JP2004507283A - Hydrogel biosensor and health alarm system based on biosensor (HYDROGELBIOSENSORANDBIOENSENSOR-BASEDHEALTHALARMSYSTEM) - Google Patents
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Abstract
バイオセンサ(10)は、剛性を有すると共に好ましくは生体適合性を有するエンクロージャ(20)中にヒドロゲルを有する。ヒドロゲル(30)は、固定化アナライト結合分子(ABM)及び固定化アナライトを含む。固定化アナライトは、競争的に遊離アナライトと結合し、ヒドロゲル(30)の架橋結合数を変化させる。従って、限られた空間中で遊離アナライト濃度に比例してヒドロゲル膨潤傾向(従って、浸透圧)を変化させる。圧力トランスデューサ(4)によってヒドロゲルの圧力変化を測定することにより、バイオセンサ(10)は従来のバイオセンサが有する酸素による限界や干渉の問題を伴わずに、遊離アナライト分子の濃度を正確に測定することができる。 バッテリ(64)によって駆動されるテレめータ(60)は、 作動可能に圧力トランスデューサ(40)に結合され、コンピュ−タ(62)に作動可能に取り付けられた警報システムを有する受信装置(66)に無線データ信号を送る。更に、アラームシステムは、このようなセンサを利用して、アナライトレベルが所定のパラメータの範囲外であることを自動的に通知し、有害なアナライトレベルに対し自動的に剤を注入する。The biosensor (10) has a hydrogel in a rigid and preferably biocompatible enclosure (20). The hydrogel (30) includes an immobilized analyte binding molecule (ABM) and an immobilized analyte. The immobilized analyte competitively binds the free analyte and changes the number of cross-links in the hydrogel (30). Thus, in a limited space, the hydrogel swelling tendency (and thus the osmotic pressure) is changed in proportion to the free analyte concentration. By measuring the pressure change of the hydrogel with the pressure transducer (4), the biosensor (10) accurately measures the concentration of free analyte molecules without the problems of oxygen limitation and interference of conventional biosensors. can do. A telemeter (60) driven by a battery (64) is operably coupled to the pressure transducer (40) and has a receiver (66) having an alarm system operably mounted on the computer (62). ) To send a wireless data signal. In addition, the alarm system utilizes such sensors to automatically signal that the analyte level is outside a predetermined parameter range and to automatically inject medication for harmful analyte levels.
Description
【0001】
[発明の背景]
政府の権利について言うこと
本発明は、合衆国国立衛生研究所により助成金/認可番号R43DK55958されたものであり、合衆国は本発明に関し一定の権利を有する。
【0002】
[発明の属する技術分野]
本発明は、一般に液体中の遊離アナライト分子(free analyte molecules)の濃度を測定するためのヒドロゲルバイオセンサ(biosensors utilizing hydrogels)に関し、より詳細には、 患者の体内に設置され、選択されたアナライト(selected analyte)を間断なくモニタすることができる埋め込み可能なバイオセンサに関する。本発明は、またバイオセンサがアラーム装置に連結されており、患者の体液中に起こるアナライトレベルの有害な変化や患者の健康状態の他の好ましくない変化を患者自身又は(及び)患者の世話人に警告を与えるための健康アラームシステムに関する。
【0003】
[関連技術の記述]
過去十年間、糖尿病のような疾患の合併症の予防の補助として、アナライトモニタリングバイオセンサ(analyte monitoring biosensors)の開発への努力が傾注されてきた。アナライトに特異的で且つインビボにおいてアナライトレベルを正確に、連続的にモニターするための十分な特殊の感度を有する埋め込み可能なアナライトセンサの開発されれば、著しい進歩となろう。このようなセンサによって、患者のアナライトレベルに関するテータの収集、及び生化学の研究が非常に容易になる。
【0004】
臨床現場におけるグルコースのようなアナライト分析の目的で、電気化学的原理の基づき、グルコースオキシダーゼ(GOD)等の酵素を利用する類種の埋め込み可能な新技術が開発されている。電気化学的トランスデューサ(transducers)に基づき、埋め込むことも潜在的に可能なアナライトバイオセンサの開発が最も進んでおり、この種のセンサはポテンショメトリックセンサ(potentiometric sensors), コンダクトメトリックセンサ(conductometric sensors)及びアンペロメトリックセンサ (amperometric sensors)に更に分類される。
【0005】
現在、ポテンショメトリーに基づく方法もコンダクトメトリーに基づく方法も、インビボにおけるアナライトモニタリングに適しているとは思われない。その理由は、(a)生理学的環境におけるアナライト以外の種による干渉及び (b) 低感度と信号のアナライト濃度に対する 対数的依存性である。埋め込まれたアナライトセンサは、経時的に再較正する必要があることから、該信号のアナライト濃度への依存性は、直線的であることが非常に望ましい。しかし、非直線的な較正曲線であっても、マイクロプロセッサを用いることで合理的に取り扱うことができる。
【0006】
インビボモニタリング用の最も進んだアナライトセンサは、 過酸化水素 を感知するために用いるアンぺロメトリー法と共に、アナライトと反応させ過酸化水素が生ずる酵素が固定化されているヒドロゲルを含む電気化学的センサである。この技術で直線的な較正曲線が提供可能である。アンペロメトリー法においては、電極表面への過酸化水素(H2O2)の拡散フラックス(diffusional flux)に比例する電流を生じる電極、ないしは、酸素(O2)の拡散フラックスに比例する電流を生じる電極を使用する。 周囲のアナライト濃度の増加によって、膜へのアナライトの拡散フラックスが増加し、膜内の反応速度が増加する。酵素の反応速度の増加によって、膜内の過酸化水素の局所的濃度が増加し、酸素濃度は減少する。これにより、過酸化水素ベース電極センサにより検出される電流が増加し、又は酸素ベース電極センサにより検出される電流が減少する。酸素フラックスの検出に基づく後者のアプローチでは、酸素を含まないヒドロゲルに設置された第二の酸素ベース電極センサも必要となる。この第二の電極は参照電極として用いる。
【0007】
しかし、アンペロメトリックセンサが、インビボモニタリングに有用な物として商業化されるためには、超えなければならないハードルが幾つかある。現行のアナライトセンサの設計では、近い将来における困難な諸問題を解決されそうもない。第一のハードルは、電気化学的干渉によるものである。アナライト(過酸化水素又は酸素)のみが、電極において電流を発生するものでなければならない。それゆえ、酸素ベース及び過酸化水素ベース両アナライトセンサにおいては、アナライト透過性であるが、おそらく電気化学的影響を及ぼす内在性の干渉物に対しては非透過性であるような内部膜を用いる必要がある。過酸化水素ベースセンサの臨床的研究において、埋め込み期間中に感度の低下が見られた。即ち、蛋白質によるセンサ表面のブロックでは説明できない現象がみられた。この感度減少を説明するとすれば、過酸化水素を媒介とする酵素の失活が一つの可能性である。酸素ベースセンサにおいては、カタラーゼが過酸化水素を消費するという理由で、カタラーゼと酵素とを共固定化することにより感度減少を回避することができる。第四は、アナライトに対して酸素が不足すると、バイオセンサのアナライトレベル測定能力に上限が生じてしまう。この問題は、「酸素不足」と呼ばれる。
【0008】
上記のバイオセンサ以外にも、高アナライト値に応答して糖尿病患者の血流中に直接インシュリンを放出するために開発されている装置にヒドロゲルが用いられている。その一つのアプロー チとして、ヒドロゲルが生理学的溶液条件(pH2−pH10)において帯電させ、化学的に固定化されたペンダント基を持つように構成されている。グルコース分子とグルコース結合分子(glucose−specific binding molecule: GBM; 例え、コンカナバリンA:concanavalin A)もゲルの中に固定化されている。 ヒドロゲルの固定化グルコース分子は、 遊離グルコースが存在しない溶液中で、固定化GBMと結合し、実際に非共有架橋(non−covalent crosslinks)を造る。ヒドロゲルが 遊離グルコースを含む溶液に触れると、競合結合によって固定化グルコースはGBMからはずれて架橋数を減らす。ヒドロゲル中の帯電ペンダントの膨潤部分によって、 架橋結合の減少はヒドロゲルの膨潤の増加をもたらす。事実上、ヒドロゲルの膨潤はゲルの亜単位間(gel subunits)の気孔率及び/又は気孔のサイズを増大する。これらのインシュリンデリバリーヒドロゲル(insulin delivery hydrogels)はまたインシュリンを含む。気孔のサイズの増大により、インシュリン(密接して架橋結合されているゲルのマトリックスを通って容易に拡散できないやや大きい分子)は外へ向かって拡散するようになって、患者の血流にながされる。参照:A. Obaidat, et al., Characterization of Protein Release through Glucose−sensitive Hydrogel Membranes, 18 Biomaterials 801−806 (1997); Y. Ito, et al., An Insulin−releasing System that is Responsive to Glucose, 10 Journal of Controlled Release 195−203 (1989). 上記の参照文献は、本文中に明白に織り込んでいる。
【0009】
しかし、私達が知っている限りでは、pH敏感な競合結合のヒドロゲル中に起こる膨潤力/浸透圧の変化は、遊離アナライト濃度の測定を目的としてこれまで認知、開発されなかった。従来技術は、アナライトに誘起されるドロゲルの膨潤を アナライト濃度の測定に利用することは教示せず、特に、ヒドロゲルの膨潤を測定するためのトランスデューサ(transducer)の使用を具体的に教えなかった。圧力トランスデューサの使用は電気化学センサによる諸問題を回避する測定道具を提供する。
【0010】
従って、ヒトの血液等の複雑なメディウム中で操作しても、比較的干渉の問題がないアナライト濃度に非常に敏感なバイオセンサを提供することが必要である。更に、アナライト濃度自体は、電極によって測定されるパラメータではなく、もっと制御できるパラメータであるので、アナライトの変化に直接的に頼るバイオセンサーが必要である。このシステムは潜在的干渉源から比較的に解放され、埋め込み型バイオセンサの場合に特に緊要である。その上、アナライト測定プロセス中、酸素を消耗しないヒドロゲルに基づいたバイオセンサが必要である。
【0011】
従って、この発明の第一の目的は、上記のようなバイオセンサを提供することである。本発明の他の一目的は、適した特定の結合相手が見つけられるか、又は組み立てられることができてあるアナライト濃度の一般的な測定方法を提供することである。
【0012】
[発明の概要]
本発明は、固定化されているペンダント荷電膨潤部分、アナライト分子、アナライト結合パートナー分子を含むヒドロゲル中の浸透圧を測定するヒドロゲルに基づいたバイオセンサに係わるものである。ヒドロゲルの浸透圧又は膨潤傾向を測定するため、堅いエンクロジャーの中にゲルが入っている。このエンクロジャーは、テスト液(患者の血液又はその他溶液)の間の接触が可能になっている半浸透膜でてきて、圧力探知の装置とヒドロゲル中の浸透圧又は膨潤傾向を検出するためにヒドロゲルと連結されている。この装置は、ヒドロゲルに拡散された 遊離 アナライト分子が遊離アナライト濃度に比例的に固定アナライト分子を置換する競合分析を利用する。この置換は固定アナライトと固定アナライトペンダント結合パートナー分子間の架橋度を減らす。ヒドロゲルは荷電膨潤部分を含んでいるので、この架橋の減少によって圧力探知装置で検出される膨潤傾向又は浸透圧が起こる。
【0013】
従って、本発明は、次の諸要素を含む:a)生理学的溶液条件において帯電されたペンダント基を持つ 高分子 ヒドロゲル、b)ヒドロゲル中に固定化されて遊離アナライトと結合可能なアナライト結合分子、c) 該ヒドロゲル中に固定化されたアナライト分子、d) ヒドロゲルの浸透圧を測定する圧力感知装置。好まし圧力測定装置の体様 は、a)ゲル中の浸透圧の変化がダイヤフラム上の圧力をモニタできるように設置されたダイヤフラム、b) 圧力変化の測定のため、このダイヤフラムと作動的に連結された圧力トランスデューサで 組み立てたものである。本発明のバイオセンサはヒドロゲル中に固定化され、十分な結合特性を持つ(固定化)結合パートーナと結合親合性が有するアナライトを 測定できるように考案されている (表1参照)。
