DE20104431U1 - Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung - Google Patents

Description

Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung

Die Erfindung betrifft eine Sensorelektrodeneinrichtung, eine Sensoranordnung und eine Vorrichtung für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologisehe Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.

Erörtert werden daneben auch deren Verwendung in einem Verfahren zur, insbesondere pharmakologischen, Wirkort- und/oder Wirkstofftestung sowie ein Verfahren zur insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung selbst.

Bevor Genussmittel, Medikamente und andere Präparate zur Anwendung bei Mensch, Tier und Pflanze kommen können, müssen im Hinblick auf die Zulassung auf dem Markt bestimmte Kriterien hinsichtlich des Nachweises ihrer Wirksamkeit und/oder ihrer Unbedenklichkeit, also hinsichtlich ihrer Nebenwirkungen, erfüllt werden. Entsprechend sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren und Messeinrichtungen bekannt, mit denen entsprechende Eigenschaften bestimmter Wirkstoffe quantitativ und qualitativ analysiert und beschrieben werden können.

Andererseits ist es oft wünschenswerte, vorgegebene und bekannte Wirkstoffe an einem bestimmten Wirkort zu applizieren, z.B. an einem bestimmten Protein, an einer Zelle, einem Gewebe oder dergleichen, um die Funktionsweise dieses Wirkortes zu beeinflussen und/oder zu untersuchen.

Übliche Experimente am Gesamtorganismus sind aufgrund der Komplexität der Organismen und ferner aufgrund ethischer und

Ämtsaktenzeichen: 201 04 431.5

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

moralischer Umstände oft bedenklich, und die damit erzielten Ergebnisse haben eine nur beschränkte Aussagekraft.

Folglich wurden Verfahren und Einrichtungen entwickelt, mit deren Hilfe eine isolierte Betrachtung der Wirkungsweise zu testender Wirkstoffe auf isolierte Wirkzentren oder eine Untersuchung der Wirkzentren selbst - insbesondere im Rahmen eines Deorphaningprozesses bei unbekannter Funktion des Wirkzentrums - möglich ist. Dabei werden bestimmte Gewebe, isolierte Zellen und/oder andere biologische Einheiten, zum Beispiel Proteine oder dergleichen, in isolierter Art und Weise einer Betrachtung zugänglich gemacht. Es sind zum Beispiel Techniken bekannt, die unter Verwendung von Farbstoffen arbeiten und sich ändernde Bindungsspezifitäten ausnutzen und darstellen. Falls diese Vorgehensweise überhaupt möglich ist, ist sie aber dahingehend nachteilig, dass ihr oft nur ein geringes Auflösungsvermögen und eine geringe Empfindlichkeit dabei aber eine hohe Fehleranfälligkeit zukommen .

Andererseits sind aber auch elektrophysiologische Methoden bekannt, zum Beispiel die sogenannten Patchclamp-Technik oder Voltageclamp-Technik, bei welcher zum Beispiel Zellen isoliert einer elektrophysiologischen Untersuchung zugänglieh sind. Bei diesem Vorgehen werden native Zellen unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt und es werden bestimmte elektrische Aktivitäten, die durch die Zellen über die darin enthaltenen Organellen und/oder Proteine oder dergleichen vermittelt werden, gemessen. Trotz der dabei erzielbaren hohen Genauigkeit sind diese bekannten elektrophysiologischen Methoden dahingehend nachteilig, dass sie oft eine nur geringe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse liefern, aufgrund ihres hohen messtechnischen Aufwandes und ihrer Störanfälligkeit für einen schnellen, automatisierbaren und/oder breiten Einsatz ungeeignet sind und aufgrund der in der Regel nativen Umgebung der zu untersuchenden Objekte gewisse

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ³

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

Probleme bei der Diskriminierung unerwünschter Signalanteile aufweisen.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Sensorelektrodeneinrichtung, eine Sensoranordnung sowie eine Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung oder dergleichen zu schaffen, bei welchen auf besonders einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise eine rasche Wirkstofftestung, insbesondere in Massenbetrieb, unter vertretbaren Kosten möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensorelektrodeneinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des An-Spruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Sensoranordnung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 21 und bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 32 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung, insbesondere für eine Biosensoranordnung oder dergleichen, zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung oder dergleichen weist mindestens einen zumindest zum Teil im Wesentlichen elektrisch leitfähigen E-lektrodenbereich auf. Die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung ist ausgebildet, zumindest im Betrieb zumindest teilweise in einem, insbesondere im Wesentlichen wässrigen, Messmedium angeordnet zu werden. Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung ausgebildet, zumindest im Betrieb eine Mehrzahl oder Vielzahl Primärträger mit zu einer elektrischen Aktion aktivierbaren im Wesentlichen biologischen Einheiten, insbesondere Membranproteinen oder

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 4

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

dergleichen, in im Wesentlichen unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft, insbesondere des Elektrodenbereichs, anzuordnen, insbesondere anzulagern. Dabei ist zumindest der Elektrodenbereich erfindungsgemäß im Wesentlichen festkörperartig und/oder festkörperunterstützt ausgebildet. Des Weiteren ist dabei erfindungsgemäß der Elektrodenbereich ausgebildet, zumindest im Betrieb gegenüber dem vorzusehenden Messmedium und/oder gegenüber den Primärträgern im Wesentlichen elektrisch isoliert zu sein.

Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, zumindest den Elektrodenbereich der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung im Wesentlichen festkörperartig und/oder festkörperunterstützt auszubilden. Dadurch wird der Sensorelektrodeneinrichtung und insbesondere dem vorgesehenen Elektrodenbereich davon eine besonders hohe mechanische Stabilität gegeben, wodurch ein besonders robuster und störunanfälliger Betrieb im Rahmen der Wirkort- und/oder Wirkstoff testung möglich ist.

Erst durch die Festkörperunterstützung wird eine Aktivierung z.B. von Membranproteinen durch einen Konzenentrationssprung möglich. Dies kann insbesondere im Rahmen eines schnellen und/oder kontinuierlichen Lösungsaustauschs erfolgen, wodurch - insbesondere bei amperometrsichen Messungen - ein hoher Signalpegel und somit eine hohe Empfindlichkeit erreichbar sind. Aufgrund der Robustheit durch die Festkörperunterstützung sind auch eine leichtere Handhabung und ein bequemer Einbau möglich.

Ein weiterer Kernaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Elektrodenbereich so auszubilden, dass er zumindest im Betrieb gegenüber dem Messmedium und/oder gegenüber den Primärträgern im Wesentlichen elektrisch isoliert ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Sensorelektrodeneinrichtung im Wesentlichen als kapazitiv gekoppelte Elektrode eingesetzt werden kann. Dies hat insbe-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

sondere im Hinblick auf das Signal-zu-Rauschverhältnis, also im Hinblick auf die Nachweisgenauigkeit erhebliche Vorteile. Des Weiteren ist bei der kapazitiven Kopplung der Elektrodenbereich der Sensorelektrodenanordnung oder -einrichtung im Wesentlichen an keiner chemischen Umsetzung beteiligt, wie das zum Beispiel bei einer typischen elektrochemischen Halbzelle der Fall wäre.

Der Elektrodenbereich besitzt vorteilhafterweise mindestens eine Elektrode. Diese kann zum einen jeweils selbst als mechanisch stabiler Materialbereich ausgebildet sein, insbesondere als Platte, als Draht und/oder dergleichen.

Andererseits kann der Elektrodenbereich einen Träger aufweisen, der insbesondere festkörperartig ausgebildet ist. Dann ist es möglich, dass die Elektrode jeweils als Materialbereich oder -schicht auf einem Oberflächenbereich oder der Oberfläche dieses Trägers ausgebildet ist, insbesondere in im Wesentlichen zusammenhängender Art und Weise. Dabei ist es dann insbesondere vorgesehen, dass die Elektrode durch die Festkörperunterstützung durch den Träger mechanische Stabilität erlangt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass gegebenenfalls hochwertige Materialien zum Beispiel als dünne Schicht auf dem Träger aufgebracht werden können, so dass sich in betriebswirtschaftlicher Hinsicht die Möglichkeit einer Einwegsensor-elektrodeneinrichtung bietet, die zu erschwinglichen Preisen herstellbar und auf dem Markt verwertbar ist. Gegebenenfalls kann der Träger, insbesondere der Elektrodenbereich, wiederverwendet werden, wobei insbsondere ein erneuerter Isolationsbeereich, z.B. eine neue Thiolschicht, notwendig werden kann.

Vorzugsweise weist die Elektrode mindestens ein metallisches Material auf oder ist- aus einem solchen Material gebildet. Dabei wird vorteilhafterweise insbesondere ein chemisch inertes Edelmetall verwendet, vorzugsweise Gold oder dergleichen. Denkbar sind insbesondere auch Platin oder Silber.

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

6 14.09.2001

Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, dass die Elektrode nicht oder nicht rein metallisch ausgebildet ist und zum Beispiel mindestens ein im Wesentlichen leitfähiges Metalloxid oder dergleichen aufweist. Es bietet sich zum Beispiel Indiumzinnoxid und/oder dergleichen an, weil dieses insbesondere gegenüber Strahlung zumindest im sichtbaren Bereich und im UV-Bereich vergleichsweise unempfindlich ist, zumindest im Vergleich zu reinen Metallelektroden.

