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JP2006501906A - Method and apparatus for non-invasive analysis of metabolic processes - Google Patents

Method and apparatus for non-invasive analysis of metabolic processes Download PDF

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JP2006501906A
JP2006501906A JP2004542184A JP2004542184A JP2006501906A JP 2006501906 A JP2006501906 A JP 2006501906A JP 2004542184 A JP2004542184 A JP 2004542184A JP 2004542184 A JP2004542184 A JP 2004542184A JP 2006501906 A JP2006501906 A JP 2006501906A
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JP2004542184A
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Inventor
ハインリヒ,ヘルマン
クルテ,クラオス−ユルゲン
Original Assignee
ラボ・テヒ・ラボーアテヒニック・ゲーエムベーハー
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence

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Abstract

本発明は、個々の代謝パラメーターの変化から特定の疾病についての結論を引き出すことを可能にするために、ヒトおよび動物の代謝におけるコントロールおよび制御過程の非侵襲的分析のための方法および配置に関する。前記方法は、がん、炎症性疾患の早期検出、および抗酸化剤の必要性の決定のための、個々の臨床像の治療コントロールのための予防的分析および特定の身体的および精神的ストレスをもつ職業人集団の定期検診に使用することも可能である。本発明に従って、人体におけるコントロールおよび制御過程を記載するために代謝に関係があり、そして自己蛍光性質をもつ生体活性物質が287nmおよび640nmの間の波長範囲で未変性蛍光スペクトルから選択され、そして生化学的および生物物理的モデル中で連結される。蛍光スペクトルは、光源(5)、測定部位に刺激光を供給するためのファイバー光ケーブル(1)、蛍光を分光計(6)へ分岐するためのファイバー光ケーブル(2)、および数量化コンピューター(7)からなる光学測定経路によって検出される。The present invention relates to methods and arrangements for non-invasive analysis of control and control processes in human and animal metabolism in order to be able to draw conclusions about specific diseases from changes in individual metabolic parameters. The method involves prophylactic analysis and specific physical and mental stress for therapeutic control of individual clinical features for early detection of cancer, inflammatory diseases, and determination of antioxidant needs. It can also be used for regular checkups of professional occupation groups. In accordance with the present invention, bioactive substances that are metabolically relevant to describe the control and control processes in the human body and that have autofluorescent properties are selected from the native fluorescence spectrum in the wavelength range between 287 nm and 640 nm and Linked in chemical and biophysical models. The fluorescence spectrum consists of a light source (5), a fiber optic cable (1) for supplying stimulation light to the measurement site, a fiber optic cable (2) for branching fluorescence to the spectrometer (6), and a quantification computer (7). It is detected by an optical measurement path consisting of

Description

本発明は、個々の代謝パラメーターの変化から特定の疾病についての結論を引き出すことを可能にするために、ヒトおよび動物の代謝におけるコントロールおよび制御過程を非侵襲的に分析するための方法および配置に関する。当該方法は、がん、炎症性疾患の早期検出、および抗酸化剤の必要性の決定のための、個々の臨床像の治療コントロールのための予防的分析、および特定の身体的および精神的ストレスをもつ職業人集団の定期検診に使用することも可能である。   The present invention relates to methods and arrangements for non-invasive analysis of control and control processes in human and animal metabolism in order to be able to draw conclusions about specific diseases from changes in individual metabolic parameters . The method includes prophylactic analysis for therapeutic control of individual clinical features for early detection of cancer, inflammatory diseases, and determination of the need for antioxidants, and specific physical and mental stress It can also be used for regular check-ups of professional groups with