【0014】
アナライト濃度を測定するためには、測定方法として通常よく使用されているように、 測定圧力変化と既知のアナライト濃度の溶液との較正が必要だ。従って、バイオセンサは、データ 信号を報告する圧力探知手段に関連付けされた報告手段及び、作動的に接続され、データ信号を受信してそれを較正曲線と比較し、アナライトの測定濃度を反映したアナライトとデータ信号を発信するコンピュータシステムを含む。
【0015】
報告手段は、コンピュータと作動的に接続された受信機にデータ信号を送信する電池駆動式テレメータであることが好ましい。コンピュータシステムはアラームシステムに取り付けられたものが更に好ましい。パソコンでもよいが、コンピュータシステムとしてはミクロプロセサが好ましい。
【0016】
アナライト濃度が所定の容認範囲外である場合に、アラーム信号が送信できるアラーム装置を含む又は該装置と接続されているコンピュータシステムが最も好ましい。
更に、最も好適な 体様 において、ポータブル又は患者に装着したバイオセンサシステムはGPS(global positioning system)を含む。
【0017】
従って、発明は、遠隔地にいる患者の健康管理者に電話や無線伝送手段(wireless transmission means)でバイオセンサが探知した好ましくない状態を警告する生体センサに基づいた健康アラームシステムも含む。旅行中の患者にモニタリングと警報サービスも提供できるGPSシステムと携帯電話を含むシステムが最も好ましい。本発明のシステムのバイオセンサは、健康と関係付けられている生理的な決定要素(患者の体液から選択されたアナライト等のような)を測定するために考案されたどんなセンサも含む。前記システムは、前記センサからのアラームに応答してヒトの好ましくない生理的変化を改善するために適当量の剤を注入することができる自動投薬装置を含む。
【0018】
本発明は溶液中の遊離アナライトの濃度を測定する方法も含む。
該方法は次のステップで構成されている:
*荷電ペンダント部分、アナライト分子、共有的に固定化されたアナライト結合分子等を含むヒドロゲルを提供する。
*ヒドロゲル中に遊離アナライトが拡散されるように設計されている半透膜部分を持つ剛性なエンクロージャにヒドロゲルを含む。該半透膜によって被覆された少なくとも一つの開口端を通ってヒドロゲルとテスト液との接触が可能である。
*浸透圧対アナライトの濃度較正曲線を導出するために、ヒドロゲルを連続的に、遊離アナライトの濃度を 知っている一連の対照溶液と接触させ、 各対照溶液に対するヒドロゲルの浸透圧を測定する 。
*ヒドロゲルとテスト液を接触し、該結果の浸透圧を測定する。
*テスト液の濃度を測定するため、較正曲線と該浸透圧を比較する。
【0019】
浸透圧の測定のステップは、剛性なエンクロジャー中に圧力測定装置を設置し、ヒドロゲルと接触させ、浸透圧を示すデータ信号を送信する圧力感知装置の設置で完成される。
【0020】
(発明の詳細な説明)
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図中、本発明の各種要素には参照番号を付し、また、当業者が本発明を制作し使用できるように本発明を説明する。以下の説明は本発明の原理を単に例示するものであり、係属中の請求項の内容はこれによって狭められるものでないことを理解すべきである。
【0021】
本発明は図に示すように、溶液中のアナライトの濃度を測定するためのバイオセンサ10に係わるものである。概略を説明すると、バイオセンサ10は遊離アナライトの濃度に比例して膨潤する特殊な高分子ヒドロゲル30を用いる。ABMはヒドロゲル30中で固定化され、ABMは、固定化アナライト及び遊離アナライトと競合的に結合し、それにより、ヒドロゲル30の浸透圧を変化させる。バイオセンサ10は、ヒドロゲル30の圧力を測定する測定手段40と、測定したヒドロゲル30の圧力に基づいてアナライトの濃度を報告する報告手段60を有する。好ましい実施例においては、バイオセンサ10は、閉口端22を覆う半透膜26を有する、剛性で生体適合性を有するエンクロージャ20、半透膜26と閉端24間に在するフレキシブルダイヤフラム28、及びそれらの間に封入された高分子ヒドロゲル30からなる。ヒドロゲル30は、ヒドロゲル30中の遊離アナライトに比例してヒドロゲル30の浸透圧を変化させる部分(moieties)を含む。
【0022】
エンクロージャ20はサンプルに少々浸めて直接人体に埋め込み、血液中のアナライトレベルをモニターするように設計されている。本実施例では、バイオセンサ10はヒドロゲル30中に固定化されたABMを用いる。ヒドロゲル30の 浸透圧を測定する測定手段40 としてはフレキシブルタイヤフラム28 と作動的に関連付けられた圧力トランスデューサ40が好ましい。アナライトレベルを報告する報告手段60としては、コンビュータに作動的に取り付けられた受信機に無線データ信号を送信する、パッテリ64により駆動されるテレメータ60が好ましい。このバイオセンサ10は当業者により容易に変更を加えて実施できる。バイオセンサ10の人体への埋込みによる浸襲性が極微であれば、テレメータ60を用いる代わりに、コンピュータ62ヘ直接電気的に接続することもできる。圧力トランスデューサ40は、現在、ヒドロゲルの圧力変化を測定するのに好ましいツールであるが、当業者はヒドロゲル30の圧力変化を測定、報告する別の手段を考案できるであろう。そのような手段の一つとして、圧力トランスデューサ40の代わりに圧電抵抗センサを使用することが挙げられる。
【0023】
エンクロージャ、半透膜、及びダイヤフラム
図3にも最も良く示されているが、バイオセンサ10の構造は、エンクロージャ20により提供され、エンクロージャ20は好ましくは開口端と閉端を有する円筒状である。開口端は半透膜26でシールされる。フレキシブルダイヤフラム28は、半透膜26と閉端の間に取り付けられる。ヒドロゲル30は、下に説明するように、半透膜26とダイヤフラミ28の間に封入される。エンクロージャ20は、好ましくは、ステンレス鋼等、剛性を有し浸透性がなく、生体適合性を有する材料から成る。また、エンクロージャ20は、好ましくは、血液凝固を阻止するヘパリン、及び人体のエンクロージャ20に対する免疫反応を低下させるポリエチレングリコール(PEG)と結合させる。エンクロージャ20は、好ましくは、埋め込みを容易にするため円筒形の形状とし、その円筒は長さを約5〜12mm、直径を約0.1〜3mmとする。エンクロージャ20を埋め込まないのであれば、ファイバー、プラスチック、金属等、剛性を有する不浸透性材料を用いることができる。
【0024】
半透膜26は小さいアナライトは通過させるが、血餅、細胞、蛋白質、及びヒドロゲル30は通過させない。半透膜26は、好ましくは、膨潤アナライトに敏感なヒドロゲル30の圧力に十分耐える剛性を有する材料で作成する。パイオセンサ10を人体に埋め込む場合、半透膜26は、好ましくは、不活性で毒性のない材料とする。適合する半透性材料は以下のグループの高分子化合物から選択できるが、これらに限定されるものではない。その高分子化合物とは酢酸セルロース、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、及びポリウレタン。半透性材料もまた、好ましくは、へパリン及びポリエチレングリコール(PEG)と 結合させて免疫反応、血液凝固、及び表面への細胞付着を減少させる。そのようなエンクロージャ及び半透膜の例については、ヘラー(Heller)に付与された米国特許第5,593,852号、ウイルキンス(Wilkins)に付与された米国特許第5,431,160号、ホーガンエンシュ(Hogen Esch)に付与された米国特許第5,372,133号、ジーア(Zier)に付与された米国特許第4,919,141号、及びゴウ(Gough)に付与された米国特許第4,703,756号に記載されている。これら特許の内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。ダイヤフラム28は、好ましくは、トランスデューサ40用に使用可能なフレキシブルであるが導電性を有する材料とする。そのようなダイヤフラムは本技術分野において知られている。好ましいダイヤフラム28は、ペンシルバニア州ランカスターのハミルトン・ テクノロジー社がKOVAR TMまたはINVAR36 TM という商標で販売している合金で作成される。ダイヤフラム28の厚さは好ましくは、最適なスポット溶接と感度との観点から、約12.5mirco meterとする。このようなダイヤフラムについては、ユタ大学のベックSG(Baek SG)博士の論文に記載がある。ダイヤフラム28は、好ましくは、半透膜26とエンクロージャ20の閉端24の間でエンクロージャ20にシール溶接する。エンクロージャ20内の、半透膜26とダイヤフラム28の間にはヒドロゲル30を入れる。以下に説明する測定手段40と報告手段60は、エンクロージャ20内の、ダイヤフラム28とエンクロージャ20の閉端24の間に位置する。
【0025】
アナライト結合分子
表1は、本発明のバイオセンサが応用できるアナライトとアナライト結合パートナーを含んでいる。アナライト結合パートナーの分子は十分に高い結合特性と活性をもってアナライトと結合すべきである。例えば、抗体(ABM)は高い特性の抗原(アナライト)と堅く結合する。
【0026】
【表1】
【0027】
ヒドロゲルの用意−荷電ペンダントグルプ、固定化アナライト、及びABMs
pH敏感な帯電ペンダント基を持つゲル等の高分子メトリックスとヒドロゲルを準備する一般的な方法は文献で記術されている。例えば、Brondsted H 高分子電解質のゲル:特性、準備、及び適用:Harland RS、Prud Homme P K、eds ACS: 285, 1992; Ghandehari H et al 1996 J. Macromol. Chem. Phys. 197:965; and Ishihara K et al 1984 Polym. J. 16:625 等を参照。 これら特許の内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。pH敏感なヒドロゲル製造の一部の関連内容は懸案の特許出願でまた記述されている(PCT/US00/23194,出版2001年 3月8日、米国特許出願 第 09/308、392と第09/824、552)。これら特許の内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。
【0028】
ヒドロゲルは、多様な官能基を含んでいるか、又は含むように変更されることができる。当業者によってこれらの官能基グループは、ヒドロゲルの骨格へABM及びアナライトを結合するために使用されることができる。これらの官能基は次のとおりであるが、これらに限られない。Carboxyl, hydroxyl, alkyl, kydroxylalkyl, oxyalkyl, oxyhydroxyalkyl, saccharide, carboxyl, carboxamidealkyl, aromatic amino, phenolichydroxyl, polyethylene glycol等である。結合反応は下記のとおりであるが、これらに限られない。Diazonium coupling, isothiocyano coupling, hydrazide coupling, amide formation, disulfide coupling, dimethylacetyl coupling, maleic anhydride coupling, thiolactone coupling, and dichlotrazine coupling。これら二つの官能基の間の結合反応は上手に証明されていって、当業者によく知られている。例えば、ヒドロゲル中のcarboxylグループは、1―ethyl−3−(3−dimethylaminoprophyl)carbodiimide hydrochloride(EDC)及びdicyclohexylcarbodiimdeのような結合媒体を使用してぺプチド(peptide)のアミノグループへ共有結合ができる。EDCは、carboxyl酸グループとアミノグループと反応する。この過程は、AnalLett.15、147−160 1982,J.Biochem 92、1413−1424 1982に現れている。
【0029】
ABMとアナライト中のぺプチド鎖の第一アミノグループは下記の結合媒体及び・又は架橋媒体を利用し、官能基(例えば、ちオール(thiol)、ヒドロシル(hydroxyl)、アシル塩化物(acyl chloride)、硫酸塩、sulfonyl の塩化物(chloride)、燐酸塩、燐酸塩塩化物(phosphate chloride)、及びイミド(imide)のような)を含んでいるヒドロゲルへ結合させられる。結合媒体及び・又は架橋媒体は、benzyl carbamate, carbonate, N−succinimidyl 3−(2−pyridyldthio) propionate(SPDP), sulfo−LC−SPDP, sucinimdyl 4−(N−maleimidomethyl) cyclohexane−1−carbxylate(SMCC), sulfo−SMCC, m−maleimidoenzoyl−N−hydroxysucinmide ester(MBS), sulfo−MBS, N−sucinimdyl(4−iodoacethyl) aminobenzoate(SIAB), sulfo−SIAB, succinimidyl 4−(pmaleimidohenyl) butyrate(SMPB), sulfo−SMPB, dithiobis (succinimidylpropionate), 3, 3’−dithiobis(succinimidylpropionate), disuccinimidyl suberate, bis(sulfosucinimidyl) suberate, disuccinimidyl tartarate (DST), sulfo−DST, bis[2−(succinimidooxycarbonyloxy)ethyl]sulfone(BSOCOES), sulfo−BSOCOES, ethylene glycolbis(disucciniidylsuccinate(EGS), sulfo−EGS等である。 チオール(thiol)、ヒドロシル(hydroxyl)、アシル塩化物(acyl chloride)、硫酸塩、sulfonyl の塩化物(chloride)、燐酸塩、燐酸塩塩化物(phosphate chloride)、及びイミド(imide)のような複数の官能基が有する他のアナライトとABMも上記の結合媒体と架橋媒体を使ってヒドロゲルと結合することができる。