Der Träger zur Aufnahme der Elektrode weist vorteilhafterweise ein im Wesentlichen elektrisch isolierendes Material auf oder ist aus einem solchen gebildet. Des Weiteren oder alternativ ist es von Vorteil, dass das Material des Trägers im Wesentlichen chemisch inert ist. Vorteilhafterweise bietet sich als Material ein Glas oder dergleichen an. Dabei kann die Form die einer Platte oder dergleichen sein. Die chemische Inertheit verhindert eine Veränderung sowohl des Trägers als auch eine Verunreinigung des Messmediums während des Messprozesses. Durch die Wahl eines elektrisch isolierenden Trägers wird gewährleistet, dass sämtliche Messsignale im Wesentlichen aus dem Bereich der Elektrode stammen.

Eine besonders einfache Anordnung der Sensorelektrodeneinrichtung ergibt sich, wenn die Elektrode im Wesentlichen als auf der Oberfläche des Trägers abgeschiedene Materialschicht ausgebildet ist. Es kann sich dabei um eine aufgedampfte oder gesputterte Materialschicht handeln. Die Materialschicht zur Ausbildung der Elektrode hat vorzugsweise eine Schichtstärke von etwa 10 bis 200 nm.

Zwischen der Materialschicht für die Elektrode und der Oberfläche des Trägers kann gegebenenfalls eine Haftschicht von Vorteil sein. Insbesondere beim Aufbringen einer Goldelektrode auf Glas ist eine zwischenliegende Haftschicht aus Chrom oder dergleichen von Vorteil. Die Haftschicht hat vor-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

»&bgr; S-i

14.09.2001

teilhafterweise eine vergleichsweise geringe Schichtdicke, vorzugsweise von etwa 5 nm.

Zur Ausbildung der kapazitiven Elektrode und der dazu notwendigen Isolation des Elektrodenbereichs von Messmedium und/oder von den Primärträgern ist vorzugsweise mindestens ein Isolationsbereich ausgebildet, durch welchen zumindest im Betrieb der Elektrodenbereich, insbesondere die Elektrode, im Wesentlichen elektrisch isolierbar ist, insbesondere in Bereichen davon, welche im Betrieb zum mechanischen Konatkt mit dem Messmedium und/ oder mit den Primärträgern vorgesehen sind.

Es kann von Vorteil sein, den Isolationsbereich zumindest teilweise schichtartig, insbesondere mehrschichtig, auszubilden. Dadurch werden die Isolationswirkung verstärkt und die Herstellung vereinfacht. Um im Betrieb eine möglichst hohe Rate angelagerter und/oder angeordneter Primärträger im Bereich der Sensorelektrodeneinrichtung zu erhalten ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung vorgesehen, dass zumindest der Oberflächenbereich des Isolationsbereichs derart abgestimmt ausgebildet ist, dass zumindest im Betrieb eine Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern am Oberflächenbereich des Isolationsbereichs begünstigt wird, insbesondere in mit der Oberfläche der Primärträger kompatibler Art und Weise. Das bedeutet, dass je nach Oberflächenbeschaffenheit der Primärträger der Oberflächenbereich des Isolationsbereichs der Sensorelektrodeneinrichtung entsprechend angepasst ausgebildet ist, so dass sich die Primärträger begünstigt am Oberflächenbereich des Isolationsbereichs anlagern und dort auch verbleiben.

Im Hinblick auf eine besonders ausgeprägte kapazitive Kopp lung der Sensorelektrodeneinrichtung im Messbetrieb ist es vorgesehen, dass der Isolationsbereich zumindest teilweise als Monoschicht, Monolage oder dergleichen und/oder als Ab

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

14.09.2001

folge davon ausgebildet ist. In diesem Fall ist die auf die Fläche bezogene spezifische elektrische Kapazität der Elektrodengrenzschicht besonders hoch. Besonders einfach gestaltet sich die Anordnung und Ausbildung der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung, wenn die Schicht oder die Schichten des Isolationsbereichs inbesondere als sich spontan selbstorganisierende Schichten, insbesondere Monoschichten, als Self-Assembling-Schichten, insbesondere Monoschichten oder dergleichen, ausgebildet sind oder werden. Dabei werden in vorteilhafter Art und Weise die Neigung und das Bestreben bestimmter, im Wesentlichen flüssiger oder flüssig gelöster Ausgangsstoffe ausgenutzt, auf einer Oberfläche unter Einfluss der Wechselwirkung mit der Struktur der Oberfläche spontan und selbstorganisierend eine geordnete und/oder schichtartige Struktur auszubilden, die unter bestimmten Umständen und bei bestimmten Stoffklassen zur Ausbildung besonders dünner und gegebenenfalls einlagiger Schichten oder Monoschichten, insbesondere von Molekülen, führt.

Dabei ist es von Vorteil, wenn als Unterschicht oder als unterster und der Elektrode im Wesentlichen zugewandter Bereich des Isolationsbereichs eine Schicht aus einer organischen Thioverbindung vorgesehen ist. Im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften bietet sich dabei vorzugsweise die Verwendung eines langkettigen Alkanthiols und/oder an. Besonders bevorzugt ist dabei die Zugrundelegung eines C18-Alkans, also Oktadekanthiol.

Bei dieser Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass auf bestimmten Edelmetalloberflächen, zum Beispiel Gold, Silber und Platin, aus einer organischen Lösung, welche entsprechende Thioverbindung in Lösung enthält, aufgrund einer spezifischen Wechselwirkung der Thiogruppe mit den Oberflächenatomen der Edelmetallelektrode eine kovalent gebundene Monoschicht auf der Elektrodenoberfläche entstehen kann, die bei entsprechender Geometrie der Thioverbindung eine hexagonal

Amtsciktenzeichen: 201 04 431.5 ⁹

IongcLte Biosciences GmbH 14.09.2 001

dichte Packung auszubilden vermag, wodurch eine besonders geringe Restleitfähigkeit der Edelmetalloberfläche in Bezug auf das vorzusehende Messmedium realisierbar ist.

Andererseits ist es vorgesehen, dass als Oberschicht oder als oberster und von der Elektrode im Wesentlichen abgewandter Bereich oder Oberflächenbereich des Isolationsbereichs eine Schicht einer amphiphilen organischen Verbindung vorgesehen ist, insbesondere eines Lipids und/oder dergleichen.

Durch dieses Vorgehen wird ebenfalls eine Anordnung und Strukturierung der Oberfläche des Isolationsbereichs erzwungen. Die amphiphilen Verbindungen besitzen zumindest einen Bereich, der im Wesentlichen polar ausgebildet ist, so dass sich im Messmedium, welches insbesondere wässrige Natur besitzt, eine gewisse partielle Lösbarkeit ergibt. Andererseits besitzen amphiphile organische Verbindungen einen unpolaren oder hydrophoben Bereich, dessen Anordnung in einem wässrigen Messmedium energetisch weniger bevorzugt ist.

Durch diese Phänomene bildet sich bevorzugt eine Schichtstruktur aus, bei welcher die polaren oder wasserlöslichen Bereiche der amphiphilen Verbindung dem wässrigen Messmedium zugeordnet sind, wogegen sich die unpolaren oder hydrophoben Bereiche der amphiphilen organischen Verbindung vom wässrigen Messmedium abgewandt anordnen. Es kann sich somit eine Monoschicht ausbilden, die insbesondere den Oberflächenbereich des Elektrodenbereichs bildet. Dies geschieht bevorzugt in Kombination mit einer Alkanthiolmonoschicht als Unterschicht, so dass sich als Isolationsbereich im Wesentlichen zumindest teilweise eine Doppelschicht zweier Monoschichten oder Monolagen ergibt.

Die so ausgebildete Abfolge zweier Monoschichten hat gewisse strukturelle Ähnlichkeiten mit bestimmten Membranstrukturen, die aus biologischen Systemen bekannt sind, so dass man der so ausgebildeten Abfolge zweier Monoschichten - nämlich der der Elektrode zugewandten Alkanthiolmonoschicht und der dar-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

10 14.09.2001

über angeordneten Lipidmonoschicht - eine gewisse Membranstruktur zuordnen kann. Aufgrund des zugrundeliegenden Festkörperträgers bezeichnat man diese Membranstruktur auch als festkörperunterstützte Membran SSM (SSM: solid supported membrane). Diese Membranstruktur SSM hat im Hinblick auf die Anordnung und Eigenschaft der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung als kapazitiv gekoppelte Elektrode besonders günstige Eigenschaften.

Insbesondere weist derjenige Bereich, welcher durch den die Elektrode isolierenden und/oder abdeckenden Bereich des Isolationsbereichs definiert wird, die eben beschriebene Membranstruktur in vorteilhafter Weise auf. Dabei ist es von Vorteil, dass diese Membranstruktur zumindest teilweise eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa G_m ~ 1 100 nS/cm² besitzt. Des Weiteren ergibt sich in vorteilhafter Weise eine spezifische elektrische Kapazität von etwa C_m ~ 10 - 1000 nF/cm². Schließlich ist alternativ oder ergänzend eine Fläche für die Membranstruktur von etwa A « 0,1 - 50 mm² vorgesehen.

