Eine nichtinvasive Methode zur Blutzuckermessung könnte Fingerabdrucktests bei Diabetes ersetzen

Eine nichtinvasive Methode zur Blutzuckermessung könnte Fingerabdrucktests bei Diabetes ersetzen

Eine am MIT entwickelte nichtinvasive Methode zur Messung des Blutzuckerspiegels könnte Diabetespatienten das mehrmalige Stechen in den Finger ersparen.

Das MIT-Team nutzte die Raman-Spektroskopie – eine Technik, die die chemische Zusammensetzung von Geweben durch die Bestrahlung mit nahinfrarotem oder sichtbarem Licht aufdeckt –, um ein schuhkartongroßes Gerät zu entwickeln, das den Blutzuckerspiegel ohne Nadeln messen kann.

Bei Tests an einem gesunden Freiwilligen stellten die Forscher fest, dass die Messungen ihres Geräts denen ähnelten, die mit kommerziellen Sensoren zur kontinuierlichen Glukoseüberwachung erzielt wurden, bei denen ein Draht unter die Haut implantiert werden muss. Während das in dieser Studie vorgestellte Gerät zu groß ist, um als tragbarer Sensor verwendet zu werden, haben die Forscher inzwischen eine tragbare Version entwickelt, die sie nun in einer kleinen klinischen Studie testen.

Lange Zeit war die Fingerbeere die Standardmethode zur Blutzuckermessung, doch niemand möchte sich täglich und mehrmals am Tag in den Finger stechen. Natürlich messen viele Diabetiker ihren Blutzuckerspiegel nicht ausreichend, was zu schwerwiegenden Komplikationen führen kann. Wenn wir ein nichtinvasives Glukosemessgerät mit hoher Genauigkeit herstellen können, dann wird fast jeder Diabetiker von dieser neuen Technologie profitieren.“

Jeon Woong Kang, MIT-Forscher und leitender Autor der Studie

MIT-Postdoktorandin Arianna Bresci ist die Hauptautorin der neuen Studie, die heute in der Zeitschrift erscheint Analytische Chemie. Weitere Autoren sind Peter So, Direktor des MIT Laser Biomedical Research Center (LBRC) und MIT-Professor für Biotechnik und Maschinenbau, sowie Youngkyu Kim und Miyeon Jue von Apollon Inc., einem Biotechnologieunternehmen mit Sitz in Südkorea.

Nichtinvasive Glukosemessung

Während die meisten Diabetespatienten ihren Blutzuckerspiegel messen, indem sie Blut abnehmen und es mit einem Glukometer testen, verwenden einige tragbare Monitore, deren Sensor direkt unter der Haut eingeführt wird. Diese Sensoren liefern kontinuierlich Glukosemessungen aus der interstitiellen Flüssigkeit, können jedoch Hautreizungen verursachen und müssen alle 10 bis 15 Tage ausgetauscht werden.

In der Hoffnung, tragbare Glukosemonitore zu entwickeln, die für Patienten komfortabler wären, haben Forscher am LBRC des MIT nichtinvasive Sensoren auf Basis der Raman-Spektroskopie verfolgt. Diese Art der Spektroskopie enthüllt die chemische Zusammensetzung von Gewebe oder Zellen, indem sie analysiert, wie Licht im nahen Infrarot gestreut oder abgelenkt wird, wenn es auf verschiedene Arten von Molekülen trifft.

Im Jahr 2010 zeigten Forscher am LBRC, dass sie den Glukosespiegel indirekt berechnen konnten, basierend auf einem Vergleich zwischen Raman-Signalen aus der interstitiellen Flüssigkeit, die die Hautzellen umhüllt, und einer Referenzmessung des Blutzuckerspiegels. Dieser Ansatz führte zwar zu zuverlässigen Messwerten, war jedoch für die Übertragung auf ein Glukosemessgerät nicht praktikabel.

Kürzlich berichteten die Forscher über einen Durchbruch, der es ihnen ermöglichte, Glukose-Raman-Signale direkt von der Haut zu messen. Normalerweise ist dieses Glukosesignal zu klein, um es von allen anderen Signalen zu unterscheiden, die von Molekülen im Gewebe erzeugt werden. Das MIT-Team fand einen Weg, einen Großteil des unerwünschten Signals herauszufiltern, indem es Nahinfrarotlicht in einem anderen Winkel auf die Haut richtete, aus dem es das resultierende Raman-Signal sammelte.

Die Forscher ermittelten diese Messungen mit Geräten, die etwa die Größe eines Desktop-Druckers hatten, und arbeiten seitdem daran, die Stellfläche des Geräts weiter zu verkleinern.

In ihrer neuen Studie konnten sie ein kleineres Gerät entwickeln, indem sie nur drei Banden – Spektralbereiche, die spezifischen molekularen Merkmalen entsprechen – im Raman-Spektrum analysierten.

Typischerweise kann ein Raman-Spektrum etwa 1.000 Banden enthalten. Das MIT-Team stellte jedoch fest, dass sie den Blutzuckerspiegel durch die Messung von nur drei Banden bestimmen konnten – eine aus der Glukose plus zwei Hintergrundmessungen. Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern, die Menge und die Kosten der benötigten Ausrüstung zu reduzieren und die Messung mit einem kostengünstigen Gerät in der Größe eines Schuhkartons durchzuführen.

„Indem wir darauf verzichten, das gesamte Spektrum zu erfassen, das viele redundante Informationen enthält, beschränken wir uns auf drei ausgewählte Bänder aus etwa 1.000“, sagt Bresci. „Mit diesem neuen Ansatz können wir die üblicherweise in Raman-basierten Geräten verwendeten Komponenten ändern und so Platz, Zeit und Kosten sparen.“

Auf dem Weg zu einem tragbaren Sensor

In einer klinischen Studie, die am MIT Center for Clinical Translation Research (CCTR) durchgeführt wurde, verwendeten die Forscher das neue Gerät, um über einen Zeitraum von vier Stunden Messungen bei einem gesunden Freiwilligen durchzuführen. Während die Testperson ihren Arm auf das Gerät legte, schien ein Nahinfrarotstrahl durch ein kleines Glasfenster auf die Haut, um die Messung durchzuführen.

Jede Messung dauert etwas mehr als 30 Sekunden, alle fünf Minuten nahmen die Forscher einen neuen Messwert vor.

Während der Studie konsumierte die Testperson zwei 75-Gramm-Glukosegetränke, wodurch die Forscher signifikante Veränderungen der Blutzuckerkonzentration überwachen konnten. Sie fanden heraus, dass das Raman-basierte Gerät eine ähnliche Genauigkeit aufwies wie zwei kommerziell erhältliche, invasive Glukosemessgeräte, die der Proband trug.

Seit Abschluss dieser Studie haben die Forscher einen kleineren Prototyp von etwa der Größe eines iPhones entwickelt, den sie derzeit am MIT CCTR als tragbaren Monitor an gesunden und prädiabetischen Freiwilligen testen. Nächstes Jahr planen sie, in Zusammenarbeit mit einem örtlichen Krankenhaus eine größere Studie durchzuführen, an der Menschen mit Diabetes teilnehmen werden.

Die Forscher arbeiten außerdem daran, das Gerät noch kleiner zu machen, etwa auf die Größe einer Uhr. Darüber hinaus suchen sie nach Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass das Gerät genaue Messwerte von Menschen mit unterschiedlichen Hauttönen erhalten kann.

Die Forschung wurde von den National Institutes of Health, der Korean Technology and Information Promotion Agency for SMEs und Apollon Inc. finanziert.

Quellen: