Monitoring glukózy v tele

Měření hladiny glukózy v krvi je klíčovým nástrojem v diagnostice a řízení diabetu. V současnosti existují různé technologie, které umožňují monitorování glukózy, a to jak invazivní, tak i neinvazivní. Pro měření hladiny glukózy v krvi se v současnosti používají 2 způsoby:

Amperometrický způsob

Amperometrické glukózové senzory jsou mezi ostatními senzory jednoznačně nejpoužívanější. Z chronologického hlediska je můžeme rozdělit do 2 generací, přičemž obě fungují podobně na základě elektrochemické metody, konkrétně na principu glukózaoxidázových reakcí a měření proudu způsobeného těmito reakcemi.

První generace funguje na základě oxidace glukózy za vzniku peroxidu vodíku. Peroxid je následně elektrolyticky rozložen na kationty vodíku a anionty kyslíku. Anionty oxidující se na anodě generují proud záporně nabitých částic – elektronů, které jsou měřeny jako elektrický proud.

Druhá generace opět využívá redukční vlastnosti glukózy. Tentokrát je ale zdroj proudu generován enzymatickou reakcí obvykle mezi glukózou, enzymem a mediátorem, a to následujícím způsobem: Glukóza má redukční vlastnosti – svou oxidací na kyselinu glukonovou redukuje enzym GOx, který následně redukuje mediátorové ionty M(ox) na M(red). M(red) se opět zpětně oxidují na povrchu elektrody. Tento oxidační proces vede k vytvoření záporně nabitých částic, které jsou měřeny elektrodou jako elektrický proud.

John X.J. ZHANG, Kazunori HOSHINO, Molecular Sensors and Nanodevices, 2014, doi: https://doi.org/10.1016/B978-1-4557-7631-3.00004-1

V obou případech dokážeme díky velikosti proudu stanovit glykémii.

Nejpoužívanějším materiálem při výrobě těchto senzorů jsou v poslední době nanokonstruované materiály (tzn. materiály, jejichž strukturální motiv se pohybuje v oblasti jednotek až stovek nanometrů). Neustále se vyvíjejí nové a nové inovativní struktury s cílem minimalizovat primární odpor a zároveň maximalizovat jejich katalytickou aktivitu. Najslibnějším nanokonstruovaným materiálem pro senzory se jeví být nanovlákna, a to z důvodu regulovatelného přenosu elektronů podél těchto nanovláken a jejich velké povrchové plochy (na rozdíl od například nanotrubiček), čímž je maximalizována jejich reaktivita. Bohužel, i zde nastává komplikace – jsou to většinou polovodiče. Jejich slabá vodivost musí být proto kompenzována vložením dalších nanočástic kovu, například stříbra nebo zlata, což na jedné straně senzory prodražuje, na druhé straně však ještě více zlepšuje jejich katalytickou aktivitu.

Fotometrický způsob

Fotometrické glukózové senzory fungují na principu reflexní fotometrie. Opět se u nich setkáváme s řadou enzymatických reakcí. Podobně jako u první generace senzorů fungujících na amperometrickém principu, i zde vzniká peroxid vodíku. Tentokrát však není dále rozkládán, ale reaguje s nebarevným chromogenem za vzniku barevného produktu. Nově vzniklý barevný produkt je uvnitř přístroje LED osvětlen a odražené světlo je měřičem rozpoznáno a přepočítáno na odpovídající hladinu krevní glukózy.

Senzory fungující na fotometrickém principu jsou však často chybové, nepřesné (např. z důvodu vnějšího osvětlení), pomalé (dlouhá doba reakce) a vyžadují pravidelnou kalibraci, kvůli čemuž jsou v současnosti považovány za zastaralé.

Nevine DEMITRI , Abdelhak M. ZOUBIR, Measuring Blood Glucose Concentrations in Photometric Glucometers Requiring Very Small Sample Volumes, doi: https://doi.org/10.1109/TBME.2016.2530021

Neinvazivní způsoby měření

Neinvazivní metody, tj. metody, které by nám umožnily určit hladinu glykémie bez jejího odběru, jsou v současnosti jen předmětem výzkumu. Mezi navrhované metody můžeme vyzdvihnout jako perspektivní například Ramanovu spektroskopii, fotoakustiku nebo jiné technologie založené na transdermálním přenosu energie.

Přístroje určené na monitoring glukózy

Přístroje obvykle dělíme do dvou skupin, a to na základě toho, zda glukózu měří jednorázově z krve, nebo kontinuálně z intersticiální tekutiny. V obou případech se můžeme setkat jak s amperometrickým, tak i fotometrickým způsobem měření.

Glukometry - Self-monitored blood glucose (SMBG)

Glukometry měří hladinu glukózy z krve získanou po vpichu lancetou a nanesenou na indikátorový proužek. Po nanesení vzorky a jejím vyhodnocení glukometrem si diabetik podá potřebné množství inzulínu.

Senzory - Continuous glucose monitoring systems (CGMS)

Senzory jsou zařízení pro monitoring glykémie, které neměří hladinu glukózy z krve, ale z mezibuněčné tekutiny v podkoží, a to na rozdíl od glukometrů ne jednorázově, ale kontinuálně. Oproti výše uvedeným glukometrům jsou hodnoty naměřené těmito senzory však vždy zpožděné asi o 15 minut, a to z důvodu transportu glukózy z krve do mezibuněčné tekutiny. Senzory jsou obvykle externí, tzn. na kůži. Implantované senzory nabízí v současnosti pouze jeden výrobce na trhu (zařízení Eversense od firmy Senseonics). Rozlišujeme dva druhy senzorů: senzory CGM- continuous glucose monitoring, nebo FGM- flash glucose monitoring.

CGM

Hladinu glukózy v krvi sleduje kontinuálně, každých 3-5 minut. Výhodou tohoto senzoru je detekce hypo- a hyperglykémie, automatický alarm při překročení stanovených hranic, atd., což samotné testování z prstu nezvládne. Zároveň může být integrován do systému APS (viz níže). Patří sem například zařízení Dexcom a Eversense.

FGM

Hladinu glukózy také snímá kontinuálně, ale vyhodnotí ji pouze po přiložení tzv. vyhodnocovací jednotky/čtečky/mobilu k senzoru umístěnému na těle.

Především v posledních letech mohou být senzory propojeny dokonce i s mobilním telefonem nebo chytrými hodinkami, díky čemuž má člověk s diabetem informace o metabolismu glukózy ve svém těle doslova na dosah ruky.

APS - Systém umělého pankreatu

CGM/kontinuální sledování glukózy v těle je nezbytné pro funkčnost tzv. APS - artificial pancreas system nebo také systém uzavřeného okruhu, který napodobuje v těle funkci pankreatu. V uzavřeném okruhu senzor komunikuje s inzulínovou pumpou, která na základě jím stanovených hodnot dávkuje tělu potřebné množství hormonu, a to nejen inzulínu, ale pro co nejdokonalejší napodobení pankreatu v nejnovějších pumpách dokonce i glukagonu (systém od firmy Beta-Bionics). Celý systém umožňuje uživateli lepší přehled o hladinách glykémie a přesnější dávkování, čímž mu zaručuje větší pohodlí a možnost pro plnohodnotný život.

Systém APS si diabetik může sestavit v podstatě sám, avšak spolehlivost systému plně závisí na jeho správné instalaci a nastavení jeho uživatelem, přičemž on sám je výlučně zodpovědný za dostatečné prostudování problematiky a používání systému jako celku. První licence pro oficiální výrobce APS byly uděleny až v roce 2016 a stále jsou předmětem neustálého výzkumu pro svůj prakticky nekonečný potenciál v dalším zdokonalování.

Odkazy

Související články

• Glukóza
• Diabetes mellitus

Použitá literatura

1) H. GLEITER, Nanostructured materials: basic concepts and microstructure, doi: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00285-2

2) Current concepts in blood glucose monitoring, Kranti Shreesh Khadilkar, Tushar Bandgar, Vyankatesh Shivane, Anurag Lila, and Nalini Shah, doi: https://dx.doi.org/10.4103%2F2230-8210.123556

3) A photoelectrochemical sensor for highly sensitive detection of glucose based on Au–NiO1– x hybrid nanowires, Lanfang Wang,Wenbo Lu,Weiqi Zhu,Hao Wu,Fang Wang,Xiaohong Xudoi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127330

4) Noninvasive glucose monitoring using mid-infrared absorption spectroscopy based on a few wavenumbers, Ryosuke Kasahara, Saiko Kino, Shunsuke Soyama, and Yuji Matsuura, doi:https://dx.doi.org/10.1364%2FBOE.9.000289