Die hohe spezifische Kapazität C_m ist von besonderem Vorteil im Hinblick auf eine durchzuführende amperometrische Wirkstofftestung, bei welcher initiierte elektrische Aktionen der im Wesentlichen biologischen Einheiten als elektrische Ströme, nämlich als Verschiebungsströme oder kapazitive Ströme gemessen werden.

Im Hinblick auf das Signalrauschverhältnis ist ein entsprechender Abdichtwiderstand im Bereich von wenigen Nanosiemens von besonderem Vorteil.

Dieser kann gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung auch durch Aufbringen einer Teflonschicht, zum Beispiel direkt auf die Metallelektrode, erreicht werden. Ein derartiges Vorgehen ist zum Beispiel für potentiometrische Wirkstofftestungen vollsten-

Ämtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ¹¹

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

dig ausreichend, da es hier nicht auf eine hohe elektrische Kapazität ankommt, sondern wegen der Spannungsmessung auf den hohen Abdichtwiderstand.

Besonders einfache geometrische Verhältnisse ergeben sich, insbesondere im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, wenn der Träger, die Elektrode und/oder der Isolationsbereich und/oder deren Ober- oder Grenzflächenbereiche zumindest teilweise im Wesentlichen planar ausgebildet sind, insbesondere auch auf mikroskopischer Ebene oder Skala. Die Planarität gewährleistet, dass bestimmte Feldstärkeeffekte an Kanten oder Spitzen, die zum Durchbruch des Abdichtwiderstands führen könnten, ausbleiben. Des Weiteren ergibt sich im Hinblick auf den Austausch des vorzusehenden Messmediums im Betrieb der Vorteil einer homogenen Grenzflächenverteilung. Etwaige Protuberanzen oder Kavitäten würden an der Grenzfläche zwischen dem Isolationsbereich und dem Messmedium zu Konzentrationsinhomogenitäten führen, die sich unter Umständen nachteilig auf erreichte Nachweis- oder Messergebnisse auswirken könnten. Die Planarität, insbesondere der metallischen Grenzflächen, kann durch entsprechende Herstellungsverfahren, zum Beispiel durch epitaktisches Aufwachsen, Annealen oder dergleichen gewährleistet werden.

Zur externen Kontaktierung der Sensorelektrodeneinrichtung, zum Beispiel mit einem äußeren Messkreis oder dergleichen, ist ein Kontaktbereich vorgesehen, wobei insbesondere eine entsprechende Isolation zur Vermeidung sonstiger Kurzschlüsse, insbesondere in Bezug auf das Messmedium, ausgebildet ist!

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen hohen Durchsatz bei entsprechend durchzuführenden Wirkort- und/oder Wirkstofftests ist es, wenn die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung so ausgebildet ist, dass sie, zumindest im Betrieb, gegenüber Flüssigkeitsströmungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, vorzugsweise im Bereich von etwa &ngr; =

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

12 14.09.2001

0,1 - 2 m/s im Wesentlichen konstante mechanische, elektrische und/oder strukturelle Eigenschaften, insbesondere im Bereich der Membranstruktur und/oder insbesondere im Hinblick auf die Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern, aufweist. Diese geforderte und vorteilhafte Konstanz der mechanischen, elektrischen und/oder strukturellen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung und insbesondere der darin vorgesehenen Membranstruktur ergibt sich bereits inhärent aus den zuvor genannten Maßnahmen zur Ausbildung der Elektrode und der die Elektrode abdeckenden Isolationsschichten, insbesondere in Form von SeIf-Assembling-Monoschichten aus einem Alkanthiol auf Gold mit einer entsprechenden Monoschicht aus Lipid in einem wässrigen Medium.

Die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung kann z.B. in einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung bzw. in einer Sensoranordnung oder einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendet werden.

Eine gattungsgemäße Sensoranordnung, insbesondere Biosensoranordnung oder dergleichen, für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologische Wirkort und/oder Wirkstofftestung oder dergleichen weist mindestens einen Sekundärträger auf. Des Weiteren ist eine Mehrzahl oder Vielzahl von Primärträgern vorgesehen, welche zumindest im Betrieb im Wesentlichen in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft des Sekundärträgers anordenbar oder anlagerbar und/oder angeordnet oder angelagert sind. Durch die Primärträger werden zumindest im Betrieb im Wesentlichen biologische Einheiten, insbesondere Membranproteine oder dergleichen, aufgenommen und/oder immobilisiert, die ihrerseits zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind. Eine derartige Sensoranordnung weist erfindungsgemäß als Sekundärträger die oben beschriebene erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrich-

Ämtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

k ·« ♦·	M*	* * »
. . .« «.
	.09	13
14	.2001

tung auf. Dadurch werden erfindungsgemäß die oben beschriebenen Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoranordnungen erreicht, insbesondere eine hohe mechanische Stabilität, eine hohe Empfindlichkeit sowie die Möglichkeit eines schnellen Wechsels des Messmediums unter ansonsten im Wesentlichen gleichbleibenden Bedingungen.

Der Kerngedanke bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es also, die entsprechend ausgebildete erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung mit einer entsprechenden Mehrzahl oder Vielzahl von Primärträgern mit entsprechenden im Wesentlichen biologischen Einheiten zu versehen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass als Primärträger jeweils eine eukariontische Zelle, eine prokariontische Zelle, Organellen davon, eine bakterielle Einheit, eine virale Einheit und/oder dergleichen und/oder Bestandteile, Fragmente, insbesondere Membranfragmente oder dergleichen, und/oder Verbände davon in im Wesentlichen nativer und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter, Form vorgesehen sind.

Es ist somit grundsätzlich denkbar, dass isolierte und ganze Zellen als Primärträger entsprechender biologischer Einheiten, welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind, verwendet werden, seien diese pflanzlicher oder tierischer Herkunft. So ist zum Beispiel eine Untersuchung ganzer Herzzellen möglich und denkbar. Andererseits kann auch an die Untersuchung pflanzlicher Zellen, zum Beispiel von Algenzellen oder anderer Einzeller gedacht werden. Darüber hinaus können auch bestimmte Bakterien oder Viren als Ganzes untersucht werden. Ferner ist denkbar, durch bestimmte mikrobiologische oder biochemische Maßnahmen Bestandteile oder Fragmente von Zellen, Bakterien oder Viren, als Primärträger zu verwenden. Weiterhin ist auch denkbar, Verbände von Zellen,

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

* &igr;"&idigr; * &igr; &igr; ***♦ · * « i

14 14.09.2001

Bakterien oder dergleichen als Primärträger zu verwenden und diese an die entsprechende Sensorelektrodeneinrichtung zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung anzukoppeln.
5

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, sämtliche dieser vorgeschlagenen Primärträger in ihrer nativen Form oder in einer abgewandelten Form zu verwenden. Dabei können zum Beispiel eukariontische Zellen, prokariontische Zellen oder Bakterien verwendet werden, die durch entsprechende Reinigungs-, mikrobiologische und/oder molekularbiologische Verfahren abgeändert wurden, zum Beispiel um bestimmte Proteine mit bestimmten gewünschten Eigenschaften bevorzugt auszubilden.

Neben den in natürlicher Form bereits bereitstehenden Primärträgern in Form von Zellen, Bakterien und dergleichen ist es auch denkbar, künstliche Primärträger zu erzeugen, zum Beispiel in Form von Vesikeln, Liposomen, mizellären Struktüren und/oder dergleichen. Diese werden dann gegebenenfalls mit entsprechenden biologischen Einheiten, welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind, versehen und/oder angereichert. Entsprechende Verfahren zur Rekonstitution von Membranproteinen oder dergleichen in Vesikeln oder Liposomen sind bekannt und können hier in vorteilhafter Art und Weise ausgenutzt werden, um besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zu schaffen.

Als im Wesentlichen biologische Einheiten kommen sämtliche Einheiten in Frage, die zu einer zumindest teilweise elektrisch ausgebildeten Aktion veranlassbar sind. Insbesondere sind derartige biologische Einheiten denkbar, die zumindest zu einem teilweise elektrogenen und/oder elektrophoretischen Ladungsträgertransport und/oder zu einer zumindest teilweise elektrogenen oder elektrophoretischen Ladungsträgerbewegung aktivierbar sind und welche biologische, chemische und biochemische Einheiten darstellen. Dabei handelt es sich insbe-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

15 14.09.2001

sondere um Transporteinheiten, die auf ihre Aktivierung hin Ladungsträger bewegen. Denkbar sind auch Bestandteile, Fragmente und/oder Verbände derartiger Einheiten, insbesondere Transporteinheiten.
5

Es bieten sich insbesondere als biologische Einheiten Membranproteine an, insbesondere Ionenpumpen, Ionenkanäle, Transporter, Rezeptoren und/oder dergleichen. In Bezug auf viele dieser biologischen Einheiten bestehen Erkenntnisse und/oder Vermutungen dahingehend, dass bestimmte Prozesse mit zumindest einem elektrogenen Teilschritt verbunden sind. Diese elektrogenen Teilschritte können mit einem tatsächlichen Stofftransport verbunden sein, wie zum Beispiel bei einem Kanal, einer Ionenpumpe, oder bestimmten Transportern.