【0030】
ヒドロゲルの骨格からの荷電部分ペンダントは、ABM相手から固定化アナライトが置き換えることに応じてヒドロゲルの膨潤現象の基になる原動力である。従って、特定の荷電部分が含まれていると、電荷が陽か陰かとは関係なく、純電荷が存すべきである。
【0031】
ヒドロゲルを作る好ましい方法としては、アミン(amine)とヒドロッシル(hydroxyl)基等の官能基を含むアナライトとABMには、アルリルアルコール(allyl alcohol)とエーテル化(etherification)反応及び塩化メタクリロイル(methacryloyl chloride)との救核反応によって、ビニル基が結合されているものが好ましい。アクリルアミド(acrylamide)及びヒドロキシエチルメタクルレート(hydroxylethyl methaacrylate)(HEMA)等の単量体と並びに架橋剤を用いたアナライト及びABMの共重合反応は、遊離基反応によって進行することが好ましい。重合鎖は化学的に固定化されたアナライト及びABMをペンダント基として有することが好ましい。このようにして得られたヒドロゲルは多孔性であることが好ましい。多孔性の制御は、バブリングや共重合反応物への粉末塩の過剰添加等、数種の方法によって行うことが好ましい。 遊離アナライトをヒドロゲルに導入した場合、競合してヒドロゲル中の固定化ABMに結合することにより、ヒドロゲルが膨潤することが好ましい。ヒドロゲルの膨潤比は、溶液中の遊離アナライト濃度に比例することが好ましい。遊離アナライト濃度の変化によるヒドロゲルの膨潤及び膨潤低下(de−swelling)を圧力トランスデューサを用いて圧力として測定できるように、ABMやモノマーや架橋剤とアナライトとの反応比が最適化されることが好ましい。
【0032】
膨潤傾向/浸透圧の変化の範囲、そして遊離アナライト濃度の有用な敏感度は、ヒドロゲル中の固定化アナライトとABM分子の量/比、及びペンダント帯電部分の超過電荷(純陽性又は陰性電荷)の量/配電に左右されることは明白である。これら三つの重要な構成要素は、ある程度特定アナライトの特性にも依存する。どの状況にしても測定方法の原理、発明の装置、及びヒドロゲルの一般的な化学合成法を熟知していると、ターゲットアナライトの三つの構成要素の最適レベルを容易に測定することができる。
【0033】
グルコースバイオセンサー
バイオセンサー発明の具体的な例は、関連出願PCT/US00/23194(2001年3月8日 発刊)に述べられているグルコースバイオセンサーである。この内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。グルコースバイオセンサーにおいて、アナライト結合パートナーはコンカナバリンAである。
【0034】
測定手段−圧力トランスデューサ
本バイオセンサはヒドロゲールの圧力を測定する手段40を含む。この要素は必須である。遊離アナライト濃度の変化に直接依存するバイオセンサ10は、外部からの重要な干渉源を回避できる。間接的なパラメータを電極により測定するパラメータのではなく、遊離アナライトそのものが制御パラメータであって測定できる。
【0035】
図6及び図7にし示すように、測定手段としては圧力トランスデューサ40が好ましい。圧力トランスデューサは本技術分野において知られており、当業者はバイオセンサ10の特定の必要性に応じて最適化されたトランスデューサを構成できる。トランスデューサとしては、ハリソン(Harrison DR., Dimeff J . Rev. Sci. Instrum. 44:1468−1472(1973))及びハリソン(Harrison)らの“Diode−Quad Bridge Circuit Means”米国特許第3,869,676号に発表されるものを挙げることができ、それらの発表をここに援用する。
【0036】
図7に示すように、バイオセンサ10は更に、小さなしんちゅう管72を受容する較正穴70、はんだ銅線(solder stranded copper wire)74、ブレードシールド(braided shield)76、絶縁体78及び同軸ケーブル80を含むことができる。
【0037】
最も好適な態様において、測定手段40は、上述したフレキシブルダイアフラム28に関連付けられる容量性圧力トランスデューサ40である。好ましいトランスデューサ40は、絶縁体48により隔離された第一電極44及び第二電極46を含む。好ましい態様においては、第一電極44及び第二電極46は、絶縁体48と共に同軸上一列に並べられた筒である。弾性ダイアフラム28は第一導電体44上に溶接され、トランスデューサ40のコンデンサ部の電極の一つとして機能する。第一電極44はダイアフラム28と接続し、ダイアフラム28と第二電極46とは空間50により分離される。
【0038】
ダイアフラム28はヒドロゲル30と機能的に接触しており、ダイアフラム28がヒドロゲル30の圧力変化に応答して変形することにより第二電極46とダイアフラム28との間の空間50の容積を変化させる。よって、キャパシタンスの値が変化する。キャパシタンスの変化は、好ましくはダイオード・ クアッド ・ブリッジ回路52を用いて、遠隔的に検出される。これらの圧力トランスデューサ40は、流れるポリマー液の1パスカル程度の小さな圧力変化を効果的に測定するのができる。
【0039】
トランスデューサの他の例はタカキ(Takaki)に付与された米国特許第5,711,291号とファウラー(Fowler)に付与された米国特許第5,725,918号に記載されており、これらの米国特許の記載を本明細書の一部を構成するものとしてここに引用するトランスデューサのより詳細な理論は以下の文献に見出される。これらの文献の記載を本明細書の一部を構成するものとしてここに引用する:
Baek SG, Ph.D. Thesis, University of Utah,(1991), Magda JJ, Baek SG, Larson RG, DeVries KL, Macromolecules 24: 4460−4468,(1991), Magda JJ, Lou J, Baek SG, Polymer 32: 2000−2009,(1991), Lee CS, Tripp B, Magda JJ, Rheologica Acta 31: 306−308,(1992), Lee CS, Magda JJ, DeVries KL, Mays JW, Macromoloecules 25: 4744−4750,(1992), Magda JJ, Baek SG. Polymer 35: 1187−1194 ,(1994), Fryer T. Biotelemetry iii, Academic Press, New York, pp.279−282,(1976), Tandeske, J., Chapter 5 in Pressure Sensors Selection and Application(圧力センサの選択と応用の第5章), Marcel Dekker, New York, 1991, Updike SJ, Shults MC, Rhodes RK, Gilligan BJ, Leubow JO, von Heimburg D. ASAIOJ. 40:157−163,(1994),及びFoulds NC, Frew JE, Green MJ. Biosensors A Practical Approach(Cass AEG. Eds.) IRL Press Oxford University, pp.116−121(1990)
【0040】
好ましい圧力トランスデューサ40について説明したが、当業者であれば他の測定手段40を考案できるであろう。また、他の代替的態様としては、圧電トランスデューサやセンサ、及びピエゾ抵抗圧力センサを挙げることができる。他の圧力測定手段又は容積増加測定手段も用いることができる。これらの代替手段は、本明細書に記載する発明と等価であると考えられる。
【0041】
報告手段:デレメータ
最後に、バイオセンサ10は、測定したアナライト分子の濃度を報告する手段60を含む。この要素は、バイオセンサ10の特定の用度及びユーザのニーズに依存して大きく変化する。図4に示す最も単純な形態では、トランンスデューサ40は、一般にはパーソナルコンピュータであるコンピュータ手段に電気的に接続されているだけである。コンピュータはトランスデューサ40からのデータを較正曲線と比較し、報告手段を介して出力する有用なデータを発生する。一実施態様では、アナライト分子の濃度があるレベルを超えた場合、コンピュータがアラーム音を発生する。他の実施態様では、コンピュータは、コンピュータモニタ等の報告出力部に対してデータを出力する。更に、他の実施態様では、コンピュータはフィードパックループを制御して、アナライト分子の濃度の変化に応答してプロセスを変化させる。
【0042】
図3に示す好ましい実施態様では、本発明バイオセンサ10である。この場合、報告手段60は、コンピュータに作動的に受信機にデータ信号を送信する電池駆動式テレメータ60であることが好ましい。このコンピュータもデータ信号を較正曲線と比較し、報告手段を介して濃度を報告する。報告手段は、アナライトレベルが過剰に高くなったり、低くなったりした場合に患者に警告する可聴アラームであることが好ましい。
【0043】
バイオセンサを使用する方法
本発明は更に、溶液中のアナライト濃度の測定にバイオセンサ10を使用する方法も含む。本発明による方法は以下のステップから成る。最初に、上述の様なバイオセンサ10を提供する。好ましくは化学的結合により、ABMを化学的又は物理的にヒドロゲル30に固定化する。バイセンサ10は、緩衝液に浸した後、コントロール溶液内に入れることが好ましい。得られたデータを較正曲線と比較してバイオセンサ10を較正する。バイオセンサ10を取り出した後、他の緩衝液内で注ぎ、その後、バイオセンサ10を溶液中にいれる。高分子ヒドロゲル30中でアナライト分子を拡散させ、ABMとの結合に関し、遊離アナライトと固定化アナライトを競合させる。ABMに対する、遊離アナライトと固定化アナライトとの間の競合的結合によりヒドロゲルの架橋が減少し、ヒドロゲル30が膨潤して、図5に示す様にダイヤフラムに圧力がかかる。この膨潤を測定手段40によって測定する。この測定手段40は圧力トランスデューサ40であることが好ましい。圧力トランスデューサ40は、ヒドロゲル30内の遊離アナライトの濃度に比例するヒドロゲル30の圧力を測定するために使用される。この測定値に関するトランスデューサ40からのデータは報告手段60に送られる。埋め込み可能なバイオセンサ10では、データをコンピュータに送信するために電池駆動式のタレメータ60が使用される。このデータは、コンピュータモニタ、可聴アラーム、又はフィードバックシステムを介してユーザに報告される。使用期間を通して、血液のサンプルを取り、アナライトの測定値をバイオセンサ10から報告された値と比較することによってシステムを再較正できる。コンピュータによって作動される較正手段は誤差を補正するように調整することができる。
【0044】
以上、少なくとも一つの好適な実施態様を参照して本発明を述べたが、本発明はそのような実施態様に限定されるものでないことは当業者には明白であろう。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって解釈すべきものである。
【0045】
作動原理
センサの出力を常に監視し、予め設定した値(即ち、閾値)と比較する。もしセンサ出力が予め設定した範囲外である場合には、アラーム信号を発生する。このアラーム信号を用いて、自動ダイアル等の所定のアラームプロトコルを実行して、検出された状態に対応する事前に記録したメッセージを送ることができる。
【0046】
図9は、血糖値が低血糖のレベル低下した時に、糖尿病患者にアラームを与えると共に、自動ダイヤルを使用して管理者に信号を与え、また事前に記録したメッセージを送るための実動モデルのブロック図を示す。
【0047】
図9−15に示す自動アラーム装置の主要な要素は、電池100、センサ(バイオセンサ10又は生理的状態を監視するその他のセンサ)、信号調整回路104、比較器回路108、送信機112a、受信機112b、ダイアルアクチュエータ116、及び制御回路である。
【0048】
電源100は、電力を必要とする装置の全ての要素に対して電気エネルギーを供給することが好ましい。装置の携帯性を考慮し、電源として乾電池を使用するのが好ましい。しかし、全ての要素の電力要求(電圧及び容量)に対してのセルの適合性から、使用できる電池の形式が決まる。現在分かっている範囲では、大容量の9Vの電池が最適であると考えられる。開発途上で2個のバッテリーを使用した双極型電源としたが、これにより回路設計が非常に簡単になった。電池電圧低下表示器は必須の部品である。
【0049】
信号調節回路104ガ必要が否かはセンサからの信号の質による。センサ信号が多くの環境雑音を含んでいる場合、装置を信頼性をもって作動させるためには信号調整回路104(図11)が必要である。典型的には、高入力インピーダンス差動増幅器如何なる種類のセンサに対しても使用できる。“インスツルメンテーション増幅器”と呼ばれるプリパッテージされた回路が市販されている。しかし、プロトタイプノの装置では、クワッド ・オペアンプ IC(例えば、ナショナルセミコンダクター社製のLM384)が4個の増幅器を提供することから非常に役に立つであろう。差動増幅器は同相モード雑音を除去する上で優れている。差動増幅器のゲインは、良好な線形範囲の信号を提供するように調整できる。差動増幅器の後にローパスフィルタを設けることにより高周波ノイズを更に低減できる。RC時定数は0.1〜1秒が適切である。例えば、100キロオームと10ミリファラッドを用いることによって1秒のRC時定数を得ることができる。
【0050】
図9−15に示す比較機は常時、監視信号(ここでは、信号調整回路の出力からの信号)を予め設定した値と比較する。この基本値はポテンショメータを使用して調整する。監視信号が基本値を超えると、比較器の出力の状態が‘0’から‘1’、即ち‘オフ’から‘オン’に変化する。この状態変化を後続のデジタル回路を作動させるために、使用する。最も単純な回路は、電気機械式スイッチを‘オン’位置に駆動するものであり、これにより送信機回路が電源に接続される。なお、LM311型比較器がここでの目的に最も適合する。
【0051】
比較器回路108には追加の制御回路130(図12)を設けなければならない。この追加の制御回路は、誤操作又は装置の異常によりアラームが送出された場合に、装置の作動を停止し、装置をリセットする。更に、如何なる場合においても装置のユーザの裁量でダイヤリングを作動できるように追加のスイッチが設けられていなければならない。これらの全ての機能は、デシタルDフリップフロッフィIC(C7474)を用いて達成できる。
【0052】
もし必要であれば、アラームを送信するだけでなく、センサ10が正常に作動しているか否かを判定するために比較器回路108を使用することもできる。センサ出力が警報レベルを含む予想動作範囲を超えた場合には、比較器108はセンサ10の異常を表示する。
【0053】
装置を装着した人から離れた場所にある電話114を作動させるために送信機112aと受信機112bが必要になる。(図13) 典型的なFM法により電話114を無線で作動させることができる。典型的には、送信機は、搬送波発生器140、信号発生器144、信号を搬送波に混合する変調器148、パワープースタ152、及び放射器156から成る。搬送波周波数は数十メガヘルツから数百メガヘルツの範囲である。信号は、他の電子装置からの環境雑音による誤ダイヤルを防止するために、受信機がピックアップする独特な信号でなければならない。受信機112bは送信機112aと逆に動作する。送信機112aと受信機112bは最終的にはカスタム設計としなければならないが、子供用のリモコン玩具に使用される送信機を最小限変更したものを使用することもできる。(本明細書の開示に基づき当業者であれば、電子メール等、其の他の遠隔通信形態も利用可能であることが理解できるであろう)。
【0054】
遠隔アラーム信号のダイヤリングは当業者の間で良く知られている種種の方法で行うことができる。そのようなシステムの概略図を図14に示す。遠隔電話インターラクションに馴染みのある者であれば、図に示す構成や其の他の構成を実施する多くの方法に馴染みがあるであろう。
【0055】
現状の留守番電話システムを使用したり、ダイヤリングやメッセージングのための現状の留守番機能(answering function)を利用するためにはある程度の改造が必要となる。全体として、全てが、電話機内に設けられているのが好ましい。受信機からのアラーム信号によってスイッチオンすることが必要になるだけである。
【0056】
上記に加え、アラームシステムは、糖尿病患者の低血糖症を治療するためのシステムとしても機能する。図15に、図9に示したものと類似のアラームシステムの概略図を示す。しかし、このシステムは、アラームに応答して、患者の血流中にアナライト、その外の糖、又は薬剤を供給するインジェクション機構150を含む。当業者であれば、インジェクション機構150は所定の投与量で供給を行ってもよく、或は、センサ10によって検知した生理的状態に応じて投与量を変化させてもよいことが分かるであろう。インジェクション機構150はシステムの配線によって接続されていてもよく、或は、送信機112aによって制御するようにしてもよい。
【0057】
インジェクション機構150に加え、システムにグローバルポジショニングシステム160を設け、これを電話114又はアラームシステムの他の箇所に接続してもよい。このグローバルポジショニングシステム160により、治療が必要となった場合に対象となる個人の居場所を迅速に見つけ出すことか可能になる。そのようなシステムは、糖尿病ではあるが、サイクリング、狩猟、釣りなどの活動に加わる人について特に有利である。
【0058】
代替的実施態様−図16−23
図16に示す自動アラームが最も好ましいシステムであるが、システムの有用な図17−23に示されている。図16で見られるように、主要素は、センサー(生理学的状態をモニタリンするためのバイオセンサー10又は他のセンサー)、電池200、信号調整ユニット、GPS受信機 260、MCU回路ユニット270及びデータ送信機214である。
【0059】
電池200は動力を要するすべての装置の要素に電気エネルギーを提供する。装置の可搬性を考慮して、電池は供給力のため好まれた選択である。但し、電池のすべての要素の電力需要事情との適合性(電圧と容量)は使用タイプによる。電池を供給するために、+3.3ボルト(+3.3V)の再充電可能な電池を使う。この充電システムは全体動力源として使用される。
【0060】
充電器は85Vから265Vまでの交流入力電圧を+5Vの一定した直流電圧に変えるためにSMPS(スイッチモード電源)200aが使用される。SMPSからの出力直流電圧の使用によって、充電回路200bは、充電の容量及び残った電池のレベルに従って再充電電池を受電する。充電方式として、リチウムイオン、Ni−ca及びNi−H等が再充電可能電池200cのために使用される。バッテリー電力低下ライト及び充満状態を示す標識は大切な部分である。
【0061】
再充電可能電池は+3.3まで充電できてLCD、送信機及びミクロコントローラーユニット(MCU)を除く全体回路に供給される。LCDと送信機を作動させるために+5Vの付加電圧が必要であり、この電圧は電池から従来の直流−直流変流器(DC−DC Converter)200dの使用によって得られる。
【0062】
信号調整単位204のための必要性はセンサーからの信号の質に左右される。センサー信号が大量の環境の騒音及び又は低電圧と共に伝連する場合信頼できる方法の装置を作動させる信号調整回路装置204(図11)が必要である。信号調整ユニット204は、騒音減少そしてセンサーからの入力信号拡大のために設計されている。
いわゆる、‘機器使用アンプ’と呼ばれる多段階拡大回路は商業的に利用できる。但し、標準装置として、チョッパOPアンペアIC(例えば、MAX420又はMAX421)及び又はクォードOPアシペアIC(例えばNational SemiconductorsからのIM384)が多数アンプを提供することで騒音のない低電圧信号の拡大によく役立つ。差動増幅器は、通常モード騒音を取除くことで優秀である。差動拡大後の低域フィルタは更に高周波騒音を減らす。0.1から1秒の一定RC時間が適切である。例えば、100kohmと10m Fを使用して、 一定RC時間1秒が得られることができる。
【0063】
チョパー安定 アンペアIC(chopper−stabilized amp IC)(信号調整回路204のA1,A2,A3,A4,A5,A6)は、 信号調整回路の標準装置に使用する。オプアンペア(Op−amps)は精密な入力特徴を持っている単一チョパーオプアンペアである。典型的に、増幅回路の図204aのA1とA2のような緩衝回路として高入力インピーダンス 差動増幅器は、 増幅回路の図204aのVR1(可変的な抵抗器)のような利用できる抵抗器と共にゼロ交差(zero crossing)を調節するためにどの種類のセンサーのためにも利用できる。A1と A2は、線形拡大をするために400ヘルツのチョッピング(chopping)周波数の機能を持つC3、C4、C5、C6のような蓄電器と共に電圧調整機能を持つことが好ましい。C1のマイラ蓄電器は信号の騒音減少のためであり、VoutがゼロクロシングになるようにV1は調節される。コンデンサーC7は高周波の利得を減らし、騒音を減らす。
【0064】
第一増幅回路(A3)204aは、騒音減少のための低減フィルタとアンプでできている。低減フィルタは拡大の前に騒音のレベルを減らす。チョッパ安定の実行増幅器として図204aのA3は、ろ過されたセンサー信号を増幅する。低電圧信号のために、実行増幅器A3は1μVtypの低入力相殺電圧を、 そして0.02μV/Ctypの低ドリフトオフセット(low drift offset)を備えている。増幅回路の規則は、R1=R3,R6/R7=R4/R5,Gain=(1+2R1/Rx)*R6/R4、及びRx=(VR1*R2)/(VR1+R2)である。
【0065】
第2増幅回路204bは、第2低減フィルタ(R12とC13)、緩衝回路(A5)、及び装置騒音の広帯域を減らすために使用されるアンプ(A4)から成っている。抵抗器R9とR10は利得の信頼性(=1+R10/R9)をきめるため、+/−1%の低温係数の許容が好まれる。D1とD2は回路へ高圧入力されるのを防止するためのダイオードである。
【0066】
信号の状態回路204cの最後の部分は、オフセットの補償(VR2とVR3)機能と第3増幅(図204cのA6)を提供する。ループ反応を極めて弱まるためにコンデンサーC17はむしろ選ばれる。信号が外れ、騒音レベルが入力電圧Vccより大きいとき、入力電圧VccはダイオードD4の前進方向でとばされる。信号がはずれ、騒音レベルが電圧よりひいたとき、入力電圧VccはダイオードD5の逆方向でとばされる。
【0067】
制御装置の機能は入力センサ信号を所定の基準信号と比較すること、アラーム状態をきめること、センサー信号の新しい数値を貯えること、貯えられた数値を取り出すこと、緊急連絡のためのデータ電送機と連結すること、注入装置を活動化させること、アラームブザーを始めること、患者からの主な入力資料に答えること等をする。
【0068】
自動アラームシステムの第一次制御装置として、8ビット ミクロプロセサーは自動警報システムのあらゆる情報交換のためにむしろ使用される。アーセンブラー及び又はC コンピュータ言語で、交換のコード化が好ましい。これは、ミクロ プロセサで利用できるように編集される。アラーム状態、GPS装置コード、センサーからの信号などは、Flash memory、SRAM、DRAM、又はEEPROMのような記憶セミコンタクターに貯えられる。EEPROM 172aの8Kバイトがその目的に好ましく選ばれる。
【0069】
ミクロ プロセサの第一次機能は実施間モイニタリンと自動アラム通知システムを確立するためである。低電力消費の8ビット ミクロ プロセサ実施間モニタリンと自動アラム システムの制御ができる。TOSHIBA 270aのTMP87CH48はこの目的で選ばれる。
【0070】
患者はリセット、信号の数値表示、位置コード表示及び手動でも作動できる。制御装置は各機能を達成するために使用者が押すキーによって電圧量の注入力を確認し、解釈する。2行20文字の表示容量を持ってLCDのTNタイプ又はROHM273aのRCM2072Rが好ましいのである。警報が間違って送信されるとか、装置機能不全によって送られるとき、余分の制御機能は装置の非活動化及び装置の修正270bをする。
【0071】
緊急事態時、制御装置は注入装置の作動を始める出力位相信号275aを発進する装置があり、アラーム ブーザー271aを活動化させる。ミクロ プロセサが「0」と「1」の機能で「高い」から「低い」、「低い」から「高い」のようなアナログ出力回路を付けるとき、注入装置は活動化させる。
【0072】
制御装置のモニタリン機能によって非常時に患者の情報はデータ伝送機へ絶えず移るのが好ましい。患者の情報は、患者の身分証明コード、アラーム状態、XYZのGPS位置及びセンサーからの現在の生理学的な数値を含んでいる。
【0073】
バイオセンサー、自動化されたアラーム通告システム(GPS)及び非常時の処置システム(自動 Injection システム)の組み合わせが健康管理を健康管理を増進する為に重要な利点を提供することを技術の専門家は認める。患者が生理学的損傷を受ける条件について警告されることに限らず、既定の閾値を超えた状態になると、保健管理者に患者の位置についての最新情報を知らせる。
【0074】
送信機214aは通信装置214を作動させるために必要である。データ送信機214aの候補装置は携帯用無線通信装置を含む電話のような通信装置214である。該装置は、自動アラームシステムとのデータ交換のため、外部データポト(external data port)が設置されていって自動的にアラーム状態とデータを遠隔地の所定的装置に知らせる。ケーブルと接続子は、データ送信機と自動アラームシステムを連結する。無線データ通信装置によってケーブルとコネクターを選ぶ。Bluetoothのような無線接続プロトコル(protocol)は装置の間のデータ転送を達成させる。
【0075】
自動アラームシステムからのアラーム状態、位置の情報、及び他の必須情報等は遠隔地装置によって音声伝言又はテキスト伝言の形で送信できる。
【0076】
無線通信装置は、現在通用されているCDMA,TDMA,GSM等を支える無線個人電話が好ましい。遠隔インターネットサービスT付きPDA(Personal Digital Assistance)は、他の好ましい無線携帯用通信装置である。
【0077】
典型的に送信機は214aは搬送波発電機、信号発電機、信号を搬送波に混ぜる変調器、及びラジエタで構成されている。搬送波は数千から数百MHZの範囲である。受信機で受信された信号は他の電子機器の環境的騒音で誤伝されるのを防止するために唯一デないとならない。AM又はFM無線通信は自動のアラーム システムに適切であるが、適切な通信プロトコル(Protocal)を用いて送信機(214a)からのデータを受けるようにAM又はFM受信機も合わせるようにする。
【0078】
自動アラーム装置持ちGPS装置の主機能はアラーム受信者に位置データを提供することである。患者が自分の位置を把握していない時、意識不明の時、又は自分の位置を伝えるのができない場合、NMEA プロトコル(Protocal)を支えるGPS受信機260aは自動アラーム システムにむしろ使う。受信機はBinary形式のXYZ座標を従来のRS232cシリアル通信によってコードが統制システムに伝連される。GPS受信機は通常待期モードになって、患者が危険の状態になると健康管理人に患者の位置を自動的に通知するように作動する。
