Entwicklung eines neuartigen Geräts auf der Grundlage einer neuen Technologie zur nicht-invasiven Messung von Biomarkern im Blut, unabhängig von der Hautfarbe

Background: Human hemoglobin is a tetrameric metalloporphyrin. The heme part contains iron radicle and porphyrin. The globin part consists of two pairs of amino-acid chains. The absorption spectrum of hemoglobin spans from 250 nm to as high as 2,500 nm, with high coefficients reported in blue and green color zone. The visible absorption spectrum of deoxyhemoglobin has one, while the visible absorption spectrum of oxyhemoglobin shows two peaks. Objective: (1) To study absorption spectrometry of hemoglobin in 420 to 600 nm range; (2) to conduct preclinical experiments to validate a new device and technology based on green color absorption by hemoglobin; (3) to use this new technology and device for phase 1 study in healthy human volunteers for confirmationDesign, material and methods: (1) Checking absorption spectrometry of hemoglobin in venous blood. We measured absorption spectrometry of 25 mother-baby pairs as an observational study. Readings were plotted from 400 nm to 560 nm. These included peaks, flat lines and deeps. Graph tracings of all samples - cord blood and maternal blood - showed similar patterns. (2) Preclinical experiments were set up (a) to correlate the reflection of green light by hemoglobin and concentration of hemoglobin, (b) to correlate concentration of O2 and reflection of green light related to oxyhemoglobin, (c) to correlate concentration of melanin in upper and the hemoglobin in lower layer of tissue phantom and to check the sensitivity of new device with green light for measuring Hb in presence of high levels of melanin, and lastly (d) to check if the new device can measure changes in oxy-hemoglobin and deoxy-hemoglobin, again in presence of high levels of melanin with normal as well as with low levels of hemoglobin. The experiments using bilayer tissue phantom were conducted with horse blood in lower cup as dermal tissue phantom and synthetic melanin in upper layer as epidermal tissue phantom. (3) Phase 1 observational studies following a protocol approved by the institutional review board (IRB) were done in two cohorts. Readings were taken using our device and a commercially available pulse oximeter. In the comparison arm we had Point of Care (POC) Hb test (HemoCu or iSTAT blood test). We had 127 data points of POC Hb test and 170 data points for our device and pulse oximeters. This device uses two wavelengths from the visible spectrum of light and uses reflected light. Light of specific wavelengths is shone on the skin of the individual, and the reflected light is collected as 'optical signal'. This optical signal - after conversion to electrical signal - is processed and finally analysed with a digital display on the screen. Melanin is accounted using Von Luschan's chromatic scale (VLS) and a specially designed algorithm. Results: In this set of various preclinical experiments using different concentrations of hemoglobin and melanin, we indeed demonstrated good sensitivity of our device. It could pick up signals from hemoglobin despite high levels of melanin. Our device is a non-invasive device to measure hemoglobin like a pulse oximeter. Results of our device and pulse oximeter were compared with those by POC Hb test like HemoCu and iSTAT. Our device showed better trending linearity and concordance than a pulse oximeter. Since the absorption spectrum of hemoglobin is the same is new-borns and adults, we could develop one device for all age groups and for people of all colors. Furthermore, the light is shone on the wrist of the individual and is then measured. So, in future this device has the potential of being incorporated in a wearable or smart watch technology. Hintergrund: Das menschliche Hämoglobin ist ein tetrameres Metalloporphyrin. Der Häm-Teil enthält Eisen und Porphyrin. Der Globin-Teil besteht aus zwei Paaren von