Es sind aber auch biologische Einheiten, insbesondere Membranproteine, bekannt, deren elektrische Aktivität nicht mit einem. Nettostofftransport zusammenhängt, sondern lediglich mit einer, gegebenenfalls reversiblen, Ladungsverschiebung im Rahmen einer Konformationsände.rung oder Bindung oder dergleichen. Auch solche elektrischen Aktivitäten sind grundsätzlich als kurzzeitige Verschiebungsströme und/oder Potenzialänderungen erfindungsgemäß messbar.

Die biologischen Einheiten, insbesondere die Membranproteine, können jeweils in vorteilhafter Weise in im Wesentlichen nativer Form und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form vorgesehen sein. Zum einen können dadurch bestimmte native Eigenschaften zum Beispiel im Organismus vorhandener Proteine getestet und pharmakologisch untersucht werden. Andererseits bieten sich auch molekularbiologische oder gentechnisch initiierte Veränderungen an, die bestimmten Aspekte, zum Beispiel des Transports oder der pharmakologischen Wirkungsweise eines Wirkstoffes zu analysieren.

Besonders vorteilhaft ist es, dass Primärträger eines jeweils im Wesentlichen einheitlichen Typs von Primärträgern

Amtsaktenzeichen.· 201 04 431.5 I⁶

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

vorgesehen sind. Dies ist im Hinblick auf eine möglichst eindeutige Aussage und Analyse eines Wirkstofftests von Bedeutung und bezieht sich auf die geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und molekularbiologischen Eigenschaften der Primärträger.

Das Nämliche gilt auch für die in dem Primärträger vorgesehenen biologischen Einheiten, insbesondere für die Membranproteine oder dergleichen. Hier sind biologische Einheiten eines jeweils im Wesentlichen einheitlichen Typs vorgesehen, insbesondere im Hinblick auf ihre geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und molekularbiologischen Eigenschaften. Zusätzlich sollen die biologischen Einheiten in vorteilhafter Weise im Hinblick auf ihre Orientierung und/oder im Hinblick auf ihre Aktivierbarkeit in Bezug auf den jeweiligen Primärträger in etwa einheitlich sein.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Signalqualität ist es' von Vorteil, dass die Oberflächen der Primärträger und/oder der Sekundärträger so ausgebildet sind, dass eine Anlagerung und/oder Anordnung der Primärträger am Sekundärträger begünstigt wird. Dadurch erhält man zum einen eine besonders hohe Anzahl angelagerter Primärträger und/oder einen besonders innigen Kontakt der Primärträger am Sekundärträger, wodurch die elektrische Kopplung und somit das Signal-zu-Rauschverhältnis gesteigert werden.

Die Anlagerung kann z.B. über die sogenannte Lipid-Lipid-. Wechselwirkung zwischen Primärträger, z.B. Vesikel, und dem Sekundärträger, z.B. Lipid-Thiol-SSM, gesteuert sein. Andrereseits ist auch eine kovalente Bindung der Primärträger an der Oberfläche der Sekundärträger denkbar, z.B. in Form eines Biotin-Streptavidin-Schemas oder im Sinne einer His-Tag-Kopplung.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Oberflächen der Primärträger und der Sekundärträger im Wesentlichen ent-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

17 14.09.2001

gegengesetzt polar zueinander ausgebildet sind. Dies fördert die Anlagerungsrate der Primärträger am Sekundärträger sowie die Stärke des Kontakts zwischen diesen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Primärträger im Wesentlichen gleichartige und/oder gleich wirkende Vesikel oder Liposomen, vorzugsweise aus einem Lipid, vorgesehen sind, in und/oder an deren Membran Einheiten im Wesentlichen eines Typs von Membranproteinen in vorzugsweise im Wesentlichen orientierter Form ein- und/oder angelagert sind.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung in einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung und/oder bei einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendet werden.

Eine konventionelle Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische pharmakologische Wirkstofftestung oder dergleichen weist mindestens einen Messbereich auf, welcher zur Aufnahme eines im Wesentlichen fluiden Messmediums, insbesondere in im Wesentlichen wässriger Form, ausgebildet ist. Des Weiteren ist mindestens eine Messsonde vorgesehen, welche zur Aufnahme und/oder zur Ausbildung von Messsignalen ausgebildet ist. Des Weiteren ist eine Datenerfassungs-/Steuereinrichtung vorgesehen, welche zumindest zur Erfassung von Messsignalen der jeweiligen Messsonde ausgebildet ist. Essentiell ist auch bei konventionellen Vorrichtungen zur Wirkstofftestung das Vorsehen einer Austausch-/Mischeinrichtung, welche zum Verfügungstellen, Austausch, Mischen und/oder Einstellen des Messmediums ausgebildet ist.

Eine derartige konventionelle Vorrichtung kann zum Beispiel in Form einer sogenannten Patchclamp-Apparatur aufgebaut sein, bei welcher ein Elektrolytbad den eigentlichen Messbereich darstellt. Als Messsonde ist dabei die sogenannte Patchelektrode oder Patchpipette vorgesehen, an welcher eine zu

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ¹⁸

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

untersuchende biologische Einheit, zum Beispiel eine Zelle oder dergleichen, angesaugt und gehaltert wird. Die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung wird von der gesamten Messelektronik, entsprechenden Mikromanipulatoren und von der Steuerelektronik zum Aufbau und Mischen des Elektrolytbades gebildet. Die Austausch-/Mischeinrichtung kann zum Beispiel aus entsprechenden Schlauchsystemen mit daran angeschlossenen Perfusoren oder dergleichen bestehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische pharmakologische Wirkstofftestung oder dergleichen ist dadurch gekennzeichnet, dass als Messsonde jeweils eine der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Sensoranordnungen vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders stabile und robuste Messanordnung, mit welcher für eine gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise erheblich verlängerte Zeitspanne eine Vielzahl von Testläufen unter den verschiedensten Versuchsbedingungen durchgeführt werden kann, und zwar ohne Einbußen in der Nachweisgenauigkeit, der Signalqualität oder sonstiger Eigenschaften der Messsonde. Des Weiteren kann aufgrund der Robustheit der Messsonde mit höherer Geschwindigkeit gearbeitet werden, dies betrifft sowohl die Handhabung des eigentlichen Sensors als auch die Austauschgeschwindigkeit oder Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Messmediums im Messbereich. Herkömmliche Patchclamp- und/oder Voltageclamp-Anordnungen sind im Gegensatz dazu bekannterweise im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse und der Stabilität des Messsystems problematisch.

Vorteilhafterweise sind, insbesondere über die Austauscheinrichtung, über das messmedium die Messbedingungen, insbesondere die pharmakologischen Bedingungen, gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die pharmakologische Wirkstofftestung definiert einstellbar und/oder änderbar, insbesondere in kontinuierlicher Art und Weise, vorzugsweise nach Art eines kontinuierlichen Fließ-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

19 14.09.2001

systems. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem eine derartig wohldefinierte Einstellbarkeit und/oder Änderbarkeit der Messbedingungen nur schwer oder unter erhöhtem Aufwand möglich ist, ist aufgrund der Stabilität der verwendeten erfindungsgemäßen Messsonde ein Austausch und/oder eine Änderung des Messmediums leicht möglich. Durch den Austausch können auch entsprechende Änderungen im Hinblick auf die Substratbedingungen oder sonstige Eigenschaften der Messumgebung auf einfache Art und Weise und in kürzerer Zeit erreicht werden.

Insbesondere bietet es sich an, als Austausch-ZMischeinrichtung ein Pumpensystem, Perfusorsystem und/oder dergleichen zu verwenden, um eine Messanordnung zu schaffen, bei welcher die Messsonde im Rahmen eines Fließsystems ständig vom Messmedium umströmt wird. In einem derartigen Fließsystem können dann durch externes Zumischen entsprechende zu untersuchende Messbedingungen geschaffen werden.

Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass im Messbereich Fließgeschwindigkeiten oder Strömungsgeschwindigkeiten von etwa &ngr; S= 0,1 - 2 m/s erzeugbar sind, insbesondere gerade im Bereich oder Nahbereich der Messsonde und/oder insbesondere durch die vorgesehene Austausch-/Mischeinrichtung.

Der Vorteil der hohen Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten ergibt sich zum einen aufgrund der mechanischen Stabilität der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und der ihr zugrundeliegenden Sensorelektrodeneinrichtung.

Darüber hinaus ist es aber besonders vorteilhaft, dass neben der Verwendung von ganzen Zellen, Bakterien oder dergleichen, welche vergleichsweise groß ausgebildet sind, in vorteilhafter Weise auch Vesikel und Liposomen sowie Membranfragmente als Primärträger für die biologischen Einheiten, insbesondere Membranproteine, eingesetzt werden können. Vesikel, Liposomen, Membranfragmente und dergleichen sind vergleichsweise klein ausgebildet und besitzen im Verhältnis zu

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ²⁰

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

ihrer Größe oder ihrer Oberfläche eine vergleichsweise stärkere Neigung zur Anlagerung oder Adsorption an der Oberfläche der Messsonde. Darüber hinaus erfahren sie aufgrund ihrer geringeren Oberfläche im Bereich der Strömung des Messmediums im Vergleich zu ganzen Zellen oder dergleichen sehr viel geringere Scherkräfte, so dass sie auch bei höheren Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten an der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung haften bleiben, so dass sich die Versuchsbedingungen oder Testbedingungen nicht ändern.

