(57)【要約】体液中の酵素の活性化は、酵素による基質の切断量に基づいて検出される。基質は二つの蛍光色素、ドナーとアクセプター、で標識される。標識基質は体液に提示される。デバイスは、体液中に第一波長でエネルギーを放射し、そして、第一波長のエネルギーに応答して色素によって放射された第二及び第三波長のエネルギーを検出する。基質が酵素によって切断される前に、アクセプターは、蛍光共鳴エネルギー転移（ＦＲＥＴ）によってドナーから受容した第二波長のエネルギーに応答して、第三波長でエネルギーを放射する。基質を酵素で切断した後、ドナーは、第二波長でエネルギーを放射する。本発明のデバイスは、第二及び第三波長におけるエネルギーの相対的強度に基づいて、体液中における活性化酵素の濃度を決定できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
酵素と、少なくとも２種の蛍光色素で標識された基質とを含む体液中へ第一波長でエネルギーを放射する工程；
該第一波長の放射エネルギーに応答する該色素のうちの第二色素からの蛍光共鳴エネルギー転移に基づく第二波長で、該色素のうちの第一色素によって放射されたエネルギーを検出する工程；及び
該検出されたエネルギーに基づいて該酵素の活性化を検出する工程
を含む、移植可能な医療用デバイスにおいて酵素活性化を検出する方法。
【請求項２】
該体液が血液であり、そして、エネルギーを放射且つ検出する工程が、患者の血管中に配置された遠位端部を含む光ファイバを経由してエネルギーを放射且つ検出することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
該酵素の活性化を検出する工程が：
該第二波長のエネルギーの第一検出強度と第三波長のエネルギーの第二検出強度との間の比率が決定されること；及び該比率に基づいて体液中における活性化酵素の濃度を検出すること
を含む、該第一波長の放射エネルギーに応答して、該第三波長で該色素のうちの第二色素によって放射されたエネルギーを検出する工程を更に含む請求項１記載の方法。  
【請求項４】
該基質が、第一生成物と第二生成物とを含み、該第一生成物は、該色素のうちの第一色素で標識されていて、また、第二生成物が、該色素のうちの第二色素で標識されていて、且つ
該酵素が該基質を切断し、そして、該色素のうちの該第一色素が、蛍光共鳴エネルギー転移によって第三波長で該色素のうちの該第二色素から受容されたエネルギーを吸収し、そして、該酵素によって該基質が切断される前に、該第三波長のエネルギーを受容することに応答して、該第二波長でエネルギーを放射する請求項３記載の方法。
【請求項５】
該体液に該基質を提示する工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
該体液が血液であり、そして、該体液に該基質を提示する工程が、ポンプを制御して患者の血管中に配置された遠位端部を有するカテーテルを経由して該血液に該基質を提示することを含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
該エネルギーが、可視光である請求項１記載の方法。
【請求項８】
該酵素が、プロテアーゼ酵素である請求項１記載の方法。
【請求項９】
該酵素が、トロンビン及びカリクレインのうちの１種である請求項８記載の方法。
【請求項１０】
酵素活性化の検出と関連がある情報を記憶する工程；及び
該情報を使用者に送達する工程
を更に含む請求項１記載の方法。  
【請求項１１】
酵素活性化の検出に応答してアラームを発する工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項１２】
酵素活性化の検出に基づいて治療を患者に送達する工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項１３】
治療を送達する工程が、抗凝血剤、鎮痛剤及び神経刺激治療のうちの少なくとも１つを送達することを含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
酵素と、少なくとも２種の蛍光色素で標識された基質とを含む体液中へ第一波長でエネルギーを放射するための放射要素；
該第一波長の放射エネルギーに応答する該色素のうちの第二色素からの蛍光共鳴エネルギー転移に基づく第二波長で、該色素のうちの第一色素によって放射されたエネルギーを検出する検出器；及び
第一波長でエネルギーを放射するための放射要素を制御し、検出器によって検出されたエネルギー強度の示度を受信し、そして示されたエネルギー強度に基づいて酵素活性化を検出するプロセッサ
を含む移植可能な医療用デバイス。  
【請求項１５】
該検出器が、該第一波長の放射エネルギーに応答して、第三波長で該色素のうちの該第二色素によって放射されたエネルギーを検出し、そして、
該プロセッサが、第二及び第三の波長で検出器によって検出されたエネルギーの強度の示度を受信し、該第二波長における第一検出強度と該第三波長における第二検出強度との比率を決定し、そして、該比率に基づいて該体液中おける活性化酵素の濃度を決定する請求項１４記載のデバイス。
【請求項１６】
該基質が、第一生成物と第二生成物とを含み、該第一生成物は、該色素のうちの第一色素で標識されていて、また、第二生成物は、該該色素のうちの第二色素で標識されていて、そして、
該酵素が該基質を切断し、そして、該色素のうちの該第一色素が、蛍光共鳴エネルギー転移によって第三波長で該色素のうちの該第二色素から受容されたエネルギーを吸収し、そして、該酵素によって該基質が切断される前に、該第三波長のエネルギーを受容することに応答して、該第ニ波長でエネルギーを放射する請求項１５記載のデバイス。
【請求項１７】
該検出器が、該第二波長で放射されたエネルギーを検出するための第一検出器と、該第三波長のエネルギーを検出するための第二検出器とを含み、更に：
該第一検出器へと、該第二波長のエネルギーを通過させる第一フィルター；及び
該第二検出器へと、該第三波長のエネルギーを通過させる第二フィルター
も含む請求項１５記載のデバイス。    
【請求項１８】
