DE3781605T2

DE3781605T2 - Geraet zum ueberwachen von glukose.

Info

Publication number: DE3781605T2
Application number: DE8787304539T
Authority: DE
Inventors: Daniel B Wagner
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Becton Dickinson and Co
Priority date: 1986-06-26
Filing date: 1987-05-21
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2007-05-22
Also published as: AU7118787A; EP0251475B1; NZ219926A; AU608510B2; DE3781605D1; US4981779A; BR8702607A; GR3005651T3; ES2035053T3; MX170234B; JPH06104080B2; EP0251475A1; CA1300395C; JPS637799A

Description

Die Erfindung betrifft die Überwachung der Glucosekonzentration, und insbesondere einen implantierbaren Glucosesensor zum Erfassen oder Quantisieren einer erhöhten Glucosekonzentration in einer Körperflüssigkeit.
Bei mehr als 5 Millionen Amerikanern ist Diabetes diagnostiziert. Schätzungsweise weitere 5 Millionen leiden an nicht diagnostizierter Diabetes. Diabetes ist eine chronische Stoffwechselkrankheit. Sie äußert sich durch krankhafte Veränderung der Blutgefäße, der Nieren, der Retina und des Nervensystems. Sie ist gekennzeichnet durch anomalen Stoffwechsel von Kohlehydraten, Proteinen und Fetten im Körper. Kohlehydrate werden normalerweise im Darm zu Glucose verdaut. Die Glucose wird in den Kreislauf absorbiert und zu den meisten Körperzellen transportiert, wo sie als Hauptenergiequelle dient. Bei einer Form der Diabetes kann die Glucose nicht in normaler Menge für die Speicherung oder Verwendung von Energie in den Leber-, Muskel- und Fettzellen gelangen. Sie reichert sich daher in dem Blut und dem Urin an. Abnorm hohe Blutglucosewerte können zu einer Anreicherung toxischer, ketonischer Stoffwechselprodukte führen, deren Folge oft Koma und Tod sind.
Normalerweise beträgt die Glucosekonzentration im Blutstrom etwa 0,8 bis 1,0 mg/ml. Sie wird durch von der Pankreas abgegebene Hormone in diesem engen Bereich gehalten. Dies geschieht durch durchgängiges Erfassen und Korrigieren der Glucosekonzentration von einem Zeitpunkt zum andern. Wenn die Glucosekonzentration im Blutstrom über den normalen Bereich steigt wird Insulin freigesetzt. Das Insulin bewirkt einen Metabolismus der Glucose, wodurch die Konzentration sinkt. Wenn die Glucosekonzentration unter den Normalbereich fällt, wird Glucogen freigesetzt, um die Konzentration wieder zu normalisieren. Der pathologische Zustand der Diabetes ist in erster Linie auf eine längere Hypoglykämie zurückzuführen, die von verminderter Insulinproduktion oder -freisetzung herrührt.
Viele Diabetiker behandeln Ihre Krankheit ausschließlich durch Diät und Gewichtskontrolle. Andere brauchen medikamentöse Behandlung, in erster Linie Insulin oder ein orales Hypoglykämie-Präparat, um die Butglucosekonzentrationen zu überwachen. Orale Anwendung von Insulin ist nicht praktikabel, weil es durch proteolytische Enzyme im Gastro-Intestinal-Trakt zersetzt wird. Eine Injektion von Insulin gewährleistet nur teilweise Behandlung der degenerativen Effekte der Diabetes, weil periodische Injektionen offensichtlich den wegen der sich ändernden Blutglucosekonzentration wechselnden metabolischen Anforderungen nicht ausreichend entsprechen. Aus diesem Grunde sind viele Verfahren zum schnellen und genauen Bestimmen der Blutglucosekonzentration vorgeschlagen worden.
Bekannte Glucosemeßsysteme basieren im wesentlichen auf der Oxidation von Glucose durch Sauerstoff unter Anwesenheit von Glucoseoxydase. Die US-Patente 4,452,887 für Kitajina et al sowie 4,390,621 und 4,460,684 für Bauer zeigen beispielhaft ein chromogenes System, bei dem während der Oxidation erzeugtes Wasserstoffperoxid ein Substrat unter Anwesenheit von Peroxidase oxidiert, um eine sodann ermittelte Farbe zu erzeugen.
