Forscher verbessern die Genauigkeit der kontinuierlichen Glukoseüberwachung zu Hause

Die kontinuierliche Glukosemessung zu Hause für Diabetiker musste bisher Benutzerfreundlichkeit, niedrige Kosten und Tragbarkeit für eine etwas geringere Empfindlichkeit – und damit Genauigkeit – im Vergleich zu ähnlichen Systemen in Kliniken oder Krankenhäusern eintauschen. Ein Forscherteam hat nun einen Biosensor für solche Monitore entwickelt, der aus „nulldimensionalen“ Quantenpunkten (QDs) und Goldnanosphären (AuNSs) besteht und bei der Genauigkeit keine Kompromisse mehr eingehen muss.

In der Zeitschrift erschien ein Artikel, der das Design des Biosensors und seine verbesserte Leistung beschreibt Nanoforschung am 9. November 2022.

In den letzten Jahren war die Entwicklung der kontinuierlichen Glukoseüberwachungstechnologie (CGM) ein großer Segen für Menschen mit Diabetes. Im Gegensatz zu Blutzuckertests vor dem Essen und vor dem Schlafengehen hat die schnelle und genaue Echtzeit-Erkennung des Glukosespiegels von Always-On-CGM-Geräten das Diabetesmanagement erheblich verbessert.

Glukosetrends lassen sich leichter nachverfolgen, wodurch Ernährungs-, Bewegungs- und Medikamentenänderungen in einem Diabetes-Versorgungsplan den ganzen Tag über einfacher umzusetzen sind, und Alarme ausgelöst werden, wenn der Glukosespiegel zu hoch steigt oder zu niedrig fällt, und Informationen an die Person oder die Eltern gesendet werden , Partner oder Betreuer.

CGMs funktionieren normalerweise über einen winzigen Biosensor, der unter der Haut eingebettet ist und den Glukosespiegel in der Flüssigkeit zwischen den Zellen misst. Dieser Sensor überprüft diese Werte alle paar Minuten und sendet diese Informationen an einen Monitor. Der Monitor kann auch an eine Insulinpumpe angeschlossen werden.

Es wurden verschiedene Techniken für den Glucosenachweis entwickelt, einschließlich Kolorimetrie, Infrarotspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und Massenspektrometrie. Aber für den Heimbetrieb statt in einer Klinik oder einem Krankenhaus ist der elektrochemische Glukosenachweis die am weitesten verbreitete Technik aufgrund seiner schnellen Reaktion, Benutzerfreundlichkeit, niedrigen Kosten und Tragbarkeit.

„Es hat auch eine anständige Empfindlichkeit, aber keine ausgezeichnete Empfindlichkeit“, sagte Huan Liu, ein Mikroelektronik-Spezialist an der School of Optical and Electronic Information an der Huazhong University of Science and Technology. „Nicht im Vergleich zu anderen Techniken, die im Gesundheitswesen verwendet werden. Wir wollten also sehen, ob wir diese Empfindlichkeit etwas steigern und damit ihre Genauigkeit verbessern können.“

Elektrochemische Glucosesensoren können als enzymbasierte Sensoren und nicht-enzymbasierte Sensoren klassifiziert werden. Für die enzymbasierten elektrochemischen Glucosesensoren wird Glucoseoxidase (GOx) – ein Enzym, das chemische Oxidations-Reduktions-Reaktionen beschleunigt (katalysiert) – weithin verwendet, um Glucose auf der Oberfläche der CGM-Sensorelektrode zu oxidieren.

Die Elektrode zieht Elektronen aus der Glukose an (oxidiert sie) und erzeugt dabei einen elektrischen Strom, der je nach Glukosespiegel variiert. GOx wird für diesen Zweck aufgrund seiner hohen Selektivität für Glukose (Fähigkeit, Glukose und nicht andere Substanzen zu selektieren), seiner hohen Stabilität und seiner hohen Aktivität über einen weiten Bereich von pH-Werten weit verbreitet verwendet.