数年前から、蛍光スペクトルの分析は、生体膜による輸送過程に関する生物学の基礎研究および診断補助手段として生体医学での分析において高度に正確でそして非常に特異的な方法として知られており、そして現在、着実に進歩している発展期にある。当該測定方法の基礎は、人工発蛍光団(artificial fluorophores)の性質の知識および自己発蛍光団(autofluorophores)の励起および発光波長の知識である。トリプトファン、アデノシン三リン酸(ATP)、グアノシン三リン酸(GTP)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADP)、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH),キヌレニン、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)およびトロンボキサンのような、代謝に関係のある多数のパラメーターは、いわゆる自己蛍光をもつ。   For several years, fluorescence spectrum analysis has been known as a highly accurate and very specific method in biomedical analysis as a basic biology study and diagnostic aid for transport processes through biological membranes, And now it is in a developmental period that is making steady progress. The basis of this measurement method is knowledge of the properties of artificial fluorophores and knowledge of the excitation and emission wavelengths of autofluorphores. Tryptophan, adenosine triphosphate (ATP), guanosine triphosphate (GTP), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP), reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), kynurenine, flavin adenine dinucleotide (FAD) and Many parameters related to metabolism, such as thromboxane, have so-called autofluorescence.

前記自己蛍光の測定は、当該代謝が、非生理的な物質を供給される必要がないという、利点をもつ。例えば、特許DE 第3542167 A1号で、酸化過程中のアスコルビン酸の自己蛍光の変化が、非侵襲法での目レンズ不透明性の測定に使われている。   The measurement of autofluorescence has the advantage that the metabolism does not need to be supplied with non-physiological substances. For example, in patent DE 3542167 A1, the change in the autofluorescence of ascorbic acid during the oxidation process is used to measure eye lens opacity in a non-invasive manner.

さらなる研究は、NADHの高い未変性(native)蛍光を、黒色腫(melanoma)の検出に用いている、DE 第69518915 T2号。
特許DE 第3210593 A1号では、内視鏡による侵襲法で、NADHの自己蛍光が、器官の酸化還元状態の測定に使われている。
Further work is DE 69591815 T2, which uses NADH's high native fluorescence for the detection of melanoma.
In Patent DE 3210593 A1, NADH autofluorescence is used to measure the redox state of organs in an invasive method using an endoscope.

特許DE 第19535114 A1号では、520から600nmの発光範囲で、生体組織のさまざまな自己蛍光が、特定の生体的に関連のある物質を参照せずに、がん性組織の診断に使われている。本方法の場合も、当該測定装置は、内視鏡によって侵襲的に測定部位にもたらさなければならない。   In patent DE 19535114 A1, in the emission range of 520 to 600 nm, various autofluorescences of biological tissues are used for diagnosis of cancerous tissues without reference to specific biologically relevant substances. Yes. In the case of this method as well, the measurement device must be brought invasively to the measurement site by means of an endoscope.

複雑な実験の後に、生体の組織および器官の蛍光分光行動が、特許US 第5983125号、US 第5769081号、US 第5369496号、US 第6091985号、US 第6080584号、US 第6346101 B1号、US 第2002/0002337 A1号、US 第5943113号、US 第6205353 B1号に、予防がん診断に関して記載された。当該分析については、トリプトファン、NADH、およびフラビン類のような個々の物質の強度、ならびに320から580nmまでの波長範囲における最大蛍光強度が考慮された。加えて、フーリエ解析の結果も考慮された。   After complex experiments, fluorescence spectroscopic behaviors of living tissues and organs are described in US Pat. No. 5983125, US 5769081, US 5369496, US 6091985, US 6080584, US 6346101 B1, US. No. 2002/0002337 A1, US Pat. No. 5,943,113 and US Pat. No. 6,205,353 B1 were described in connection with preventive cancer diagnosis. For this analysis, the intensity of individual substances such as tryptophan, NADH and flavins and the maximum fluorescence intensity in the wavelength range from 320 to 580 nm were considered. In addition, the results of Fourier analysis were considered.