【0079】
図21、22、23は標準装置として自動アラーム システムの三つの主要要素のプロク図である。図21はスイッチ形式動力供給(SMPS)と充電器を示し、図22は信号調整回路、図23は全体コントロール装置を示す。自由電圧入力SMPS回路と充電プロクのプロックを示す。
【0080】
図21で貯えたように、交流の騒音は交流電波(AC85Vから265Vまでの)が全て波に変えるブリッジ回路291の前の交流入力ピールタ290でろ過される。直流電同時騒音がろ過されると同時にRCピルータ292は全ての波動をDC転換する。それにも関わらず、転換DCスパーック騒音がなって、Snubber回路293を使って除去する。
【0081】
転換DC電圧レベールは調整回路294で4.5Vから5Vまで調整されるが、これは流電バッテリ電圧容量より通常少し高くなる。直流電圧レベルの調整の間に発生する騒音を減少するため、LCフィルター296によってろ過さる転換直流電源電圧が好ましい。バッテリ充電回路295は充電電流及び該電圧を制御するが、再充電バッテリに充電される容量に依る。
【0082】
信号調整機のブロック図面が図22に示されている。センサーの信号レベルは非常に低く、環境からの騒音の影響を受けやすい。低信号レベルは、増幅の前、図280の低パースフィルター1(LPF1)のRCフィルターによってろ過されることが好ましい。そうではないと、信号と共に騒音も増幅され、信号は騒音と識別できない。
【0083】
ろ過された信号は増幅利得比が約100になるように増幅されることが好ましい。低信号レベルに対し、より高い増幅利得比は信号が悪くなる可能性であり、騒音から信号の復元ができない。図285の増幅器2の第2の増幅で 制御ユニットにあるA/D転換機に十分なダイナミックレインジ(dynamic range)を与えるために 約100の増幅利得が使われる。図286のLPF3は騒音減少のために用いられる。
【0084】
前記増幅器の総増幅利得比が、100を10倍し、1000になるはずだが、実際には、総利得比1000は達成できない。その理由は、op−amps、抵抗器、コンデンサー等、各装置のそれぞれの固有誤差に起因する。この増幅利得の相違を補正するため、図287に示す増幅器の調整回路の可変抵抗器のよって調整されることが好ましい。総増幅利得比は、センサーからの初期入力信号によって調整される。希望としては、電圧のサージによる損傷を防止するため、サージフィルター288を含む。
【0085】
ブロック図23に示したように、ミクロプロせサー制御ユニット(MCU)270は、GPS受信機260の全部の装置、無線通信装置214、信号調整器204、ブーザと録音音声271、記憶装置272、標識装置273、キー274、自動注入装置275、及びリセット276等を制御する。これは、水晶277によって決められる指定速度で作動する。MCU270で、自動アラームシステムの作動に必要なデータの貯蔵と取り戻し用の記憶装置を利用することができる。使用者はリセットスイッチ276を使ってMCU270を始める。リセット276は、システムを消し、再びつけるように、全体システムと共にMCU270を初めの状態に返す。MCU自動アラームシステムの情報をLCD(Liquid Clear Display)273に示すことができるものが好ましい。使用者は、電圧レベルで感知できる既定キー入力276によってMCU270を自由に使える。
【0086】
GPS衛生261からの位置コードを持つ信号は、GPSの公称周波数域の20MHzバンドウィッド(bandwidth)と中心周波数1575.42MHzのBPF(Band Path Filter)260aによって直接にろ過されることが好ましい。衛生261からの信号はコード化された信号で受信されるのでGPS制御器モジュール(Controller Module)260aで解読しなければならない。X/Y/Z位置に関する該座標のデータはRS232Cシリアル(serial)通信によってMCU270に移される。
【0087】
中にA/D転換機のあるMCU270によって信号調整器204からのアナログ信号はデジタル信号に転換される。デジタル信号は患者の状態を既定の閾値と比較するために利用される。
【0088】
アラームブザー271を活動させるMCU270の出力信号は、音のレベルを制御するため、電流ドライバ271aを通す。非常時、MCU271はアラーム音と共に自動インジェクション装置に活動信号を提供する。
【0089】
アラームがなると同時に、通信装置214を使って患者の位置座標及び入力、記録された情報は既定の目的地へ送信される。無線通信装置214は自動アラーム情報システムに利用されることが好ましい。
【0090】
浸透圧の変化が血液中のアナライトの変化を示すヒドロゲルバイオセンサーによって、本発明の健康アラームシステムが主に述べられているが、その代わりに、健康アラームシステムは全く別の状況にバイオセンサーを使用することができる。例えば、バイオセンサーが心臓リズム、血液凝固要素、又は他の健康の要望決定要素等を測定するところとか、血液中のアナライトレベルを測定するために浸透圧を測定すること以外の方法、又は糖尿病とは無関係の血液アナライトを測定する等である。患者とは離れた所の関連者らにアラームを伝達することと、緊急時、関係者らに患者のある位置を示すデータをGPSユニットを含む方法で可能性を提供する。旅行、ハイキング、釣り等を望んでいっても多様な健康状態で苦しむ患者には潜在的な有益である。
【0091】
自動電活通知システム付きバイオセンサが健康管理を増進する為に重要な利点を提供することを技術の専門家は認める。患者が生理学的な損傷をを受ける条件について警告されることに限らず、既定の境界を超えた状況になると健康管理者に、患者の最新情報を知らせる。例えば、糖尿病患者が低血糖性ショックを起こした場合には、医療関係者(又は患者の親近者)はこれに応じて、適切な医療行為を行う。そのようなシステムは一人住まいの人や動くことが不自由な人にとって特に有利である。患者の位置についての情報がアラームを受信する健康管理者に送信できるので、GPS(図16)付きシステムは、特に旅行者に価値がある。
【0092】
以上、少なくとも一つも好意な実施態様を参照して本発明を述べたが、本発明はそのような実施態様に限定される物ではないことは当業者には明白であろう。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって解釈すべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
競合結合及び膨潤メカニズムの例を示す図である。
【図2】
アナライト結合分子含有コポリマーの例を示す図である。
【図3】
本発明の好ましい実施態様の部分断面測面図とダイヤグラムで、サンプルに少々浸めて患者の皮下に埋め込むことのできるバイオセンサを示す。
【図4】
本発明の別の実施態様の部分断面側面図で、コンピュータに電気的に接続されたバイオセンサを示す。
【図5】
好ましい実施態様の部分断面側面図で、アナライトがヒドロゲルに拡散し、ヒドロゲルを膨潤させ、その結果圧力トランスデューサがテレメータを介してコンピュータへ信号を発信する様子を示す。
【図6】
圧力トランスデューサの断面側面図を示す。
【図7】
ダイオード・クワッド ・ブリッジ(diode quad bridge)回路を形成する小型ダイオードを有する好ましい回路基板を含む圧力トランスデューサの断面測面図を示す。
【図8】
好ましいダイオード・クワッド・ブリッジ回路の回路図を示す。
【図9】
無線ダイヤル発信と組み合わせた自動アラームシステムのブロック図を示す。
【図10】
図9の自動アラームシステムの各部用電源の概略図を示す。
【図11】
図9の自動アラームシステムの信号調整回路の概略図を示す。
【図12】
図9の自動アラームシステムの比較器及び制御回路の概略図を示す。
【図13】
図9の自動アラームシステムの送受信機の概略図を示す。
【図14】
図9の自動アラームシステムのダイヤル機構の概略図を示す。
【図15】
図9の自動アラームシステムに応答して注入を行うインジェクション装置と組み合わせて使用される自動アラームシステムのブロック図を示す。
【図16】
好ましい自動健康アラームシステムのブロック図を示す。
【図17】
図16のアラームシステムの電源回路の図を示す。
【図18】
図16のアラームシステムの信号調整回路を 示す。
【図19】
図16のアラームシステムのミクロ制御ユニトの回路を示す。
【図20】
図16のアラームシステムのGPSと通信送信機を示す。
【図21】
図16のアラームシステムの信号調整機のブロック図を示す。
【図22】
図16のアラームシステムのミクロ制御ユニトのブロック図を示す。[0001]
[Background of the Invention]
What to say about government rights
This invention was awarded grant / license number R43DK55958 by the United States National Institutes of Health, and the United States has certain rights in the invention.
[0002]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates generally to biosensors utilizing hydrogels for measuring the concentration of free analyte molecules in a liquid, and more particularly, to an analyzer installed and selected in a patient's body. The present invention relates to an implantable biosensor capable of monitoring a selected analyze without interruption. The present invention also provides that a biosensor is coupled to the alarm device so that harmful changes in analyte levels and other undesirable changes in the patient's health that occur in the patient's body fluid can be monitored by the patient or / and the caretaker of the patient. Related to a health alarm system for giving a warning.
[0003]
[Description of related technology]
In the past decade, efforts have been devoted to the development of analyte monitoring biosensors to help prevent complications of diseases such as diabetes. A significant advance would be the development of an implantable analyte sensor that is analyte-specific and has sufficient specific sensitivity to accurately and continuously monitor analyte levels in vivo. Such sensors greatly facilitate the collection of data regarding patient analyte levels and biochemical studies.
[0004]
For the purpose of analyzing analytes such as glucose in clinical settings, a new class of implantable technologies utilizing enzymes such as glucose oxidase (GOD) have been developed based on electrochemical principles. The most advanced analyte biosensors based on electrochemical transducers and potentially implantable are the most developed, such sensors being potentiometric sensors, conductive sensors. And amperometric sensors.
[0005]
Currently, neither potentiometric nor conductometric methods appear to be suitable for analyte monitoring in vivo. The reasons are (a) interference by species other than the analyte in the physiological environment and (b) low sensitivity and logarithmic dependence of the signal on analyte concentration. Since the embedded analyte sensor needs to be recalibrated over time, it is highly desirable that the dependence of the signal on analyte concentration be linear. However, even a non-linear calibration curve can be reasonably handled by using a microprocessor.