Vorteilhafterweise ist der Messbereich einfach als im Wesentlichen geschlossenes Gefäß oder als Gefäßeinrichtung ausgebildet. Dabei ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, entsprechende Zuführ- und/oder Abführeinrichtungen zur strömungsmäßigen Verbindung mit der Austausch-/Mischeinrichtung auszubilden. Der Messbereich kann zum Beispiel als eine Art Kompartment oder Küvette ausgebildet sein, an deren Bodenbereich die Messsonde in Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sensoranordnung angeordnet ist.

Es ist aber auch denkbar, dass eine Mehrzahl von Messsonden vorgesehen ist, insbesondere um einen Parallelbetrieb für mehrere unabhängige Testreihen simultan durchzuführen. Dabei ist es dann ferner vorteilhaft, dass die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung ausgebildet ist, Messsignale der Mehrzahl von Messsonden voneinander unabhängig und/oder entkoppelt aufzunehmen und/oder zu erfassen. Dies gewährleistet, dass die unterschiedlichen Messsonden und deren Messsignale voneinander separiert ausgewertet und einer genaueren Betrachtung unterzogen werden können und.ermöglicht somit die Realisierung voneinander unabhängiger und simultan durchgeführter Experimente oder Testvorgänge, wobei insbesondere ein höherer Testdurchsatz mit geringeren Kosten pro Messung erzielbar ist. .

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

²¹ 14.09.2001

Darüber hinaus ist es dann von Vorteil, dass die Austausch-/Mischeinrichtung und/oder der Messbereich ausgebildet sind, für die Mehrzahl von Messsonden unabhängig und/oder entkoppelt voneinander entsprechende Messbedingungen auf definierte Art und Weise einzustellen und/oder zu ändern. Es kann sich bei dem Messbereich zum Beispiel um eine Anordnung voneinander strömungsmäßig getrennter Küvetten oder Kompartments handeln. Dabei kann auch eine gemeinsame Austausch-/Messeinrichtung vorgesehen sein, über welche für alle Messbereiche simultan dieselben Messbedingungen, zum Beispiel hinsichtlich des Messmediums oder dergleichen, geschaffen werden. Wichtig dabei ist aber die strömungsmäßige und vor allem elektrische Entkopplung der voneinander getrennt zu betrachtenden Messbereiche.

Insbesondere ist es aber von Vorteil, eine Messanordnung für die erfindungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei welcher die Testvorgänge an Messsensoren in mehr oder weniger miniaturisierter Form durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann der Messbereich dazu in Form oder im Raster einer Mikroplatte oder Mikr'otiterplatte oder dergleichen ausgebildet sein, wobei eine Mehrzahl integrierter Messsonden, vorzugsweise in separaten und strömungsmäßig und/oder elektrisch voneinander entkoppelten, und/oder voneinander unabhängigen Vertiefungsbereichen davon ausgebildet ist. Vorzugsweise können die Vertiefungsbereiche und die darin vorgesehenen Messsonden in Form eines Rasters auf einer derartigen Mikroplatte angeordnet sein, um eine Anordnung von 4, 8, 12, 96 oder dergleichen parallelen Messkanälen zu realisieren. Dabei können dann entsprechend gängige 4-, 8- 12-, 96-kanalige Pipettierautomaten für die Probenzugabe zum Einsatz kommen.

Wie oben bereits erläutert wurde, wird bei herkömmlichen Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung oder dergleichen eine zu untersuchende im Wesentlichen biologische Einheit auf mindestens einer Messsonde vorgesehen. Die Messsonde ihrerseits

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2

wird jeweils in einem Messmedium angeordnet, wobei das Messmedium zum Beispiel ein im Wesentlichen wässriges Medium sein kann. Des Weiteren wird beim eigentlichen Testvorgang über die vorgesehene Messsonde die jeweils initiierte elektrische Aktion der im Wesentlichen biologischen Einheit gemessen, insbesondere als elektrische Spannung und/oder als elektrischer Strom.

Es bietet sich nun an, dass man bei dem an sich bekannten Verfahren gerade die oben im Detail beschriebene Sensorelektrodeneinrichtung, die entsprechende Sensoranordnung und/oder die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung heranzieht.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Messsonde jeweils von dem vorgesehenen Messmedium zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise umströmt oder angeströmt wird.

Durch dieses Vorgehen ist ein leichter Wechsel der Testbedingungen, nämlich durch einen externen Misch- oder Austauschvorgang, auf störungsfreie Art und Weise erreichbar, im Gegensatz zur Vorgehensweise zum Beispiel bei den Messverfahren gemäß der Patchclamp-Technik oder Voltageclamp-Technik.

Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder Fließgeschwindigkeit des Messmediums von etwa &ngr; ~ 0,1 - 2 m/s verwendet wird, weil sich auf der Grundlage dieser hohen Strömungsgeschwindigkeiten auch gerade kinetische Untersuchungen an den biologischen Einheiten, insbesondere an den Membranproteinen, durchführen lassen, bei welchen mit zeitlich hoher Auflösung die Signalentwicklung aufgenommen und charakterisiert und auf die einzelnen Funktionsschritte der biologischen Einheit zurückgeführt werden.

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

Aufgrund der Stabilität der verwendeten Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und/oder -vorrichtung ergibt sich die Möglichkeit, aufeinanderfolgend eine Mehrzahl oder Vielzahl von Tests durchzuführen, insbesondere durch ein aufeinanderfolgendes Austauschen und/oder Einstellen oder Mischen des Messmediums, wobei gegebenenfalls zwischengeschaltet Wasch- oder Spülvorgänge vorgesehen sein können. Durch dieses Vorgehen kann bei ein und derselben biologischen Einheit, zum Beispiel bei einem gegebenen Rezeptor oder einem anderen Membranprotein, welches, einmal in einem Vesikelsystem inkorporiert, an einer erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung eingelagert wurde, eine Vielzahl von Sub- ■ stanzen, welche in einem Mischvorgang dem Messmedium zugefügt werden, getestet werden. Geschieht dies gleichzeitig auch im Parallelbetrieb, so kann in einem Messdurchgang eine Vielzahl im Wesentlichen gleicher Tests durchgeführt werden, um zum Beispiel eine entsprechende statistische Evaluierung der Wirkungsweise bestimmter Wirkstoffe auf eine gegebene biologische Einheit zu erhalten.

Oft ist nicht so sehr die Wirkweise eines bestimmten Wirkstoffes an einer bekannten biologischen Einheit von Interesse, sondern vielmehr soll die Funktionsweise einer diesbezüglich unbekannten biologischen Einheit aufgeklärt werden.

Dabei ist naturgemäß eine Vielzahl von einander unabhängiger Tests durchzuführen.

Dies ist insbesondere beim sogenannten Deorphaning der Fall. Dabei wird von einem Orphan ausgegangen. Dieses ist ein genetische Informationseinheit, durch welche eine bestimmte, aber bisher funktionsunbekannte biologische Einheit, z.B. ein Membranprotein oder dergleichen, kodiert wird.

Entsprechend ist es vorgesehen, dass ein Deorphaningprozess mit einer Mehrzahl oder eine Vielzahl von Tests durchgeführt wird, wobei als biologische Einheit ein Produkt oder dergleichen eines - insbesondere funktionsunbekannten - Orphans

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

oder dergleichen verwendet wird, insbesondere um dessen Funktionalität aufzuklären. Entsprechend ist es vorgesehen, die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung, die erfindungsgemäße Sensoranordnung und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Deorphaningvorgang oder - prozess zu verwenden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem Membranfragment als Primärträger.
20

Fig. 3A-D zeigen in einer schematischen Ansicht Verfahren zur pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.

Fig. 4A-C zeigen in einer schematischen Ansicht ein anderes

Verfahren zur pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung.

Ein Messbereich 50 in Form eines im Wesentlichen geschlossenen Gefässes bildet zusammen mit einer Austausch-/Mischeinrichtung 60, zum Beispiel in Form eines Perfusorsystems oder einer Pumpenanlage, einen geschlossenen Flüssigkeitskreis-

• ·

• ♦#·

• ·

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

lauf.. Die Kommunikation der als Messmedium 30 dienenden Flüssigkeit erfolgt über entsprechende Zuführ- und Abführeinrichtungen 51 bzw. 52. Das Messmedium 30 kann dabei eine wässrigere Elektrolytlösung sein, die bestimmte Ionenantei-Ie, eine gegebene Temperatur, einen bestimmten pH-Wert usw. aufweist. Des Weiteren sind im Messmedium 30 gegebenenfalls bestimmte Substratstoffe S und/oder bestimmte Wirkstoffe W enthalten, oder sie werden in späteren Verfahrensschritten durch die Austausch-/Mischeinrichtung 60 hinzugefügt.

Im Messbereich 50 ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 vorgesehen. Die Sensoranordnung 1 besteht aus Primärträgern 10, welche am Oberflächenbereich 24a der als Sekundärträger dienenden Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert sind.

