Способ измерения содержания мочевины в крови методом обратного ионтофореза

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения и определения содержания мочевины в крови человека. Устройство для определения содержания мочевины в крови пациента посредством контакта его с кожей содержит анод, емкость, включающую раствор, содержащий уреазу, катод, введенный в емкость и мембрану, размещенную между раствором и емкостью, причем анод и мембрана размещены в контакте с кожей пациента, источник тока между анодом и катодом для создания обратного ионтофореза и средства для определения pH раствора. Уровень содержания мочевины определяется средствами для измерения содержания мочевины в крови пациента на основании изменения pH раствора. Способ использования устройства заключается в размещении на коже пациента анода, емкости, включающей раствор, содержащий уреазу и диализную мембрану. Источник тока между анодом и катодом формирует обратный ионтофореза для того, чтобы молекулы мочевины мигрировали в емкость. Измерение содержания мочевины в крови пациента осуществляется путем определения изменения pH раствора, индуцируемого уреазой. Использование изобретения позволяет исключить внесение инфекции, осуществлять постоянный контроль и безболезненность при измерении. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу измерения содержания мочевины в крови человека методом обратного ионофореза и к устройству - уреаметру, использующему упомянутый способ, и в частности содержание мочевины определяется по изменению рН раствора, содержащего уреазу, для прогнозирования содержания мочевины в крови.

Измерение и определение содержания мочевины особенно важно для пациентов с почечной недостаточностью, новорожденных, беременных женщин, а также для эпидемиологического скрининга.

Уровень техники

Делались различные попытки измерить и определить содержание мочевины в крови человека, включая способы на биологической основе и отбор проб крови человека.

Эти обычно использующиеся способы дают некоторые обоснованные результаты в смысле определения содержания мочевины в крови человека. Однако, как признают специалисты в данной области, этой практике присущи определенные недостатки, включая загрязнение на микробиологическом уровне, эмболию, а также причинение боли пациенту, так как эти практикуемые способы связаны с отбором проб биологических жидкостей или крови и последующим анализом этих проб для определения содержания мочевины в крови.

Существующие риски не ограничиваются вышеуказанной практикой, так как отбор проб крови особенно важен для пациентов, страдающих диабетом, гемофилией или определенными нарушениями свертывания крови, и, более конкретно, для гемофиликов.

Помимо этого, существующая практика имеет недостатки в отношении новорожденных и детей, выражающиеся в риске занесения инфекции, а также в трудности отбора проб крови у новорожденных и детей.

Что же касается эпидемиологического скрининга на уремию, существует возможность смешивания проб/шприцев и, отсюда, большему риску внесения инфекции.

Еще одним недостатком существующей практики является порядок отбора проб у беременных женщин, так как при нем женщина испытывает определенный дискомфорт и трудности.

Пациенты, страдающие уремией, испытывают эмоциональное и физическое воздействие из-за необходимости частого отбора проб для последующего диализа.

Предлагаемое изобретение относится к методу обратного ионтофореза. Такой способ упомянут, например, в заявке WO 03000340, в которой раскрыт способ неинвазивного определения относительного содержания двух веществ, присутствующих в биологической системе, включая стадии отбора веществ, заряженных и не заряженных обратным ионтофорезом из такой биологической системы.

Заявка WO 03000340 раскрывает только использование обратного ионтофореза для биологической системы и не предлагает какого-либо способы измерения и определения содержания мочевины в крови человека.

Заявка WO 03010538 раскрывает способ и устройство для увеличения потока обратного ионтофореза с целью неинвазивного отбора незаряженных и постоянно заряженных молекул через кожу.

Поэтому заявка WO 03010538 не предлагает решения для измерения и определения содержания мочевины в крови человека.

Ионтофорез используется согласно различным источникам, которые приведены в прилагаемом перечне, для пропускания некоторых соединений через кожу человека или для увеличения проницаемости. Обратный ионтофорез, однако, используется для выделения глюкозы из крови для измерения содержания глюкозы в крови.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является достоверное измерение и определение содержания мочевины в крови человека без риска внесения инфекции.

Еще одной целью настоящего изобретения является безболезненное измерение и определение содержания мочевины в крови человека.

Еще одной целью настоящего изобретения является постоянный контроль содержания мочевины в крови человека.

С помощью предлагаемого изобретения содержание мочевины может быть получено за очень короткий период времени без отбора проб крови или других биологических жидкостей у пациента.

В ходе процедуры ионтофореза путем применения электрического тока (создающего градиент электрического потенциала) ионы (молекулы или атомы, имеющие результирующий заряд или частично заряженные) могут быть перенесены на другую сторону мембраны в зависимости от прилагаемого тока и электрического заряда, и этим процессом можно управлять с помощью ионтофореза. На обеих сторонах мембраны имеются электроды или аналогичные средства, и электрический ток или потенциал (постоянный или переменный ток, прямоугольные, синусоидальные, треугольные или даже разные сигналы частот и/или токов) прилагается в зависимости от необходимости.