[0006]
The most advanced analyte sensors for in vivo monitoring include electrochemical methods, including hydrogels on which enzymes that react with the analyte to produce hydrogen peroxide are immobilized, along with an amperometric method used to sense hydrogen peroxide. It is a sensor. This technique can provide a linear calibration curve. In the amperometry method, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), Or an electrode that produces a current proportional to the diffusion flux of oxygen (O 2). 2 2) using an electrode that produces a current proportional to the diffusion flux. Increasing the analyte concentration in the surroundings increases the diffusion flux of the analyte into the membrane and increases the rate of reaction within the membrane. The increased reaction rate of the enzyme increases the local concentration of hydrogen peroxide in the membrane and decreases the oxygen concentration. This increases the current detected by the hydrogen peroxide based electrode sensor or decreases the current detected by the oxygen based electrode sensor. The latter approach, based on the detection of oxygen flux, also requires a second oxygen-based electrode sensor mounted on the oxygen-free hydrogel. This second electrode is used as a reference electrode.
[0007]
However, there are some hurdles that must be overcome for amperometric sensors to be commercialized as useful for in vivo monitoring. Current analyte sensor designs are unlikely to solve difficult problems in the near future. The first hurdle is due to electrochemical interference. Only the analyte (hydrogen peroxide or oxygen) must generate current at the electrode. Therefore, in both oxygen-based and hydrogen peroxide-based analyte sensors, the inner membrane is permeable to the analyte, but probably impermeable to endogenous interferents that have electrochemical effects. Must be used. In clinical studies of hydrogen peroxide based sensors, a decrease in sensitivity was seen during the implantation period. In other words, a phenomenon that could not be explained by blocking the sensor surface with proteins was observed. To explain this decrease in sensitivity, one possibility is the inactivation of enzymes mediated by hydrogen peroxide. In an oxygen-based sensor, a decrease in sensitivity can be avoided by co-immobilizing catalase and enzyme because catalase consumes hydrogen peroxide. Fourth, if there is a shortage of oxygen for the analyte, an upper limit is imposed on the ability of the biosensor to measure the analyte level. This problem is called "oxygen deficiency".
[0008]
In addition to the biosensors described above, hydrogels have been used in devices that have been developed to release insulin directly into the bloodstream of diabetics in response to high analyte values. As one approach, hydrogels are configured to have pendant groups that are charged and chemically immobilized under physiological solution conditions (
[0009]
However, to our knowledge, the swelling / osmotic pressure changes that occur in pH-sensitive competitive binding hydrogels have not heretofore been recognized and developed for the purpose of measuring free analyte concentration. The prior art does not teach the use of analyte-induced swelling of drogels for the measurement of analyte concentration, and in particular does not specifically teach the use of a transducer to measure swelling of hydrogels. Was. The use of pressure transducers provides a measurement tool that avoids problems with electrochemical sensors.
[0010]
Therefore, there is a need to provide a biosensor that is very sensitive to analyte concentration without relatively interference problems when operated in complex media such as human blood. In addition, since the analyte concentration itself is a parameter that is more controllable than the parameter measured by the electrode, a biosensor that directly relies on analyte changes is needed. This system is relatively free of potential sources of interference and is particularly important in the case of implantable biosensors. In addition, there is a need for a hydrogel-based biosensor that does not consume oxygen during the analyte measurement process.
[0011]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a biosensor as described above. It is another object of the present invention to provide a general method for measuring the concentration of an analyte for which a suitable specific binding partner has been found or can be assembled.
[0012]
[Summary of the Invention]
The present invention relates to a hydrogel-based biosensor for measuring osmotic pressure in a hydrogel containing an immobilized pendant charged swelling moiety, an analyte molecule, and an analyte binding partner molecule. To determine the osmotic pressure or swelling tendency of the hydrogel, the gel is contained in a rigid enclosure. The enclosure is a semi-permeable membrane that allows for contact between a test fluid (patient's blood or other solution) and a pressure sensing device and a hydrogel to detect osmotic pressure or swelling tendency in the hydrogel. Is linked to This instrument utilizes a competitive assay in which free analyte molecules diffused into the hydrogel displace fixed immobilized analyte molecules in proportion to free analyte concentration. This substitution reduces the degree of crosslinking between the fixed analyte and the fixed analyte pendant binding partner molecule. Since the hydrogel contains charged swelling moieties, this reduction in cross-linking results in a swelling tendency or osmotic pressure that is detected by pressure sensing devices.
[0013]
Accordingly, the present invention comprises the following components: a) a polymer hydrogel having pendant charged groups in physiological solution conditions, b) an analyte binding immobilized in the hydrogel and capable of binding free analyte. A molecule, c) an analyte molecule immobilized in the hydrogel, d) a pressure sensing device for measuring the osmotic pressure of the hydrogel. The preferred pressure measuring device looks like a) a diaphragm installed so that changes in osmotic pressure in the gel can monitor the pressure on the diaphragm, b) operatively connected to the diaphragm to measure pressure changes. It is assembled with the pressure transducers. The biosensor of the present invention is immobilized in a hydrogel and is designed to measure an analyte having binding affinity with (immobilized) binding partner having sufficient binding characteristics (see Table 1).
[0014]
Measuring analyte concentration requires calibration of the measured pressure change with a solution of known analyte concentration, as is commonly used in measuring methods. Accordingly, the biosensor is operatively connected to a reporting means associated with the pressure sensing means for reporting the data signal, receiving the data signal and comparing it to the calibration curve to reflect the measured concentration of the analyte. Includes a computer system that emits analyte and data signals.
[0015]
Preferably, the reporting means is a battery-operated telemeter that transmits a data signal to a receiver operatively connected to the computer. More preferably, the computer system is mounted on an alarm system. Although a personal computer may be used, a microprocessor is preferable as the computer system.
[0016]
Most preferred is a computer system that includes or is connected to an alarm device that can transmit an alarm signal when the analyte concentration is outside a predetermined acceptable range.
Further, in a most preferred manner, the portable or patient-worn biosensor system comprises a global positioning system (GPS).
[0017]
Accordingly, the invention also includes a health sensor-based health alarm system that alerts the health caregiver of a patient at a remote location to an undesirable condition detected by the biosensor via telephone or wireless transmission means. Most preferred is a system that includes a GPS system and a mobile phone that can also provide monitoring and alarm services to traveling patients. The biosensors of the system of the present invention include any sensor designed to measure a physiological determinant (such as an analyte selected from a patient's body fluid) that is associated with health. The system includes an automatic dosing device that is capable of injecting an appropriate amount of an agent to improve an undesired physiological change in a human in response to an alarm from the sensor.
[0018]
The invention also includes a method for determining the concentration of free analyte in a solution.
The method comprises the following steps:
Provides a hydrogel comprising charged pendant moieties, analyte molecules, covalently immobilized analyte binding molecules, and the like.
* Include the hydrogel in a rigid enclosure with a semi-permeable membrane portion designed to allow free analyte to diffuse into the hydrogel. The contact between the hydrogel and the test liquid is possible through at least one open end covered by the semipermeable membrane.
* To derive an osmolality versus analyte concentration calibration curve, contact the hydrogel continuously with a series of control solutions that know the concentration of free analyte and measure the osmotic pressure of the hydrogel for each control solution. .
* Contact the test solution with the hydrogel and measure the resulting osmotic pressure.
* Compare the calibration curve with the osmotic pressure to determine the concentration of the test solution.
[0019]
The step of measuring osmotic pressure is completed by installing a pressure measuring device in a rigid enclosure, contacting the hydrogel, and installing a pressure sensing device that transmits a data signal indicative of osmotic pressure.
[0020]
(Detailed description of the invention)
Embodiments of the present invention will be described based on examples with reference to the drawings. In the figures, the various elements of the invention will be numbered and will be described so that those skilled in the art can make and use the invention. It is to be understood that the following description is only illustrative of the principles of the present invention, and that the scope of the appended claims is not to be limited thereby.
[0021]
As shown in the figure, the present invention relates to a
[0022]
The
[0023]
Enclosure, semi-permeable membrane, and diaphragm
As best shown in FIG. 3, the structure of the
[0024]
The
[0025]
Analyte binding molecule
Table 1 contains the analytes and analyte binding partners to which the biosensor of the present invention can be applied. The analyte binding partner molecule should bind the analyte with sufficiently high binding properties and activity. For example, antibodies (ABMs) bind tightly to highly specific antigens (analytes).
[0026]
[Table 1]
[0027]
Preparation of hydrogels-charged pendant groups, immobilized analytes, and ABMs
General methods of preparing hydrogels and polymeric metrics such as gels with pH-sensitive charged pendant groups are described in the literature. See, for example, Gels of Brondsted H polyelectrolytes: properties, preparation and application: Harland RS, Prud Homee PK, eds ACS: 285, 1992; Ghandehari H et al 1996 J. Am. Macromol. Chem. Phys. 197: 965; and Ishihara K et al 1984 Polym. J. 16: 625. The contents of these patents are incorporated herein by reference. Some relevance to the preparation of pH-sensitive hydrogels is also described in pending patent applications (PCT / US00 / 23194, published March 8, 2001, US patent applications 09/308, 392 and 09 /). 824, 552). The contents of these patents are incorporated herein by reference.
[0028]
Hydrogels may contain or be modified to contain a variety of functional groups. These groups of functional groups can be used by those skilled in the art to bind ABM and analyte to the backbone of the hydrogel. These functional groups are as follows, but are not limited thereto. Carboxyl, hydroxyl, alkyl, kydroxylalkyl, oxyalkyl, oxyhydroxyalkyl, saccharide, carboxyl, carboxamidealkyl, aromatic amino, phenolichydroxyl, is a polyethylene glycol and the like. The coupling reaction is as follows, but is not limited thereto. Diazonium coupling, isothiocyano coupling, hydrazide coupling, amide formation, disulphide coupling, dimethyl alcohol coupling, and lactic acid coupling, lactic acid coupling, and lactic acid coupling. The coupling reaction between these two functional groups has been well documented and is well known to those skilled in the art. For example, carboxyl groups in hydrogels can be conjugated to peptide groups using a coupling medium such as 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and dicyclohexylcarbodiimide. EDC reacts with carboxylate and amino groups. This process is described in AnalLett. 15, 147-160 1982, J. Am. Biochem 92, 1413-1424 1982.
[0029]
The primary amino group of the peptide chain in the ABM and the analyte utilizes the following binding and / or cross-linking media to provide functional groups (eg, thiol, hydroxyl, acyl chloride). ), Sulfates, sulfonyl chlorides, phosphates, phosphate chlorides, and imides (such as imides). The binding medium and / or the cross-linking medium may be benzyl carbamate, carbonate, N-succinimidyl 3- (2-pyridylthio) propionate (SPDP), sulfo-LC-thylexyl-cyl-exyl-icylamic-ylc-exyl-m-d-yl-c-yl-d-exyl-m-exyl-m-d-yl-c-exyl-m-d-yl-m-exyl-m-d-y-m-d-yl-m-exyl-m-d-y-m-d-yl-m-exyl-m-d-y-m-d-y-m-c ), Sulfo-SMCC, m-maleimidoenzoyl-N-hydroxysuccinimide ester (MBS), sulfo-MBS, N-succinimdyl (4-iodoacetibiosioiBiS iobui ozioiBi s io ce i n io b i s io i n io b i s io i n io b i n s io em i io b i n s io i n io em i b i t io s i n t s s) rate (SMPB), sulfo-SMPB, dithiobis (succinimidylpropionate), 3, 3'-dithiobis (succinimidylpropionate), disuccinimidyl suberate, bis (sulfosucinimidyl) suberate, disuccinimidyl tartarate (DST), sulfo-DST, bis [2- (succinimidooxycarbonyloxy) [ethyl] sulfone (BSOCOES), sulfo-BSOCOES, ethylenglycolbis (disucciniidylsuccinate (EGS), sulfo-EGS, etc. Thiol (thiol) Multiple functional groups such as, hydrosyl, acyl chloride, sulphate, sulfonyl chloride, phosphate, phosphate chloride, and imide. Other analytes and ABMs may be bound to the hydrogel using the binding and crosslinking media described above.