Die Umwandlung der chemischen Energie der Oxidationsreaktion in elektrische Energie, welche dann an Elektroden bestimmt wird, ist Gegenstand der US-Patente Nr. 4,392,933 für Nakamura et al, 4,436,094 für Cerami, 4,431,004 für Bessman et al und 4,317,817 für Busby.
Cerami offenbart in dem US-Patent Nr. 4,330,299 ein Indikatorelement, wie etwa einen Farbstoff, als Teil eines ein Kohlehydrat oder ein Lecitin enthaltenden Komplexes. Der Indikator bleibt unerfaßt bis er durch Glucose direkt proportional zu der Glucosekonzentration von dem Komplex abgelöst wird.
Boehringer Mannheim Diagnostics (Indianapolis, IN) brachte vor kurzem ein in vitro-Überwachungssystem für Blutglucose auf der Grundlage von Enzymen auf den Markt (Accu-Chek Chemstrip bG ). Die Ablesung erfolgt kalorimetrisch oder fotoelektronisch.
Es sind Sonden mit optischen Fasern für die Bestimmung des Sauerstoffdrucks in einer Körperflüssigkeit beschrieben worden. In dem US-Patent Nr. 4,476,870 beschreiben Peterson et al eine implantierbare Einrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einem Blutstrom auf der Grundlage der Sauerstoffauslöschung bei der Fluoreszenz.
Das US-Patent 4,399,099 für Buckles beschreibt eine Doppellichtfaser-Einrichtung zur Verwendung bei einem Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration. Sauerstoffdurchlässige, einen sauerstofflöschbaren fluoreszierenden Farbstoff enthaltende Lagen umgeben optische Fasern. Eine der Lagen enthält Glucoseoxidase. Das Enzym oxidiert Glucose und senkt dadurch die Sauerstoffkonzentration, die durch die verminderte Löschung der Fluoreszenzemission von dem Farbstoff erfaßt wird.
Bisher offenbarte Verfahren und Geräte zur Glucosebestimmung sind alle unzulänglich im Hinblick auf unzureichende Genauigkeit, Geschwindigkeit oder auf Anwendung bzw. Verwendung von Methoden oder Einrichtungen, die ungeeignet für ein implantierbares Gerät sind. Es bleibt die absolute Notwendigkeit für ein einfaches und genaues Verfahren zur Glucosebestimmung mit einem kleinen, leichten und kompakten Gerät. Die Erfindung ist auf die Erfüllung dieser Notwendigkeit gerichtet.
Die Erfindung ist generell auf ein Verfahren zum Erfassen einer von einer Sollkonzentration abweichenden Glucosekonzentration in einer Körperflüssigkeit in vivo oder in vitro gerichtet. Ein fluoreszierender Farbstoff, dessen Fluoreszenzemission von der Sauerstofflöschung abhängt so daß die Emission in Abwesenheit von Sauerstoff maximal ist, wird mit aktiver Glucoseoxydase konjugiert. Der mit aktiver Glucoseoxydase konjugierte Farbstoff wird nachstehend Testfarbstoff genannt. Das Farbstoff-Enzym-Konjugat wird in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit immobilisiert.Glucose in der Flüssigkeit wird an dem aktiven Enzym unter Aufnahme von Sauerstoff oxidiert. Die Sauerstoffkonzentration an dem Farbstoff wird dadurch umgekehrt proportional zu dem Grad der Oxidation und mithin auch zur Glucosekonzentration reduziert. Eine Bestrahlung des Farbstoffs mit Anregungslicht bewirkt Fluoreszenzemission, die gemessen wird. Die Größe der Emission ist umgekehrt proportional zur Sauerstoffkonzentration an dem Farbstoff und somit direkt proportional zur Glucosekonzentration in der Flüssigkeit.
