmittelbar der Peak für Aceton und der Peak für Methylglyoxal zu erkennen. Damit ist gezeigt, daß das Stoffwechselprodukt Methylglyoxal auch in der Atemluftprobe und damit nichtinvasiv nachge- wiesen werden kann und aufgrund einer Stoffwech- selspezifität unmittelbar auf das Vorhandensein von Methylglyoxal im Blutplasma der Patientin hinweist. Da Methylglyoxal nicht ubiquitär auftritt, sind Störungen der Messungen und Verfälschungen des Meßergeb- nisses durch das Umfeld der Patientin nicht zu erwarten.
Bei weiteren Vergleichsversuchen mit gesunden Vergleichsprobanden konnte bisher kein α-Oxoaldehyd in deren Atemluft nachgewiesen werden.
Beispielsweise wurde die Atemluftproben gesunder Vergleichsprobanden entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren untersucht. Das resultierende Chromatogra m für einen gesunden Probanden zeigt Figur 3. Im Reten- tionszeitbereich der α-Oxoaldehyde ist kein auswertbares Signal zu erkennen. Nach Zusatz eines Methyl- glyoxal-Standards erscheint bei 19,50 Minuten im
Chromatogramm ein Signal, wie in Figur 4 gezeigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Nachweis von α-Oxoaldehyden in
Vollblut, Blutplasma und/oder Serum eines Pati- enten, wobei eine Atemluftprobe auf Vorhanden¬
sein mindestens eines α-Oxoaldehydes analysiert
wird und aus dem Analyseergebnis auf das Vorhandensein von α-Oxoaldehyden im Vollblut, Blut¬
plasma und/oder Serum des Patienten geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration von α-Oxoaldehyden in der Atemluftprobe be¬
stimmt wird und hieraus auf die Konzentration
von α-Oxoaldehyden im Vollblut, Blutplasma
und/oder Serum eines Patienten geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als α-
Oxoaldehyd Methylglyoxal, Glyoxal und/oder 3- Deoxyglucuron nachgewiesen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Atemluftprobe in einen Probenbeutel und/oder ein geeignetes Probenbehältnis eingeschlossen und/oder durch einen Impinger geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo¬
bei die α-Oxoaldehyde in der Atemluftprobe mit-
tels eines Derivatisierungsmittels derivatisiert und die entstehenden Derivate bestimmt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Derivate fluorometrisch, photometrisch und/oder chromato- graphisch nachgewiesen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo¬
bei die α-Oxoaldehyde in der Atemluftprobe be¬
stimmt werden, indem die α-Oxoaldehyde elektro-
chemisch, spektrometrisch, enzymatisch und/oder immunchemisch nachgewiesen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die α-Oxoaldehyde in der Atemluftprobe mas-
senspektrometrisch bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der Atemluftprobe enthaltenes Methylglyoxal mit Glyoxalase zu Lactat umgesetzt wird und anschließend das Lactat mit einem Sensor nachgewiesen wird.
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