Η αρχή μέτρησης των διαδερμικών αισθητήρων γλυκόζης

Κάθε διαδερμικός αισθητήρας έχει ένα πολύ λεπτό, εύκαμπτο νήμα, πολύ πιο λεπτό από βελόνα, που τοποθετείται ακριβώς κάτω από το δέρμα, στον λιπώδη ιστό. Το νήμα αυτό δεν βρίσκεται σε αιμοφόρο αγγείο αλλά στο υγρό ανάμεσα στα κύτταρα εκείνου του ιστού, που λέγεται μεσοκυττάριο υγρό. Ο αισθητήρας δεν μετρά απευθείας από το αίμα, αλλά εκτιμά τη συγκέντρωση της γλυκόζης σε αυτό το υγρό, που ακολουθεί στενά τη γλυκόζη του αίματος [1].

Η μέτρηση γίνεται ηλεκτροχημικά. Ο αισθητήρας μετατρέπει τη συγκέντρωση της γλυκόζης σε πολύ μικρό ηλεκτρικό ρεύμα, με τη βοήθεια ενός ενζύμου και ενός ηλεκτροδίου (εκείνου του λεπτού νήματος) [2]. Όσο περισσότερη γλυκόζη υπάρχει στο μεσοκυττάριο υγρό, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που παράγεται τοπικά. Το αποτέλεσμα μπορεί να υστερεί ελαφρώς σε σχέση με τη γλυκόζη του αίματος όταν η τιμή αυτή αλλάζει γρήγορα. Η γλυκόζη αυτού του υγρού συγχρονίζεται με τις τιμές του αίματος με μικρή καθυστέρηση [3].

Η άκρη του νήματος κάτω από το δέρμα καλύπτεται από ένα ένζυμο στερεωμένο στην επιφάνειά της, συνήθως την οξειδάση της γλυκόζης. Το ένζυμο αυτό είναι βιολογικός καταλύτης, δηλαδή επιταχύνει τη χημική αντίδραση της γλυκόζης με το οξυγόνο χωρίς να καταναλώνεται στη διαδικασία [4]. Είναι το μέρος που στην πραγματικότητα αναγνωρίζει τη γλυκόζη και κάνει τον αισθητήρα όργανο αφιερωμένο ειδικά στη γλυκόζη, όχι απλώς ένα γενικό ηλεκτρόδιο.

Ο κύριος ρόλος του ενζύμου είναι να δίνει στον αισθητήρα ειδικότητα, δηλαδή να αποκρίνεται στη γλυκόζη και να αγνοεί σε μεγάλο βαθμό τις άλλες ουσίες [5]. Η εκλεκτικότητα αυτή δεν είναι ωστόσο πλήρης: σε ορισμένα μοντέλα, ουσίες όπως η παρακεταμόλη ή η βιταμίνη C μπορούν να αλλοιώσουν την ένδειξη [5]. Χωρίς αυτό το ένζυμο, ο αισθητήρας δεν θα μπορούσε να ξεχωρίσει τη γλυκόζη από τα άλλα μόρια του μεσοκυττάριου υγρού. Ορισμένοι παλαιότεροι αισθητήρες χρησιμοποιούν ένα συγγενικό ένζυμο, την αφυδρογονάση της γλυκόζης, αλλά η αρχή της μέτρησης παραμένει η ίδια [5] [6].

Το ένζυμο (οξειδάση της γλυκόζης) κάνει τη γλυκόζη να αντιδράσει με το οξυγόνο του μεσοκυττάριου υγρού. Η αντίδραση αυτή παράγει γλυκονικό οξύ και υπεροξείδιο του υδρογόνου (H₂O₂). Η ποσότητα του υπεροξειδίου του υδρογόνου που παράγεται είναι ευθέως ανάλογη με τη συγκέντρωση της γλυκόζης, δηλαδή περισσότερη γλυκόζη σημαίνει περισσότερο υπεροξείδιο του υδρογόνου [4].

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου φτάνει στο ηλεκτρόδιο του αισθητήρα, όπου διασπάται και απελευθερώνει ηλεκτρόνια, που σχηματίζουν ένα πολύ ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα. Το ρεύμα αυτό είναι στην ουσία το σήμα που λαμβάνει ο αισθητήρας, και το μέγεθός του αντανακλά τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο μεσοκυττάριο υγρό, όπως δείχνει η παρακάτω εικόνα [5].

Ναι, η αντίδραση καταναλώνει πολύ μικρή ποσότητα γλυκόζης. Κάθε μόριο γλυκόζης που αντιδρά με το τοπικό οξυγόνο μετατρέπεται σε γλυκονικό οξύ, οπότε καταναλώνεται επιτόπου. Το ένζυμο που είναι προσαρτημένο στο νήμα καλύπτεται από ειδική μεμβράνη. Η μεμβράνη αυτή αφήνει να περάσει μόνο μικρή, ελεγχόμενη ποσότητα γλυκόζης, οπότε η αντίδραση παραμένει περιορισμένη: τον ρυθμό της τον ορίζει η μεμβράνη, όχι η ποσότητα γλυκόζης γύρω της [7].