Der Farbstoff kann auch mit nicht aktivierter Glucoseoxydase konjungiert werden. Er ist nachstehend mit Kontrollfarbstoff bezeichnet. Dieses Konjugat wird ebenfalls in Kontakt mit der Körperflüssigkeit immobilisiert. Die Glucose in der Flüssigkeit wird nicht durch das inaktive Enzym oxidiert, weshalb die Sauerstoffkonzentration an dem Kontrollfarbstoff unverändert bleibt. Mithin findet keine Löschung statt und die Größe der Fluoreszenzemission von dem Kontrollfarbstoff bleibt konstant, unabhängig von der Änderung der Glucosekonzentration. Sie stellt einen Grundkontrollwert für den Vergleich mit der Größe der Emission von dem Testfarbstoff dar, die sich proportional zur Glucosekonzentration ändert. Wenn die Emission von dem Testfarbstoff größer als diejenige von dem Kontrollfarbstoff ist, wird eine erhöhte Glucosekonzentration in der Flüssigkeit angezeigt.
Das Verfahren kann ebenfalls zur Quantifizierung der Glucosekonzentration in der Körperflüssigkeit angewendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Größe der Fluoreszenzemission von dem Testfarbstoff mit der Größe der Emission verglichen werden, die dann gemessen wird, wenn die Flüssigkeit eine vorbestimmte Glucosemenge beinhaltet. Die Emission von mehreren, vorbestimmte Glucosemengen enthaltenden Flüssigkeiten kann zur Gewinnung einer Standardkurve gemessen werden, die die Glucosekonzentration in der Flüssigkeit zu der Größe der Fluoreszenzemission in Beziehung setzt.
Die Erfindung schafft ein Glucose-Überwachungsgerät. Die beiden konjugierten Stoffe weisen, wie vorstehend beschrieben, aktive und inaktive Enzyme auf. Sie werden auf die Oberflächen separater optischer Fasern zum Einsetzen in die zu untersuchende Flüssigkeit aufgebracht. Das Gerät schließt eine geeignete Anregungslichtquelle sowie einen geeigneten Detektor für die Fluoreszenz-Emission ein. Das Anregungslicht durchläuft die Fasern, regt die Farbstoffe an und induziert Fluoreszenz- Emission, die durch die Fasern zurückkehrt. Dort wird sie durch den Detektor erfaßt.
Das bevorzugte Gerät weist vier Fasern auf, zwei für die Leitung des Anregungslichts von der Lichtquelle zu den Farbstoff-Konjugaten sowie zwei für die Leitung der Fluoreszenz- Emission von den Farbstoff-Konjugaten zu dem Detekor. Das am meisten bevorzugte Gerät weist zwei Paare konzentrischer Fasern auf und verwendet eine lichtemittierende Diode (LED) als Lichtquelle sowie eine Fotozelle als Detektor. Ein Paar Fasern ist mit aktivem Enzym-Farbstoff-Konjugat beschichtet. Ferner ist es mit einer glucosedurchlässigen Membran beschichtet. Der Farbstoff in diesem Konjugat dient als Testfarbstoff. Das andere Paar ist ebenfalls mit aktivem Enzym-Farbstoff-Konjugat beschichtet, ferner jedoch mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran, die glucoseundurchlässig ist, so daß das Enzym tatsächlich inaktiv gehalten wird und sein Farbstoff als Kontrollfarbstoff dient. Eine Faser in jedem Paar leitet Anregungslicht zu dem Konjugat. Die andere Faser in jedem Paar leitet Fluoreszenz-Emission von dem Konjugat zu dem Detektor.
Gemäß der Erfindung kann somit eine erhöhte Glucosekonzentration in einer Körperflüssigkeit in vivo oder in vitro erfaßt oder quantisiert werden, und zwar durch ein Verfahren unter Verwendung eines Glucoseüberwachungsgeräts. Das Gerät verwendet kovalent mit einem fluoreszierenden Farbstoff konjugierte Glucoseoxydase, wodurch der Farbstoff und das Enzym nahe beieinander sind, so daß die lokale Sauerstoffkonzentration am Ort der Enzymreaktion mit außerordentlicher Genauigkeit bestimmt werden kann. Das Gerät schließt eine optische Faser ein, die sehr dünn und flexibel sein kann. Dadurch ergeben sich Vorteile für den Komfort und die Sicherheit im Hinblick auf ein Einsetzen in die Körperflüssigkeit durch die Haut. Die LED und die Fotozelle des bevorzugten Geräts sind klein und leicht und können einfach zu einer simplen und preisgünstigen Einheit zusammengesetzt werden, die entweder implantiert oder außen auf der Körperoberfläche getragen werden kann. Sie kann gewünschtenfalls in Verbindung mit einem Insulinspendesystem verwendet werden. Aufgrund dieser und anderer Merkmale kann das erfindungsgemäße Gerät einfach und sicher bei ambulanten Patienten verwendet werden.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Geräts nach der Erfindung, wobei zwei optische Fasern verwendet werden;
Fig. 2 zeigt eine Vertikalschnittansicht des Gerätes nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2;
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Geräts, wobei vier optische Fasern verwendet werden;
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Geräts, wobei konzentrische optische Fasern verwendet werden;
Fig. 5 zeigt eine Horizontalschnittansicht des Gerätes nach Fig. 4 entlang der Linie 5-5; und
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Geräts, ähnlich dem Gerät nach Fig. 4, wobei mit Membranen beschichtete Enzymkonjugate verwendet werden.
Wenngleich die Erfindung durch Ausführungsbeispiele in vielen unterschiedlichen Formen verwirklicht werden kann, sind nachstehend bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Dabei wird davon ausgegangen, daß die vorliegende Offenbarung als exemplarisch für die Prinzipien der Erfindung anzusehen und nicht als Beschränkung der Erfindung auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele gedacht ist. Der Umfang der Erfindung mißt sich an den beiliegenden Ansprüchen und ihrer Äquivalente.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum durchgängigen Überwachen von Glucose in einer Körperflüssigkeit basiert auf der wohlbekannten Oxidations-Wandlung von Glucose in Glucolsäure, katalysiert mittels Glucoseoxydase. Wenn Glucose oxidiert wird, bewirkt der Verbrauch von Sauerstoff eine Abnahme der lokalen Sauerstoffkonzentration in dem aktiven Bereich des Enzyms. Diese Abnahme ist proportional zur Glycosekonzentration und kann durch Fluoreszenzemission von einem mit dem Enzym konjugierten Farbstoff erfaßt werden. Glucoseoxydase ist ein wohlbekanntes und wohldefiniertes Enzym und ist kommerziell erhältlich, beispielsweise von Sigma Chemical Co. Saint Louis, Missouri.
Der mit dem Enzym zu konjugierende Farbstoff kann jeder fluoreszierende Farbstoff sein, der auf die Löschung seiner Fluoreszenzemission durch Sauerstoff reagiert. Solch ein Farbstoff fluoresziert mit maximaler Intensität wenn kein Sauerstoff anwesend ist. Die Intensität seiner Fluoreszenz-Emission sinkt umgekehrt proportional zu der Sauerstoffkonzentration in der unmittelbaren Nachbarschaft des Farbstoffs. Solche Farbstoffe sind vorzugsweise hydrophobe Fluoreszenz-Farbstoffe mit starker Absorption in dem sichtbaren Teil des Spektrums. Beispiele solcher Farbstoffe, die nicht einschränkend zu verstehen sind, sind die in der genannten Patentschrift für Peterson et al aufgeführten Farbstoffe, vorzugsweise Perylendibutyrat und weiter bevorzugt Fluoranthren.
