Das Messprinzip transkutaner Glukosesensoren

Der transkutane Sensor hat einen sehr dünnen und biegsamen Faden, weit feiner als eine Nadel, der unmittelbar unter die Haut in das Fettgewebe eingeführt wird. Dieser Faden liegt nicht in einem Blutgefäß, sondern in der Flüssigkeit zwischen den Zellen dieses Gewebes, der Gewebeflüssigkeit. Der Sensor misst nicht unmittelbar im Blut, sondern beurteilt die Glukosekonzentration in dieser Flüssigkeit, die dem Blutzucker eng folgt [1].

Die Messung erfolgt auf elektrochemischem Weg. Der Sensor wandelt die Glukosekonzentration mithilfe eines Enzyms und einer Elektrode (jenes dünnen Fadens) in einen sehr schwachen elektrischen Strom um [2]. Je mehr Glukose sich in der Gewebeflüssigkeit befindet, desto größer ist der örtlich erzeugte Strom. Das Ergebnis kann dem Blutzucker leicht hinterherhinken, wenn dieser sich rasch ändert. Die Glukose in dieser Flüssigkeit gleicht sich den Werten im Blut mit einer kleinen Verzögerung an [3].

Die Spitze des unter der Haut liegenden Fadens ist mit einem an seiner Oberfläche befestigten Enzym überzogen, am häufigsten mit Glukoseoxidase. Dieses Enzym ist ein biologischer Katalysator, das heißt, es beschleunigt die chemische Reaktion der Glukose mit dem Sauerstoff, ohne dabei verbraucht zu werden [4]. Es ist jener Teil, der die Glukose tatsächlich erkennt und aus dem Sensor ein eigens auf Glukose ausgerichtetes Gerät macht, nicht bloß eine allgemeine Elektrode.

Die wichtigste Aufgabe des Enzyms ist, dem Sensor Spezifität zu geben, also auf Glukose zu antworten und andere Stoffe weitgehend zu übergehen [5]. Die Auswahl ist jedoch nicht vollständig: Bei manchen Modellen können Stoffe wie Paracetamol oder Vitamin C das Ergebnis verändern [5]. Ohne dieses Enzym könnte der Sensor die Glukose nicht von den übrigen Molekülen der Gewebeflüssigkeit unterscheiden. Einige ältere Sensoren verwenden ein verwandtes Enzym, die Glukosedehydrogenase, doch das Messprinzip bleibt dasselbe [5] [6].

Das Enzym (Glukoseoxidase) lässt die Glukose mit dem Sauerstoff der Gewebeflüssigkeit reagieren. Aus dieser Reaktion entstehen Gluconsäure und Wasserstoffperoxid. Die Menge des gebildeten Wasserstoffperoxids verhält sich unmittelbar zur Glukosekonzentration, das heißt, mehr Glukose bedeutet mehr Wasserstoffperoxid [4].

Das Wasserstoffperoxid gelangt an die Elektrode des Sensors, wo es zerfällt und Elektronen freisetzt, die einen sehr schwachen elektrischen Strom bilden. Dieser Strom ist im Kern das vom Sensor aufgenommene Signal, und seine Größe spiegelt die Glukosekonzentration in der Gewebeflüssigkeit wider, wie die Abbildung unten zeigt [5].

Ja, die Reaktion verbraucht eine sehr kleine Menge Glukose. Jedes Glukosemolekül, das mit dem örtlichen Sauerstoff reagiert, wird zu Gluconsäure und damit vor Ort verbraucht. Das am Faden befestigte Enzym ist von einer besonderen Membran bedeckt, die nur eine kleine und gesteuerte Menge Glukose durchlässt, sodass die Reaktion begrenzt bleibt: Ihre Geschwindigkeit bestimmt die Membran, nicht die Glukosemenge in der Umgebung [7].

Diese verbrauchte Menge ist klein genug, um weder den Blutzucker zu senken noch die Glukose rund um den Faden zu erschöpfen, sodass auch die folgenden Messungen nicht beeinflusst werden. Der Körper ergänzt die Glukose in der Gewebeflüssigkeit fortlaufend aus jener im Blut. Das Enzym ist ein Katalysator und wird nicht verbraucht, doch mit der Zeit können sowohl es als auch die Membran verschleißen; deshalb hat der Sensor eine begrenzte Tragedauer [8].

Was Sie als einfachen Faden unter der Haut sehen, enthält in Wahrheit mehrere Elektroden, in sehr dünnen Schichten angeordnet und voneinander getrennt, auf demselben biegsamen Träger. Jede Elektrode hat ihre Aufgabe:

• die Arbeitselektrode ist mit dem Enzym überzogen und erzeugt das Signal;
• die Bezugselektrode hält eine beständige Spannung, die als Bezugsgröße dient;
• die Hilfselektrode schließt den Stromkreis [6].

Der am Sensor befestigte elektronische Bestandteil hält eine gleichbleibende Spannung zwischen der Arbeits- und der Bezugselektrode, und die chemische Reaktion verändert nicht diese Spannung, sondern die Stärke des Stroms. Je höher die Glukosekonzentration in der Gewebeflüssigkeit ist, desto größer wird die Stärke des Stroms, der durch die Arbeitselektrode fließt.

Manche Systeme ergänzen eine vierte Elektrode ohne Enzym, die das Hintergrundrauschen misst, also jenes kleine Signal, das auch ohne Glukose vorhanden ist. Das Signal dieser Elektrode wird vom Nutzsignal abgezogen, um den Einfluss anderer Stoffe zu verringern.

Der gemessene Strom wird vom elektronischen Bestandteil (dem Sender) fortlaufend abgelesen. Ein Eichfaktor wandelt diesen Strom in einen geschätzten Blutzuckerwert um [2]. Viele moderne Sensoren sind ab Werk geeicht, andere brauchen von Zeit zu Zeit eine Prüfung und gegebenenfalls eine erneute Eichung mit dem Blutzuckermessgerät [9]. Die Algorithmen des Systems, also die Programme, die im Sender oder in der App auf dem Telefon laufen, glätten die kleinen elektrischen Schwankungen und gleichen die Verzögerung zwischen Gewebeflüssigkeit und Blut teilweise aus [3]. Das Ergebnis wird in mg/dL oder mmol/L angegeben und drahtlos an ein Telefon oder einen anderen Empfänger geschickt.

Ja, der Sensor braucht eine kleine Energiequelle, gewöhnlich eine Batterie im Sender. Diese Energie hält ein gleichbleibendes elektrisches Potenzial an der Elektrode, und die von der Glukoseoxidase beschleunigte chemische Reaktion erzeugt einen Strom, der sich zur Glukosekonzentration verhält [6]. Sie versorgt ebenso die Verarbeitung des Signals, den internen Speicher und das drahtlose Senden der Daten an das Telefon oder den Empfänger [10].

Der Energieverbrauch ist sehr klein, sodass eine winzige Batterie für die ganze Zeit ausreicht, in der Sie den Sensor tragen. Die meisten Systeme zur kontinuierlichen Messung arbeiten zwischen 7 und 15 Tagen (neuerdings sogar 21 Tage) [11] [12]. Nach diesem Zeitraum wird der Sensor durch einen neuen ersetzt, samt seiner Energiequelle. Bei älteren Modellen wird der Sender für mehrere Sensoren wiederverwendet [10].