該放射要素と該検出器とに光学的に接続された光ファイバを更に含み、そして、該光ファイバの遠位端部が該体液中に配置され、該放射要素が、該光ファイバを経由して該体液中にエネルギーを放射し、そして、該検出器が、該光ファイバを経由して該色素のうちの該第一色素によって放射発されるエネルギーを検出する請求項１４記載のデバイス。
【請求項１９】
該体液が血液であり、そして、該光ファイバの遠位端部が患者の血管内に配置される請求項１８記載のデバイス。
【請求項２０】
該光ファイバが、クラッドを含み、また、該光ファイバが、該光ファイバから該クラッドが除去されている領域を含み、また、該基質が、該クラッドが除去されている該光ファイバの該領域に結合される請求項１８記載のデバイス。
【請求項２１】
該領域が、該ファイバの遠位端部である請求項２０記載のデバイス。
【請求項２２】
第一リール；
第二リール；及び
光ファイバに対して実質的に平行で且つ近傍にある経路に沿って該第一リールと該第二リールとの間でテープを移動させるためのリール回転機構を更に含み、
そして、該基質がテープに結合されていて、光ファイバがクラッドを含み、該クラッドが該光ファイバの一部分から除去されていて、そして、該プロセッサが、切断されていない基質が該光ファイバの露出部分の近傍に存在するように該テープを移動させるための該リール回転機構を制御する請求項１８記載のデバイス。
【請求項２３】
該第一リール及び第二リールのうちの少なくとも１つが、該光ファイバに結合される請求項２２記載のデバイス。
【請求項２４】
該基質を含むリザーバ；
該リザーバと流体連通しているポンプ；
該ポンプと流体連通している近位端部と該体液中に配置される遠位端部とを含むカテーテルを更に含み、
そして、該プロセッサが該ポンプを制御して、該カテーテルを経由して、該体液に該基質を提示する請求項１４記載のデバイス。
【請求項２５】
該体液が血液であり、そして、該カテーテルの遠位端部が患者の血管内に配置される請求項２４記載のデバイス。
【請求項２６】
該エネルギーが、可視光である請求項１４記載のデバイス。
【請求項２７】
該酵素が、プロテアーゼ酵素である請求項１４記載のデバイス。
【請求項２８】
該酵素が、トロンビン及びカリクレインのうちの１種である請求項２７記載のデバイス。
【請求項２９】
酵素活性化の検出と関連がある情報を記憶するメモリ；及び
テレメトリー回路
を更に含み、そして、該プロセッサが該テレメトリー回路を経由して使用者に情報を送達する請求項１４記載のデバイス。  
【請求項３０】
アラームを更に含み、そして、該プロセッサが、酵素活性化の検出に基づいて該アラームを作動させる請求項１４記載のデバイス。
【請求項３１】
薬剤を含むリザーバ；
該リザーバと流体連通しているポンプ；
該ポンプと流体連通している近位端部と患者の体内に配置される遠位端部とを含むカテーテルを更に含み、
そして、該プロセッサが該ポンプを制御して、酵素活性化の検出に基づいて、該カテーテルを経由して、該患者に該薬剤を提示する請求項１４記載のデバイス。
【請求項３２】
該薬剤が、抗凝血剤及び鎮痛剤のうちの１種を含む請求項３１記載のデバイス。
【請求項３３】
該デバイスが、患者に移植される請求項１４記載のデバイス。
【請求項３４】
患者の体液中の酵素の活性化を光学的に検出するための第一医療用デバイス；及び
酵素活性化の検出に基づいて治療を該患者に送達するための第二医療用デバイス
を含む移植可能な医療用デバイスシステム。  
【請求項３５】
該第一医療用デバイスが、
体液中へ第一波長でエネルギーを放射するための放射要素；
該第一波長のエネルギーに応答して、該体液中の標識基質の生成物によって第二波長及  び第三波長で放射されたエネルギーを検出するための検出器；及び
該第一波長でエネルギーを放射するための放射要素を制御し、検出器によって検出されたエネルギー強度の示度を受信し、そして示されたエネルギー強度に基づいて該体液中の該基質を切断する活性化酵素の濃度を決定するためのプロセッサ
を含み、そして、該第二医療用デバイスが、該決定された濃度に基づいて該治療を該患者に送達する請求項３４記載のシステム。  
【請求項３６】
該第二医療用デバイスが、該酵素活性化の検出に基づいて薬剤を送達するための薬ポンプを含む請求項３４記載のシステム。  
【請求項３７】
該第二医療用デバイスが、酵素活性化の検出に基づいて神経刺激治療を送達するための神経刺激デバイスを含む請求項３４記載のシステム。
【請求項３８】
該第一及び第二医療用デバイスが、一つのハウジング内に一体化される請求項３４記載のシステム。
【請求項３９】
該第一医療用デバイス及び第二医療用デバイスのうちの少なくとも１つが、患者に移植される請求項３４記載のシステム。
【請求項４０】
コア；及び
該コアを取り囲んでいるクラッド、該クラッドは、該ファイバの部分から部分的に除去され、そして体液中に存在する酵素のための基質は該コアの部分に結合させる、
を含む光ファイバ。
【請求項４１】
該ファイバの該部分が、該ファイバの遠位端部の近傍にある請求項４０記載の光ファイバ。
【請求項４２】
該酵素が、カリクレイン及びトロンビンのうちの１種である請求項４０記載の光ファイバ。
【請求項４３】
該基質が、架橋剤によって、該コアに結合される請求項４０記載の光ファイバ。
【請求項４４】
該基質が、少なくとも２種の蛍光色素によって標識される請求項４３記載の光ファイバ。
【請求項４５】
該色素のうちの第一色素の吸収スペクトルが、該色素のうちの第二色素の発光スペクトルに重なる請求項４４記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明は、医療用デバイスに関するものであり、更に詳しくは、体液中の酵素を検出する医療用デバイスに関する。
一般的に、血液又はリンパのような体液中に存在する様々な酵素の活性は、臨床的に重要である。いくつかの酵素は、イベント又は状態によってそれらの活性化が誘発されるまで、不活性前駆物質として体液中に存在している。例えば、酵素であるカリクレイン及びトロンビンは、活性化されるまで、それらのそれぞれの不活性前駆物質、すなわち、プレカリクレイン及びプロトロンビンとして血液中に存在する。カリクレイン及びトロンビンのような酵素の活性化は、臨床的に重要な基礎的なイベント又は状態を示唆していることがある。