Die Konjugation des Farbstoffs mit dem Enzym kann durch jedes herkömmliche Verfahren erfolgen. Beispielsweise durch kovalentes Anbinden aktiver funktioneller Gruppen an dem Farbstoff und dem Enzym. Die funktionellen Gruppen können direkt angebunden werden, wie in einer Amidanbindung zwischen Amino- und Carboxyl-Gruppen. Sie können aber auch durch Verbindungsgruppen angebunden werden, die eine Komponente an eine Carboxyl-Gruppe auf der anderen Komponente binden, beispielsweise Amino-, Hydroxyl- oder Sulfohydryl-Gruppen. Eine geeignete Verbindungsgruppe kann beispielsweise eine Methylenkette mit 1 bis 6 Stickstoffatomen sein, wobei dies nicht als Einschränkung zu verstehen ist. Gewünschtenfalls kann die Technik der Affinitätskonzentration verwendet werden, um den Farbstoff nahe des aktiven Gebietes des Enzyms zu konjugieren. Das Verhältnis von Farbstoffmolekülen zu Enzymmolekülen in dem Konjugat ist nicht kritisch. Es ist jedoch vorzugsweise möglichst hoch, damit das Emissionssignal so stark wie möglich ist. Das Koppeln von Enzymen und Farbstoffen, einschließlich der Affinitätskonzentration ist aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Weitere Details in dieser Hinsicht sind daher für ein vollständiges Verständnis der Erfindung nicht erforderlich.
Das Farbstoff-Enzym-Konjugat wird auf einem festen Träger immobilisiert in die Körperflüssigkeit derart eingebracht, daß das Enzym Glucose in der Flüssigkeit kontaktiert. Der Farbstoff wird mit Anregungslicht bestrahlt und die Fluoreszenz-Emission davon wird erfaßt. Es kann jedes beliebige Trägermaterial verwendet werden, das nicht mit der Flüssigkeit reagiert oder mit der Oxidationsreaktion oder dem Fluoreszenz -Erfassungssystem interferiert. Beispiele für solche Träger sind Glas und Kunststoffe, wie etwa Polyäthylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polytetrafluoräthylen.
Ein besonders bevorzugter Träger ist eine optische Faser. Zusätzlich zu ihrer Funktion als Träger für die Immobilisation des Konjugats dient sie auch als Einrichtung zum Hinführen von Anregungslicht zu dem Farbstoff sowie als Leiter der Fluoreszenz-Emission von dem Farbstoff. Optische Fasern dienen als Leitungen zum Übertragen von Licht. Sie sind aus transparentem Werkstoff, wie etwa Glas, und sind derart ausgelegt, daß nur wenig Licht über ihre Seitenwände austreten kann. Eine umfassende Diskussion optischer Fasern wird von D.M. Considine et al in "Encyclopedia of Chemistry", Van Nostrand Reinhold, (1984) Seite 645, gegeben.
Das Farbstoff-Enzym-Konjugat kann auf einem Segment der optischen Faser aufgebracht werden, um mit der Körperflüssigkeit in Kontakt zu kommen. Alternativ kann das Konjugat auf einem festen Träger, wie oben beschrieben, aufgebracht werden, wobei die optische Faser in engen Kontakt mit dem Konjugat auf dem Träger derart gebracht wird, daß die Faser passierendes Licht von dem Farbstoff absorbiert wird. Fluoreszenz-Emission von dem Farbstoff läuft zurück durch die Faser, wobei ihre Intensität mit einem Detektor gemessen wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Fluoreszenzintensität von dem Testfarbstoff direkt proportional zu der Glucosekonzentration der Flüssigkeit. Um festzustellen, daß bzw. ob die Intensität der Emission von dem Testfarbstoff eine erhöhte Glucosekonzentration in der Flüssigkeit anzeigt, kann ein Grundwert der Fluoreszenz-Emission von dem Kontrollfarbstoff festgelegt werden, und zwar vorzugsweise gleichzeitig. Eine zweite optische Faser kann nur mit Farbstoff beschichtet sein, wobei die Farbstoffmenge im wesentlichen dieselbe ist wie bei der Konjugation zu dem Enzym. Das Hindurchtreten von Anregungslicht durch diese zweite optische Faser regt den Farbstoff dazu an, Fluoreszenz zu emittieren, die unabhängig von der Glucosekonzentration und damit ein Maß für die umgebende Sauerstoffkonzentration ist. Ist die Intensität der Emission von dem Testfarbstoff größer als die von dem Kontrollfarbstoff, wird ein erhöhter Glucosewert in der Flüssigkeit angezeigt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Grundwert der Fluoreszenz- Emission von dem Kontrollfarbstoff mit einem zweiten Farbstoff- Enzym-Konjugat gewonnen werden. Das zweite Konjugat kann genauso hergestellt werden, wie das erste Konjugat, außer daß inaktive Glucoseoxydase verwendet wird. Das Enzym kann inaktiv gehalten werden, d.h. unfähig zur Katalyse der Oxidation von Glucose, und zwar entweder vor oder nach der Anbindung an den Farbstoff. Verfahren zur Inaktivierung von Enzymen gehören zur Routine, sind Fachleuten wohlbekannt und bilden keinen Teil der Erfindung.