Ионы в растворе мигрируют согласно их зарядам, и их движение пропорционально току. Например, положительно заряженные ионы мигрируют согласно электрическому току, они также увлекают за собой незаряженные молекулы. В этом случае переход с одной стороны мембраны на другую создает поток, имеет место турбулентность (это так называемый электроосмотический поток). Поэтому незаряженные частицы (атомы/молекулы) также способны проходить через мембрану, будучи вовлекаемые в это завихрение или движение, и такое движение происходит с намного большей скоростью, чем при пассивной диффузии.

При исследовании молекулярной структуры мочевины, как показано на Фиг.1, хотя и известно, что она проявляет свойства незаряженных молекул, видно, что в молекуле происходят некоторые локальные изменения. Согласно проведенным экспериментам наблюдался более активный перенос мочевины, чем при пассивной диффузии, когда мочевина присутствовала на стороне положительного электрода из-за положительных локальных зарядов на молекуле, как показано на Фиг.2. Также существует возможность, что электроосмотический поток частично воздействовал на этот перенос. Однако, если во время переноса другие небольшие, но заряженные ионы, например ионы калия и натрия, присутствовали в растворе, скорость переноса снижалась, но, тем не менее, перенос происходил в гораздо больших объемах и с гораздо более высокой скоростью, чем при пассивной диффузии.

Эти эксперименты были повторены с использованием кожи (7) человека в качестве мембраны, и были получены аналогичные результаты. Так поскольку молекулы мочевины частично заряжены со знаком +, может быть применен «обратный ионтофорез». Для этого анод, т.е. электрод (+), может быть помещен непосредственно на поверхность кожи (7) на запястье, и рядом с этим местом катод (4), т.е. электрод (-), вводится в емкость (3), которая содержит изотонный солевой раствор (5). После приложения электрического тока от источника питания (1) молекулы мочевины будут мигрировать из крови в емкость (3) рядом с пациентом (Фиг.3). Этот перенос будет прямо пропорционален прилагаемому току и используемой площади.

В проведенных экспериментах в емкость (3) поместили 10 мл изотонного солевого раствора. Площадь емкости составляла 12,5 см². Ток силой 1000 мкА, измерявшийся амперметром (2), прилагался в течение 5 мин. После прекращения подачи тока были проведены измерения в растворе. Эти эксперименты проводились на добровольцах в порядке, указанном выше с процедурой обратного ионтофореза; отбирался раствор (5) из емкости (3), в которой накапливалась мочевина, и определялось содержание мочевины в данном растворе.

Уровни содержания мочевины в растворе анализировались в биохимической лаборатории с использованием методы уреазы. В процессе этого анализа после добавления реагента, измерялась оптическая плотность по ультрафиолету на частоте 305 нм. Измеренные значения оптической плотности подставлялись в калибровочное уравнение, и уровни содержания мочевины измерялись в единицах «мг/дл». При сравнении уровней содержания мочевины в крови и результатов, полученных по процедуре обратного ионтофореза (при постоянных условиях тока, поверхности и времени), было отмечено, что существует определенное взаимоотношение между этими двумя способами (Фиг.4).

В данной предлагаемой системе количество мочевины, втянутое в раствор (5), измеряется - рассчитывается по изменению рН, индуцируемому уреазой. Уреаза является ферментом, специфическим для мочевины. При ее соединении с мочевиной образуется МН₃, и значение рН раствора увеличивается. Это непосредственно связано с количеством мочевины. Один миллилитр 1%-ной уреазы в изотонном солевом растворе добавляется к 5 мл раствора, полученного в ходе процедуры обратного ионтофореза (раствор содержит мочевину, перенесенную через кожу пациента). Спустя 10 мин измеряется рН смеси - нового раствора. Соотношение между содержанием мочевины в крови пациента и значениями рН, полученными в ходе нашего эксперимента, показано на Фиг.5. В экспериментах анод был выполнен из серебра и катод из хлористого серебра. Эти электроды не вызывают изменений в значении рН, но могут использоваться и другие электроды, например, выполненные из меди, ванадия, стали, золота и т.д.

Альтернативно, содержание мочевины в растворе определялось путем измерения с использованием методом спектрофотометрии или путем определения изменения в электрических свойствах кожи вместо вышеупомянутого определения изменения рН.

Способ в объеме настоящего изобретения осуществляется с использованием устройства, например в форме наручных часов, которое может быть названо уреаметром. Устройство в форме наручных часов содержит положительный электрод (6) и раствор (5), содержащий NaCl и уреазу внутри корпуса часов - емкости (3), находящейся в соприкосновении с поверхностью кожи (7). Устройство, кроме того, содержит диализную мембрану, которая предотвращает утечку раствора и обеспечивает перенос мочевины (такая мембрана может являться гемодиализной). Также имеется отрицательный электрод (4) на другой стороне кожи (7), который может быть вмонтирован в ремешок часов; должны также иметься средство для измерения рН и элементы электропитания для подачи тока.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения имеется возможность использовать гель, содержащий среду сбора вместо вышеупомянутого раствора. Также существует микрокомпьютер/микропроцессор и программное обеспечение для измерения содержания мочевины в крови и предварительно установленных значений рН, которые могут показывать уровень содержания мочевины в крови.

