Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
устройств нормализация гликемии нередко сопровождается периферической
гиперинсулинемией [24]. Последняя обычно наблюдается при любом
периферическом введении инсулина и обусловлена главным образом
отсутствием градиента инсулина в воротной вене. Кроме того, она может
быть также следствием запаздывания с введением инсулина в ответ на
изменение содержания глюкозы. Таким образом, гиперинсулинемии этого типа
можно избежать, комбинируя контролируемое обратной связью введение
инсулина с предварительно программируемым вливанием инсулина перед
принятием пищи [10]. Следовательно, в конструкции систем с замкнутым
контуром должна быть предусмотрена возможность "ручного" и
"полуавтоматического" режима.
Существующие в настоящее время системы с замкнутым контуром имеют ряд
недостатков. Это громоздкие прикроватные приборы, которые нуждаются в
непрерывном отборе крови больного, чтобы обеспечить автоматический анализ
на глюкозу. Небольшие портативные приборы пока еще серийно не
производятся. Для введения инсулина в системах с замкнутым контуром, будь
то портативные или стационарные системы, необходим долговременный доступ
в вену. Всасывание инсулина при его подкожном или перитонеальном введении
происходит недостаточно быстро, чтобы обеспечить контроль скорости
введения инсулина через обратную связь. Наконец, системы с замкнутым
контуром, будучи автоматическими, должны быть исключительно надежными как
с точки зрения механической прочности, так и в смысле точности показаний
глюкозного сенсора, иначе будет утрачено их основное преимущество, т. е.
минимальный контроль уровня глюкозы со стороны пациента. Дополнительной
проблемой, которую необходимо решить, является агрегация вводимого
насосом инсулина [9].
320
Глава 22
22.3. Почему до сих пор отсутствует портативное устройство для введения
инсулина с замкнутым контуром?
Такое устройство по существу состоит из глюкозного сенсора, насоса и
компьютера, который воспринимает информацию от сенсора и в соответствии с
ней регулирует скорость введения инсулина. Насосы и компьютеры
выпускаются серийно. В отличие от них имплантируемый глюкозный сенсор,
который доказал бы свою надежность, еще только предстоит разработать.
В большинстве известных до сих пор глюкозных сенсорах используется
окисление P-D-глюкозы растворенным кислородом в присутствии fl-D-
глюкозооксидазы (GOD, ЕС 1.1.3.4) по реакции
глюкозооксидаза
Глюкоза + 02----------------> глюконовая кислота + Н202.
Такие сенсоры состоят из электрохимических детекторов (электродов),
различным образом связанных с ферментной основой. Химическую реакцию
можно контролировать по концентрациям трех участвующих в ней веществ, т.
е. по расходу кислорода, образованию глюконовой кислоты или пероксида
водорода.
Портативный или имплантируемый сенсор на основе глюкозооксидазы, который
можно было бы использовать в приборе с замкнутым контуром, должен
удовлетворять следующим требованиям [47]:
Высокая специфичность к глюкозе
Линейность отклика в диапазоне концентраций глюкозы 1-15 ммоль/л Время
отклика меньше 10 мин
Независимость сигнала от гидродинамики и колебаний давления кислорода в
тканях Устойчивость глюкозооксидазной мембраны в тканях при 37 °С
Биологическая совместимость
Длительный срок службы (по меньшей мере несколько дней)
Миниатюризация головки сенсора.
Ниже эти требования обсуждаются более подробно. Звездочкой отмечены общие
требования, справедливые и для других типов глюкозных сенсоров.
1. Высокая специфичность к глюкозе*. В случае глюкозооксидазных сенсоров
это требование включает высокую специфичность фермента и
электрохимическую специфичность детекторов. Первое условие выполняется
всегда, поскольку глюкозооксидаза катализирует окисление лишь очень
немногих соединений, помимо глюкозы, и притом со значительно более низкой
скоростью [4]. И, наоборот, второе условие нередко не выполняется и
зависит главным образом от типа используемого электрохимического
детектора (см. раздел 22.4).
2. Диапазон линейности отклика сенсора in vivo от 1 до 15 ммоль/л * (рис.
22.3, о). Этот довольно узкий диапазон линейности подтверждается
недавними данными [23], полученными при исследовании свойств
изолированных островков Лангерганса у человека (рис. 22.3, а). Предельная
концентрация глюкозы, требуемая для стимуляции инсулинового выброса,
лежит между 2 и 4 ммоль/л, секреторный инсулиновый отклик на глюкозную
стимуляцию равен половине максимального значения при концентрации глюкозы
приблизительно 5 ммоль/л и выходит на плато при 10 ммоль/л. В условиях in
vivo градуировочный график глюкозооксидазного сенсора не всегда линеен во
всем этом диапазоне (см., например, рис. 22.4, кривая /). Фактически
уровень глюкозы в ткани и крови, особенно у больных диабетом, может быть
выше значения кажущейся константы Михаэлиса (Км) глюкозооксидазы в
растворе глюкозы, насыщенном воздухом (от 4 до 10 ммоль/л по
неопубликованным данным Apotheker А., Thevenot D. R., Wilson G. S.).