それらの分析では、320nmから600nmまでの波長範囲における最大蛍光強度またはNADH、トリプトファン、FADおよびキヌレニンのような関連代謝パラメーターの絶対蛍光強度の使用も、NADHおよびキヌレニンのような2つの物質の比も、「健康な」と「がん性の」との間の明瞭な分離を可能にしないことが、欠点と決められよう。それゆえ、例えば、NADHおよびキヌレニンの強度間の低比率は、がんに特有であるだけでなく、すべての炎症性疾患は同様な比率を示す。これは奇妙ではなく、多くのがん性疾患は、炎症を含むからである。   In their analysis, the use of the maximum fluorescence intensity in the wavelength range from 320 nm to 600 nm or the absolute fluorescence intensity of related metabolic parameters such as NADH, tryptophan, FAD and kynurenine, as well as the ratio of two substances such as NADH and kynurenine. The disadvantage is that it does not allow a clear separation between “healthy” and “cancerous”. Thus, for example, a low ratio between the strengths of NADH and kynurenine is not only unique to cancer, but all inflammatory diseases exhibit a similar ratio. This is not strange because many cancerous diseases involve inflammation.

上記の侵襲的方法のさらなる欠点は、測定過程のストレス負荷により、当該代謝の誤った瞬間像が与えられ、そして代謝制御過程について何らの明言もできないことである。そうした明言は、短い間隔で繰り返しできるストレスなしの測定か、またはストレス負荷の前および後の時間に関して特定の仕方で測定することによってのみ可能である。   A further disadvantage of the invasive method described above is that the stress load of the measurement process gives a false instantaneous picture of the metabolism and makes no statement about the metabolic control process. Such a statement is possible only by measuring without stress, which can be repeated at short intervals, or in a specific way with respect to the time before and after stress loading.

本発明の基礎となっている問題は、下記過程における変化の場合に特異的な臨床像について結論をだせるようにするため、ヒトおよび動物の代謝のコントロールおよび制御過程の記述を可能にする方法および装置の提供である。本方法は、測定過程によるストレス負荷を起こさないために、実際の測定過程を非侵襲的にそして迅速に反復可能なように意図される。   The problem underlying the present invention is a method that enables the control of human and animal metabolism and the description of the control process in order to be able to conclude a specific clinical picture in the case of changes in the following processes and The provision of equipment. The method is intended to allow the actual measurement process to be repeated non-invasively and rapidly so as not to cause stress loading due to the measurement process.

本発明に従って、前記問題は、特許請求項に開示された特徴により解決される。
本発明の利点は、蛍光スペクトルの非侵襲測定およびそれにより保証されるストレスの欠如である。本測定方法により、反復測定を非常に短い間隔で行うことが可能で、そしてそれゆえに、代謝における制御過程の認識が可能である。特定のストレス条件下でのこれらの制御過程の変化により、生物の病理変化について結論を引き出すことが可能である。
According to the invention, the problem is solved by the features disclosed in the claims.
An advantage of the present invention is the non-invasive measurement of the fluorescence spectrum and the lack of stress guaranteed thereby. This measurement method makes it possible to make repeated measurements at very short intervals and therefore to recognize regulatory processes in metabolism. By changing these control processes under specific stress conditions, it is possible to draw conclusions about the pathological changes of the organism.

以下に、本発明は、実施態様によって詳細に説明される。
励起光線の供給用のファイバー光ケーブル1および測定シグナルの分岐用のコリメーターを備えたファイバー光ケーブル2からなる図1による光学測定区分を用いて、[]は身体の適当な部位、好ましくは親指と人差し指との間のしわに置かれる。両ファイバー光ケーブル1,2は、人間工学的につくられるキャリヤー、好ましくはハンドピース4内に位置され、そしてそれらのアウトレットは、好ましくは相互に垂直に位置される。ダウンストリームモノクロメーターまたはフィルターを備えたレーザーまたはコントロールキセノンフラッシュランプからなる光源5は、自己蛍光の励起用の光を出し、そしてファイバー光ケーブル1を経由して測定部位へ向けられる。励起光の波長は、好ましくは287nm,305nm,326nmおよび337nmである。
In the following, the present invention will be described in detail by means of embodiments.
Using the optical measurement section according to FIG. 1 consisting of a fiber optic cable 1 for supplying excitation light and a fiber optic cable 2 with a collimator for branching the measurement signal, [ 1 ] is the appropriate part of the body, preferably the thumb and Placed in the crease between the index finger. Both fiber optic cables 1, 2 are located in an ergonomically made carrier, preferably the handpiece 4, and their outlets are preferably located perpendicular to each other. A light source 5 consisting of a laser with a downstream monochromator or filter or a control xenon flash lamp emits light for excitation of autofluorescence and is directed via a fiber optic cable 1 to a measurement site. The wavelength of the excitation light is preferably 287 nm, 305 nm, 326 nm and 337 nm.