In dem in Fig. 1 in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Form gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Primärträger 10 gezeigt. Dieser besteht aus einem Lipidvesikel oder Liposom in. Form einer im Wesentlichen hohlkugelförmig und geschlossen ausgebildeten Lipiddoppelschicht oder Lipidmembran 11. In diese Lipiddoppelschicht 11 des als Primärträger 10 dienenden Vesikels ist als im Wesentlichen biologische Einheit 12 ein Membranprotein membrandurchgreifend eingelagert.

Durch Umsetzung eines im Messmedium 30 vorhandenen Substrats S zu einem umgesetzten Substrat S' werden im Membranprotein 12 bestimmte Prozesse initiiert, die in dem in Fig. 1 gezeigten Fall zu einem Stofftransport einer Spezies Q von der extravesikulären Seite oder Außenseite 10a des Vesikels 10 zur intravesikulären Seite.oder Innenseite 10b des Vesikels 10 führt. Ist die Spezies Q mit einer elektrischen Ladung behaftet, so führt der Transport dieser Spezies Q von der Seite 10a zur Seite 10b zu einem Nettoladungstransport, welcher mit einem elektrischen Strom von der Außenseite 10a des

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

Vesikels 10 zur Innenseite 10b des Vesikels 10 korrespondiert .

Zum einen sind in jedem Vesikel 10 in der Regel eine Vielzahl im Wesentlichen identischer Membranproteinmoleküle 12 in im Wesentlichen gleicher Orientierung in der Membran 11 des Vesikels 10 eingebaut. Werden diese im Wesentlichen simultan aktiviert - z.B. durch einen durch Mischen initiierten Konzentrationssprung in der Konzentrations des Substrats S von einem nicht aktivierenden Messmedium N, 30 ohne Substrat S zu einem aktivierenden Messmedium A, 30 mit Substrat S-so führt das zu einem messbaren elektrischen Strom.

Dieser Ladungsträgertransport ist deshalb messbar, weil eine Vielzahl von Primärträgern 10 oder Vesikeln an der Oberfläche 24a der Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert sind, so dass sich bei Aktivierung einer Vielzahl von Proteinmolekülen 12 in einer Vielzahl von Vesikeln vor der Oberfläche 24a der Sensorelektrodeneinrichtung 20 eine Raumladung bestimmter Polarität ausbildet. Diese Raumladung wirkt dann auf die Elektrode 26, die in dem in Fig. 1 gezeigten Fall auf einem Träger 22 aus Glas in Form einer Goldschicht aufgedampft ist und durch eine als Isolationsbereich 24 dienende Doppelschicht aus einer unteren Schicht 24b und einer als Oberfläche dienenden Oberschicht 24a abgedeckt und gegenüber dem Messmedium 30 elektrisch isoliert wird.

Die Oberfläche oder obere Schicht 24a des Isolationsbereichs 24 ist zum Beispiel ein zur Lipiddoppelschicht 11 des Vesikels 10 kompatible Lipidmonoschicht, die mittels eines SeIf-Assemb-ling-Vorgangs auf einer die untere Schicht 24b bildenden Alkanthiolmonoschicht ausgebildet ist, so dass die Abfolge der Schichten 24b und 24a, nämlich die Abfolge aus einer Alkanthiolmonoschicht und einer Lipidmonoschicht auf einem festkörperartig ausgebildeten Goldsubstrat als Elektrode 26 eine Membranstruktur SSM bildet, die auch als

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

27 14.09.2001

festkörperunterstützte Membran bezeichnet wird (SSM: Solid Supported Membrane).

Über eine Anschlussleitung 48i ist die Sensoranordnung 1 und insbesondere die Sensorelektrodeneinrichtung 20 mit einer Datenerfassungs-i/Steuereinrichtung 40 verbunden. Diese weist einen Messeinrichtung 44 auf, in welchem in zeitlicher Abhängigkeit ein elektrischer Strom I(t) oder eine elektrische Spannung U(t) gemessen werden kann. Des Weiteren ist eine Verstärkereinrichtung 42 vorgesehen, in welcher die Messsignale gefiltert und/oder verstärkt werden. Über eine Steuerleitung 48s wird die Wirkstofftestung durch Steuerung der Austausch-/Mischeinrichtung 60 geregelt. Über eine weitere Leitung 48o wird der elektrische Stromkreis mittels einer Gegenelektrode 46, zum Beispiel in Form einer Pt/Pt-Elektrode oder mittels einer Ag/AgCl-Elektrode geschlossen. Isolationen 28, 27 und 47 verhindern Kurzschlüsse der SSM bzw. der Gegenelektrode 46 gegenüber dem Messmedium 30.

Fig. 2 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensor-anordnung 1, bei welcher als Primärträger 10 anstelle eines Vesikels oder Liposoms ein Membranfragment 10 vorgesehen ist, in welches in orientierter Art und Weise ein als biologische Einheit 12 dienendes Membranprotein eingelagert ist. Auch in Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 2 ist festzuhalten, dass die Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, und zum anderen in der Regel eine große Mehrzahl von Membranfragmenten gleichzeitig auf der SSM oder der Oberfläche 24a der als Sekundärträger dienenden Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert oder adsorbiert sind.

Auch hier ist wieder gezeigt, dass durch Umsetzung des im Messmedium 30 vorgesehenen Substrats S zu einem umgesetzten Substrat S¹ ein Stofftransport der Spezies Q von einer Seite 10a des Membranfragments 10 zur gegenüberliegenden Seite 10b erfolgt, welcher über den entsprechenden Nettoladungstrans-

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ²⁸

Iongate Biosciences GmbH 14.09.2001

port und den damit verbundenen Verschiebungsstrom in zeitlich abhängiger Form nachgewiesen werden kann.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung.

In einem als Küvette ausgebildeten Messbereich 50 ist an einer als Sensorelektrodeneinrichtung 20 dienenden SSM ein Ensemble von Vesikeln 10 mit einem dort eingelagerten Membranprotein 12 adsorbiert. Die so ausgebildete Sensoranordnung 1 ist dabei im Messbereich 50 in einem vorgesehenen Messmedium 30 inkubiert.

Der Messbereich 50 ist über eine Zuführleitung 51 über eine vorgesehene erste Ventileinrichtung Vl steuerbar wahlweise mit einer Mehrzahl von Vorratsgefäßen 53, 54 und 55 verbunden, in welchen bestimmte Volumina des Messmediums 30 mit bestimmten weiteren Inhaltsstoffen versehen, vorgesehen sind. So enthält das erste Vorratsgefäß 53 der Fig. 3A bis 3D ein nicht aktivierendes Messmedium N, welches so gewählt ist, dass die in den Vesikeln 10 eingelagerten Membranproteine 12 durch die Zusammensetzung des Messmediums des Typs N nicht zu einer elektrischen Aktion initiiert werden. Im zweiten Vorratsgefäß 54 der Fig. 3A bis 3D ist ein Messmedium A enthalten, durch welches die Membranproteine 12 in den Vesikeln 10 zu einer elektrischen Aktion, also zu einem Ladungstransport oder dergleichen, aktivierbar sind. Im dritten Vorratsgefäß 55 der Fig. 3A bis 3D schließlich ist dem aktivierenden Messmedium A des Gefäßes 54 ein Wirkstoff W hinzugefügt worden, dessen Wirkung auf die Aktivität des Proteins 12 in den Vesikeln 10 ermittelt werden soll.

Über eine Abführeinrichtung 52 oder Abführleiturig ist der Messbereich 50 oder die Küvette über eine zweite Ventileinrichtung V2 zumindest mit einem Teil der Austausch-/Mischein-richtung 60 verbunden. Des Weiteren kann über das

Amtsaktenzeichen: 2 01 04 431.5 longate Biosciences GmbH

I S I * I I "* I * *

29 14.09.2001

Ventil V2 ein Entsorgungsgefäß E hinzugeschaltet werden, zum Beispiel um die Austausch-ZMischeinrichtung 60 zu entleeren.

In einer ersten Phase der pharmakologischen Wirkstofftestung, welche in Fig. 3A gezeigt ist, ist der Messbereich 50 über die erste Ventileinrichtung Vl und die Zuführeinrichtung 51 mit dem ersten Vorratsgefäß 53 verbunden. Andererseits ist der Messbereich 50 über die Abführeinrichtung 52 und über die zweite Ventileinrichtung V2 mit der Austausch-/Mischeinrichtung 60 verbunden. Durch Betrieb der Austausch-/Mischeinrichtung 60 wird eine Saugkraft über die miteinander verbundenen Bereiche ausgeübt, so dass aus dem Vorratsgefäß 53 das nicht aktivierende Messmedium N durch die Küvette des Messbereichs 50 strömt und die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikel 10 umspült oder umströmt. In diesem Zustand kann keinerlei elektrische Aktivität des Proteins 12 gemessen werden, und diese Phase dient der Equilibration der SSM sowie der Aufnahme von Störsignalen und dem Abgleich des Rauschens.

In der in Fig. 3B gezeigten zweiten Testphase wird über die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung 40 die erste Ventileinrichtung Vl so geschaltet, dass die Zuführeinrichtung 51 des Messbereichs 50 mit dem zweiten Vorratsgefäß 54 kommunizierend verbunden ist, so dass auf Betrieb der Austausch-/Mischein-richtung 60 hin das aktivierende Messmedium A durch die Küvette des Messbereichs 50 strömt, die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikeln strömt und umspült und somit die in den Vesikeln 10 enthaltenen Membranproteine 12 zu einem elektrogenen Ladungstransport anregt, welcher dann über die in den Fig. 3A - 3D nicht gezeigte Datenerfassung nachgewiesen werden kann.