【０００２】
カリクレインは、外因性疼痛伝達経路を介して神経系へ疼痛性イベント又は疼痛性刺激の信号を送るプロセスに関与している。作用因子、例えば熱、力又は放射線によって細胞が破裂するとき、その細胞は、周囲の環境中に、その内部成分を放出する。それらの細胞成分の中で、主なものは、カリクレインを活性化させるタンパク質、すなわち、不活性プレカリクレインをカリクレインへと変換するタンパク質である。カリクレインは、次いで、ブラジキニンと呼ばれているタンパク質を活性化させ、そしてそのブラジキニンは自由神経終末に作用して当該領域の痛みを信号として送る。また、ブラジキニンは、組織を膨潤させることによって、例えば、水腫を引き起こすことによって、痛みを誘発することもある。
【０００３】
トロンビンは、血液凝固のプロセスに関与している。詳しくは、トロンビンは、フィブリノーゲンをフィブリンに変換し、そして、その結果として血栓を形成させる。酵素活性の複雑なカスケードの一部として、プロトロンビンはトロンビンへと変換される。一般的に言って、血管内に血液が鬱血するに至る状態の患者、例えば心房細動の患者又は血流に曝露される移植された異物を有する患者、例えば人工弁を有する患者は、潜在的に致命的な血栓を発症する危険性が高い。前記患者には、血栓形成の可能性を減らすために、しばしば抗凝血剤が投与される。
【０００４】
一般的に、本発明は、体液中に存在する酵素の活性化を光学的に検出する技術に関する。体液は血液であることができ、そして、検出される酵素は、例えばカリクレイン又はトロンビンであることができる。酵素の活性化は、医学的に重要なイベント又は状態を示唆していることがある。いくつかの態様では、本発明による体液中酵素の活性化の検出により、臨床診断、長期モニタリング、及び／又は閉ループ治療送達が可能となる。
【０００５】
体液中の酵素の活性化は、酵素による基質の切断量に基づいて検出される。基質は２種の蛍光色素で標識され、その結果として、酵素による基質の切断から生じる２種の生成物のそれぞれは、前記色素のうちの１種で標識される。色素、すなわちアクセプターのうちの１つの吸収スペクトルは、他の色素、すなわちドナーの発光スペクトルに重なる。
【０００６】
標識基質が体液に提示される。デバイスは、体液中に第一波長でエネルギーを放射し、そして次に、デバイスは、第一波長でデバイスによって放射された前記エネルギーに応答して色素によって第二及び第三波長で放射されたエネルギーを検出する。ドナーは、第一波長でデバイスによって放射されたエネルギーを吸収する。基質が酵素によって切断される前に、アクセプターは、蛍光共鳴エネルギー転移（ＦＲＥＴ）によって、ドナーから第二波長でエネルギーを受容し、そして第三波長でエネルギーを放射する。酵素による切断の後、ＦＲＥＴは起こらず、ドナーは、第一波長のエネルギーの吸収に応答して第二波長でエネルギーを放射する。
【０００７】
第一波長でエネルギーを放射する同じデバイスは、ポンプ及びカテーテルを使用して、リザーバから体液へと、標識基質を提示することもできる。デバイスは、体液中に配置された遠位端部を有する光ファイバによって、エネルギーを放射でき且つ検出できる。
いくつかの態様では、基質は、基質テープ上で体液に提示されるか、又は光ファイバに結合される。
【０００８】
基質の切断速度は、ある時間にわたる第二及び第三波長におけるエネルギーの相対的強度に基づいて決定される。いくつかの態様では、デバイスは、第二及び第三波長におけるエネルギー強度間の比率を決定し、そして、ある時間にわたって決定された比率の値に基づいて、体液中における活性化酵素の量を決定する。活性化酵素の量と比率との間の関係は、一つ以上のルックアップ表、方程式、又は曲線等としてメモリ内に記憶することができる。活性化酵素の量は、例えば、活性化酵素の濃度として、例えば体液１ミリリットルあたりの単位で表すことができる。活性化酵素の濃度と、ある時間にわたる比率との間の関係を教えてくれる情報は、実験的に得ることができる。
【０００９】
いくつかの態様では、デバイスは、臨床医による後の検索のために、決定された活性化酵素量をメモリに記憶させる。いくつかの態様では、デバイスは、一つ以上の域値をメモリに記憶していて、活性化酵素の量又は活性化酵素の量の変化率が域値を上回るか又は下回った場合に、アラームを発する。治療、例えば抗凝血剤治療又は鎮痛剤治療又は神経刺激治療は、活性化酵素の決定量に基づいて送達することができる。
【００１０】
一つの態様において、本発明は、エネルギーが体液中に第一波長で放射される方法に関する。体液中の標識基質は第一波長のエネルギーに応答して第二波長及び第三波長でエネルギーを放射し、そして、その標識基質によって放射されるエネルギーが検出される。体液中で基質を切断する酵素の活性化は、検出エネルギーに基づいて検出される。第二波長のエネルギーの第一検出強度と第三波長のエネルギーの第二検出強度との比率が決定され、そして、体液中の活性化酵素の濃度を、比率に基づいて決定することができる。
【００１１】
別の態様では、本発明は、体液中に第一波長でエネルギーを放射するための放射要素と、そして、第一波長のエネルギーに応答して、体液中の標識基質の生成物によって第二波長及び第三波長で放射されるエネルギーを検出する検出器とを含むデバイスに関する。そのデバイスは、第一波長でエネルギーを放射するための放射要素を制御し、検出器によって検出されたエネルギー強度の示度を受信し、そして示されたエネルギー強度に基づいて体液中の基質を切断する酵素の活性化を検出するプロセッサを更に含む。また、そのデバイスは、放射要素及び検出器に光学的に接続された光ファイバも含むことができる。光ファイバの遠位端部は、体液中に配置することができる。放射要素は、光ファイバを経由して体液中にエネルギーを放射することができ、また、検出器は、光ファイバを経由して、体液中に存在する標識基質の生成物によって放射されたエネルギーを検出できる。
【００１２】