[0030]
The charged partial pendant from the hydrogel backbone is the driving force underlying the swelling phenomenon of the hydrogel in response to the displacement of the immobilized analyte from the ABM partner. Thus, when a particular charged moiety is involved, a net charge should exist, regardless of whether the charge is positive or negative.
[0031]
Preferred methods for making the hydrogel include analytes containing functional groups such as amine and hydroxyl groups and ABM include allyl alcohol and etherification reactions and methacryloyl chloride. Those having a vinyl group bonded thereto by a nucleus-saving reaction with chloride are preferred. The copolymerization reaction of an analyte and ABM using a monomer such as acrylamide and hydroxyethyl methacrylate (HEMA), and a crosslinking agent using a crosslinking agent preferably proceeds by a free radical reaction. The polymer chain preferably has a chemically immobilized analyte and ABM as pendant groups. The hydrogel thus obtained is preferably porous. The porosity is preferably controlled by several methods such as bubbling and excessive addition of a powdered salt to the copolymerization reaction product. When free analyte is introduced into the hydrogel, it is preferred that the hydrogel swells by competing and binding to the immobilized ABM in the hydrogel. Preferably, the swelling ratio of the hydrogel is proportional to the free analyte concentration in the solution. The reaction ratio between ABM, monomer or cross-linking agent and the analyte should be optimized so that the swelling and de-swelling of the hydrogel due to changes in free analyte concentration can be measured as pressure using a pressure transducer. Is preferred.
[0032]
Useful sensitivity of the swelling tendency / osmotic pressure range and the free analyte concentration is determined by the amount / ratio of immobilized analyte and ABM molecules in the hydrogel, and the excess charge (pending positive or negative charge) of the pendant charged moiety. It is clear that it depends on the amount / distribution of These three important components also depend to some extent on the properties of the particular analyte. Regardless of the situation, familiarity with the principles of the measurement method, the apparatus of the invention, and the general chemical synthesis of hydrogels, one can easily determine the optimal levels of the three components of the target analyte.
[0033]
Glucose biosensor
A specific example of a biosensor invention is the glucose biosensor described in the related application PCT / US00 / 23194 (published March 8, 2001). This content is incorporated as a part of the present specification. In a glucose biosensor, the analyte binding partner is Concanavalin A.
[0034]
Measuring means-pressure transducer
The biosensor includes means 40 for measuring hydrogel pressure. This element is required.
[0035]
As shown in FIGS. 6 and 7, the
[0036]
As shown in FIG. 7, the
[0037]
In the most preferred embodiment, the measuring means 40 is a
[0038]
[0039]
Other examples of transducers are described in U.S. Pat. No. 5,711,291 to Takaki and U.S. Pat. No. 5,725,918 to Fowler, which are incorporated herein by reference. More detailed theory of the transducers cited herein as forming a part of this specification as a part of the present specification can be found in the following documents. The descriptions of these documents are cited herein as forming a part of the present specification:
Baek SG, Ph. D. Thesis, University of Utah, (1991), Magda JJ, Baek SG, Larson RG, DeVries KL, Macromolecules 24: 4460-4468, (1991), MagJa, JagGa, Jagoda, Magda, Jagoda, MagdaJa, Gagoda, Magda, Jagoda, Magda, Jagoda, MagdaJa, Jagoda, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJa, MagdaJo 1991), Lee CS, Tripp B, Magda JJ, Rheologica Acta 31: 306-308, (1992), Lee CS, Magda JJ, DeVries KL, Mays JW, Macrosmo, 47-mago, Macross, Macross, 1992. Baek SG. Polymer 35: 1187-1194, (1994), Freer T. et al. Biotemetry iii, Academic Press, New York, pp. 279-282, (1976), Tandeske, J.M. ,
[0040]
Although a
[0041]
Reporting means: Demeter
Finally,
[0042]
In a preferred embodiment shown in FIG. 3, the present invention is a
[0043]
How to use a biosensor
The present invention further includes a method of using the
[0044]
While the invention has been described with reference to at least one preferred embodiment, it will be apparent to one skilled in the art that the invention is not limited to such an embodiment. The scope of the invention should be construed solely by the appended claims.
[0045]
Working principle
The output of the sensor is constantly monitored and compared with a preset value (that is, a threshold value). If the sensor output is out of the preset range, an alarm signal is generated. The alarm signal can be used to execute a predetermined alarm protocol, such as an automatic dial, to send a pre-recorded message corresponding to the detected condition.
[0046]
FIG. 9 shows a production model for alarming diabetics, signaling an administrator using automatic dialing, and sending pre-recorded messages when blood glucose levels drop to low glucose levels. FIG.
[0047]
The main components of the automatic alarm device shown in FIGS. 9-15 are a
[0048]
[0049]
Whether or not the
[0050]
The comparator shown in FIGS. 9 to 15 always compares the monitor signal (here, the signal from the output of the signal adjustment circuit) with a preset value. This base value is adjusted using a potentiometer. When the monitoring signal exceeds the basic value, the state of the output of the comparator changes from “0” to “1”, that is, from “off” to “on”. This state change is used to activate subsequent digital circuits. The simplest circuit drives an electromechanical switch to the 'on' position, which connects the transmitter circuit to a power supply. Note that the LM311 type comparator is most suitable for the purpose here.
[0051]
The
[0052]
If necessary, in addition to sending an alarm, the
[0053]
A
[0054]
Dialing of the remote alarm signal can be done in various ways well known to those skilled in the art. A schematic diagram of such a system is shown in FIG. Those familiar with remote telephone interaction will be familiar with the many ways to implement the arrangement shown and other arrangements.
[0055]
Some modification is required to use the current answering machine system or to utilize the current answering function for dialing and messaging. As a whole, it is preferred that everything is provided in the telephone. It only needs to be switched on by an alarm signal from the receiver.
[0056]
In addition to the above, the alarm system also functions as a system for treating hypoglycemia in diabetics. FIG. 15 shows a schematic diagram of an alarm system similar to that shown in FIG. However, the system includes an injection mechanism 150 that delivers an analyte, extra sugar, or drug into the patient's bloodstream in response to the alarm. One skilled in the art will appreciate that the injection mechanism 150 may deliver at a predetermined dosage, or may vary the dosage depending on the physiological condition detected by the
[0057]
In addition to the injection mechanism 150, the system may be provided with a
[0058]
Alternative Embodiment-FIGS. 16-23
Although the automatic alarm shown in FIG. 16 is the most preferred system, a useful system is shown in FIGS. 17-23. As seen in FIG. 16, the main elements are a sensor (
[0059]
[0060]
The charger uses an SMPS (switch mode power supply) 200a to change the AC input voltage from 85V to 265V to a constant DC voltage of + 5V. By using the output DC voltage from the SMPS, the charging circuit 200b receives the recharged battery according to the charge capacity and the remaining battery level. As a charging method, lithium ion, Ni-ca, Ni-H, or the like is used for the rechargeable battery 200c. The low battery light and the charge indicator are important parts.
[0061]
The rechargeable battery can charge up to +3.3 and is supplied to the entire circuit except the LCD, transmitter and microcontroller unit (MCU). An additional voltage of + 5V is required to operate the LCD and the transmitter, which is obtained from the battery by using a conventional DC-DC Converter 200d.
[0062]
The need for the
A so-called multi-stage enlargement circuit, called a "device amplifier", is commercially available. However, as standard equipment, chopper OP amp ICs (eg, MAX420 or MAX421) and / or quad OP assistant ICs (eg, IM384 from National Semiconductors) provide a large number of amplifiers, which can be useful for noiseless low voltage signal expansion. . Differential amplifiers are excellent at removing normal mode noise. The low-pass filter after differential amplification further reduces high-frequency noise. A constant RC time of 0.1 to 1 second is appropriate. For example, using 100 kohm and 10 mF, a constant RC time of 1 second can be obtained.
[0063]
The chopper-stabilized amp IC (Chopper-stabilized amp IC) (A1, A2, A3, A4, A5, A6 of the signal adjustment circuit 204) is used as a standard device of the signal adjustment circuit. Op-amps (Op-amps) are single chopper op amps with precise input characteristics. Typically, a high input impedance differential amplifier as a buffer circuit, such as A1 and A2 in FIG. 204a of the amplifier circuit, will have a zero with an available resistor such as VR1 (variable resistor) in FIG. It can be used for any type of sensor to adjust for zero crossing. A1 and A2 preferably have a voltage regulation function with capacitors such as C3, C4, C5, C6 with a chopping frequency of 400 hertz for linear expansion. The Mya capacitor in C1 is for reducing the noise of the signal. out V1 is adjusted such that is zero crossing. Capacitor C7 reduces high frequency gain and reduces noise.
[0064]
The first amplifier circuit (A3) 204a is made up of a reduction filter and an amplifier for reducing noise. The reduction filter reduces the noise level before magnification. A3 in FIG. 204a as a chopper-stabilized performing amplifier amplifies the filtered sensor signal. For low voltage signals, the execution amplifier A3 has a low input cancellation voltage of 1 μVtyp and a low drift offset of 0.02 μV / Ctyp. The rules of the amplifier circuit are as follows: R1 = R3, R6 / R7 = R4 / R5, Gain = (1 + 2R1 / R x ) * R6 / R4 and R x = (VR1 * R2) / (VR1 + R2).
[0065]
The second amplification circuit 204b includes a second reduction filter (R12 and C13), a buffer circuit (A5), and an amplifier (A4) used to reduce a wide band of device noise. Resistors R9 and R10 are preferred to allow a low temperature coefficient of +/- 1% to determine the reliability of the gain (= 1 + R10 / R9). D1 and D2 are diodes for preventing high voltage input to the circuit.
[0066]
The last part of the
[0067]
The functions of the control device are to compare the input sensor signal with a predetermined reference signal, determine the alarm status, store the new value of the sensor signal, retrieve the stored value, and use the data transmitter for emergency communication. Coupling, activating the injection device, starting an alarm buzzer, answering key input from the patient, etc.
[0068]
As a primary controller of the automatic alarm system, an 8-bit microprocessor is used rather for any information exchange of the automatic alarm system. In the assembler and / or C computer language, coding of the exchange is preferred. It is compiled for use by the microprocessor. Alarm conditions, GPS device codes, signals from sensors, etc., are stored in a storage semi-contactor such as Flash memory, SRAM, DRAM, or EEPROM. 8K bytes of EEPROM 172a are preferably chosen for that purpose.
[0069]
The primary function of the microprocessor is to establish an automatic alarm notification system with Moinitalin during implementation. Enables low power consumption 8-bit microprocessor monitoring and control of automatic alarm systems. TMP87CH48 of TOSHIBA 270a is chosen for this purpose.
[0070]
The patient can also operate by reset, numerical display of signal, position code display and manual. The controller recognizes and interprets the input of the amount of voltage by means of keys pressed by the user to accomplish each function. It is preferable to use an LCD TN type or a
[0071]
In an emergency, the controller has a device that launches an output phase signal 275a that initiates operation of the injector and activates the alarm booter 271a. The injector is activated when the microprocessor attaches analog output circuits such as "high" to "low" and "low" to "high" with "0" and "1" functions.
[0072]
Preferably, the patient information is constantly transferred to the data transmitter in an emergency due to the monitoring function of the controller. Patient information includes the patient's identification code, alarm status, XYZ GPS location and current physiological values from the sensors.
[0073]
Technical experts acknowledge that the combination of a biosensor, an automated alarm notification system (GPS) and an emergency treatment system (automatic injection system) provides health care with significant benefits for enhancing health care. . Not only will the patient be alerted about conditions that may cause physiological damage, but also when a threshold is exceeded, the healthcare provider will be informed of the patient's location.
[0074]
The transmitter 214a is necessary for operating the
[0075]
Alarm status, location information, and other essential information from the automatic alarm system can be transmitted by the remote device in the form of a voice message or a text message.
[0076]
The wireless communication device is preferably a wireless personal telephone supporting CDMA, TDMA, GSM and the like which are currently used. PDA (Personal Digital Assistance) with remote Internet service T is another preferred wireless portable communication device.
