Physikalische Aufbereitung von Vollblut

Das Projekt zur physikalischen Aufbereitung von Vollblutproben zur Verbesserung der spektralen Analyse verschiedener gelöster Blutinhaltsstoffe ist ein Teil des Forschungsprojektes "FHprofUnt 2014: opLaSens - Entwicklung eines optischen Sensors zur Bestimmung der Laktatkonzentration in Vollblutproben" (03FH024PX4).

Motivation

Laktat ist ein Metabolit des muskulären Stoffwechsels. Es ist ein Indikator für die Muskelaktivität und wird in der Sportdiagnostik zur Analyse der anaeroben Schwelle verwendet. Weiterhin gehört die Bestimmung der Laktatkonzentration im klinischen Alltag zur Standarddiagnostik und hat in den letzten Jahren an ihrer Bedeutung zugenommen. Ein großes Anwendungsgebiet ist die Intensivmedizin da eine engmaschige Kontrolle des Laktatspiegels die Mortalität von Intensivpatienten signifikant senkt. Aktuelle Messsysteme arbeiten mit der enzymatisch-amperometrischen Messmethode welche verschiedene Nachteile aufweist. [1, 2, 3]

Ziele des Projekts

Im Projekt opLaSens wird ein Messsystem entwickelt, mit dessen Hilfe es möglich sein soll, die physiologische Laktatkonzentration mit spektroskopischen Verfahren ohne die Verwendung von Verbrauchsmaterialien kontinuierlich und langzeitstabil in Vollblutproben zu bestimmen.

Ziel des Teilprojektes zur Aufbereitung von Vollblutproben ist die Entwicklung eines Systems mit dessen Hilfe Vollblutproben kontinuierlich ohne den Zusatz von Verbrauchsmaterialien aufbereitet werden können. Die Aufbereitung soll im Maße erfolgen, dass es mit den aktuellen spektroskopischen Verfahren möglich ist die physiologische Laktatkonzentration zu bestimmen.

Lösungsansatz

Blutplasma ist ein optisch nicht streuendes Medium und ermöglicht somit eine bessere spektrale Analyse. Aus der Zytometrie sind bereits verschiedene Verfahren zur Trennung der festen und flüssigen Blutbestandteile bekannt. Für die Blutaufbereitung zur Verbesserung der spektralen Analyse werden zwei Verfahren näher untersucht.

Magnetophorese nutzt die leicht magnetischen Eigenschaften der Erythrozyten um diese innerhalb einer Flusszelle in bestimmte Bereiche zu verschieben. Dafür wird mit Hilfe zweier Magneten und eines ferromagnetischen Drahtes in der Flusszelle eine starke magnetische Flussdichte erzeugt, wodurch sich die Erythrozyten am Draht anlagern und damit vom Blutplasma getrennt werden. Bei der Akustophorese wird Schalldruck zur Trennung verwendet. Für dieses Prinzip wird die Flusszelle in Schwingungen versetzt. Durch die richtige Geometrie und Frequenz kann eine stehende akustische Welle innerhalb der Flusszelle erzeugt werden. Die spezifische akustische Dichte der Blutzellen ermöglicht es diese innerhalb des Druckknotens der stehenden Welle zu sammeln.

 

Trennung der Blutzellen vom Blutplasma mittels Magnetophorese als Beispiel für die Trennung der Blutzellen vom Blutplasma

Das Signal-Rausch-Verhältnis für die spektroskopische Komponentenanalyse kann nicht nur durch Hard- bzw. Softwareanpassungen verbessert werden. Eine erhöhte Konzentration der zu analysierenden Komponenten trägt zusätzlich zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis bei. Das Verfahren der Elektrophorese ist unteranderem aus dem Bereich der DNA-Analyse bekannt. Dabei wird die unterschiedlich starke Ladung der Moleküle innerhalb eines Mediums ausgenutzt. Das Verfahren kann auch im Blutplasma angewendet werden und ermöglicht es, durch die leicht negative Ladung der Laktatmoleküle, die Konzentration der Moleküle in einem definierten Bereich zu erhöhen, wodurch sich das Signal-Rauschverhältnis verbessern lässt.

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: