×

Исследователи из Пенсильвании разработали прототип неинвазивного носимого датчика глюкозы. Предоставлено: Цзя Чжу.

Устройства для неинвазивного мониторинга глюкозы всё ещё не назовёшь доступными. Несмотря на то, как много разработок сейчас ведётся по этой теме, все прототипы и образцы не только очень дороги для конечного потребителя, но и – часто – попросту неудобны. Однако это ещё не все причины их непопулярности. Главная – в том, что они гораздо менее точны, чем обычный глюкометр. Поэтому для измерения уровня сахара страдающие диабетом люди вынуждены либо прокалывать палец, чтобы взять образцы крови, либо и того подавно – встраивать датчики под кожу. Однако теперь есть надежда, что менее навязчивый мониторинг содержания в крови этого моносахарида может стать нормой.

Команда исследователей под руководством Хуанью «Ларри» Ченга, профессора кафедры проф-разработок Дороти Квиггл при факультете инженерных наук и механики Университета Пенсильвании, опубликовала сведения о своей разработке – неинвазивном недорогом устройстве, которое может определять глюкозу в поту. Уже сейчас доступная в интернете, в печатном виде статья появится в декабрьском номере журнала «Биосенсоры и биоэлектроника».

Сначала исследователи сконструировали устройство с использованием лазерно-индуцированного графена (так называемый LIG – состоящий из углеродных слоёв различной формы материал, в один атом толщиной). Высокая электропроводность и всего несколько секунд на изготовление позволили этому решению показаться просто идеальной основой для сенсорного датчика. Однако, если бы всё было так просто…

«Сложность в том, что LIG вообще не чувствителен к глюкозе, – поясняет Ченг. – Так что нам понадобилось нанести чувствительный к глюкозе материал на LIG».

По словам профессора, из-за высокого уровня этой самой чувствительности к гексозе команда выбрала никель, а чтобы в перспективе снизить вероятность аллергических рисков, приправила его золотом. Предположение, что LIG, покрытый никель-золотым сплавом, сможет обнаруживать низкие концентрации основного источника энергии организма в поте на поверхности кожи, стало основополагающим в этой работе.

Приоритет во всём устройстве отдавался самой чувствительности, а всё потому, что по сравнению с кровью наши кожные выделения содержат удивительно мало этого моносахарида. Однако существует сильная корреляция, зависимость между уровнями глюкозы в поте и крови. Несмотря на то, что концентрация её примерно в 100 раз меньше в первом случае, чем во втором, прибор получился достаточно чувствителен для точного измерения её доли в поту; а уже расчёты покажут содержание в крови.

Чувствительность, которой команда Ченга добилась посредством никель-золотого сплава, позволила исключить ферменты, используемые в более инвазивных методах измерения глюкозы. Вероятно, именно поэтому коммерчески доступные представители этих инструментов не могут похвастаться такой эффективностью, да и в неинвазивных мониторах, предложенных другими исследователями, эти же ферменты выступают ограничением – они подвержены быстрому разрушению со временем и при изменении температуры.

«Ферментативный сенсор должен храниться при определенной температуре и pH, а фермент не может храниться в течение длительного времени, – объясняет ситуацию Ченг. – С другой стороны, неферментативный сенсор глюкозы имеет преимущество с точки зрения стабильности работы и чувствительности к глюкозе независимо от этих изменений».

Кстати, к слову о pH: устройства на ферментах нейтральны к коже, а вот с новинкой всё обстоит не столь хорошо – ей нужен щелочной раствор, который может вызвать ожёг и потому вынужденно ограничивает пользовательские возможности. В качестве решения этой проблемы, к сплаву LIG была прикреплена специально разработанная микрофлюидная камера

Для удобства ношения и повышения износостойкости она сделана несколько меньшей, чем предшествующие конфигурации, и пористой для повышения диапазона движений вроде растяжения или сдавливания. Её поры к тому же выступают чем-то вроде клапанов впускного коллектора, работающих только в одну сторону – в реагирующий раствор датчика через них проходит пот, не позволяя химикату касаться кожи и тем самым навредить ей. В этой изолированной среде основной раствор взаимодействует с молекулами глюкозы, в результате чего образовывается соединение, которое затем вступает в реакцию с самим высокочувствительным сплавом. В ходе этого процесса запускается электрический сигнал, непосредственно указывающий на содержание и концентрацию вещества в поте.

«С меньшей камерой для щелочного раствора всё устройство размером примерно с четвертак [вероятно, речь о монете в 25 центов] и достаточно гибко, чтобы поддерживать надёжную прикрепляемость к человеческому телу», – говорит Ченг.

В ходе проверки концепции были проведены полевые испытания. Чтобы наверняка обезопасить кожу экспериментатора, датчик многоразового использования к его руке прикрепили безопасным клеем. Прямо перед каждым измерением – через час и три часа после еды – испытуемый выполнял короткую тренировку, чтобы выделился пот. Через несколько минут после сбора пота обнаружилось падение концентрации глюкозы от первого измерения к следующему. Однако контрольные замеры, сделанные с помощью обычного глюкометра, подтвердили показания тестируемого устройства.

Сейчас профессор Ченг с командой планируют улучшить свой прототип для будущего практического применения. Среди прочих технических моментов, на повестке стоит вопрос о том, как пациенты или врачи могут использовать этот инструмент – коснётся это просто дополнительных измерений содержания сахара или же постоянного диагностического и терапевтического мониторинга для определения лечебных действий и степени вмешательства (как пример – дозы вводимого пациенту инсулина).

Помимо этого, учёные поддерживают идею применения созданной платформы для мониторинга других показателей. Они намерены усовершенствовать и расширить базу своей разработки для более удобного отслеживания различных биомаркеров, которые можно найти в поте или интерстициальных жидкостях, заполняющих межклеточное пространство в организме.

«Мы хотим работать с врачами и другими поставщиками медуслуг, чтобы увидеть, как мы можем применить эту технологию для ежедневного наблюдения за пациентом, – делится планами автор исследования. – Этот датчик глюкозы служит основополагающим примером, демонстрирующим, что мы можем улучшить обнаружение биомаркеров в поту при чрезвычайно низких концентрациях».

Хотя на практике это далеко не первая попытка сделать подобный прибор, дешевизна и точность, показанные в ходе испытаний описываемого устройства, вселяют надежду. Действительно, для многих инсулинозависимых диабетиков, такая безболезненная процедура замера уровня сахара – настоящее спасение, значительно облегчающее их будни и повышающее уровень жизни.

Так, будучи важной частью лечения диабета, самостоятельный контроль концентрации глюкозы в крови сейчас явно обделяется вниманием со стороны пациентов. Боль и неудобства, вызванные забором крови из пальца, часто удерживают людей от столь необходимой им процедуры тестирования. В таких случаях доза для инсулинового укола рассчитывается наугад, что, конечно, не доставит радости в будущем.

Нельзя, конечно, не упомянуть о правильном питании, которое способно в некоторых случаях не только понижать долю сахара в крови, но и контролировать интенсивность его колебаний. Однако, даже с очень здоровым питанием, инсулинозависимый диабет в любом случае требует контроля и точных данных об уровне глюкозы. И уж лучше, чтобы этот контроль был безболезненным.

 


 

АРМК, по материалам Государственного университета Пенсильвании