励起により測定部位で放射された蛍光は、コリメーター3により集められ、ファイバー光ケーブル2中へ連結され、そして分光計6へ向けられる。当該分光計は、CCDラインセンサー、およびトランスデューサーユニットとしてダウンストリーム音響光学モノクロメーターを備えた光電子増倍管の両方をもつことも可能である。分光計6で電気シグナルに変換された光学スペクトルは、ここで、対応するコンピューター構造体7中に保存される。   The fluorescence emitted at the measurement site by excitation is collected by the collimator 3, connected into the fiber optic cable 2, and directed to the spectrometer 6. The spectrometer can also have both a CCD line sensor and a photomultiplier tube with a downstream acousto-optic monochromator as a transducer unit. The optical spectrum converted into an electrical signal by the spectrometer 6 is now stored in the corresponding computer structure 7.

287nmから600nmまでの範囲での記録波長および対応する蛍光強度からなる、前記コンピューターに保存された蛍光スペクトルは、適当なテーブルフォーマットでの分析のために準備される。   A fluorescence spectrum stored in the computer, consisting of recording wavelengths in the range from 287 nm to 600 nm and the corresponding fluorescence intensity, is prepared for analysis in a suitable table format.

図2は、前記のネイティブなスペクトルの例を示す。
ATP,GTP,トリプトファン、オロト酸、NADP,NADH,FADなどのような代謝関連の、生体的に活性な物質についての数値の組合せ(波長および蛍光強度)が、これらの表から選択される。これらの物質の励起波長および発光波長は、複合パイロットテストで決定された。異なる皮膚構造および皮膚成分は絶対値の使用を許さないので、それ以上の分析は、相対値でのみ行うことが可能である。したがって、関連生体活性物質の数値組合せを決め、そして生物物理学的および生化学的モデルでそれらを相互に関係づけることが必要である。これらのモデルは、代謝過程中に相互に反応する、相互に変換する、および/またはそれらの濃度および反応性で相互に影響を与える物質を含む。
FIG. 2 shows an example of such a native spectrum.
A combination of numerical values (wavelength and fluorescence intensity) for metabolically related biologically active substances such as ATP, GTP, tryptophan, orotic acid, NADP, NADH, FAD, etc. is selected from these tables. The excitation and emission wavelengths of these materials were determined by a composite pilot test. Since different skin structures and skin components do not allow the use of absolute values, further analysis can only be performed with relative values. It is therefore necessary to determine numerical combinations of relevant bioactive substances and correlate them with biophysical and biochemical models. These models include substances that react with each other during the metabolic process, transform with each other, and / or influence each other with their concentration and reactivity.

図3は、診断の第一選択段階として使われ、そしてNADH、キヌレニン、FAD、NADPおよびトロンボキサンの組合せからなる、単純な生化学モデルの結果の図解を示す。この図解は、5種の代謝関連物質の使用でさえも、がん疾患を炎症性疾患から分離するのに十分でないことを証明している。第一選択段階は、「病気の」と「健康の」とを区別するのに適するだけである。続いて、炎症性疾患とがん疾患とを区別し、そしてまた炎症性疾患のなかでの区別を検出するためにさらなる選択段階が行われる。   FIG. 3 shows a graphical illustration of the results of a simple biochemical model that is used as the first stage of diagnosis and consists of a combination of NADH, kynurenine, FAD, NADP and thromboxane. This illustration proves that even the use of five metabolism-related substances is not sufficient to separate cancer disease from inflammatory disease. The first selection stage is only suitable for distinguishing between “sick” and “healthy”. Subsequently, further selection steps are performed to distinguish between inflammatory and cancer diseases and also to detect the distinction among inflammatory diseases.