Am meisten bevorzugt ist es, das inaktive Enzym-Farbstoff-Konjugat durch Beschichten einer aktiven Enzym-Farbstoff- Konjugation mit einer Membran herzustellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein auf einer ersten Faser immobilisiertes aktives Enzym-Farbstoff- Konjugat mit einer selektiven Membran beschichtet, die für Moleküle der Größe von Glucose und kleiner permeabel ist. Eingesetzt in die Körperflüssigkeit läßt diese Membran Glucose hindurchtreten und das Konjugat kontaktieren, wo es oxidiert wird. Mithin ist der Farbstoff in diesem Konjugat der Testfarbstoff, wobei die Fluoreszenz-Emission davon für die Glucosekonzentration steht. Ein Konjugat auf einer zweiten Faser ist mit einer selektiven Membran beschichtet, die nur für Moleküle mit der Größe von Sauerstoff oder kleiner permeabel ist. Da Glucosemoleküle größer als Sauerstoffmoleküle sind, kann die Glucose in der Körperflüssigkeit dieses zu oxidierende Konjugat nicht erreichen, so daß dessen Enzym tatsächlich inaktiviert ist. Sauerstoff kann hingegen das Konjugat erreichen, wodurch ein Maß für die umgebende Sauerstoffkonzentration gegeben ist. Mithin ist der Farbstoff in diesem Konjugat der Kontrollfarbstoff. Ein Vergleich der Intensitäten der Fluoreszenz-Emission von den beiden Farbstoffen zeigt gemäß den vorstehenden Beschreibungen, ob die Flüssigkeit einen erhöhten Glucosewert aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu ausgelegt werden, die Glucosekonzentration in einer Körperflüssigkeit zu quantifizieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Intensität der Fluoreszenz-Emission von dem Testfarbstoff bestimmt und mit derjenigen Intensität der Emission verglichen, die bestimmt wird, wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf eine Körperflüssigkeit mit einer vorbestimmten Glucosekonzentration angewendet wird. Nach diesem Ausführungsbeispiel verwendet die Erfindung eine Standardkurve, die die Intensität der Fluoreszenz-Emission, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Gerät bestimmt worden ist, mit der Glucosekonzentration in Beziehung setzt. Nach diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann die Glucosekonzentration beispielsweise in dem Blut eines Diabetikers dadurch bestimmt werden, daß lediglich die Intensität der Fluoreszenz des Testfarbstoffs in der Standardkurve aufgesucht und die entsprechende Glucosekonzentration abgelesen wird.
Nach der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Geräts zur Überwachung der Blutclucose anhand der Figuren beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Glucose-Überwacher 10 mit optischen Fasern 12 und 14, die jeweils einen Seitenwandabschnitt 16 bzw. 17 und einen Bodenabschnitt 18 bzw. 19 aufweisen. Der Bodenabschnitt 18 der optischen Faser 12 weist eine Beschichtung eines Konjugats 20 einer aktiven Glucoseoxydase, konjugiert mit fluoreszierendem Farbstoff (Testfarbstoff) auf. Der Bodenabschnitt 19 der optischen Faser 14 ist mit einem Konjugat 21 einer inaktiven Glucoseaxydase, konjugiert mit fluoreszierendem Farbstoff (Kontrollfarbstoff) beschichtet. Alternativ kann Bezugszahl 21 für den Kontrollfarbstoff unkonjugierten fluoreszierenden Farbstoff bezeichnen, d.h. daß das Enzym fehlt. Pfeile 22 stehen schematisch für Anregungslicht, das die Fasern 12 und 14 von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) kommend abwärts passiert, wo es von den Farbstoffen absorbiert und davon als Fluoreszenz- Emission 24 emittiert wird. Die Emission 24 kehrt durch die Fasern 12 und 14 in Aufwärtsrichtung zurück und wird von einem Detektor (nicht gezeigt) gemessen.
