DE10164429B4 - Vorrichtung zur Messung enzymatischer Bestandteile im Körperinneren von Mensch oder Tier - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Aktivität von Enzymen in der Speiseröhre und im Intestinaltrakt von Mensch oder Tier mittels einer Sonde, bestehend aus einem Sondenkörper und einem oder mehreren im Sondenkörper enthaltenen Sensormodulen, gekennzeichnet dadurch, dass das Sensormodul an der Oberfläche ein sensorisches Element enthält, welches aus einem elektrisch leitfähigen oder optisch durchlässigen Material besteht und von einem Substrat bedeckt ist, welches mit dem zu messenden Enzym reagiert, diese biochemische Reaktion zu einer Änderung der elektrischen oder optischen Eigenschaft des sensorischen Elements führt und diese Änderung gemessen wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung in der Speiseröhre und im Intestinaltrakt von Mensch oder Tier gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ( DE 695 15 554 T2 ).
• Eine Vielzahl von medizinischen Untersuchungen hat in den letzten Jahren gezeigt, dass der Messung von enzymatischen Bestandteilen in der Speiseröhre und im Intestinaltrakt eine hohe Bedeutung zukommt.
• Bei Erkrankungen wie z.B. dem sogenannten Barrett-Oesophagus ist nach derzeitigem Stand der Wissenschaft davon auszugehen, dass die Ursache für die Veränderungen an der Mucosa in diesem Bereich durch einen Reflux aus dem Dünndarm zu suchen ist. Reflux in die Speiseröhre wurde jahrelang nur als Reflux aus dem Magen betrachtet und die in diesem Zusammenhang stehende Säurebelastung der Speiseröhren-Schleimhaut als Ursache für alle Erkrankungen an dieser Stelle gesehen. Die Untersuchungen in neuerer Zeit beschreiben allerdings auch einen Reflux aus dem Dünndarm. In einer Arbeit von Fein et. Al. (Fiberoptic Technique for 24-Hour Bile Reflux Monitoring, Digestive Deseases and Sciences, Vol. 41, No. 1, January 1996) wird dieser duodenogastrische Reflux beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass eine Korrelation zwischen duodenogastrischem Reflux und dem Auftreten von Barrett-Oesophagus besteht (Wickborn et al., On the corrosive properties of bile and pancreatic juice on living tissue, Arch. Surg. 1974; 108: 680–684 und Pera et al., Epithelial cell hyperproliferation after biliopancreatic reflux into the oesophagus of rats, Ann. Thorac. Surg. 1998; 65:779–786).
• Da bisher als Messmethode für den duodenogastrischen Reflux lediglich pH-Messung und Bilirubin-Nachweis in einer kontinu ierlichen Messmethode zur Verfügung stehen, ist dies nicht ausreichend um eine Exposition von Pankreasenzymen auf der Speiseröhren-Mucosa nachzuweisen. Bei einem Reflux aus dem Duodenum in den Magen ist davon auszugehen, dass sich der pH-Wert im Magen anhebt. Dies wurde mehrfach beschrieben. Findet unter diesen Umständen ein Reflux von Pankreasenzymen in den Magen statt, besteht eine gute Wahrscheinlichkeit, dass die Enzyme ihre Agressivität beibehalten. Erfolgt nun ein weiterer Reflux in die Speiseröhre, ist dies mit einer Veränderung auf der Mucosa verbunden und in Folge entsteht mit hoher Wahrscheinlichkeit die beobachtete Veränderung, die endlich zu Erkrankungen wie z.B. dem Barrett-Oesophaugus führen kann.
• Der blosse Nachweis von pH-Wert Veränderungen und Bilirubin-Konzentrationen genügt nicht zu einer Aussage, da beide Effekte zunächst nicht als Ursache für die Gewebsveränderungen in Frage kommen. Wünschenswert ist der direkte Nachweis des Vorhandenseins der Pankreasenzyme in der Speiseröhre.
• Einen direkten und kontinuierlichen Nachweis von Pankreasenzymen in der Speiseröhre gibt es derzeit nicht. Zur Untersuchung stehen derzeit indirekte Verfahren, die den Nachweis über einen duodeno-gastrischen und in Folge auch duodenooesophagealen Reflux dienen, also pH-Metrie und Bilirubin Monitoring zur Verfügung (Bechi et al., Long Term ambulatory enterogastric reflux monitoring – validation of a new fibreoptic technique, Dig. Dis. Sci. 38: 1297–1306, 1993; Emde et al. Technical aspects of intraluminal pH-metry in man: Current status and recommendations, Gut 28: 1177-1188,1987).
• Bei der pH-Metrie wird mittels Glas- oder Antimonsonden eine 24 h Aufzeichnung der pH-Werte in Magen und/oder Speiseröhre durchgeführt. Messwerte werden in der Regel alle 5 Sekunden gewonnen.
• Bei der Bilirubin-Messung wird mittels eines fiberoptischen Sensors das Vorhandensein von Bilirubin nachgewiesen. Auch hier werden mehrstündige Messungen durchgeführt, bei Abtastraten von in der Regel 5 Sekunden.
• Beide Methoden beschreiben den Reflux, nicht jedoch die Qualität seines Inhaltes. Zum Nachweis der Pankreasenzyme im Refluxat wird bis dato lediglich eine Probe herangezogen, die dann labortechnisch untersucht wird. Nachteile hierbei sind die zeitdiskontinuierliche Überwachung, die Belastung von Patient und Personal durch die Probenentnahme und der gleichzeitig sehr hohe finanzielle Aufwand. Ein weiterer Nachteil ist die zeitliche Diskrepanz zwischen Probenentnahme und Laborergebnis (Hostein et al., Intragastric pH monitoring is not suitable for diagnosis of duodenogastric reflux, Dig. Dis. Sci. 36: 1341–1343, 1991).