Wenn GOx jedoch direkt mit der blanken Elektrodenoberfläche kombiniert wird, wird nicht nur GOx selbst leicht abgeblättert (einige seiner Schichten werden abgestreift), sondern auch seine biologische Aktivität und Stabilität kann beeinträchtigt werden. Außerdem ist die Elektronenübertragungseffizienz zwischen dem GOx und der Elektrodenoberfläche ein Schlüsselfaktor, der die Empfindlichkeit des Sensors bestimmt.

Bisher wurden zahlreiche Versuche unternommen, das GOx-Enzym fester an die Elektrode zu binden und dadurch den direkten Elektronentransfer zwischen den elektroaktiven Zentren (Orten der Elektronenaktivität) und der Elektrodenoberfläche zu verbessern. Ein bemerkenswerter Versuch beinhaltet die Verwendung von Elektroden, die im Nanomaßstab entworfen wurden, um Strukturen auf der Elektrode zu haben, die größere Oberflächenbereiche und eine hohe elektrokatalytische Aktivität bereitstellen.

Leider erhöhen diese Nanostrukturen die Komplexität der Herstellung solcher elektrochemischer Biosensoren. Ihre Konstruktion beruht auch auf dem synthetischen Polymer Nafion als Gerüst, das eine Barriere für den Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen dem Sensor und der zu testenden Flüssigkeit bildet.

Die Forscher sind also einen ganz anderen Weg gegangen. Das Team zielte darauf ab, die Glukoseerfassungsleistung zu verbessern, indem es kolloidale Quantenpunkte (CQDs) als Material zur Modifizierung der Elektrode verwendete. CQDs sind „null“-dimensionale Halbleiter-Nanopartikel. (Sie sind eigentlich keine Nulldimensionen, sondern nur extrem kleine Durchmesser, die typischerweise im Bereich von 2 bis 20 nm liegen). Diese besitzen eine Fülle aktiver Zentren – Orte, an denen chemische Reaktionen ablaufen können – und binden sehr stabil an biologische Proteinmoleküle.

Noch besser ist, dass CQDs aufgrund ihrer sehr geringen Größe Quanteneffekten wie Quantentunneln unterliegen, und der Ladungstransfer an der CQD-Protein-Grenzfläche kann durch das Anlegen eines externen elektrischen Felds reguliert werden. CQDs sind auch mit einer Reihe verschiedener starrer und flexibler Substratmaterialien kompatibel, wodurch sie einfacher herstellbar sind.

Um diesen Effekt zu verstärken, integrierten die Forscher Gold-Nanosphären (AuNSs) in die Struktur der Sensorelektrode. Dies sind ultrakleine kugelförmige Nanopartikel mit Durchmessern von 10–200 nm. Aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften werden sie zunehmend in Biosensorik-Anwendungen eingesetzt.

Insbesondere wenn sie als Komponente in enzymatischen elektrochemischen Biosensoren verwendet werden, ermöglichen AuNSs, dass Proteinenzyme ihre biologische Aktivität bei Adhäsion an Oberflächen beibehalten und die isolierende Wirkung der Proteinhülle für den direkten Elektronentransfer verringern. In einem CGM verstärkt dies die Signalamplitude der elektrochemischen Biosensoren stark.

Die Forscher konstruierten ein Proof-of-Concept-CGM unter Verwendung von CQDs – in diesem Fall aus Bleisulfid – und der AuNSs-modifizierten Elektrode. Sie fanden heraus, dass insbesondere die Zugabe der AuNSs das vom elektrochemischen Sensor detektierte Stromsignal wie erhofft deutlich verbesserte.

Zusammengenommen zeigten diese Veränderungen ein großes Potenzial beim Nachweis von Glukose in verschiedenen Proben wie Blut, Schweiß und anderen Körperflüssigkeiten und lieferten einen schnellen (in weniger als 30 Sekunden) elektrochemischen Biosensor mit einem großen Nachweisbereich und einer Art ultrahoher Empfindlichkeit das Team suchte.

Die Forscher wollen nun ihren Proof-of-Concept-CGM nehmen und ihn im kommerziellen Maßstab herstellbar machen.