Источники информации

1. Tierney M.J., Tamada J.A., Potts R.O., Jovanovic L, Garg S. Clinical evaluation of the GlucoWatch® biographer: a continual, non-invasive glucose monitor for patients with diabetes {«Клиническая оценка биографа GlucoWatch®: постоянного неинвазивного монитора глюкозы у пациентов, страдающих диабетом»). Biosensors & Bioelectronics 16 (2001), 621-629.

2. Brunner G.A., Ellmerer M., Sendlhofer G., et al. 1998. Validation of home blood glucose meters with respect to clinical and analytical approaches («Проверка бытовых приборов для измерения содержания глюкозы в крови в отношении клинических и аналитических подходов»). Diab. Care 21 (4), 585-590.

3. Cambiaso A., Delfino L., Grattarola M., Verreschi G., Ashworth D., Maines A. et al., 1996. Modeling and simulation of a diffusion limited glucose biosensor {«Моделирование и симулирование биодатчика глюкозы, ограниченного диффузией»). Sens. Act. В. 33, 203-207.

4. Tierney M.J., Tamada J.A., Potts R.O. et al. The GlucoWatch® biographer: a frequent, automatic and noninvasive glucose monitor {«Биограф GlucoWatch®: частотный, автоматический и неинвазивный монитор глюкозы»), Ann. Med. 32, 632-641.

5. Zhang Y., Hu Y., Wilson G.W., Moatti-Sirat D., Poitout V., Reach G., 1994. Elimination of the acetaminophen interference in an implantable glucose sensor {«Устранение вмешательства ацетаминафена в имплантируемом датчике глюкозы»). Anal. Chem. 66, 1183-1188.

6. Clarke W.L., Cox D., Gonder-Frederick L.A., Carter W., Pohl S.L., 1987. Evaluating clinical accuracy of systems for self-monitoring of blood glucose («Оценка клинической точности систем для самоконтроля содержания глюкозы в крови»). Diab. Care 10 (5), 622-628. Deming W.E., 1943. Statistical Adjustment of Data {«Статистическая корректировка данных»). Wiley, New York.

7. Garg S.K., Potts R.O., Ackerman N.R., Fermi S.J., Tamada J.A., Chase H.P., 1999. Correlation of fingerstick blood glucose measurements with GlucoWatch biographer glucose results in young subjects with type 1 diabetes {«Коррелягция измерений содержания глюкозы в крови с помощью пальцевого карандаша с результатами биографа глюкозы GlucoWatch у молодых пациентов, страдающих диабетом типа 1»). Diab. Care 22, 1708-1714.

8. Ginsberg B.H., 1992. An overview of minimally invasive technologies {«Обзор минимально инвазивных технологий»). Clin. Chem. 38, 1596-1600.

9. Kilpatrick E.S., McLeod M.J., Rumley A.G., Small M., 1994. A ward comparison between the One Touch II and Glucometer II blood glucose meters {«Больничное сравнение приборов для измерения содержания глюкозы в крови One Touch II Glucometer II»). Diab. Med. 11, 214-217.

10. Kurnik R.T., Oliver J.J., Waterhouse S.R., Dunn Т., Jayalashmi Y., Lesho M. et al., 1999. Application of the mixtures of experts algorithm for signal processing in a noninvasive glucose monitoring system {«Применение смесей экспертного алгоритма для обработки сигнала в неинвазивной системе контроля содержания глюкозы»). Sens. Act. В. 60, 1-8.

1. Устройство для определения содержания мочевины в крови пациента посредством контакта его с кожей, содержащее анод, емкость, включающую раствор, содержащий уреазу, катод, введенный в упомянутую емкость и мембрану, размещенную между указанным раствором и указанной емкостью, причем указанный анод и указанная мембрана размещены с возможностью контакта с кожей пациента, источник тока между указанным анодом и указанным катодом для создания обратного ионтофореза для того, чтобы молекулы мочевины мигрировали в емкость средства для определения pH раствора, отличающееся тем, что уровень содержания мочевины определяется средствами для измерения содержания мочевины в крови пациента на основании изменения pH раствора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная емкость также содержит изотонический солевой раствор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержимое емкости представлено в форме геля.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержимое емкости представлено в форме геля.

5. Способ для определения содержания мочевины в крови пациента посредством контакта с кожей пациента, включающий размещение на коже пациента анода, емкости, включающую раствор, содержащий уреазу и диализную мембрану, размещаемую между указанным раствором и указанной емкостью, применяют источник тока между указанным анодом и указанным катодом для создания обратного ионтофореза для того, чтобы молекулы мочевины мигрировали в емкость, отличающийся тем, что измерение содержания мочевины в крови пациента осуществляют путем определения изменения pH раствора, индуцируемого уреазой.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанный раствор включает изотонический солевой раствор.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанный раствор используют в форме геля.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что указанный раствор используют в форме геля.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют микрокомпьютер с управляющим программным обеспечением для определения содержания мочевины в крови пациента.

10. Способ по п.5, отличающийся тем, что анод, емкость с содержимым и средства для применения источника тока выполняют в виде наручных часов.