• In der DE 695 15 554 T2 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Messung von Enzymen auf Oberflächen beschrieben. Die Aktivität des Enzyms wird hierbei indirekt, über eine durch die Reaktion des Enzyms mit dem Substrat bewirkte pH – Änderung zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und der inneren Wandfläche eines dünnen Röhrchens bestimmt. Die pH-Änderung reflektiert in diesem Fall die Konzentration des Reaktionsprodukts.
• Dieses Verfahren bzw. Vorrichtung weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die einen praktischen Einsatz zur Messung von Enzymen, die sich nicht nahe an der Oberfläche, sondern beliebig in der Körperflüssigkeit befinden, sehr nachteilig auswirken.
• So kann sich der pH-Wert von Körperflüssigkeiten durch äussere Einflüsse, wie z.B. Nahrungsaufnahme drastisch ändern und damit das Messergebnis unerwünscht beeinflussen.
• Durch die Peristaltik der Speiseröhre, des Magens oder Darmtrakts ist die erforderliche exakte und konstante Platzierung des Röhrchens in situ überaus schwierig und kann nur durch Ruhigstellung der Organe erreicht werden. Dies wiederum ist mit einer Patientenbelastung verbunden und kann ambulant kaum durchgeführt werden. Da sich die Substratlösung in offenem Kontakt mit dem Körperinnerem befindet, muss zudem sicher gestellt werden, dass das Substrat keine Toxizität aufweist.
• Der notwendige Transport der Substratflüssigkeit erfordert zudem einen erheblichen technischen Aufwand, der das System störanfällig und teuer macht.
• Zudem ist das Verfahren auf den Nachweis von Enzymen beschränkt, die eine pH-Veränderung hervorrufen.
• [Aufgabe der Erfindung]
• Abgeleitet von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die auf sichere, jedoch auch einfache Art und Weise die Messung von Enzymen in der Speiseröhre und dem Intestinaltrakt von Mensch oder Tier erlaubt. Die Vorrichtung soll als Einmalteil einsetzbar sein und eine kontinuierliche Messung über einen längeren Zeitraum ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die zugehörigen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Sonde in die Speiseröhre oder den Intestinaltrakt von Mensch oder Tier eingeführt. Die Sonde besteht aus einem Sondenkörper und einem oder mehreren Sensormodulen, die ein Substrat enthalten, welches mit dem zu messenden Enzym spezifisch reagieren. Der Ablauf der biochemischen Reaktion wird hierbei derart gestaltet, dass die, durch die biochemische Reaktion bedingte Veränderung am Substrat, zu einer elektrisch oder optisch messbaren Veränderung im Sensormodul führt.
• Das Sensormodul ist in dem Sondenkörper eingearbeitet und befindet sich mit mindestens einer Oberfläche in Kontakt mit der Körperflüssigkeit der Speiseröhre oder des Intestinaltraktes. Das Sensormodul enthält an der Oberfläche oder in einer Vertiefung mindestens ein sensorisches Element, welches aus einem elektrisch leitfähigen oder optisch durchlässigen Material besteht und das mit einer Schicht von Enzymsubstrat bedeckt ist. Vorteilhafterweise befindet sich das Substrat in einer Vertiefung, die z.B. zylinderförmig oder kegelförmig ausgebildet sein kann.
• Je nach gewähltem Messverfahren kann das Sensormodul unterschiedlich gestaltet sein. Eine besonders einfache Ausgestaltung ist die Kopplung der biochemischen Reaktion mit einer elektrischen Impedanzmessung. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass bei der biochemischen Reaktion des Substrates mit dem Enzym eine Strukturveränderung des Substrates erfolgt, die zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Substrates bzw. zu einer Kapazitätsänderung führt. Beide Größen sind mittels geeigneter Elektronik messbar.
• Da Wasser bzw. wässrige Tonale Lösungen, wie sie in den Körperflüssigkeiten vorliegen, eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen und sich auch die elektrische Leitfä higkeit während der Substratumsetzung nur wenig ändert, kann man hilfsweise zur Erhöhung der Empfindlichkeit das Substrat mit Additiven versetzen, die zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit führen. Diese Additive müssen körperfreundlich sein, da sie bei der Auflösung des Substrates freigesetzt werden. Vorteilhafterweise bestehen sie daher aus Kohlenstoff, z.B. feinpulverisierte Aktivkohle oder graphitbeschichteten Glaskügelchen. Durch die Auflösung des Substrates bei Enzymangriff wird die Impedanz des Substrates erheblich geändert, so dass die Impedanzänderung mit relativ geringem elektronischen Aufwand gemessen werden kann.
• Die Sonde kann katheterförmig aufgebaut sein. In diesem Fall erfolgt die Speisung der Elektroden mit Wechselspannung als auch die Signalübertragung über ein Kabel zu einem außerhalb des Körpers befindlichen Gerät, welches die notwendige Elektronik enthält und auch die Darstellung der Messwerte ermöglicht.
• Alternativ kann die notwendige Elektronik mitsamt einer Batterie, die eine Stromversorgung sicher stellt, in der Sonde untergebracht sein. In diesem Fall kann die Sonde den Intestinaltrakt auf natürliche Weise durchwandern und die Messergebnisse per Funk nach Außen übertragen, wo die Auswertung in einem Gerät erfolgt. Auf diese Weise können Enzym-Profile über den Intestinaltrakt gewonnen werden.
