مبدأ القياس في مستشعرات الغلوكوز عبر الجلد

المستشعر عبر الجلد له خيط رفيع جدًا ومرن، أدق كثيرًا من الإبرة، يُدخَل مباشرةً تحت الجلد، في النسيج الدهني. وهذا الخيط لا يقع في وعاء دموي، بل في السائل الذي بين خلايا هذا النسيج، ويسمى السائل الخلالي. والمستشعر لا يقيس من الدم مباشرةً، بل يقدّر تركيز الغلوكوز في هذا السائل، الذي يتابع سكر الدم عن كثب [1].

ويجري القياس بطريقة كهروكيميائية. فالمستشعر يحوّل تركيز الغلوكوز إلى تيار كهربائي صغير جدًا، بمساعدة إنزيم ومسرى (وهو ذلك الخيط الرفيع) [2]. وكلما ازداد الغلوكوز في السائل الخلالي، ازداد التيار المتولّد موضعيًا. وقد تبقى النتيجة متأخرة قليلًا عن سكر الدم حين يتغير هذا سريعًا. فالغلوكوز في هذا السائل يتزامن مع قيم الدم بتأخر صغير [3].

طرف الخيط الواقع تحت الجلد مغطى بإنزيم مثبَّت على سطحه، وأكثر ما يكون أكسيداز الغلوكوز. وهذا الإنزيم محفّز حيوي، أي إنه يعجّل التفاعل الكيميائي للغلوكوز مع الأكسجين دون أن يُستهلك في هذه العملية [4]. وهو الجزء الذي يتعرف في الواقع على الغلوكوز ويجعل من المستشعر أداةً مخصصة للغلوكوز تحديدًا، لا مجرد مسرى عام.

والدور الرئيس للإنزيم أن يمنح المستشعر نوعيةً، أي أن يستجيب للغلوكوز ويتجاهل في معظمه المواد الأخرى [5]. غير أن الانتقاء ليس تامًا: ففي بعض الطرازات، قد تغيّر مواد كالباراسيتامول أو فيتامين C النتيجةَ [5]. وبلا هذا الإنزيم، لما استطاع المستشعر تمييز الغلوكوز عن سائر جزيئات السائل الخلالي. وبعض المستشعرات الأقدم تستعمل إنزيمًا قريبًا، هو نازعة هيدروجين الغلوكوز، لكن مبدأ القياس يبقى هو نفسه [5] [6].

يجعل الإنزيم (أكسيداز الغلوكوز) الغلوكوزَ يتفاعل مع الأكسجين الموجود في السائل الخلالي. وينتج عن هذا التفاعل حمض الغلوكونيك وماء أكسجيني (بيروكسيد الهيدروجين). وكمية الماء الأكسجيني المنتَجة متناسبة تناسبًا مباشرًا مع تركيز الغلوكوز، أي إن غلوكوزًا أكثر يعني ماءً أكسجينيًا أكثر [4].

والماء الأكسجيني يصل إلى مسرى المستشعر حيث يتفكك ويحرر إلكترونات، تكوّن تيارًا كهربائيًا ضعيفًا جدًا. وهذا التيار هو في جوهره الإشارة التي يجمعها المستشعر، ومقداره يعكس تركيز الغلوكوز في السائل الخلالي، كما يبيّن الشكل أدناه [5].

نعم، يستهلك التفاعل كميةً صغيرة جدًا من الغلوكوز. فكل جزيء غلوكوز يتفاعل مع الأكسجين الموضعي يتحول إلى حمض غلوكونيك، فهو يُستعمَل في الحال. والإنزيم الملتصق بالخيط مغطى بغشاء خاص لا يسمح بمرور إلا كمية صغيرة ومضبوطة من الغلوكوز، فيبقى التفاعل محدودًا: إذ يحدد سرعته الغشاء، لا كمية الغلوكوز المحيطة [7].

وهذه الكمية المستهلَكة صغيرة بما يكفي لئلا تخفض سكر الدم ولئلا تستنفد الغلوكوز حول الخيط، فلا تتأثر القياسات التالية كذلك. والجسم يعوّض باستمرار الغلوكوز في السائل الخلالي، انطلاقًا من غلوكوز الدم. والإنزيم محفّز ولا يُستهلك، لكنه هو والغشاء قد يتآكلان مع الوقت، ولهذا السبب لمستشعر مدة استعمال محدودة [8].

ما تراه خيطًا بسيطًا تحت الجلد يحوي في الواقع مساري عدة، موضوعة في طبقات رقيقة جدًا ومعزولة بعضها عن بعض، على الحامل المرن نفسه. ولكل مسرى دوره:

• مسرى العمل مغطى بالإنزيم وينتج الإشارة؛
• مسرى المرجع يحافظ على جهد ثابت، يُستعمَل مرجعًا؛
• المسرى المساعد يُغلق الدارة الكهربائية [6].

والمكوّن الإلكتروني الملحق بالمستشعر يحافظ على جهد ثابت بين مسرى العمل ومسرى المرجع، والتفاعل الكيميائي لا يغيّر هذا الجهد، بل شدة التيار. وكلما ازداد تركيز الغلوكوز في السائل الخلالي، ازدادت شدة التيار المار عبر مسرى العمل.

وبعض الأنظمة تضيف مسرى رابعًا، خاليًا من الإنزيم، يقيس ضجيج الخلفية، أي الإشارة الصغيرة الموجودة حتى دون غلوكوز. وإشارة هذا المسرى تُطرَح من الإشارة المفيدة، لخفض تأثير المواد الأخرى.

والتيار المقيس يقرأه المكوّن الإلكتروني (المرسِل) باستمرار. وعامل معايرة يحوّل هذا التيار إلى قيمة مقدَّرة لسكر الدم [2]. وكثير من المستشعرات الحديثة مُعايَرة من المصنع، وغيرها يحتاج من حين إلى آخر إلى تحقق وربما إلى إعادة معايرة بجهاز قياس السكر [9]. وخوارزميات النظام، أي البرامج التي تعمل في المرسِل أو في التطبيق على الهاتف، تنعّم التغيرات الكهربائية الصغيرة وتصحّح جزئيًا التأخر بين السائل الخلالي والدم [3]. والنتيجة مُعبَّر عنها بـ mg/dL أو mmol/L وتُبعَث لاسلكيًا إلى هاتف أو إلى مستقبِل آخر.

نعم، يحتاج المستشعر إلى مصدر طاقة صغير، عادةً بطارية في المرسِل. وهذه الطاقة تحافظ على جهد كهربائي ثابت على المسرى، والتفاعل الكيميائي الذي يحفّزه أكسيداز الغلوكوز يولّد تيارًا متناسبًا مع تركيز الغلوكوز [6]. وهي تغذّي كذلك معالجة الإشارة، والذاكرة الداخلية، وإرسال البيانات لاسلكيًا إلى الهاتف أو المستقبِل [10].

واستهلاك الطاقة صغير جدًا، فبطارية ضئيلة تكفي المدة كلها التي تحمل فيها المستشعر. ومعظم أنظمة المراقبة المستمرة تعمل بين 7 و15 يومًا (بل 21 يومًا حديثًا) [11] [12]. وبعد هذه المدة يُستبدَل المستشعر بواحد جديد، مع مصدر طاقته. وفي الطرازات الأقدم يُعاد استعمال المرسِل مع عدة مستشعرات [10].