Aminosäureketten. Das Absorptionsspektrum von Hämoglobin reicht von 250 nm bis zu 2.500 nm, mit hohen Koeffizienten in der blauen und grünen Farbzone. Das sichtbare Absorptionsspektrum von Desoxyhämoglobin hat einen Peak, während das sichtbare Absorptionsspektrum von Oxyhämoglobin zwei Peaks aufweist. Ziel: (1) Untersuchung der Absorptionsspektrometrie von Hämoglobin im Bereich von 420 bis 600 nm; (2) Durchführung präklinischer Experimente zur Validierung eines neuen Geräts und einer neuen Technologie, die auf der Absorption der grünen Farbe durch Hämoglobin basiert; (3) Verwendung dieser neuen Technologie und des Geräts für eine Phase-1-Studie an gesunden menschlichen Probanden zur Bestätigung. Studiendesign, Material und Methoden: (1) Überprüfung der Absorptionsspektrometrie von Hämoglobin in venösem Blut. Wir haben die Absorptionsspektrometrie von 25 Mutter-Baby-Paaren im Rahmen einer Beobachtungsstudie gemessen. Die Messwerte wurden von 400 nm bis 560 nm aufgezeichnet. Diese beinhalteten Spitzen, flache Linien und Vertiefungen. Die Kurvenverläufe aller Proben - Nabelschnurblut und mütterliches Blut - zeigten ähnliche Muster. (2) Präklinische Experimente wurden durchgeführt, um (a) die Reflexion von grünem Licht durch Hämoglobin und die Hämoglobinkonzentration in Zusammenhang zu setzen, um (b) die O2-Konzentration und die Reflexion von grünem Licht im Zusammenhang mit Oxyhämoglobin zu beobachten, um (c) eine Korrelation zwischen der Melaninkonzentration in der oberen und der Hämoglobinkonzentration in der unteren Schicht des Gewebephantoms zu überprüfen sowie die Empfindlichkeit des neuen Geräts mit grünem Licht zur Messung von Hb bei hohem Melaningehalt zu testen und schließlich um (d) zu prüfen, ob das neue Gerät Änderungen von Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin bei hohem Melaningehalt mit normalem und niedrigem Hämoglobingehalt messen kann. Die Experimente mit einem zweischichtigen Gewebephantom wurden mit Pferdeblut in der unteren Schale als dermales Gewebephantom und synthetischem Melanin in der oberen Schicht als epidermales Gewebephantom durchgeführt. (3) Nach einem von der Ethikkommission genehmigten Protokoll wurden Phase-1-Beobachtungsstudien in zwei Kohorten durchgeführt. Die Messungen wurden mit unserem Gerät und einem handelsüblichen Pulsoximeter durchgeführt. Im Vergleichsarm wurde ein Point-of-Care(POC)-Hb-Test (HemoCu oder iSTAT-Bluttest) durchgeführt. Wir hatten 127 Datenpunkte für den POC-Hb-Test und 170 Datenpunkte für unser Gerät und die Pulsoximeter. Dieses Gerät verwendet zwei Wellenlängen aus dem sichtbaren Spektrum des Lichts und nutzt reflektiertes Licht. Licht bestimmter Wellenlängen wird auf die Haut der Person gestrahlt und das reflektierte Licht wird als "optisches Signal" erfasst. Dieses optische Signal wird - nach Umwandlung in ein elektrisches Signal - verarbeitet und schließlich mit einer digitalen Anzeige auf dem Bildschirm analysiert. Das Melanin wird mithilfe der Von-Luschan-Skala (VLS) und eines speziell entwickelten Algorithmus erfasst.Ergebnisse: In dieser Reihe von verschiedenen präklinischen Experimenten mit unterschiedlichen Konzentrationen von Hämoglobin und Melanin haben wir eine gute Empfindlichkeit unseres Geräts nachgewiesen. Es konnte Signale von Hämoglobin trotz hoher Melaninkonzentrationen aufnehmen. Unser Gerät ist wie ein Pulsoximeter ein nicht-invasives Gerät zur Messung von Hämoglobin. Die Ergebnisse unseres Geräts und des Pulsoximeters wurden mit denen von POC-Hb-Tests wie HemoCu und iSTAT verglichen. Unser Gerät zeigte eine bessere Trendlinearität und Konkordanz als ein Pulsoximeter. Da das Absorptionsspektrum von Hämoglobin bei Neugeborenen und Erwachsenen das gleiche ist, konnten wir ein Gerät für alle Altersgruppen und für Menschen aller Hautfarben entwickeln. Außerdem wird das Licht auf das Handgelenk der Person gestrahlt und dann gemessen. In Zukunft könnte dieses Gerät also in eine tragbare oder intelligente Uhrentechnologie integriert werden.