• Wählt man ein optisches Auswerteverfahren, dient als Substrat als optisches Filter, dessen Transmission von der Struktur des Substrats abhängt. Auch in diesem Fall kann man den Effekt durch Zugabe von optisch absorbierenden Substanzen, wie z.B. Kohle oder physiologisch unbedenkliche Farbstoffe, den Messeffekt verstärken. Bei der Umsetzung des Substrates werden diese Substanzen freigesetzt und die Transmission über die Wegstrecke erhöht. Technisch lässt sich dies auf einfache Weise durch Messen der Transmission über eine mit der Substratmischung gefüllte Küvette, die auf der einen Seite einen Strahler, z.B. eine LED, und auf der anderen Seite einen auf die eingestrahlte Wellenlänge spezifischen Detektor enthält, realisieren. Aufgrund ihrer geringen Baugröße können LED und Detektor mitsamt einer Vorverstärkerelektronik direkt in der Sonde untergebracht werden. Über ein Sondenkabel kann die notwendige elektrische Energie zugeführt und die Messwerte an ein Auswerte- und Anzeigegerät weitergegeben werden. Die optische Strecke kann jedoch auch über eine optisch leitfähige Faser erfolgen, z.B. über zwei Stränge, wobei ein Strang das ungedämpfte Signal und der andere Strang das Signal überträgt. Lichtquelle und Detektor befinden sich in diesem Fall außerhalb der Sonde im Auswerte- bzw. Anzeigegerät. Auf diese Weise lassen sich besonders kompakte Bauformen erreichen.
• Auf dem Sensormodul können unterschiedliche sensorische Elemente aufgebracht sein. Diese können sich in der Art des Substrates unterscheiden und somit gegenüber verschiedenen Enzymen empfindlich sein. Auf diese Weise können verschiedene Enzyme gemessen werden. Auch die Geometrie der sensorischen Elemente können sich unterscheiden, um verschiedenen Fragestellungen entgegen zu kommen, z.B. wenn ein Enzym in verschiedenen Regionen gemessen werden soll und/oder unterschiedliche Aktivitäten zu erwarten sind, z.B. aufgrund unterschiedlicher Konzentrationen oder Aktivitäten, bedingt durch einen pH-Einfluss auf die Aktivität des Enzyms. Zur genaueren Bestimmung dieser Einflüsse und auch zwecks Gewinnung weiterer Erkenntnisse kann in dem Sensormodul eine pH-Sonde üblicher Bauart mit integriert werden.
• Die Fortschritte in der Entwicklung neuer elektronischer Komponenten erlauben die Messung und Analyse sehr geringer Strö me. Daher kann das Sensormodul mit den sensorischen Elementen z.B. in mikrostrukturierter Form aus Silizium gefertigt werden. Mittels Ätzverfahren können die erforderlichen Vertiefungen erzeugt werden und durch galvanische oder Vakuumbeschichtung die entsprechenden elektronischen Leiter sowie die Elektrodenflächen aufgebracht werden. Das Sensormodul kann dann in einem Gehäuse vergossen werden, um sowohl glatte Flächen zu erzielen als auch einen Elektrolytzutritt zu den elektronischen Leitern oder einem Vorverstärker zu verhindern. Durch diese Verfahren kann eine kleine Bauformen umgesetzt werden, die zu einer sehr geringen Patientenbelastung während der Dauer der Messung führt. Zudem kann durch weitgehende Automation die Herstellung vergleichsweise preiswert erfolgen.
• [Beispiel]
• 1 Träger in Katheterausführung mit sensorischem Element
• Nachfolgend sei die Funktion der Vorrichtung an einem Beispiel zur Messung von Trypsin näher erläutert. Eine Sonde (1) mit Kabel (2) aus körperverträglichem Material hat seitlich eine Aussparung (3), mit zwei in den Kunststoff eingearbeiteten Elektroden (4) aus Edelstahl, die mit Gold beschichtet sind. In der Aussparung zwischen den Elektroden befindet sich eine Mischung (5) aus einem auf Trypsin empfindlichen Protein und Kohlenstoffpartikeln. Die Elektroden weisen auf der Rückseite jeweils einen elektrischen Kontakt (6) auf, der durch die Sonde zu einem mit der Sonde fest verbundenen Kabel führt.
• Die Sonde kann mit Hilfe des Kabels in die Speiseröhre eingeführt werden. Das Kabel weist am Ende einen Stecker (7) auf, der mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden wird.
• Die Auswerteeinheit beaufschlagt die im Sensormodul befindlichen Elektroden mit einer sinusförmigen Wechselspannung fester Frequenz und misst den über die Elektroden fließenden elektrischen Strom. Der über die Elektroden fließende Strom ist eine Funktion der Elektrodenflächen, des spezifischen Widerstandes der Substratmischung, der Kapazität der Substratmischung, der Wechselstromfrequenz und der Temperatur. Solange kein Trypsin die Substratmischung verändert sind sämtliche Parameter konstant, daher wird der durch die Substratmischung fließende Strom konstant sein. Bei Anwesenheit von Trypsin wird die Struktur der Substratmischung bedingt durch den biochemischen Abbau des Proteins verändert. Diese Strukturänderung bewirkt eine zunehmende räumliche Separierung der Kohlenstoffpartikel, somit eine Änderung des elektrischen Widerstandes und auch der Kapazität der Substratmischung. Hohe Konzentrationen von Trypsin können bis zur vollständigen Auflösung der Substratmischung führen. Sowohl der elektrische Ohm'sche Widerstand als auch die Kapazitätsänderung der Substratmischung können als Messgröße herangezogen werden, wobei der zeitliche Verlauf der Meßgrößenänderung der an der Sensoroberfläche vorliegenden Aktivität von Trypsin proportional ist.