Η ποσότητα που καταναλώνεται είναι αρκετά μικρή ώστε να μην κατεβάζει τη γλυκόζη του αίματος ούτε να εξαντλεί τη γλυκόζη γύρω από το νήμα, οπότε δεν επηρεάζονται ούτε οι επόμενες ενδείξεις. Το σώμα αναπληρώνει διαρκώς τη γλυκόζη του μεσοκυττάριου υγρού από τη γλυκόζη του αίματος. Το ένζυμο είναι καταλύτης και δεν καταναλώνεται, αλλά με τον χρόνο τόσο αυτό όσο και η μεμβράνη μπορούν να φθαρούν, γι' αυτό ο αισθητήρας έχει περιορισμένη διάρκεια ζωής [8].

Αυτό που βλέπεις ως ένα απλό νήμα κάτω από το δέρμα περιέχει στην πραγματικότητα αρκετά ηλεκτρόδια, διατεταγμένα σε πολύ λεπτά στρώματα και μονωμένα μεταξύ τους πάνω στο ίδιο εύκαμπτο υπόστρωμα. Κάθε ηλεκτρόδιο έχει τον δικό του ρόλο:

• το ηλεκτρόδιο εργασίας είναι επικαλυμμένο με ένζυμο και παράγει το σήμα·
• το ηλεκτρόδιο αναφοράς κρατά σταθερή τάση, που χρησιμεύει ως σημείο αναφοράς·
• το βοηθητικό ηλεκτρόδιο κλείνει το ηλεκτρικό κύκλωμα [6].

Κάθε ηλεκτρονικό εξάρτημα που είναι προσαρτημένο στον αισθητήρα κρατά σταθερή τάση ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο εργασίας και στο ηλεκτρόδιο αναφοράς. Η χημική αντίδραση δεν αλλάζει αυτή την τάση, μόνο την ένταση του ρεύματος. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση της γλυκόζης στο μεσοκυττάριο υγρό, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του ρεύματος που περνά από το ηλεκτρόδιο εργασίας.

Ορισμένα συστήματα προσθέτουν τέταρτο ηλεκτρόδιο, χωρίς ένζυμο, που μετρά τον θόρυβο υποβάθρου, δηλαδή το μικρό σήμα που υπάρχει ακόμη κι όταν δεν υπάρχει γλυκόζη. Το σήμα αυτού του ηλεκτροδίου αφαιρείται από το χρήσιμο σήμα, ώστε να μειωθεί η επίδραση άλλων ουσιών.

Το ρεύμα που μετριέται διαβάζεται συνεχώς από το ηλεκτρονικό εξάρτημα (τον πομπό). Ένας συντελεστής βαθμονόμησης μετατρέπει αυτό το ρεύμα σε εκτιμώμενη τιμή γλυκόζης [2]. Πολλοί σύγχρονοι αισθητήρες βαθμονομούνται στο εργοστάσιο, ενώ άλλοι χρειάζονται κατά καιρούς έλεγχο και ενδεχομένως επαναβαθμονόμηση με τον μετρητή [9]. Οι αλγόριθμοι του συστήματος, δηλαδή τα προγράμματα που τρέχουν στον πομπό ή στην εφαρμογή του κινητού, εξομαλύνουν τις μικρές ηλεκτρικές διακυμάνσεις και διορθώνουν εν μέρει την καθυστέρηση ανάμεσα στο μεσοκυττάριο υγρό και στο αίμα [3]. Το αποτέλεσμα εκφράζεται σε mg/dL ή mmol/L και στέλνεται ασύρματα σε κινητό ή σε άλλον δέκτη.

Ναι, ο αισθητήρας χρειάζεται μια μικρή πηγή ενέργειας, συνήθως μια μπαταρία μέσα στον πομπό. Η ενέργεια αυτή διατηρεί σταθερό ηλεκτρικό δυναμικό στο ηλεκτρόδιο, και η χημική αντίδραση που καταλύεται από την οξειδάση της γλυκόζης παράγει ρεύμα ανάλογο με τη συγκέντρωση της γλυκόζης [6]. Τροφοδοτεί επίσης την επεξεργασία του σήματος, την εσωτερική μνήμη και την ασύρματη αποστολή των δεδομένων στο κινητό ή στον δέκτη [10].

Η κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ χαμηλή, οπότε μια μικροσκοπική μπαταρία αρκεί για όλο τον χρόνο που φοράς τον αισθητήρα. Τα περισσότερα συστήματα συνεχούς καταγραφής λειτουργούν από 7 έως 15 ημέρες (πρόσφατα ακόμη και 21 ημέρες) [11] [12]. Μετά από αυτό το διάστημα ο αισθητήρας αντικαθίσταται με νέο, μαζί με την πηγή ενέργειάς του. Στα παλαιότερα μοντέλα ο πομπός ξαναχρησιμοποιείται σε αρκετούς αισθητήρες [10].