別の態様では、本発明は、患者の体液中の酵素の活性化レベルを光学的に検出するための第一医療用デバイスと、酵素活性化の検出に基づいて患者に治療を送達するための第二医療用デバイスとを含むシステムに関する。第二医療用デバイスは、例えば、体液中の活性化酵素の濃度に基づいて薬剤を患者に送達する薬ポンプ又は体液中の活性化酵素の濃度に基づいて患者に神経刺激治療を送達する神経刺激治療デバイスであることができる。
【００１３】
別の態様では、本発明は、コア及びクラッドを含む光ファイバに関する。コアの一部分を露出させるために光ファイバの一部分からクラッドを部分的に除去し、そして体液中に存在する酵素のための基質をコアのその露出された部分に結合させる。
【００１４】
本発明の一つ以上の態様の詳細を、添付の図面及び下記の説明で明らかにする。本発明の他の特徴、目的及び利点は、説明と図面及び請求の範囲を参照することにより明らかとなる。
【００１５】
図１は、患者１２に移植された移植可能な医療用デバイス（ＩＭＤ）１０を例示している透視図ある。ＩＭＤ１０は、患者１２の体液中における酵素活性化を光学的に検出する。体液は、患者１２の血管（図示せず）内の血液であることができる。更に、ＩＭＤ１０は、いくつかの態様では、血液中のプロテアーゼ酵素、例えばカリクレイン又はトロンビンの活性化を検出することができる。
【００１６】
ＩＭＤ１０は、カテーテル１４及び光ファイバ１６に接続される。カテーテル１６及び光ファイバ１８の遠位端部は体液中へと伸長して、ＩＭＤ１２が体液中における酵素の活性化を検出できるようにしている。例えば、カテーテル１４及び光ファイバ１６の遠位端部は、ＩＭＤ１０が患者１２の血液中のカリクレイン又はトロンビンの活性化を検出できるように、血管中へと伸長できる。
【００１７】
一般的に、標的酵素が体液中で活性化されるとき、標的酵素は体液中で特定のタンパク質を切断するように機能する。例えば、カリクレインはキニノーゲンを切断してブラジキニンを放出し、また、トロンビンはにフィブリノーゲンを切断してフィブリンを放出する。ミカエリス−メンテンモデルによると、切断されたタンパク質の量は、活性化酵素の濃度、酵素の代謝回転速度及びアクセス可能なタンパク質の量に左右される。
【００１８】
ＩＭＤ１０は、基質を使用して、標的酵素の活性化を検出する。タンパク質を切断することに加えて、標的酵素は基質を切断する。ＩＭＤ１０は、基質切断の程度に基づいて、酵素活性化のレベルを決定する。基質は、カテーテル１４を経由して体液に提示される。
【００１９】
酵素は、タンパク質及び基質の分子構造内の選択された結合を断つことによって、タンパク質及び基質を切断する。詳しくは、カリクレイン及びトロンビンの両方は、セリンプロテアーゼであって、アルギニンとリジン又はアルギニンとグリシン間のペプチド結合を選択的に標的とする。而して、カリクレイン又はトロンビンにとって適当な基質は、基質を切断するために標的酵素によって断つことができるペプチド結合を含む。
【００２０】
カリクレイン及びトロンビンにとって適当な基質の例は、それぞれ表１及び表２に掲げてある。しかしながら、本発明は、これらの典型的な基質を使用する酵素活性化の検出に限定されない。また、本発明は、カリクレイン又はトロンビンの活性化の検出に限られている。特定の酵素の活性化を検出するのに適する基質は、その特定の酵素の結合選択性に基づいて識別することができる。
【００２１】
【表１】
2006525804.tif 000002
【００２２】
ＩＭＤ１０は、基質切断の量、而して、酵素活性化の量を光学的に検出する。基質が体液に提示されるときに、ＩＭＤ１０は光ファイバ１６を経由して体液中にエネルギーを放射する。基質は蛍光色素で標識される。ＩＭＤ１０は、光ファイバ１６を経由してＩＭＤ１０によって放射されたエネルギーの吸収に応答して蛍光色素によって放射されたエネルギーを検出する。以下で詳しく説明しているように、ＩＭＤ１０は、色素間の蛍光共鳴エネルギー転移（ＦＲＥＴ）のレベルに基づいて、基質切断の量を検出する。ＩＭＤ１０によって放射され且つ検出されたエネルギーは可視光であってもよい。
【００２３】
カテーテル１４及び光ファイバ１６の遠位端部は、図１に示すように、体液中で互いに実質的に近傍に位置することができる。いくつかの態様では、カテーテル１４及び光ファイバ１６は、互いの位置を互いの近傍に配置するのを助け且つその位置を保つために共通の外筒（図示せず）の中に包含される。しかしながら、カテーテル１４及び光ファイバ１６は連設される必要はない。例えば、ＩＭＤ１０は、光ファイバ１６の位置から「上流」にある位置で、カテーテル１４を経由して、血流に対して標識基質を提示することができる。更に、いくつかの態様では、ＩＭＤ１０は、カテーテル１４に接続されない。
前記態様では、標識基質は、皮下注射器及び針を使用する手動注入によって、静脈内ボーラスを送達する外部薬ポンプによって、基質テープによって提示できるか、又は光ファイバ１６に結合させることができる。
【００２４】
図２は、本発明にしたがって酵素活性化を検出するためのＦＲＥＴの使用を例示している概念図である。典型的な基質分子２０は、第一生成物２２及び第二生成物２４を含む。
基質分子２０の第一生成物２２は、第一蛍光色素によって標識され、それをドナー色素２６とする。基質分子２０の第二生成物２４は、第ニ蛍光色素によって標識され、それをアクセプター色素２８とする。
【００２５】
ドナー色素２６に関する吸収スペクトル３０及び発光スペクトル３２は、図２に例示してある。アクセプター色素２８に関する吸収スペクトル３４及び発光スペクトル３６も例示してある。例示してあるように、ドナー色素２６は、波長λ０のエネルギーの吸収に応答して、波長λ１でエネルギーを放射する。アクセプター色素２８は、波長λ１のエネルギーの吸収に応答して、波長λ２でエネルギーを放射する。而して、アクセプター色素２８の吸収スペクトルは、ドナー色素２６の発光スペクトルに重なる。
【００２６】