Fig. 2 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Gerätes nach Fig. 1 nach dem Einsetzen in eine Körperflüssigkeit 26, die in der Figur als Blutstrom dargestellt ist. Die optischen Fasern 12 und 14 sind von einer Umkleidung 27 umgeben dargestellt, die die Fasern trennt und Leckage von Licht durch die Seitenwandabschnitte 16 und 17 unterbindet. Es kann jedes Umkleidungsmaterial verwende werden, das in der optischen Fasertechnik üblich ist, wie etwa Kunststoff oder Glas mit einem Brechungsindex unterhalb demjenigen des lichtleitenden Kerns der Faser.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Geräts, bei dem jeweils zwei Fasern für den Testfarbstoff und den Kontrollfarbstoff verwendet werden. In den Fig. 3 bis 6 sind den in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Elementen identische Elemente mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Entsprechende Elemente tragen dieselben Hauptbezugszahlen, gefolgt von einem unterscheidenden Suffix (Buchstabe).
Nach Fig. 3 ist ein in Form einer Scheibe 28 gezeigter starrer Träger auf seiner Oberseite 30 mit einem aktiven Glucoseoxydase-Fluoreszenzfarbstoff-Konjugat 20 beschichtet. Eine Scheibe 28a ist auf ihrer Oberseite 30a mit einem inaktiven Glucoseoxydase-Fluoreszenzfarbstoff-Konjugat 21 beschichtet. Die Scheiben 28 und 28a sind vorzugsweise aus porösem Kunststoff, wie etwa Polystyrolschaum, wodurch die Körperflüssigkeit frei passieren kann. An den Scheiben 28 und 28a sind optische Fasern 12a, 12b, 14a und 14b angebracht, so daß deren Bodenabschnitte 18 bzw. 19 in engem Kontakt mit den konjugierten Beschichtungen 20 bzw. 21 stehen. Anregungslicht 22 von der Lichtquelle gelangt die Fasern 12a und 14a hinunter und trifft auf die Konjugate 20 und 21 in Kontakt mit der Körperflüssigkeit 26 in den porösen Scheiben 28 bzw. 28a, wo es durch den fluoreszierenden Farbstoff absorbiert und als Fluoreszenz-Emission 24 emittiert wird. Die Emission 24 gelangt durch die Fasern 12b und 14b zu dem (nicht gezeigten) Detektor nach oben.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Gerätes mit konzentrischen Fasern. Das aktive Enzym-Farbstoff-Konjugat 20 und das inaktive Enzym- Farbstoff-Konjugat 21 sind auf die Oberseiten 30 bzw. 30a der porösen starren Träger 28 bzw. 28a aufgebracht. Die optischen Fasern 12a und 14a haben Abmessungen, die es erlauben, daß sie sich innerhalb hohler optischer Fasern 32 und 32a befinden. Die Fasern 12a und 14a sowie 32 und 32a sind durch Schichten eines Umkleidungswerkstoffs 27 getrennt, vgl. Horizontalschnitt in Fig. 5.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiels des Geräts, bei dem die Konjugate mit Membranen beschichtet sind. Konzenrische optische Fasern 12a und 32 sind auf ihren Unterseiten 30 mit dem aktiven Enzym-Farbstoff-Konjugat 20 beschichtet. Die Beschichtung des Konjugats 20a wiederum ist mit einer Membran 34 beschichtet, die für Glucose und Moleküle kleiner als Glucose permeabel ist, so daß deren Farbstoff als Testfarbstoff dient. Konzentrische optische Fasern 14a und 32a sind in gleicher Weise an ihren Unterseiten 30a mit dem aktiven Konjugat 20 beschichtet, das wiederum mit einer Membran 36 beschichtet ist. Letztere ist nur für Moleküle mit der Größe von Sauerstoff und kleiner permeabel, so daß deren Farbstoff als Kontrollfarbstoff dient.
