Das Messprinzip implantierbarer Sensoren

Der implantierbare Sensor ist ein kleiner Zylinder, etwa so groß wie ein halbes Streichholz, den die Ärztin oder der Arzt unter die Haut einsetzt, gewöhnlich am Oberarm. Der Eingriff ist kurz und erfolgt unter örtlicher Betäubung (Lidocain). Einmal unter der Haut, ist der Sensor von der Gewebeflüssigkeit umgeben, und er misst die Glukosekonzentration in dieser Flüssigkeit, ohne unmittelbare Verbindung zu den Blutgefäßen.

Die äußere Hülle des Sensors enthält eine dünne Schicht aus porösem Kunststoff. Die Glukose aus der Gewebeflüssigkeit tritt frei durch diese Schicht ein und aus, sodass die Glukosemenge in der äußeren Hülle jener im umgebenden Gewebe eng folgt. Im Inneren des Zylinders befinden sich eine kleine Lichtquelle, Lichtdetektoren und ein Temperaturfühler. Alle paar Minuten schaltet sich das Gerät für den Bruchteil einer Sekunde ein, lässt das Licht aufleuchten, liest die Antwort der Kunststoffschicht, gibt sie weiter und wird danach wieder untätig [1].

Der implantierbare Sensor verwendet eine optische Technik auf Grundlage der Fluoreszenz. Sie unterscheidet sich von der enzymatischen, elektrischen Technik der gewöhnlichen (transkutanen) Sensoren. In der Kunststoffhülle sind Indikatormoleküle befestigt, die um Boronsäuregruppen herum aufgebaut sind. Diese Gruppen binden sich umkehrbar und auswählend an die Glukosemoleküle und lassen sie danach wieder los, ohne sie zu verändern [2].

Das Binden der Glukose ändert das optische Verhalten des Indikatormoleküls. Eine kleine Lichtquelle im Inneren des Sensors schickt einen Strahl zur Kunststoffschicht. Die Indikatormoleküle antworten, indem sie ihrerseits Licht aussenden, jedoch in einer anderen Farbe (Wellenlänge). Dieses Geschehen heißt Fluoreszenz. Je mehr Indikatormoleküle Glukose gebunden haben, desto stärker ist das von ihnen ausgesandte Licht. Der Detektor im Sensor misst diese Stärke und wandelt sie in einen Wert der Glukosekonzentration um. Stoffe wie Paracetamol oder Vitamin C verändern das Ergebnis nicht, denn hier findet keine enzymatische Reaktion statt, wie die Abbildung unten zeigt [3].

Wenn die Glukosekonzentration in der Gewebeflüssigkeit steigt, dringen immer mehr Glukosemoleküle in die Kunststoffschicht ein und binden sich an die Indikatormoleküle. Das Ergebnis ist ein stärkeres fluoreszierendes Licht bei jeder Messung. Wenn die Glukosekonzentration fällt, löst sich die Glukose von den Indikatormolekülen und verlässt diese Schicht, und das fluoreszierende Licht wird schwächer. Das Binden und das Loslassen geschehen rasch und fortlaufend, sodass das Lichtsignal den Schwankungen im Gewebe folgt [2] [4].

Das rohe Lichtsignal genügt jedoch nicht. Der Sensor misst zugleich die örtliche Temperatur, denn die Temperatur beeinflusst sowohl das zu den Indikatormolekülen geschickte Licht als auch deren Fluoreszenz [1]. Ein Bezugskanal (eine Kontrollmessung) prüft, wie stark dieses anregende Licht in Wirklichkeit ist. Das Rechenprogramm berücksichtigt die seit dem Einsetzen vergangene Zeit und den langsamen Verschleiß der dem Licht ausgesetzten Indikatormoleküle. Aus all diesen Größen ergibt sich ein berichtigter Wert der örtlichen Glukosekonzentration [4].

Der eingesetzte Sensor hat keine Batterie und sendet kein eigenes Funksignal aus. Der auf der Haut getragene Bestandteil, genau über der Stelle des Implantats angebracht, enthält eine Spule, die alle paar Minuten ein magnetisches Feld (NFC) erzeugt. Dieses Feld durchdringt die Haut und versorgt den Sensor für weniger als eine Sekunde mit Energie. In der übrigen Zeit bleibt der Sensor untätig [1].

Über dasselbe magnetische Feld läuft auch die Information. Der Sensor verändert das Feld leicht, und der Bestandteil auf der Haut liest diese Veränderungen und erhält so die Stärke des rohen Lichtsignals samt der gemessenen Temperatur. Aus diesem Signal berechnet der äußere Bestandteil den berichtigten Wert der Glukosekonzentration, speichert ihn vor Ort und schickt ihn per Bluetooth an die App auf dem Telefon [2] [5]. Das magnetische Feld wirkt nur über eine sehr kleine Entfernung. Ohne den richtig angebrachten Bestandteil auf der Haut kann der Sensor nicht eingeschaltet werden, und es ist keine Verständigung mit ihm möglich.

Nein. Die Indikatormoleküle im implantierbaren Sensor binden sich an die Glukose und lassen sie danach wieder los, ohne sie zu zerlegen und ohne sie in etwas anderes umzuwandeln. Man nennt das Messung über Affinität, also über eine umkehrbare Anziehung, und die Glukosemenge im Gewebe bleibt unverändert. Der Sensor liest im Grunde ein Gleichgewicht: wie viele Glukosemoleküle in jedem Augenblick an die Indikatormoleküle gebunden sind [6].

Die klassischen, auf der Haut getragenen Sensoren arbeiten anders. Sie verwenden ein Enzym, die Glukoseoxidase, welche die Glukose an der Oberfläche einer Elektrode zerlegt und einen Strom erzeugt, der sich zur Glukosekonzentration verhält. Die verbrauchte Menge ist winzig und ändert Ihren Blutzucker nicht, doch die Reaktion hängt vom Sauerstoff ab und erschöpft das Enzym nach und nach. Der wichtigste Vorteil der Messung über Affinität ist die langfristige Beständigkeit, die es den heutigen Modellen des implantierbaren Sensors erlaubt, bis zu einem Jahr zu arbeiten [7].

Der eigentliche Nachweis der Glukose geschieht vollständig im Inneren des eingesetzten Sensors, denn dort befinden sich die Kunststoffschicht mit den Indikatormolekülen, die Lichtquelle und die Detektoren. Der auf der Haut getragene Bestandteil kommt mit der Gewebeflüssigkeit nicht in Berührung und weist die Glukose daher nicht selbst nach [2]. Er berechnet jedoch den angezeigten Wert, ausgehend vom Signal des Implantats, und ist deshalb für die Arbeit des Systems unverzichtbar.

Der äußere Bestandteil:

• versorgt den Sensor mit Energie;
• löst jede Messung aus;
• empfängt das rohe Signal;
• wandelt es über Berechnungen und Berichtigungen in einen Wert der Glukosekonzentration um;
• bewahrt die Werte auf;
• warnt Sie bei Bedarf durch Vibration;
• schickt die Daten an das Telefon [5].

Wenn Sie ihn abnehmen, bleibt der Sensor an seinem Platz und unbeschädigt, doch es wird kein Wert mehr aufgezeichnet, bis Sie ihn wieder anbringen, richtig über dem Implantat ausgerichtet. Der äußere Bestandteil dieses Systems zur kontinuierlichen Glukosemessung heißt Sender.