ドナー色素２６及びアクセプター色素２８が充分に近傍にあるとき、例えば約１０〜１００オングストロームの位置にあるとき、そして、それらの双極子配向がほぼ平行であるとき、アクセプター２８は、ＦＲＥＴによってドナー２６から波長λ１のエネルギーを共鳴状態で受容する。アクセプター色素２８は、波長λ１のエネルギーの吸収に応答して、波長λ２でエネルギーを放射する。図２に例示したように、ドナー２６及びアクセプター２８は、基質分子２０の酵素による切断前に、充分近傍にあって且つ適当に配向され、また、アクセプター２８は、波長λ０のエネルギーを吸収するドナーに応答して波長λ２でエネルギーを放射する。基質分子２０が酵素によって切断されると、ドナー２６及びアクセプター２８は、もはや充分に近傍に存在せず又は適当に配向されておらず、そして、ドナー２６は、波長λ０のエネルギーの吸収に応答して波長λ１でエネルギーを放射する。
【００２７】
図３は、酵素活性化を検出するためのＩＭＤ１０の運転を例示している透視図である。
カテーテル１４及び光ファイバ１６の遠位端部は、血管４０内に配置される。血管４０内の血液は酵素４２を含む。酵素４２は、活性化酵素分子と、酵素となる不活性前駆体分子とを含む。例えば、酵素４２は、カリクレイン前駆体及びカリクレイン分子、又はプロトロンビン及びトロンビン分子を含むことができる。図を簡略化するために、一つの酵素分子４２のみが示してある。
【００２８】
ＩＭＤ１０は、カテーテル１４を経由して血管４０内の血流に対して、ドナー色素２６で標識された生成物とアクセプター色素２８によって標識された生成物とを含む基質２０を提示する。図３に例示してあるように、色素２６及び２８によって標識された生成物が分離されるように、活性化酵素分子４２は基質２０を切断する。図の簡略化のために、一つの基質分子２０と、一つのドナー及びアクセプター色素２６及び２８によって標識された生成物の一つの例だけが示してある。
【００２９】
ＩＭＤ１０は、光ファイバ１６を経由して、血管４０の血流中に、波長λ０でエネルギーを放射する。ドナー色素２６は、波長λ０のエネルギーを吸収する。基質分子２０が血流中で無傷であるとき、アクセプター色素２８は、上記のように、波長λ０でエネルギーを吸収しているドナー２６に応答して、ＦＲＥＴによって波長λ２でエネルギーを放射する。活性化酵素分子４２が基質分子２０を切断すると、色素２６及び２８は、物理的に切り離されてＦＲＥＴが妨げられる。基質分子２０が切断されると、ドナー２６は、波長λ０でＩＭＤ１０によって放射されるエネルギーを吸収することに応答して波長λ１でエネルギーを放射する。
【００３０】
ＩＭＤ１０は、光ファイバ１６を経由して、波長λ１でドナー２６によって放射されたエネルギーと、波長λ２でアクセプター２８によって放射されたエネルギーとを検出する。波長λ１及びλ２で検出されるエネルギーの強度は、血管４０内の切断された基質２０及び切断されていない基質２０の量と関連がある。血管４０内の切断された基質２０及び切断されていない基質２０の量は、血液内の活性化酵素４２の量に左右される。
【００３１】
ＩＭＤ１０は、波長λ１とλ２で検出されたエネルギー強度の比率に基づいて、酵素４２の活性化を検出する。前記の比率に基づいて酵素４２の活性化を検出することから、ＩＭＤ１０は、信号低下によって引き起こされる、例えば光ファイバ１６上での線維組織の成長によって引き起こされるエラーを起こしにくい。いくつかの態様では、ＩＭＤ１０は、検出されたエネルギーの総強度をモニターすることができるので、減少した信号強度を、放射されたエネルギーの強度を上げることによって補償することができる。
【００３２】
表１及び表２に掲げた典型的な基質と一緒に使用される適当なドナー２６／アクセプター２８のペアとしては、ＡＭＣＡ／ＦＩＴＣ及びＦＩＴＣ／ＴＲＩＴＣが挙げられる。
しかしながら、本発明は、これらの色素ペアに限定されない。望ましい色素ペアとしては、吸収スペクトルがドナーの発光スペクトルに重なるアクセプターを有する任意の色素ペアが挙げられる。色素ペアの適合性も、選択された基質の生成物に対して結合するその能力に左右され得る。
【００３３】
図４は、ＩＭＤ１０の構成を例示しているブロック図である。図４に例示してあるＩＭＤ１０の典型的な構成では、ＩＭＤ１０は、リザーバ５０、及びリザーバ５０と体液連通しているポンプ５２、及びカテーテル１４を含む。リザーバ５０は、標識基質２０を含む。プロセッサ５４は、ポンプ５２を制御し、カテーテル１４を経由して基質２０を体液に提示する。提示基質２０に関して、ＩＭＤ１０は、移植可能な薬ポンプ、例えばＭｅｄｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＳｙｎｃｈｒｏｍｅｄ（登録商標）薬ポンプに実質的に相当し得る。リザーバ５０は、例えば、注射器で再充填することによって、長期の移植及び酵素活性化の検出が可能である。
【００３４】
また、ＩＭＤ１０は、光ファイバ１６に光学的に接続されているエミッタ５６と検出器５８及び６０とも含む。プロセッサ５４は、エミッタ５６を制御して、ポンプ５２による基質２０の提示と関連させながら、波長λ０でエネルギーを放射する。検出器５８は波長λ１で体液中の基質２０によって放射されるエネルギーを検出し、そして、検出器６０は波長λ２で体液中の基質２０によって放射されるエネルギーを検出する。プロセッサ５４は、検出器５８及び６０から、波長λ１及びλ２のエネルギー強度の示度を受信する。
【００３５】
検出器５８及び６０は、電気光学トランスデューサという形態をとることができる。いくつかの態様では、単一の検出器は、波長λ１及びλ２のエネルギーを検出する。前記態様では、検出器は、波長λ１及びλ２の強度を決定し、そしてプロセッサ５４へとその強度を示すために、電気光学トランスデューサに加えて、アナログ信号又はデジタル信号処理コンポーネントを含むことができる。
【００３６】
光カプラ６２は、エミッタ５６及び検出器５８及び６０と光ファイバ１６とを接続する。フィルター６４は、エミッタ５６によって放射されたエネルギーをフィルターにかけて、波長λ０のエネルギーを体液に送達することを保証する。フィルター６６及び６８は、体液中の基質２０から受容されたエネルギーをフィルターにかけて、検出器５８及び６０が波長λ１及びλ２のエネルギーをそれぞれ確実に受容することを保証する。いくつかの態様では、フィルター６４〜６８は、二色性帯域フィルターの形態をとる。
【００３７】
