Zasada pomiaru w przezskórnych sensorach glukozy

Sam sensor przezskórny ma bardzo cienkie, elastyczne włókno, dużo delikatniejsze niż igła, które wprowadza się tuż pod skórę, do tkanki tłuszczowej. Włókno to nie znajduje się w naczyniu krwionośnym, tylko w płynie między komórkami tej tkanki, czyli w płynie tkankowym. Sensor nie mierzy wprost z krwi, tylko ocenia stężenie glukozy w tym płynie, które blisko podąża za glikemią [1].

Pomiar odbywa się elektrochemicznie. Sensor zamienia stężenie glukozy w bardzo mały prąd elektryczny, z pomocą enzymu i elektrody (czyli tego cienkiego włókna) [2]. Im więcej glukozy jest w płynie tkankowym, tym większy prąd powstaje miejscowo. Wynik może nieco pozostawać w tyle za glikemią, gdy ta zmienia się szybko. Glukoza w tym płynie dogania wartości z krwi z niewielkim opóźnieniem [3].

Końcówka włókna pod skórą pokryta jest enzymem umocowanym na jej powierzchni, najczęściej oksydazą glukozową. Enzym ten jest katalizatorem biologicznym, czyli przyspiesza reakcję chemiczną glukozy z tlenem, sam się przy tym nie zużywając [4]. To ta część, która naprawdę rozpoznaje glukozę i zamienia sensor w narzędzie przeznaczone swoiście do glukozy, a nie w zwykłą, ogólną elektrodę.

Główną rolą enzymu jest nadanie sensorowi swoistości, czyli sprawienie, by odpowiadał na glukozę i w dużej mierze pomijał inne substancje [5]. Ta wybiórczość nie jest jednak pełna: w niektórych modelach substancje takie jak paracetamol albo witamina C mogą zmienić odczyt [5]. Bez tego enzymu sensor nie odróżniłby glukozy od innych cząsteczek w płynie tkankowym. Część starszych sensorów korzysta z pokrewnego enzymu, dehydrogenazy glukozowej, ale zasada pomiaru pozostaje ta sama [5] [6].

Enzym (oksydaza glukozowa) sprawia, że glukoza reaguje z tlenem obecnym w płynie tkankowym. Reakcja ta wytwarza kwas glukonowy i nadtlenek wodoru (H₂O₂). Ilość powstałego nadtlenku wodoru jest wprost proporcjonalna do stężenia glukozy, czyli więcej glukozy oznacza więcej nadtlenku wodoru [4].

Nadtlenek wodoru dociera do elektrody sensora, gdzie się rozkłada i uwalnia elektrony, tworzące bardzo słaby prąd elektryczny. Prąd ten jest w istocie sygnałem odbieranym przez sensor, a jego wielkość odzwierciedla stężenie glukozy w płynie tkankowym, jak pokazuje rysunek poniżej [5].

Tak, reakcja zużywa bardzo małą ilość glukozy. Każda cząsteczka glukozy, która reaguje z miejscowym tlenem, zamienia się w kwas glukonowy, więc zostaje zużyta na miejscu. Enzym przymocowany do włókna jest przykryty specjalną błoną. Błona ta przepuszcza tylko niewielką, kontrolowaną ilość glukozy, więc reakcja pozostaje ograniczona: jej tempo wyznacza błona, a nie ilość glukozy dookoła [7].

Zużywana ilość jest na tyle mała, że nie obniża glikemii ani nie wyczerpuje glukozy wokół włókna, więc kolejne odczyty również na tym nie tracą. Organizm stale uzupełnia glukozę w płynie tkankowym z glukozy we krwi. Enzym jest katalizatorem i nie zużywa się, ale z czasem i on, i błona mogą się zużyć, dlatego sensor ma ograniczony czas pracy [8].

To, co widzisz jako proste włókno pod skórą, zawiera w rzeczywistości kilka elektrod, ułożonych w bardzo cienkich warstwach i odizolowanych od siebie na tym samym elastycznym podłożu. Każda elektroda ma swoją rolę:

• elektroda robocza jest pokryta enzymem i wytwarza sygnał;
• elektroda odniesienia utrzymuje stałe napięcie, wykorzystywane jako punkt odniesienia;
• elektroda pomocnicza zamyka obwód elektryczny [6].

Sam element elektroniczny przymocowany do sensora utrzymuje stałe napięcie między elektrodą roboczą a elektrodą odniesienia. Reakcja chemiczna nie zmienia tego napięcia, a jedynie natężenie prądu. Im wyższe jest stężenie glukozy w płynie tkankowym, tym większe natężenie prądu płynącego przez elektrodę roboczą.

Niektóre systemy dodają czwartą elektrodę, bez enzymu, która mierzy szum tła, czyli niewielki sygnał obecny nawet wtedy, gdy glukozy nie ma. Sygnał z tej elektrody odejmuje się od sygnału użytecznego, żeby zmniejszyć wpływ innych substancji.

Zmierzony prąd jest odczytywany na bieżąco przez element elektroniczny (nadajnik). Współczynnik kalibracji przelicza ten prąd na szacowaną wartość glukozy [2]. Wiele nowoczesnych sensorów jest kalibrowanych fabrycznie, a inne od czasu do czasu wymagają sprawdzenia i ewentualnie ponownej kalibracji glukometrem [9]. Algorytmy systemu, czyli programy działające w nadajniku albo w aplikacji w telefonie, wygładzają drobne wahania elektryczne i częściowo korygują opóźnienie między płynem tkankowym a krwią [3]. Wynik podawany jest w mg/dl albo mmol/l i wysyłany bezprzewodowo do telefonu albo innego odbiornika.

Tak, sensor potrzebuje niewielkiego źródła zasilania, zwykle baterii umieszczonej w nadajniku. Zasilanie to utrzymuje stały potencjał elektryczny na elektrodzie, a reakcja chemiczna katalizowana przez oksydazę glukozową wytwarza prąd proporcjonalny do stężenia glukozy [6]. Zasila również przetwarzanie sygnału, pamięć wewnętrzną i bezprzewodowe wysyłanie danych do telefonu albo odbiornika [10].

Zużycie energii jest bardzo małe, więc maleńka bateria wystarcza na cały czas noszenia sensora. Większość systemów ciągłego monitorowania działa od 7 do 15 dni (ostatnio nawet 21 dni) [11] [12]. Po tym czasie sensor wymienia się na nowy, razem z jego źródłem zasilania. W starszych modelach nadajnik jest używany ponownie przy kolejnych sensorach [10].