[0077]
Typically, the transmitter 214a comprises a carrier generator, a signal generator, a modulator that mixes the signal with the carrier, and a radiator. Carriers range from thousands to hundreds of MHZ. The signal received at the receiver must be unique in order to prevent it from being erroneously transmitted by the environmental noise of other electronic devices. AM or FM radio communication is appropriate for an automatic alarm system, but the AM or FM receiver is also adapted to receive data from the transmitter (214a) using an appropriate communication protocol (Protocal).
[0078]
The primary function of a GPS device with an automatic alarm device is to provide location data to the alarm recipient. The GPS receiver 260a, which supports the NMEA protocol (Protocal), is rather used for automatic alarm systems when the patient is not aware of his position, is unconscious, or cannot communicate his position. In the receiver, the code is transmitted to the control system by the conventional RS232c serial communication of the XYZ coordinates in the Binary format. The GPS receiver is normally in a standby mode and operates to automatically notify the health care provider of the patient's location when the patient is in danger.
[0079]
Figures 21, 22, and 23 are block diagrams of the three main elements of the automatic alarm system as standard equipment. FIG. 21 shows a switch type power supply (SMPS) and a charger, FIG. 22 shows a signal conditioning circuit, and FIG. 23 shows a general control device. Fig. 4 shows a free voltage input SMPS circuit and a block of charging procks.
[0080]
As stored in FIG. 21, the AC noise is filtered by an AC input peeler 290 in front of the
[0081]
The conversion DC voltage level is adjusted from 4.5V to 5V in the
[0082]
A block diagram of the signal conditioner is shown in FIG. The signal level of the sensor is very low and is susceptible to environmental noise. The low signal level is preferably filtered before amplification by the RC filter of the low perspective filter 1 (LPF1) of FIG. Otherwise, noise is amplified along with the signal, and the signal cannot be distinguished from noise.
[0083]
Preferably, the filtered signal is amplified so that the amplification gain ratio is about 100. For low signal levels, a higher amplification gain ratio is likely to make the signal worse and the signal cannot be recovered from noise. In the second amplification of
[0084]
The total gain ratio of the amplifier should be 10
[0085]
As shown in the block diagram 23, the micro processor control unit (MCU) 270 includes all the devices of the
[0086]
Preferably, the signal having the position code from the
[0087]
The analog signal from the
[0088]
The output signal of
[0089]
Simultaneously with the alarm, the patient's position coordinates and the input and recorded information are transmitted to a predetermined destination using the
[0090]
Although the health alarm system of the present invention is primarily described by a hydrogel biosensor in which changes in osmotic pressure indicate changes in the analyte in the blood, instead, the health alarm system integrates the biosensor into a completely different situation. Can be used. For example, where the biosensor measures cardiac rhythm, blood clotting factors, or other health demand determinants, or any other method than measuring osmotic pressure to measure analyte levels in the blood, or diabetes For example, blood analytes that are unrelated to are measured. It provides the possibility of transmitting alarms to relevant parties remote from the patient and in emergency cases, data indicating the location of the patient to the relevant parties in a manner involving a GPS unit. It is potentially beneficial for patients who want to travel, hike, fish, etc. but suffer from a variety of health conditions.
[0091]
Technical experts acknowledge that biosensors with automatic power activation notification systems offer significant benefits for improving health care. Not only are patients warned about conditions that may cause physiological damage, but they also notify healthcare managers of up-to-date information about situations that go beyond predefined boundaries. For example, if a diabetic suffers a hypoglycemic shock, medical personnel (or a patient's immediate family) will take appropriate medical action accordingly. Such a system is particularly advantageous for single-dwellers and those with mobility difficulties. Systems with GPS (FIG. 16) are particularly valuable to travelers, as information about the location of the patient can be sent to the health care manager receiving the alarm.
[0092]
While the invention has been described with reference to at least one preferred embodiment, it will be apparent to one skilled in the art that the invention is not limited to such an embodiment. The scope of the invention should be construed solely by the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 3 shows an example of a competitive binding and swelling mechanism.
FIG. 2
FIG. 3 is a diagram showing an example of an analyte-binding molecule-containing copolymer.
FIG. 3
FIG. 3 is a partial cross-sectional elevation and diagram of a preferred embodiment of the present invention showing a biosensor that can be slightly submerged in a sample and implanted under a patient.
FIG. 4
FIG. 6 is a partial cross-sectional side view of another embodiment of the present invention showing a biosensor electrically connected to a computer.
FIG. 5
FIG. 4 is a partial cross-sectional side view of the preferred embodiment showing the analyte diffusing into the hydrogel and causing the hydrogel to swell, thereby causing the pressure transducer to send a signal to the computer via the telemeter.
FIG. 6
FIG. 4 shows a cross-sectional side view of the pressure transducer.
FIG. 7
1 shows a cross-sectional top view of a pressure transducer including a preferred circuit board with miniature diodes forming a diode quad bridge circuit. FIG.
FIG. 8
1 shows a schematic diagram of a preferred diode quad bridge circuit. FIG.
FIG. 9
FIG. 2 shows a block diagram of an automatic alarm system combined with wireless dialing.
FIG. 10
FIG. 10 is a schematic view of a power supply for each part of the automatic alarm system of FIG. 9.
FIG. 11
10 shows a schematic diagram of a signal conditioning circuit of the automatic alarm system of FIG.
FIG.
FIG. 10 shows a schematic diagram of a comparator and a control circuit of the automatic alarm system of FIG. 9.
FIG. 13
FIG. 10 shows a schematic diagram of a transceiver of the automatic alarm system of FIG. 9.
FIG. 14
FIG. 10 is a schematic diagram of a dial mechanism of the automatic alarm system of FIG. 9.
FIG.
FIG. 10 shows a block diagram of an automatic alarm system used in combination with an injection device that makes an injection in response to the automatic alarm system of FIG. 9.
FIG.
FIG. 2 shows a block diagram of a preferred automatic health alarm system.
FIG.
17 shows a diagram of a power supply circuit of the alarm system of FIG.
FIG.
17 shows a signal adjustment circuit of the alarm system of FIG.
FIG.
17 shows a circuit of the micro control unit of the alarm system of FIG.
FIG.
17 shows a GPS and a communication transmitter of the alarm system of FIG.
FIG. 21
FIG. 17 is a block diagram of a signal conditioner of the alarm system of FIG. 16.
FIG.
17 shows a block diagram of the micro control unit of the alarm system of FIG.
Claims (30)
生理的条件で帯電されたペンダント部分を含む高分子ヒドロゲルと、
ヒドロゲル中に固定化されて遊離アナライトと結合できるアナライト結合分子と、
ヒドロゲル中に固定化されたアナライト分子と、
ヒドロゲルの浸透圧を測定する圧力測定装置と、
を有するバイオセンサ。A biosensor for measuring the concentration of an analyte molecule in a human body, wherein the biosensor comprises:
A polymer hydrogel comprising pendant moieties charged under physiological conditions;
An analyte binding molecule that can be immobilized in the hydrogel and bind to the free analyte;
An analyte molecule immobilized in the hydrogel,
A pressure measuring device for measuring the osmotic pressure of the hydrogel,
A biosensor comprising:
荷電ペンダント部分、アナライト分子、及び共有的に固体かされたアナライト結合分子を用意する。
少なくとも一つの半透膜によってできた開口端はヒドロゲルとテスト溶液との接触可能な剛性のエンクロージャはヒドロゲルを含む。
遊離アナライトがヒドロゲル内に拡散することを許容する。
遊離アナライトの濃度を知り、ヒドロゲルを連続的に一連の較正溶液と接触する。
浸透圧対比アナライト濃度の較正曲線を作成するため、各較正溶液に対して浸透圧を測定する。
ヒドロゲルをテスト対象の溶液接触させる。
浸透圧の結果を測定する。
テスト対象のアナライト濃度を決定するため、浸透圧結果と較正曲線を比較する。
を含む方法。A method for measuring the concentration of free analyte in a solution, comprising the following steps:
A charged pendant moiety, an analyte molecule, and an analyte binding molecule covalently solidified are provided.
The open end formed by at least one semi-permeable membrane is a rigid enclosure that is capable of contacting the hydrogel with a test solution and includes a hydrogel.
Allow free analyte to diffuse into the hydrogel.
Knowing the concentration of free analyte, the hydrogel is continuously contacted with a series of calibration solutions.
The osmotic pressure is measured for each calibration solution to generate a calibration curve of osmolality versus analyte concentration.
The hydrogel is brought into contact with the solution to be tested.
Measure the result of the osmotic pressure.
The osmotic pressure results are compared with a calibration curve to determine the analyte concentration to be tested.
A method that includes
剛性並びに生体適合性を有し、閉端と半透膜によって被覆された開口端とを含むエンクロージャと、
前記エンクロージャの半透膜と開端との間に配置されたダイヤフラムと、
生理的pHで帯電されたペンダント部分を持つ高分子ヒドロゲルと、
ここで、前記半透膜と前記ダイヤフラムとの間封止されたヒドロゲルの浸透圧の変化はヒドロゲルによってダイヤフラムに加わえられる圧力と伴い、
前記ヒドロゲル中に固定化されたアナライト結合分子と、
前記ヒドロゲル中に固定化されたアナライト分子と、
前記ダイヤフラムに作動的に係合された圧力トランスデューサと、
を有するするセンサ。A sensor for measuring the free molecule concentration of an analyte in a solution, wherein the sensor comprises:
An enclosure that is rigid and biocompatible and includes a closed end and an open end covered by a semi-permeable membrane;
A diaphragm disposed between the semi-permeable membrane and the open end of the enclosure,
A polymer hydrogel having a pendant moiety charged at physiological pH,
Here, the change in the osmotic pressure of the hydrogel sealed between the semipermeable membrane and the diaphragm accompanies the pressure applied to the diaphragm by the hydrogel,
An analyte binding molecule immobilized in the hydrogel,
Analyte molecules immobilized in the hydrogel,
A pressure transducer operatively engaged with the diaphragm;
Having a sensor.
a)次のバイオセンサを提供するステップ、即ち、
剛性と生体適合性とを有し、閉端と半透膜によって被覆された開口端とを含むエンクロージャと、
前記半透膜と前記閉端との間に封止されたヒドロゲルの浸透圧の変化はヒドロゲルによってダイヤフラムに加えられる圧力の変化に伴う、
生理的pHで帯電されたペンダント部分を持つ高分子ヒドロゲルと、
前記半透膜と前記閉端との間に配置された高分子ヒドロゲルの浸透圧変化はヒドロゲルによってダイヤラムに加われる圧力に同伴する、
該ヒドロゲル中に固定化されたアナライト結合分子と該ヒドロゲル中に固定化されたアナライト、及びダイヤフラムに作動的係合され浸透圧を測定してデータ信号を提供する浸透圧測定手段と、
b)データ信号を受信して該信号を浸透圧の所定の較正曲線と比較して遊離アナライト分子濃度値をコンピュータ手段を提供するステップと、
c)バイオセンサをある溶液に注入し、前記遊離アナライト分子をヒドロゲル中に十分確保して平衡拡散させるステップと、
d)前記コンピュータ手段によってできた濃度値の結果を読むステップを含む方法。A method for measuring the concentration of free analyte molecules in a body fluid using a biosensor, comprising the following steps:
a) providing the following biosensor:
An enclosure having rigidity and biocompatibility, including a closed end and an open end covered with a semipermeable membrane,
The change in osmotic pressure of the hydrogel sealed between the semipermeable membrane and the closed end is accompanied by a change in pressure applied to the diaphragm by the hydrogel.
A polymer hydrogel having a pendant moiety charged at physiological pH,
The change in osmotic pressure of the polymer hydrogel disposed between the semipermeable membrane and the closed end is accompanied by the pressure applied to the diaphragm by the hydrogel,
An analyte binding molecule immobilized in the hydrogel, an analyte immobilized in the hydrogel, and osmotic pressure measurement means operatively engaged with the diaphragm to measure osmotic pressure and provide a data signal;
b) receiving a data signal and comparing the signal to a predetermined calibration curve of osmotic pressure to provide computer means for a free analyte molecule concentration value;
c) injecting the biosensor into a solution and allowing the free analyte molecules to sufficiently secure and equilibrate in the hydrogel;
d) reading the result of the density value produced by said computer means.
Applications Claiming Priority (2)
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