検出器５８及び６０に送達されたエネルギーは増幅することができる。一つ以上の増幅器（図示せず）、例えばチョッパー安定化増幅器を使用して、エネルギーを増幅し、検出器５８及び６０に送達されるエネルギーのための雑音比まで信号を改善する。
【００３８】
プロセッサ５４は、酵素の活性化を検出し、そして、いくつかの態様では、波長λ１及びλ２における表示強度に基づいて、体液内の活性化酵素の量を決定する。詳しくは、プロセッサ５４は、波長λ１及びλ２における強度間の比率を算出することができ、そして、その比率に基づいて活性化酵素の量を決定することができる。活性化酵素の量は、体液内の酵素の活性化形態の濃度として、例えば体液１ミリリットルあたりの単位で表すことができる。
【００３９】
プロセッサ５４は、決定された比率をメモリ７０に記憶することができる。また、メモリ７０は、活性化酵素の量を比率に基づいて決定するためにプロセッサ５４によって使用される情報も記憶する。例えば、いくつかの態様では、メモリ７０は、ルックアップ表か、又は比率と酵素濃度との関係を記述している方程式を含む。
【００４０】
活性化酵素の決定量、例えば活性化酵素の濃度は、臨床医によって後の検索のためにメモリ７０に記憶できる。例示的態様では、臨床医は、当業者には公知のように、テレメトリー回路７２を介してプログラマを使用してメモリ７０から一つ以上の濃度を検索する。標的酵素がカリクレインである場合、臨床医は、例えば、濃度を使用して、より正確に痛みの強さ及び頻度を確認することができ、また、光ファイバ１６の位置によって痛みの位置を確認できる。この情報により、臨床医はより正確に痛みの根本原因を診断することができ、そして、より有効な疼痛治療を患者１２に処方することができる。標的酵素がトロンビンである場合、臨床医は、時間の経過と共に採取された酵素濃度を使用して、例えば、患者１２のために、抗凝血治療のための投与量をより適切に決定することができる。テレメトリーを使用して、ＩＭＤ１０の状態及び性能に関する、例えばバッテリ及びリザーバの状態に関する情報を臨床医に伝えることもできる。
【００４１】
メモリ７０は閾値を記憶することができ、また、プロセッサ５４は、比率、濃度、ある時間にわたる比率の変化率、又はある時間にわたる濃度の変化率が閾値を超えるか又は下回るとき、アラーム７４を作動させることができる。例えば音で又は振動で、患者１２はアラーム７４を知ることができる。活性化酵素の酵素活性化濃度が緊急の医学的状態を示しているとき、例えば、トロンビン濃度が血栓形成の確率が危険なほど高くなっているとき、アラーム７４によって、即時の治療が必要であることを患者１２に教えることができる。場合によっては、トロンビン活性化の増加は、心臓発作前の凝血カスケードを示していることがある。
【００４２】
メモリ７０は、本発明においてプロセッサに起因する機能を実行するように前記プロセッサ５４を制御するプログラム命令を記憶することもできる。メモリ７０としては、種々の磁気メディア、光メディア、又は電子メディア、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、電気的に書換可能なリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、又はフラッシュメモリ等が挙げられる。プロセッサ５４は、一つ以上のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、又はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡｓ）等が挙げられる。
【００４３】
いくつかの態様では、プロセッサ５４は、活性化酵素の決定量に基づいて、患者１２への治療の送達を制御する。いくつかの態様では、ＩＭＤ１０は、患者１２に１種以上の薬剤を送達するための追加のリザーバ、ポンプ及びカテーテルを含む。プロセッサ５４は、追加のポンプを制御して、活性化酵素の決定量に基づいて、薬剤の送達を開始できるか又は投与量を変えることができる。例えば、鎮痛剤の送達は、カリクレイン活性化の増加が測定されたときに開始することができ、又は抗凝血剤の投与量、例えばヘパリンの投与量は、トロンビン活性化の増加の測定に基づいて変えることができる。他の態様では、ＩＭＤ１０は、以下で詳細に説明しているように、プロセッサ５４によって制御されるか又はプロセッサ５４から受け取った活性化酵素量に応答して機能する治療送達デバイスを含むシステムの一部である。このように、ＩＭＤ１０によって、患者１２に対して治療の閉ループ送達ができる。
【００４４】
図５は、活性化酵素量の決定に用いられる比率曲線８０〜８６を例示しているタイミング図である。比率曲線８０〜８６のそれぞれは、活性化酵素の量、例えば活性化酵素の濃度の量と関連がある。比率曲線８０〜８６は、標識基質と一緒に、公知の濃度の活性化酵素を導入した後、ある時間にわたって、例えば１〜１０分にわたってλ１／λ２比率を決定することによって得られる。いくつかの態様では、メモリ７０は、曲線８０〜８６を示す情報を記憶し、また、プロセッサ５４は、その情報を使用して、体液に基質２０を提示した後に公知の時間において算出される一つ以上のλ１／λ２比率に基づいて現在の活性化レベルを決定する。曲線８０〜８６を記述する情報は、一つ以上のルックアップ表又は方程式として記憶できる。
【００４５】
図６は、酵素活性化を検出するためにＩＭＤ１０によって使用され得る実施例方法を例示している流れ図である。標識基質２０が体液（９０）に提示される。いくつかの態様では、上記のように、プロセッサ５４は、ポンプ５２を制御して、カテーテル１４を経由して基質２０を提示する。次に、ＩＭＤ１０は、例えばエミッタ５６を制御して波長λ０でエネルギーを放射することによって、波長λ０でエネルギーを放射する（９２）。
【００４６】
ＩＭＤ１０は、波長λ０でＩＭＤ１０によって放射されたエネルギーの吸収に応答して、基質２０を標識しているドナー色素及びアクセプター色素２６及び２８によって放射される波長λ１及びλ２のエネルギーを検出する（９４）。例えば、いくつかの態様では、上記したように、プロセッサ５４は、検出器５８及び６０から、波長λ１及びλ２のエネルギー強度の示度を受信する。例えばλ１／λ２比率を算出することによって、プロセッサ５４は、波長λ１及びλ２におけるエネルギーの強度を比較し（９６）、そして、その比較の関数として、活性化酵素の量、例えば活性化酵素の濃度を決定する（９８）。