Es versteht sich, daß die in Fig. 4 gezeigten Haltescheiben 28 und 28a in den Geräten nach den Fig. 1 oder 6 Anwendung finden können. In gleicher Weise können die Membranen 34 und 36 nach Fig. 6 auf jedes andere beschriebene Ausführungsbeispiel angewendet werden. Die Erfindung umfaßt diese und andere Modifizierungen des Geräts, das eine Glucoseüberwachung nach den Prinzipien des hier beschriebenen Verfahrens ermöglicht.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Beschreibung der Erfindung, sind jedoch in keinster Weise als Beschränkung anzusehen.
Zusammengefaßt schafft die Erfindung ein System, das ein Verfahren und ein Gerät zum Überwachen von Glucose in einer Körperflüssigkeit, vorzugsweise durchgängig, schafft. Das Verfahren basiert auf der Oxidation von Glucose durch Glucoseoxydase, wobei der Grad der Oxidation proportional zur Glucosekonzentration ist. Die Oxidationsreaktion führt zur Verarmung von Sauerstoff in dem aktiven Gebiet des Enzyms, wobei die verminderte Sauerstoffkonzentration erfaßt und durch Veränderungen in der Fluoreszenzintensität gemessen wird, die zur Sauerstoffkonzentration proportional sind. Das System kann entweder in vitro oder in vivo verwendet werden und ist insbesondere geeignet für Blutglucosebestimmungen. Wenn es in vivo zum Überwachen der Glucosekonzentration in dem Blutstrom eines Diabetikers verwendet wird, kann das System in Verbindung mit einem Insulinspendesystem verwendet werden. Es kann leicht zur ambulanten Behandlung ausgelegt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen der Glucosekonzentration in einer Körperflüssigkeit, mit

a) einer ersten lichtübertragenden Einrichtung (12), auf der ein erstes, ein Konjugat (20) von aktiver Glucoseoxidase und fluoreszierendem Farbstoff enthaltendes Material immobilisiert ist, wobei Emission von dem Farbstoff von Sauerstofflöschung abhängig ist,

b) einer zweiten lichtübertragenden Einrichtung (14), auf der ein zweites, ebenfalls den genannten fluoreszierenden Farbstoff enthaltendes Material immobilisiert ist,

c) einer Einrichtung zum Bestrahlen des ersten Materials durch die erste lichtübertragende Einrichtung und des zweiten Materials durch die zweite lichtübertragende Einrichtung mit Anregungslicht und

d) einer Einrichtung zum Erfassen der Fluoreszenzemission von dem ersten Material durch die erste lichtübertragende Einrichtung und von dem zweiten Material durch die zweite lichtübertragende Einrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste lichtübertragende Einrichtung eine erste Leitung mit einer ersten und einer zweiten optischen Faser umfaßt, wobei das erste Konjugat darauf immobitisiert ist, und bei der die zweite lichtübertragende Einrichtung eine zweite Leitung mit einer dritten und einer vierten optischen Faser umfaßt wobei ein zweites, inaktive Glucoseoxidase und den fluoreszierenden Farbstoff umfassendes Konjugat darauf immobilisiert ist, wobei die Einrichtung zum Bestrahlen mit Anregungslicht eine mit dem ersten Konjugat durch die erste Faser und mit dem zweiten Konjugat durch die dritte Faser in Anregungslicht übertragender Verbindung stehende Lichtquelle umfaßt und die Erfassungseinrichtung einen mit dem ersten Konjugat durch die zweite Faser und mit dem zweiten Konjugat durch die vierte Faser in Fluoreszenz-Emission übertragender Verbindung stehenden Detektor umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Detektor eine Fotozelle ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das erste Konjugat mit einer glucosedurchlässigen Membran beschichtet ist und das zweite Konjugat mit einer zwar sauerstoffdurchlässigen, jedoch glucoseundurchlässigen Membran beschichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der fluoreszierende Farbstoff Perylendibutyrat oder Fluoranken ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Glucoseoxidase kovalent mit dem fluoreszierenden Farbstoff konjugiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Glucoseoxidase mit dem Farbstoff über eine Verbindungsgruppe konjugiert ist.