Il principio di misura dei sensori transcutanei di glucosio

Il sensore transcutaneo ha un filamento molto sottile e flessibile, molto più fine di un ago, che viene inserito appena sotto la pelle, nel tessuto adiposo. Questo filamento non si trova in un vaso sanguigno, ma nel liquido tra le cellule di quel tessuto, chiamato liquido interstiziale. Il sensore non misura direttamente dal sangue, ma valuta la concentrazione di glucosio in questo liquido, che segue da vicino la glicemia [1].

La misura si fa per via elettrochimica. Il sensore converte la concentrazione di glucosio in una corrente elettrica piccolissima, con l'aiuto di un enzima e di un elettrodo (quel filamento sottile) [2]. Più glucosio c'è nel liquido interstiziale, più grande è la corrente generata localmente. Il risultato può restare leggermente indietro rispetto alla glicemia quando questo valore cambia rapidamente. Il glucosio di questo liquido si sincronizza con i valori del sangue con un piccolo ritardo [3].

La punta del filamento sotto la pelle è ricoperta da un enzima fissato sulla sua superficie, il più delle volte la glucosio ossidasi. Questo enzima è un catalizzatore biologico, cioè accelera la reazione chimica del glucosio con l'ossigeno senza consumarsi nel processo [4]. È la parte che riconosce davvero il glucosio e trasforma il sensore in uno strumento dedicato in modo specifico al glucosio, non in un semplice elettrodo generico.

Il ruolo principale dell'enzima è dare al sensore la specificità, cioè far sì che risponda al glucosio e ignori in gran parte le altre sostanze [5]. Questa selettività non è però completa: con alcuni modelli, sostanze come il paracetamolo o la vitamina C possono alterare la lettura [5]. Senza questo enzima, il sensore non potrebbe distinguere il glucosio dalle altre molecole del liquido interstiziale. Alcuni sensori più vecchi usano un enzima simile, la glucosio deidrogenasi, ma il principio di misura resta lo stesso [5] [6].

L'enzima (la glucosio ossidasi) fa reagire il glucosio con l'ossigeno del liquido interstiziale. Questa reazione produce acido gluconico e perossido di idrogeno (H₂O₂). La quantità di perossido di idrogeno prodotta è direttamente proporzionale alla concentrazione di glucosio, cioè più glucosio significa più perossido di idrogeno [4].

Il perossido di idrogeno arriva all'elettrodo del sensore, dove si scompone e libera elettroni, che formano una corrente elettrica molto debole. Questa corrente è in sostanza il segnale raccolto dal sensore, e la sua intensità riflette la concentrazione di glucosio nel liquido interstiziale, come mostra la figura qui sotto [5].

Sì, la reazione consuma una quantità piccolissima di glucosio. Ogni molecola di glucosio che reagisce con l'ossigeno locale si trasforma in acido gluconico, quindi viene consumata sul posto. L'enzima attaccato al filamento è coperto da una membrana particolare. Questa membrana lascia passare solo una quantità piccola e controllata di glucosio, così la reazione resta limitata: la sua velocità è stabilita dalla membrana, non dalla quantità di glucosio intorno [7].

La quantità consumata è abbastanza piccola da non abbassare la glicemia né da esaurire il glucosio intorno al filamento, quindi nemmeno le letture successive ne risentono. Il corpo rifornisce di continuo il glucosio del liquido interstiziale a partire da quello del sangue. L'enzima è un catalizzatore e non si consuma, ma con il tempo sia lui sia la membrana possono deteriorarsi, ed è per questo che il sensore ha una durata limitata [8].

Quello che vedi come un semplice filamento sotto la pelle contiene in realtà più elettrodi, disposti in strati sottilissimi e isolati tra loro sullo stesso supporto flessibile. Ogni elettrodo ha il suo ruolo:

• l'elettrodo di lavoro è rivestito di enzima e produce il segnale;
• l'elettrodo di riferimento mantiene una tensione stabile, usata come punto di riferimento;
• il controelettrodo (ausiliario) chiude il circuito elettrico [6].

Il componente elettronico attaccato al sensore mantiene una tensione costante tra l'elettrodo di lavoro e quello di riferimento. La reazione chimica non cambia questa tensione, ma solo l'intensità della corrente. Più alta è la concentrazione di glucosio nel liquido interstiziale, maggiore è l'intensità della corrente che passa attraverso l'elettrodo di lavoro.

Alcuni sistemi aggiungono un quarto elettrodo, senza enzima, che misura il rumore di fondo, cioè il piccolo segnale presente anche quando non c'è glucosio. Il segnale di questo elettrodo viene sottratto dal segnale utile, per ridurre l'influenza di altre sostanze.

La corrente misurata viene letta di continuo dal componente elettronico (il trasmettitore). Un fattore di calibrazione converte questa corrente in un valore stimato di glucosio [2]. Molti sensori moderni sono calibrati in fabbrica, mentre altri hanno bisogno ogni tanto di una verifica ed eventualmente di una ricalibrazione con il glucometro [9]. Gli algoritmi del sistema, cioè i programmi che girano nel trasmettitore o nell'app del telefono, smussano le piccole variazioni elettriche e correggono in parte il ritardo tra il liquido interstiziale e il sangue [3]. Il risultato è espresso in mg/dL o in mmol/L e inviato senza fili a un telefono o a un altro ricevitore.

Sì, il sensore ha bisogno di una piccola fonte di alimentazione, di solito una batteria alloggiata nel trasmettitore. Questa alimentazione mantiene un potenziale elettrico costante sull'elettrodo, e la reazione chimica catalizzata dalla glucosio ossidasi genera una corrente proporzionale alla concentrazione di glucosio [6]. Alimenta anche l'elaborazione del segnale, la memoria interna e l'invio senza fili dei dati al telefono o al ricevitore [10].

Il consumo di energia è molto basso, quindi una batteria minuscola basta per tutto il tempo in cui porti il sensore. La maggior parte dei sistemi di monitoraggio continuo funziona tra 7 e 15 giorni (di recente anche 21 giorni) [11] [12]. Dopo questo intervallo il sensore viene sostituito con uno nuovo, insieme alla sua fonte di alimentazione. Nei modelli più vecchi il trasmettitore si riutilizza su più sensori [10].