【００４７】
本発明の方法が実行される頻度は、用途によって決まる。例えば、本発明の方法は、プログラマを使用して、臨床医の管理下で、診断検査としてクリニック訪問の中に一回以上行うことができる。いくつかの態様では、本発明の方法は、モニターされる状態又は酵素によって必要と認められる場合は、定期的に行うことができる。例えば、本発明の方法は、一日もしくは一週間に一回以上行ってもよく、又は一時間ごとに行ってもよい。本発明の方法では、酵素活性化の検出は特定の頻度に制限されない。
【００４８】
図７は、本発明のいくつかの態様によるＩＭＤ１０に接続できる光ファイバ１００を例示している透視図である。図７に示してあるように、光ファイバ１００は、それに対して結合された基質２０を含む。光ファイバ１００を使用して、体液に基質２０を提示する。
光ファイバ１００は、例えば、体液に基質２０を示すためのポンプ５２とリザーバ５０とを含まないＩＭＤ１０の態様と一緒に使用することができる。
【００４９】
基質２０は、光ファイバ１００のクラッド１０４が部分的に除去されていて、光ファイバ１００のコア１０５が露出している光ファイバ１００の領域１０２に結合される。一般的に、クラッド１０４は、エネルギーを反射し且つ屈折させて、エネルギーが、コア１０５の中を通って光ファイバ１００の遠位端部へと移動するように指向する。クラッド１０４が部分的に除去されている領域１０２では、エネルギーは、光ファイバ１００のコア１０５を出たり入ったりすることができる。換言すれば、ＩＭＤ１０は、体液に提示されたドナー２６がエネルギーを吸収できるように、領域１０２を経由して体液中に波長λ０でエネルギーを放射できる。図７に例示してあるように、基質２０が切断されないとき、上記したように、アクセプター２８は、ＦＲＥＴによって波長λ２でエネルギーを放射する。アクセプター２８によって放射された波長λ２のエネルギーは、ＩＭＤ１０による検出のために領域１０２を経由して光ファイバ１００に入る。
【００５０】
基質２０のドナー標識生成物２２及びアクセプター標識生成物２４は、架橋剤１０６Ａ及び１０６Ｂ（まとめて「架橋剤１０６」）によって領域１０２においてコア１０５に結合される。架橋剤１０６は、ＳＰＤＰ（Ｎ−スクシニミジル−３−（２−ピリジルジチオ）プロピオネート）のようなヘテロ二機能性架橋剤の形態をとることができる。光ファイバ１００の領域１０２は、アミノシラン、例えば３−アミノプロピルトリエトキシシランで又はスルフヒドリル−反応中間体を産生する修飾アミン基を有するタンパク質で処理して、領域１０２に対する架橋剤１０６の結合を促進する。
【００５１】
基質２０は、酵素を含む体液に曝露される。酵素が基質２０を切断すると、ドナー標識生成物２２とアクセプター標識生成物２４が分離され、ＦＲＥＴは、色素２６と色素２８との間で起こらない。ドナー標識生成物２２とアクセプター標識生成物２４との間の分離は、架橋剤１０６のスプリンギング作用に一部起因している。基質２０が切断されるとき、ドナー２６は、上記のように、領域１０２を経由して波長λ０でＩＭＤ１０によって放射されるエネルギーに応答して、波長λ１でエネルギーを放射する。
【００５２】
いくつかの態様では、光ファイバ１００は、一回の使用で廃棄される。而して、光ファイバ１００は、本明細書で説明している発明を実行できる外部デバイスと一緒に使用するのに特に適している。光ファイバ１００は、経皮的に、又は体液のｉｎ  ｖｉｔｒｏサンプルで使用できる。多数の基質分子２０が露出領域１０２に結合されると理解されるが、例示を容易にするために、１つの基質分子２０が示してある。更に、領域１０２は、図７に例示してあるような光ファイバ１００の遠位端部に配置する必要はない。
【００５３】
図８は、本発明のいくつかの態様にしたがって酵素活性化を光学的に検出する場合に使用する光ファイバ１１０及び基質テープ１１２を例示している透視図である。図８に示してあるように、光ファイバ１１０は、光ファイバ１００のクラッド１１６が部分的に除去されていて光ファイバ１１０のコア１１７が露出している光ファイバ１１０の領域１１４を含むことができる。図７に関して上記したように、移植可能な医療デバイス１１８は、エネルギーを放射することができ、且つ、領域１１４を経由して色素２６及び２８によって放射されるエネルギーを検出することができる。
【００５４】
基質２０は、架橋剤１０６によってテープ１１２に結合される。テープ１１２は、リール１２０Ａと１２０Ｂとの間を移動する。テープ１１２は、基質２０及び色素２６と２８が領域１１４の近傍に存在するように、光ファイバ１１０に対して実質的に平行で且つ近傍にある経路上を移動することができる。リール１２０Ｂは、リール１２０Ｂの単一方向への自由な回転を可能にする支持部材１２２によって光ファイバ１１０に取り付けることができる。リール１２０Ａは、リール１２０Ａと１２０Ｂとの間に示してある経路に沿ってテープ１１２を移動させるようにリール１２０を回転させるリール回転機構１２４に結合されている。
【００５５】
ＩＭＤ１１８のプロセッサ（図示せず）は、リール回転機構１２４を制御して、テープ１１２を移動させて、酵素活性化の新たな決定のために新しい基質２０を提示することができる。テープ１１２は、リール１２０Ｂに巻き取られ、そして、リール１２０Ｂ上に巻き取られと共に、基質分子２０は体液から隔離される。テープがリール回転メカニズム１２４の動作によってリール１２０Ｂから引き出されるにつれて、基質分子２０は体液に曝露されるようになる。
【００５６】
ＩＭＤ１１８は、コンポーネント、例えば、図４について上記したように、ＩＭＤ１０と同様に、プロセッサ、エミッタ及び検出器を含むことができる。しかしながら、図を簡略化するために、図８には、リール回転機構１２４及びリール１２０Ａのみを図示してある。多数の基質分子２０がテープに結合されると理解されるが、例示を容易にするために、１つの基質分子２０が示してある。更に、領域１１４とリール１２０Ｂは、図８に例示してあるようなファイバ１１０の遠位端部に配置する必要はない。