図4は、がん疾患および治療されたがん疾患および炎症性疾患の間の分離を示す。
既知の生体活性物質に基づく生物物理学的および生化学的モデルを用いる疾患の選択によるスペクトルの分析を、生体活性物質の既知数値組合せ(波長および強度)を用いずに、健康な発端者および患者のスペクトルにおける差異を検索する自己学習系を用いる分析と同時に行う。
FIG. 4 shows the separation between cancer diseases and treated cancer diseases and inflammatory diseases.
Healthy probands and patients with spectrum analysis by selection of diseases using biophysical and biochemical models based on known bioactive substances, without using known numerical combinations (wavelength and intensity) of bioactive substances Simultaneously with an analysis using a self-learning system that searches for differences in the spectrum of

図5は、波長509nmおよび495nmにおける追加の選択を示し、そこでは発光物質が今のところわかっていないが、本選択の使用が成功であることを示す。   FIG. 5 shows additional selections at wavelengths of 509 nm and 495 nm, where the luminescent material is not known so far, but shows the successful use of this selection.

測定読取りの記録のブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of a measurement reading record. 未変性蛍光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows a native fluorescence spectrum. 選択段階としての単純生化学モデルの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simple biochemical model as a selection step. がん疾患および炎症性疾患の分離の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of isolation | separation of a cancer disease and an inflammatory disease. 発光波長509nmおよび495nmを用いる選択を示す図である。FIG. 6 shows selection using emission wavelengths 509 nm and 495 nm.

符号の説明Explanation of symbols

1. 励起光の供給用のファイバー光ケーブル
2. 蛍光の分岐用のファイバー光ケーブル
3. コリメーター
4. ハンドピース
5. 光源
6. 分光計
7. コンピューター構造体
1. 1. Fiber optical cable for supplying excitation light 2. Fiber optical cable for fluorescence branching Collimator 4. Handpiece 5. Light source 6. Spectrometer 7. Computer structure

Claims (10)