1

Sonde

2

Kabel

3

Aussparung

4

Elektroden

5

Protein und Kohlenstoffpartikel

6

elektrischer Kontakt

7

Stecker

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der Aktivität von Enzymen in der Speiseröhre und im Intestinaltrakt von Mensch oder Tier mittels einer Sonde, bestehend aus einem Sondenkörper und einem oder mehreren im Sondenkörper enthaltenen Sensormodulen, gekennzeichnet dadurch, dass das Sensormodul an der Oberfläche ein sensorisches Element enthält, welches aus einem elektrisch leitfähigen oder optisch durchlässigen Material besteht und von einem Substrat bedeckt ist, welches mit dem zu messenden Enzym reagiert, diese biochemische Reaktion zu einer Änderung der elektrischen oder optischen Eigenschaft des sensorischen Elements führt und diese Änderung gemessen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abbau des Substrats im Sensormodul eine elektrische Impedanzänderung erzeugt wird, die mit dem Abbau des Substrats korreliert, diese Impedanzänderung gemessen wird und hinsichtlich Widerstand und/oder Kapazität und/oder Phasenverschiebung ausgewertet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abbau des Substrates im Sensormodul die optische Durchlässigkeit einer Wegstrecke geändert wird und diese Änderung der optischen Durchlässigkeit gemessen wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormodule unterschiedliche Substrate enthalten und somit mehrere Enzyme gleichzeitig gemessen werden können.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormodule ein Substrat unterschiedlicher Aufbereitung enthalten und die Art der Aufberei tung die Reaktionsgeschwindigkeit des Substrats mit dem Enzym beeinflusst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Enzym Trypsin ist und ein einfaches Protein als Substrat dient.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde zusätzlich einen oder mehrere pH-Sensoren zur Messung des pH-Wertes enthält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde eine Elektronik zur Signalauswertung enthält und mittels telemetrischen Prinzips die Informationen per Funk an eine außerhalb des Körpers gelegene Auswerte- und Anzeigeeinheit weitergeleitet werden.