【００５７】
図９は、酵素活性化を光学的に検出し、且つ酵素活性化の決定されたレベルに基づいて患者１２に送達するためのシステム１３０を例示しているブロック図である。システム１３０は、カテーテル１４及び光ファイバ１６に結合されたＩＭＤ１０を含む。ＩＭＤ１０は、上記のように活性化酵素の量を光学的に決定する。
【００５８】
また、システム１３０は、ＩＭＤ１０によって決定された活性化酵素の量に基づいて患者１２に治療を送達するための治療送達デバイス１３２も含む。治療送達デバイス１３２は、移植可能であることができるか又は外部デバイスであることができる。例えば、治療送達デバイス１３２は、決定された酵素活性化レベルの関数として、薬剤を送達する移植可能な薬ポンプ、例えばＳｙｎｃｈｒｏｍｅｄ（商標）薬ポンプであることができる。他の態様では、治療送達デバイス１３２は、移植可能な神経刺激治療デバイス、例えば移植されたパルス発生器の形態をとる。前記態様では、治療送達デバイス１３２は、リード１３４上に含まれた一つ以上の電極１３６によって神経刺激を患者１２に送達する。
【００５９】
薬剤又は神経刺激治療を提供して疼痛を治療できる。ＩＭＤ１０と一緒に運転すると、療送達デバイス１３２は、痛みの客観的な評価に基づいて疼痛治療を調節しながら、閉ループ様式で疼痛を治療できる。他の態様では、抗凝血治療は、治療送達デバイス１３２の薬ポンプ態様によって提供される。一般的に、頻度が高くないクリニック訪問中に行われる患者の凝血状態の決定後にのみ、抗凝血剤の投与量は調整される。決定が低頻度であるので、抗凝血剤の投与量を変える必要があると考えられる患者の状態に合わせて変えられない場合がある。抗凝血剤を投与し過ぎると、問題となる出血が起こることがあり、少な過ぎると、血栓が形成し易い状態に患者を放置する可能性がある。システム１３０により、適当な凝血量（ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ  ｄｏｓｅ）を更に正確に閉ループで決定できる。
【００６０】
ＩＭＤ１０のプロセッサ５４は、治療送達デバイス１３２を制御して、決定された酵素活性化レベルに基づいて治療を送達することができるか、又は、他の態様では、ＩＭＤ１０のプロセッサ５４は、治療送達デバイス１３２に対して、決定された活性化酵素量を単純に通信し、そして次に、その治療送達デバイス３２は、通信された量に基づいて治療を調整することができる。プロセッサ５４は、有線又はＲＦテレメトリーの通信によって、デバイス１３２を制御することができるか又はデバイス１３２と通信することができる。いくつかの態様では、ＩＭＤ１０及びデバイス１３２は、一つ以上のプロセッサを共有する単一デバイスであるか、又は、本明細書で説明している、酵素活性化検出機能もしくは治療送達機能のいずれかに割り当てられたプロセッサを有する単一デバイスである。
【００６１】
本発明の様々な態様を説明してきた。例えば、酵素活性化を光学的に検出するための移植可能な医療用デバイスを説明してきた。しかしながら、当業者には、本発明は、説明した態様に限定されないこと、また、様々な態様が、本発明の範囲から逸脱せずに、可能であることが認められるだろう。例えば、本発明は、主として、酵素カリクレイン及びトロンビンの活性化を検出するものとして本明細書で説明してきたが、本発明を使用して、体液中に存在するあらゆる酵素の活性化を検出することができる。
【００６２】
更に、本発明を、移植可能な医療デバイスについて説明したが、移植されない態様も本発明の範囲内にある。例えば、本発明によるデバイスは、経皮的リードを経由して、又はｉｎ  ｖｉｔｒｏ体液サンプル内において、酵素活性化を光学的に検出することができる。本発明の範囲内にあるいくつかの外部デバイスの態様では、図７で説明してあるように、基質２０に結合された光ファイバ１００を使用することができる。前記態様は、多数の患者又は体液サンプルに関する使用のために、診察室内において診断用デバイスの形態をとることができる。新規な光ファイバ１００は、患者又は体液サンプルのそれぞれに関して使用できる。これらの及び他の態様は、以下の請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】酵素活性化を光学的に検出するための移植可能な医療用デバイスを例示している概略図である。
【図２】本発明にしたがって酵素活性化を検出するための蛍光共鳴エネルギー転移の使用を例示している概念図である。
【図３】酵素活性化を検出するために、図１の移植可能な医療用デバイスの運転を例示している概略図である。
【図４】酵素活性化を光学的に検出するための移植可能な医療用デバイスの構成を例示しているブロック図である。
【図５】活性化酵素の量を決定するために用いられる比率曲線を例示しているタイミング図である。
【図６】酵素活性化を検出するための方法を例示している流れ図である。
【図７】酵素活性化を光学的に検出するときに使用する、基質を含む光ファイバを例示している透視図である。
【図８】酵素活性化を光学的に検出する場合に使用するための光ファイバ及び基質テープを例示している透視図である。
【図９】活性化酵素の量を光学的に決定し、そして活性化酵素の決定された量に基づいて患者に治療を送達するためのシステムを例示しているブロック図である。
【図１】
2006525804.tif 000003
【図２】
2006525804.tif 000004
【図３】
2006525804.tif 000005
【図４】
2006525804.tif 000006
【図５】
2006525804.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2006525804.tif 000010
【図９】
2006525804.tif 000011
【国際調査報告】
2006525804.tif 000012
2006525804.tif 000013
2006525804.tif 000014
2006525804.tif 000015
2006525804.tif 000016