疾患の診断および予防的検査のための、高レベルの身体的および精神的ストレスをもつ職業人集団およびスポーツ家の定期検診のための、治療コントロールのための、透析およびアフェレーシス処置の過程のための、および抗酸化剤についての必要性の決定のための、ヒトおよび動物の代謝におけるコントロールおよび制御過程の非侵襲的および/または侵襲的な分析方法であって、代謝過程の間に相互に反応し、相互に変換されおよび/またはそれらの濃度および反応性で相互に影響を与えかつ(内因性の)自己蛍光を示す代謝関連物質が、それらの蛍光強度について、かくして間接的にはそれらの濃度について測定され、生化学的要件に従う相互の数学的関係に置かれ、そして疾患の代謝状態を規定にする徴候特異的モデルと比較されることを特徴とする方法。   For the process of dialysis and apheresis for therapeutic control, for routine screening of professional and sports professionals with high levels of physical and mental stress, for disease diagnosis and prophylactic testing And non-invasive and / or invasive analytical methods of control and control processes in human and animal metabolism for the determination of the need for antioxidants, which interact with each other during metabolic processes Metabolites related to each other that are converted to each other and / or interact with each other in their concentration and reactivity and exhibit autofluorescence (endogenous), in their fluorescence intensity and thus indirectly in their concentration Measured, placed in mutual mathematical relationship according to biochemical requirements, and compared to a symptom-specific model that defines the metabolic state of the disease Wherein the door. 前記徴候特異的モデルが、臨床像のそれぞれの代謝状態に対応し、そして商、積、和、引き算、またはより複雑な公式のような数学的組合せによって蛍光強度から計算される、いくつかの(しかし少なくとも6つの)計算値からなることを特徴とする、請求項1による方法。   The sign-specific model corresponds to each metabolic state of the clinical picture and is calculated from the fluorescence intensity by a mathematical combination such as quotient, product, sum, subtraction, or more complex formulas ( 2. Method according to claim 1, characterized in that it consists of at least 6) calculated values. 前記蛍光強度が、それらの発光波長がわかっている代謝関連物質、好ましくはATP,GTP,FAD,NADH,NADP,キヌレニン、オロト酸、トロンボキサンおよびトリプトファンについて287nmから800nmの波長範囲、好ましくは340nmから600nmで測定されることを特徴とする、請求項1および2による方法。   The fluorescence intensity is in the wavelength range from 287 nm to 800 nm, preferably from 340 nm for metabolic related substances whose emission wavelengths are known, preferably ATP, GTP, FAD, NADH, NADP, kynurenine, orotic acid, thromboxane and tryptophan. Method according to claims 1 and 2, characterized in that it is measured at 600 nm. 前記蛍光強度の測定が、特定の時点および/または特定の間隔で行われ、その結果、コントロールおよび制御過程がこれらの過程測定により検出されることを特徴とする、請求項1〜3による方法。   Method according to claims 1-3, characterized in that the measurement of the fluorescence intensity is carried out at specific times and / or at specific intervals, so that control and control processes are detected by these process measurements. 測定の特定の時点で、患者が精神的または生理的ストレスを患い、蛍光強度が当該ストレス負荷の前後で数回測定され、そして当該代謝における制御過程が決定されることを特徴とする、請求項1〜4による方法。   The patient is afflicted with mental or physiological stress at a specific point in the measurement, the fluorescence intensity is measured several times before and after the stress load and the control process in the metabolism is determined. Method according to 1-4. 自己蛍光を示す生体活性物質が、細胞および細胞間の場所で、287nmから340nm、好ましくは340nm、の励起波長をもつ光による発光のために刺激されることを特徴とする、請求項1〜5による方法。   A bioactive substance exhibiting autofluorescence is stimulated for light emission by light having an excitation wavelength of 287 nm to 340 nm, preferably 340 nm, between cells and between the cells. By the method. 蛍光を発するように刺激される場所が、耳たぶ、手、および外鼻孔、好ましくは親指と人差し指との間のしわに位置されることを特徴とする、請求項1〜6による装置。   Device according to claims 1 to 6, characterized in that the place stimulated to fluoresce is located in the earlobe, hand and nostril, preferably in the crease between the thumb and forefinger. 前記請求項による方法を実施するための装置であって、励起に必要な単色光が、光源(5)、好ましくは光フィルターを備えたレーザーまたはキセノンフラッシュランプにより出され、そしてファイバー光ケーブル(1)を経由して測定の部位に向けられることを特徴とする装置。   Device for carrying out the method according to the preceding claim, wherein the monochromatic light required for excitation is emitted by a light source (5), preferably a laser or xenon flash lamp with a light filter, and a fiber optic cable (1) A device characterized by being directed to the site of measurement via 自己発蛍光団の放射光が、測定の部位からファイバー光ケーブル(2)を経由して、CCDラインセンサーまたは音響光学モノクロメーターおよび光電子増倍管を含む分光計(6)へ向けられ、そして測定された数値のデジタル化後、発光強度が適当なコンピューター構造体(7)により分析されることを特徴とする、請求項8による装置。   The emitted light of the autofluorophore is directed and measured from the measurement site via a fiber optic cable (2) to a spectrometer (6) comprising a CCD line sensor or acousto-optic monochromator and photomultiplier tube 9. Device according to claim 8, characterized in that, after digitizing the numerical values, the emission intensity is analyzed by means of a suitable computer structure (7). コンピューターによる構造体における分析が、生体制御系および/または自己学習系の数学モデルによって行われることを特徴とする、請求項8〜9による装置。   Device according to claims 8 to 9, characterized in that the analysis in the structure by means of a computer is performed by a mathematical model of a biological control system and / or a self-learning system.
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