In einer in Fig. 3C gezeigten dritten Phase des Verfahrens der pharmakologischen Wirkstofftestung wird die erste Ventileinrichtung Vl derart geschaltet, dass der Messbereich mit dem dritten Vorratsgefäß 55 strömungsmäßig verbunden

Amtsaktenzeichen: 2 01 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

30 14.09.2001

ist, so dass auf Betrieb der Austausch-VMischeinrichtung 60 hin nunmehr das aktivierende Messmedium A unter Zusatz des Wirkstoffes W durch die Küvette des Messbereiches 50 strömt und somit die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikel 10 umspült.

Durch Aufnahme etwaiger elektrischer Signale unter dem Einfluss des hinzugefügten Wirkstoffes W kann im Vergleich zu den während der Phase der Fig. 3B aufgenommenen Signale der Einfluss des Wirkstoffes auf die Aktivität des Proteins 12 in den Vesikeln im Wesentlichen ermittelt werden.

In der Phase, welche in Fig. 3D gezeigt ist, wird die in der Austausch-/Mischeinrichtung 60 aufgenommene Flüssigkeitsmenge in das Entsorgungsgefäß E hin entsorgt, wobei durch die zweite Ventileinrichtung V2 die Austausch-/Mischeinrichtung 60 ausschließlich mit dem Entsorgungsgefäß E verbunden ist.

Selbstverständlich kann die in den Fig. 3A bis 3D gezeigte Anordnung bzw. das damit in Zusammenhang stehende Testverfahren auch komplexer ausfallen und weitere Messzwischenschritte, Spül- und Waschvorgänge enthalten.

Grundsätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die hohe mechanische Stabilität der vorgesehenen Sensorelektrodeneinrichtung und der Sensoranordnung und damit einhergehend die große Einsatzbereitschaft, die einfache Handhabbarkeit und geringer Störunanfälligkeit. In der Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung und der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergeben sich im Rahmen von pharmakologischen Wirkstofftests eine lange Lebensdauer, eine hohe Zuverlässigkeit, eine geringe Störanfälligkeit sowie insbesondere ein gegenüber herkömmlichen Verfahren maßgeblich gesteigerter Testdurchsatz, wodurch entsprechende Testverfahren kostengünstig ausgearbeitet und durchgeführt werden können.

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

31 14.09.2001

Die Fig. 4A bis AC beschreiben eine anderes Verfahren. Vorgesehen sind dabei aber nur zwei Vorratsgefäße 53 und 54
vorgesehen sind. Das Vorratsgefäß 53 enthält wieder eine
nich aktivierende Lösung N. Das Vorratsgefäß 54 enthält als X entweder in einem ersten Verfahrensschritt die aktivierende Lösung A und in einem zweiten Verfahrensschritt eine aktivierende Lösung A+W mit zu testendem Wirkstoff W. Im ersten Fall X=A wird die Aktivierung der biologischen Einheit
als Referenzsignal gemessen. Im zweiten Fall X=A+W wird dann der Effekt des Wirkstoffes auf die Aktivierung messbar.

Im einfachsten Fall kann der Wirkstoff W identisch sein mit dem S und/oder mit der Transportspezies Q.

Iongate Biosciences GmbH Dr. Klaus Fendler

AZ: IGl

09.03.2001

Bezugszeichenliste

1 Sensoranordnung

10 Primärträger, Vesikel, Membranfragment

10a Oberfläche, Außenseite, extravesikuläre Seite

10b Innenseite, intravesikuläre Seite

11 Membran

12 biologische Einheit, Membranprotein

13 Innenmedium

20 Sensorelektrodeneinrichtung

21 Elektrodenbereich

22 Träger

22a Oberflächenbereich

24 Isolationsbereich

24a Oberschicht, Oberflächenbereich, Lipidmonoschicht

24b Unterschicht, Thiol-/Mercaptanmonoschicht

26 Elektrode

27 Isolation

28 Isolation

29 Anschluss

30 Messmedium

40 Datenerfassungs-/Steuereinrichtung

42 Verstärkereinrichtung

44 Messeinrichtung

46 Gegenelektrode

48i,o Anschlussleitungen

48s Steuerleitung

50 Messbereich, Gefäß, Küvette

51 Zuführeinrichtung

52 Abführeinrichtung

53 Vorratsgefäß

54 Vorratsgefäß

55 Vorratsgefäß

60 Austausch-/Mischeinrichtung 100 Messvorrichtung

A aktivierendes Messmedium

A+W aktivierendes «Messmediuin-jitit ifirkejioff W · · • · ··· ·

Iongate Biosciences GmbH Dr. Klaus Fendler

AZ: IGl

09.03.2001

C_m spezifische Kapazität

E Entsorgung

G_n, spezifische Leitfähigkeit

N nicht aktivierendes Messmedium

I(t) Stromsignal

Q Ladungsträger

S Substrat

S' umgesetztes Substrat

SSM Membranstruktur, festkörper unterstützte Membran

U(t) Spannungssignal

V Fließgeschwindigkeit, Strömingsgeschwindigkeit

VI erste Ventileinrichtung V2 zweite Ventileinrichtung W Wirkstoff

Claims (37)

1. Sensorelektrodeneinrichtung, insbesondere für eine Biosensoranordnung oder dergleichen, für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftestung oder dergleichen,

- welche zumindest einen zumindest zum Teil im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Elektrodenbereich (21) aufweist,

- welche ausgebildet ist, zumindest im Betrieb in einem, insbesondere im Wesentlichen wässrigen, Messmedium (30) angeordnet zu werden und

- weiche ausgebildet ist, zumindest im Betrieb eine Mehrzahl oder Vielzahl Primärträger (10) mit zu einer elektrischen Aktion aktivierbaren im Wesentlichen biologischen Einheit (12), insbesondere Membranproteinen oder dergleichen, in im Wesentlichen unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft, insbesondere des Elektrodenbereichs (21), anzuordnen, insbesondere anzulagern oder dergleichen,

- wobei zumindest der Elektrodenbereich (21) im Wesentlichen festkörperartig und/oder festkörperunterstützt ausgebildet ist und

- wobei der Elektrodenbereich (21) ausgebildet ist, zumindest im Betrieb gegenüber dem vorzusehenden Messmedium (30) und/oder gegenüber den Primärträgern (10) im Wesentlichen elektrisch isoliert zu sein.

2. Sensorelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenbereich (21) mindestens eine Elektrode (26) aufweist.

3. Sensorelektrodeneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (26) jeweils als mechanisch stabiler Materialbereich ausgebildet ist, insbesondere als Platte, als Draht und/oder dergleichen.

4. Sensorelektrodeneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Elektrodenbereich (21) einen, insbesondere festkörperartigen, Träger (22) aufweist und

- dass die Elektrode (26) als im Wesentlichen zusammenhängende Materialschicht auf einer Oberfläche (22a) des Trägers (22) ausgebildet ist,

- wobei die Elektrode (26) insbesondere durch Festkörperunterstützung durch den Träger (22) mechanische Stabilität erlangt.

5. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (26) mindestens ein metallisches Material aufweist oder daraus gebildet ist, insbesondere aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Gold oder dergleichen.

6. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (26) mindestens ein im Wesentlichen elektrisch leitendes Metalloxid aufweist oder daraus gebildet ist, insbesondere aus Indiumzinnoxid oder dergleichen.

7. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) ein im Wesentlichen elektrisch isolierendes und/oder im Wesentlichen chemisch inertes Material aufweist oder daraus gebildet ist, insbesondere aus einem Glas oder dergleichen und/oder insbesondere in Form einer Platte oder dergleichen.

8. Sensorelektrodeneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (26) im Wesentlichen als auf der Oberfläche (22a) des Trägers (22) abgeschiedene, insbesondere aufgedampfte oder gesputterte Materialschicht ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer Schichtstärke von 10 bis 200 nm.

9. Sensorelektrodeneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Materialschicht der Elektrode (26) und der Oberfläche (22a) des Trägers (22) eine Haftschicht oder dergleichen vorgesehen ist, insbesondere aus Chrom oder dergleichen und/oder insbesondere mit geringerer Schichtstärke, vorzugsweise von etwa 5 nm.

10. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Isolationsbereich (24) ausgebildet ist, durch welchen zumindest im Betrieb der Elektrodenbereich (21), insbesondere die jeweilige Elektrode (26), im Wesentlichen elektrisch isolierbar ist, insbesondere in Bereichen davon, welche im Betrieb zum mechanischen Kontakt mit dem Messmedium (30) und/oder mit den Primärträgern (10) vorgesehen sind.

11. Sensorelektrodeneinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich (24) zumindest teilweise schichtartig, insbesondere mehrschichtig ausgebildet ist.

12. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Oberflächenbereich (24a) des Isolationsbereichs (24) derart abgestimmt ausgebildet ist, um zumindest im Betrieb eine Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern (10) am Oberflächenbereich (24a) des Isolationsbereichs (24) zu begünstigen, insbesondere in mit der Oberfläche (10a) der Primärträger (10) kompatibler Art und Weise.

13. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich (24) zumindest teilweise als Monoschicht, Monolage oder dergleichen oder als Abfolge davon ausgebildet ist, insbesondere jeweils als spontan selbstorganisierende Schicht, als Self-Assembling-Schicht und/oder dergleichen.

14. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterschicht (24b) oder als unterster und der Elektrode (26) im Wesentlichen zugewandter Bereich (24b) des Isolationsbereichs (24) eine Schicht einer organischen Thioverbindung vorgesehen ist, vorzugsweise eines langkettigen Alkanthiols, insbesondere aus Oktadekanthiol, und/oder dergleichen.

15. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberschicht (24a) oder als oberster und von der Elektrode (26) im Wesentlichen abgewandter oder Oberflächenbereich (24a) des Isolationsbereichs (24) eine Schicht einer amphiphilen organischen Verbindung vorgesehen ist, insbesondere eines Lipids und/oder dergleichen.

16. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich (24), insbesondere die Unterschicht (24b) davon, im Wesentlichen von einer Schicht aus Teflon oder dergleichen gebildet wird, insbesondere mit einer Schichtdicke von weniger als 5 µm.

17. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22), die Elektrode (26), der Isolationsbereich (24), deren Ober- und/oder Grenzflächenbereiche zumindest teilweise im Wesentlichen planar ausgebildet sind, insbesondere auf mikroskopischer Ebene oder Skala.

18. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- dass ein Kontaktbereich (29) vorgesehen ist, durch welchen die Sensorelektrodeneinrichtung (20) extern elektrisch kontaktierbar ist,

- wobei insbesondere eine Isolation (27) zur Vermeidung von Kurzschlüssen im Betrieb ausgebildet ist.

19. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, welcher durch den die Elektrode (26) isolierenden und/oder abdeckenden Bereich des Isolationsbereichs (24) definiert wird, im Wesentlichen eine Membranstruktur (SSM) aufweist oder bildet, zumindest teilweise eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa C_m ≈ 1- 100 nS/cm², eine spezifische Kapazität von etwa Cm ≈ 10- 1000 nF/cm² und/oder eine Fläche von etwa A ≈ 0,1-50 mm² aufweist.

20. Sensorelektrodeneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche so ausgebildet ist, dass sie, insbesondere im Betrieb, gegenüber Flüssigkeitsströmungen mit Strömungsgeschwindigkeiten von etwa v ≈ 0,1-2 m/s im Wesentlichen konstante mechanische, elektrische und/oder strukturelle Eigenschaften aufweist, insbesondere im Bereich der Membranstruktur (SSM) und/oder insbesondere im Hinblick auf die Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern (10).

21. Sensoranordnung, insbesondere Biosensoranordnung oder dergleichen, für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftestung oder dergleichen:

- mit mindestens einem Sekundärträger (20) und

- mit einer Mehrzahl oder Vielzahl von Primärträgern (10), welche zumindest im Betrieb im Wesentlichen in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft des Sekundärträgers (20) anordenbar, insbesondere anlagerbar, und/oder angeordnet, insbesondere angelagert, sind und durch welche zumindest im Betrieb zu einer elektrischen Aktion aktivierbare und im Wesentlichen biologische Einheiten (12), insbesondere Membranproteine oder dergleichen, aufnehmbar und/oder immobilisierbar sind,

dadurch gekennzeichnet,
dass als Sekundärträger (20) eine Sensorelektrodeneinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 vorgesehen ist.

22. Sensoranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärträger (10) jeweils eine eukariontische Zelle, eine prokariontische Zelle, eine bakterielle Einheit, eine virale Einheit und/oder dergleichen und/oder Bestandteile, Fragmente, insbesondere Membranfragmente oder dergleichen, und/oder Verbände davon in im Wesentlichen nativer und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form, vorgesehen sind.

23. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärträger (10) jeweils ein Vesikel, ein Liposom, eine mizelläre Struktur und/oder dergleichen vorgesehen ist.

24. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als biologische Einheit (12) jeweils eine zu einem zumindest teilweise elektrogenem Ladungsträgertransport und/oder zu einer zumindest teilweise elektrogenen Ladungsträgerbewegung aktivierbare biologische, chemische und/oder biochemische Einheit (12), insbesondere eine Transporteinheit, vorgesehen ist, und/oder Bestandteile, Fragmente und/oder Verbände davon.

25. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als biologische Einheit (12) jeweils ein Membranprotein vorgesehen ist, insbesondere eine Ionenpumpe, ein Ionenkanal, ein Transporter, ein Rezeptor und/oder dergleichen.

26. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die biologische Einheit (12) jeweils in im Wesentlichen nativer Form und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form vorgesehen ist.

27. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärträger (10) jeweils im Wesentlichen einem einheitlichen Typ von Primärträgern (10) angehört, insbesondere im Hinblick auf seine geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und/oder molekularbiologischen Eigenschaften.

28. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärträger (10) im Wesentlichen einen einheitlichen Typ von im Wesentlichen biologischen Einheiten (12) aufweisen, insbesondere im Hinblick auf deren geometrische, physikalische, chemische, biologische und/oder molekularbiologische Eigenschaften und ferner insbesondere im Hinblick auf ihre Orientierung und/oder Aktivierbarkeit im jeweiligen Primärträger (10).

29. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (10a) des jeweiligen Primärträgers (10) und/oder des Sekundärträgers (20) jeweils so ausgebildet sind, um eine Anlagerung und/oder Anordnung der Primärträger (10) am Sekundärträger (20) zu begünstigen.

30. Sensoranordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche (10a) der Primärträger (10) und die Oberfläche des Sekundärträgers (20) im Wesentlichen entgegengesetzt polar und/oder geladen zueinander ausgebildet sind
und/oder
dass im Hinblick auf die Anlagerung zwischen der Oberfläche (10a) der Primärträger (10) und der Oberfläche des Sekundärträgers (20) eine Ankopplung nach Art einer chemischen Bindung oder dergleichen ausbildbar ist, insbesondere über eine His-Tag-Kopplung, eine Streptavidin-Biotin-Kopplung und/oder dergleichen.

31. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärträger (10) im Wesentlichen gleichartige und/ oder gleich wirkende Vesikel, Liposomen Und/oder dergleichen, vorzugsweise aus einem Lipid, vorgesehen sind, in und/oder an deren Membran (11) Einheiten im Wesentlichen eines Typs Membranprotein (12) in vorzugsweise im Wesentlichen orientierter Form ein- und/oder angelagert sind.

32. Vorrichtung für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologische Wirkort- und/oder Wirkstofftestung oder dergleichen:

- mit mindestens einem Messbereich (50), welcher zur Aufnahme eines im Wesentlichen fluiden und/oder wässrigen Messmediums (30), insbesondere in im Wesentlichen wässriger Form, ausgebildet ist,

- mit mindestens einer Messsonde (1), welche zur Aufnahme und/oder Ausbildung von Messsignalen ausgebildet ist,

- mit einer Datenerfassungs-/Steuereinrichtung (40) welche zumindest zur Erfassung von Messdaten der jeweiligen Messsonde (1) ausgebildet ist, und

- mit einer Austausch- und/oder Mischeinrichtung (60), welche zum Verfügung stellen, Austausch, Mischen und/oder Einstellen des Messmediums (30) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,
dass als Messsonde (1) jeweils eine Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 31 vorgesehen ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass - insbesondere über die Austauscheinrichtung (60) - über das Messmedium (30) Messbedingungen, insbesondere pharmakologische Bedingungen, definiert einstellbar und/oder änderbar sind, insbesondere in kontinuierlicher Art und Weise, vorzugsweise nach Art eines kontinuierlichen Fließsystems.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere durch die Austauscheinrichtung (60), insbesondere im Bereich der Messsonde (1), Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten von etwa v ≈ 0,1-2 m/s erzeugbar sind.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (50) als im Wesentlichen geschlossene Gefäßeinrichtung oder dergleichen ausgebildet ist, welche insbesondere über mindestens eine Zuführ- und/oder eine Abführeinrichtung (51, 52), mit der Austauscheinrichtung (60) strömungsmäßig verbindbar ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet,

- dass eine Mehrzahl von Messsonden (1) vorgesehen ist,

- dass die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung (40) ausgebildet ist, Messsignale (U, I) der Mehrzahl von Messsonden (1) voneinander unabhängig und/oder entkoppelt aufzunehmen und/oder zu erfassen, und

- dass insbesondere die Austauscheinrichtung (60) und/oder der Messbereich (50) ausgebildet sind, für die Mehrzahl von Messsonden (1) unabhängig und/oder entkoppelt voneinander entsprechende Messbedingungen definiert einzustellen und/oder zu ändern.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (50) als Mikroplatte, Mikrotiterplatte und/oder dergleichen ausgebildet ist, und zwar mit einer Mehrzahl integrierter Messsonden (1), vorzugsweise in separaten, strömungsmäßig und/oder elektrisch voneinander entkoppelten und/oder unabhängigen Vertiefungsbereichen davon, vorzugsweise um 8, 12, 96 Messkanäle auf einem Raster davon auszubilden.