Diabetes: Entwicklung eines neuen optischen Sensors zur Glukosemessung

Forscher in Australien haben neue Aspekte der Infrarotsignatur von Glukose entdeckt. Dadurch haben sie einen Sensor entwickelt, der künftig für eine kontinuierliche, nicht-invasive Glukoseüberwachung bei der Diabetesbehandlung eingesetzt werden könnte.

Die nicht-invasive Glukosemessung ist aufgrund ihrer Bedeutung für die schmerzfreie Überwachung seit fast 30 Jahren ein Ziel. Es wurde in der Vergangenheit über optische Techniken zur Glukosemessung berichtet. Diese erfordern jedoch komplexe optische Instrumente, die normalerweise nur in Labors zu finden sind, wodurch sie für den regelmäßigen Einsatz durch den Patienten ungeeignet sind. Die größte Herausforderung bei tragbaren optischen Glukosetests war die Miniaturisierung und das Herausfiltern der Glukosesignale aus Wasserabsorptionsspitzen im nahen Infrarotspektrum (NIR). Es ist nahezu unmöglich, genau zwischen Wasser und Glukose im Blut zu unterscheiden.

Doch in einer Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift „Advanced Sensor Research“ veröffentlicht wurde, haben Forscher des Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) vier Infrarot-Peaks (Amplitudenausschläge im Diagramm) in Glukose identifiziert, die eine selektive und empfindliche Identifizierung in wässrigen und biologischen Umgebungen ermöglichen.

Durchmesser von 5 Millimetern

Die Forscher haben auf dieser Grundlage einen miniaturisierten optischen Glukosesensor mit 5 Millimeter Durchmesser hergestellt, der auf einem Wellenband von 1600-1700 Nanometern basiert, Bluetooth-fähig ist und mit einer Knopfbatterie betrieben wird. Das ermöglicht eine kontinuierliche Glukoseüberwachung. Dieser kompakte Sensor hat seine Leistungsfähigkeit bei der Erkennung von Glukosespiegeln im menschlichen Körper im Blutplasma im Bereich von 50 bis 400 mg/dl unter Beweis gestellt, wobei die Nachweisgrenze und Empfindlichkeit mit größeren, laborbasierten Sensoren vergleichbar ist. Aufgrund seiner geringen Abmessungen könnte es eines Tages in Smartwatches und andere schmerzfreie tragbare Gesundheits-Tracker integriert werden, heißt es in der Studie.

Der Geräteprototyp nutzt eine oberflächenmontierte lichtemittierende Diode (SMD-LED) und Schaltkreise aus dünnschichtigem kupferbeschichtetem Polymid mit einer Dicke von 110 Mikrometern, die mit Lasertechnologie entwickelt wurden. Die Millimeterskala und das leichte Design dieses Geräts machen es wesentlich kompakter als herkömmliche Tischspektrophotometer. Darüber hinaus bietet das flexible, pflasterartige Design die zukünftige Möglichkeit des direkten Ablesens als tragbares Gerät auf der menschlichen Haut, so die Forscher.

Die Leistung des Geräts wurde von den Wissenschaftlern anhand von wässrigen Glukoselösungen sowie im Blutplasma bewertet. Es wurde eine rechnerische Analyse der Licht-Haut-Interferenz durchgeführt, die Aufschluss darüber gibt, wie die SMD-LED in die Haut eindringt. Simulationsergebnisse deuten auf vielversprechende Standorte für die zukünftige Erforschung der optischen Glukosemessung in klinischen Einrichtungen hin.

Der Hauptautor Mingjie Yang kommentiert: „Bisher besteht kein Konsens über die einzigartige spektroskopische Signatur von Glucose, vor allem weil die O-H-Bindungen, auf die in der Nahinfrarotspektroskopie (NIR) zum Glucosenachweis abgezielt wird, auch in Wasser reichlich vorhanden sind.“ Und er fährt fort: „Diese Ähnlichkeit macht es schwierig, zwischen Glukose- und Wassersignalen zu unterscheiden, insbesondere in komplexen biologischen Flüssigkeiten und Geweben. Wir haben den Spektroskopieaufbau optimiert und die Transmission analysiert, um Glukose-spezifische Peaks zu identifizieren. Unsere Entdeckung liefert endlich die notwendigen Informationen, um die miniaturisierte optische Glukosemessung voranzutreiben. Und wir haben einen Geräteprototyp entwickelt, der die Grundlage für einen zukunftsweisenden nicht-invasiven Glukosesensor legen soll.“

Der Wissenschaftler Madhu Bhaskaran erläutert: „Die nicht-invasive Natur optischer Glukosesensoren hat das Potenzial, die Patientencompliance zu verbessern, Beschwerden zu reduzieren und das Infektionsrisiko im Zusammenhang mit der invasiven Glukoseüberwachung zu senken.“