Optischer Sensor zur Bestimmung der Laktatkonzentration in Vollblut

Einführung und Motivation

In der Sportmedizin wird die Laktatmessung zur Bestimmung der anaeroben Schwelle unter körperlicher Belastung verwendet, um eine zuverlässige Aussage über den Trainingszustand eines Sportlers zu treffen.

Darüberhinaus hat in den letzten Jahren die Laktatbestimmung im klinischen Alltag stetig zugenommen. Besonders in der Notfall- und Intensivmedizin findet sich mittlerweile ein großes Anwendungsgebiet. Laktat wird als Marker für eine vorliegende Sauerstoffunterversorgung des Gewebes verwendet. Ursachen hierfür können beispielsweise Schockzustände, Entzündungen oder ein beginnendes Multiorganversagen sein. In verschiedenen Studien wurde nachgewiesen, dass eine engmaschige Kontrolle des Laktatspiegels die Mortalität von Intensivpatienten signifikant senkt [1, 2, 3].

Bei aktuellen Anwendungen zur Bestimmungen des Laktatspiegels im Blut werden Blutgasanalysegeräte verwendet. Das Verfahren der auf dem Markt befindlichen Geräte beruht auf einer enzymatischen Reaktion. Das Laktat wird vom Enzym Laktatoxidase zu Pyrovat und Wasserstoff-peroxid reduziert. Durch Anlegen einer elektrische Spannung und Messung des resultierenden elektrischen Stroms kann anschließend die Laktatkonzentration bestimmt werden.
Diese Methode besitzt jedoch zwei entscheidende Nachteile. Zum einen wird bei jeder Messung Enzym verbraucht, so dass die Sensoren nach einer bestimmten Anzahl von Messzyklen ausgetauscht werden müssen. Zum anderen muss das Enzym und damit die Sensoren unter kontrollierten Bedingungen transportiert und gelagert werden [4].

Das Projekt zur optischen Bestimmung der Laktatkonzentration wird in Kooperation mit einem industriellen Partner durchgeführt. Das Unternehmen produziert Geräte zur Blutgas- und Elektrolytanalyse. Seit seiner Gründung forscht das Unternehmen kontinuierlich auf diesem Gebiet. Um die Forschung zu erweitern und zu vertiefen, wurde die Kooperation mit der Gruppe Medizinische Sensor- und Gerätetechnik für die Entwicklung eines optischen Sensors zur Bestimmung der Laktatkonzentration in Vollblut begonnen.

Projektziele

Hauptziel des Projektes ist, erstmalig einen langzeitstabilen und kostengünstigen Laktatsensor zu realisieren, der ohne enzymatische Reaktion arbeitet. Dafür soll ein Verfahren entwickelt werden, das mit Hilfe von infrarotem Licht verschiedener Wellenlängen die Laktatkonzentration direkt im Blut bestimmt. Grundlage dafür ist das charakteristische Spektrum von Laktat im NIR-Bereich. Die entsprechende Messtechnik soll so gestaltet werden, dass sie in ein Standardblutgasanlysegerät eingebaut werden kann.

Lösungsansatz

Absorptionsspektrum von Laktat für die Wellenlängenbereiche 1600 nm bis 1750 nm und 2050 nm bis 2400 nm [6]

In den vergangenen Jahren gab es immer wieder Ansätze, die enzymatisch-amperometrische Messmethode durch ein alternatives Verfahren zu ersetzen. Wegen des charakteristische Spektrums von Laktat im NIR-Bereich bietet sich dafür die Verwendung einer optischen Methode an. Besonders in den Wellenlängenbereichen von 1600 nm bis 1750 nm bzw. 2050 nm bis 2400 nm wurden intensive Arbeiten durchgeführt und publiziert. Weiterhin gibt es Ansätze unter Nutzung der Ramanspektroskopie, die jedoch einen deutlich höheren apparativen Aufwand erfordern [5].
Aus wirtschaflichen Erwägungen wird innerhalb des Projektes die Aufnahme eines NIR-Absorptions-spektrums an Vollblut bevorzugt. Mit Hilfe verschiedener Auswertealgorithmen und eines entsprechenden Messaufbaus soll die Querempfindlichkeit bezüglich anderer im Blut vorhandener Stoffe wie Glucose und Harnstoff reduziert und die Bestimmung der Laktatkonzentration ermöglicht werden.

Quellen

[1]

Nathan I. Shapiro, Michael D. Howell, Daniel Talmor, Larry A. Nathanson, Alan Lisbon, Richard E. Wolfe, J. Woodrow Weiss; “Serum Lactate as a Predictor of Mortality in Emergency Department Patients with Infections”; Annals of Emergency Medicine, Volume 45; Issue 5; Pages 524-528; May 2005

[2]

del Portal DA, Shofer F, Mikkelsen ME, Dorsey PJ Jr, Gaiesky DF, Goyal M, Synnestvedt M, Weiner MG, Pines JM; “Emergency department lactate is associated with mortality in older adults admitted with and without infections”; Acad Emerg Med. 2010 Mar; 17(3):260-8

[3]

Michelsen ME, Miltades AN, Gaiesky DF , Goyal M, Fuchs BD, Shah CV, Bellamy SL, Christie JD; “Serum lactate is associated with mortality in severe sepsis independent of organ failure and shock.”; Crit Care Med. 2009 May; 37(5):1670-7

[4]

J. Deutsch, „Bestimmung der Laktatkonzentration in Plasma und Vollblut: Ein Methodenvergleich der enzymatischen und ionenselektiven Messung mit der GC-MS Referenzmethode“, Dissertationsschrift, Eberhard-Karls-Universität Tübingen, 2003

[5]

Dennis Lafrance, Larry C. Lands, David H. Burns; Measurement of lactate in whole human blood with near-infrared transmission spectroscopy; Talanta; Volume 60; Issue 4; 4 July 2003; Pages 635-641