Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
56. Woodward S. C. How fibroblasts and giant cells encapsulate implants:
considerations in design of glucose sensors. Diabetes Care, 5, 278-81
(1982).
57. Instruction manual Y. S. I. model 23 A. Yellow Spring Instruments Co,
1975.
Глава 23
Игольчатые глюкозные сенсоры и их клиническое применение
Мотонки Шичири, Рюзо Кавамори, Ёшимицу Ямасаки
23Л. Введение
В литературе описано несколько типов глюкозных сенсоров, но только
некоторые из них могут быть применены в клинике in vivo. В работе [4]
предложен дисковый электрохимический (не ферментный) глюкозный сенсор,
который, будучи имплантирован в подкожную ткань обезьяны резус, на 117-й
день давал отклик, хорошо коррелировавший с уровнем сахара в венозной
крови при внутривенном введении глюкозы [20]. Этот сенсор, однако, не
применяется для мониторинга организма человека in vivo, так как на его
отклик влияют многие посторонние электрохимически активные частицы [6].
Совершенно иная ситуация сложилась с глюкозными сенсорами на основе
глюкозооксидазы [7, 21]. Такие сенсоры обладают высокой специфичностью по
отношению к глюкозе и используются для точного определения глюкозы как in
vitro, так и in vivo. Первый пригодный для имплантации глюкозный сенсор
состоял из двух гальванических кислородных электродов, помещенных в
искусственную поджелудочную железу с замкнутым контуром [3]. В ходе
испытаний все узлы этой системы функционировали достаточно хорошо, но
установить полный контроль над организмом животного с ее помощью не
удавалось отчасти потому, что глюкозные сенсоры были нечувствительны к
концентрации глюкозы в ткани, показывая примерно половину от ожидаемого
уровня. Об использовании глюкозного сенсора этого типа для мониторинга
организма человека не сообщалось.
Авторами данной главы разработан [18, 19] глюкозный сенсор игольчатого
типа, характеристики которого in vivo и in vitro позволяют применять его
для мониторинга глюкозы в тканях. Использование такого сенсора в качестве
чувствительного элемента в портативной искусственной поджелудочной железе
с замкнутым контуром обеспечивает у больных диабетом регуляцию гликемии в
течение шести дней и более [17].
23.2. Принцип определения глюкозы с помощью введенного в организм
глюкозного сенсора
В присутствии глюкозы и кислорода используемая в ферментных глюкозных
сенсорах глюкозооксидаза катализирует окисление глюкозы с образованием
глюконовой кислоты и пероксида водорода. Поскольку физиологическая
концентрация кислорода в крови или тканевой жидкости намного меньше [2],
чем значение Км для данного фермента [5], скорость окисления регулируется
не только концентрацией глюкозы, но и парциальным давлением кислорода.
Отсюда, в частности, следует, что отклик имплантированного сенсора может
нелинейно зависеть от концентрации глюкозы [3]. Для решения этой проблемы
было предложено [9, 23] закрыть сенсор мембраной, более проницаемой для
кислорода, чем для глюкозы, и тем самым ограничить доступ глюкозы в
ферментный слой сенсора. Выходной сигнал сенсора с такой мембраной
является линейным в широком диапазоне концентрации глюкозы и
нечувствителен к флуктуациям давления кислорода.
332
Глава 23
Что же касается реакции организма на имплантируемый сенсор, то здесь
существенное значение имеют также размеры и конфигурация сенсора. Реакция
организма минимальна, если сенсор изготовлен в виде проволоки или нити
диаметром меньше 2 мм [22]. Следовательно, в отличие от диска миниатюрная
игла является идеальной конструктивной формой для вживляемого глюкозного
сенсора.
В табл. 23.1 наряду с характеристиками in vitro приведены мембраны и
конструктивные особенности описанных в литературе имплантируемых
глюкозных сенсоров.
Таблица 23.1. Ферментные глюкозные сенсоры, используемые для мониторинга
in vivo
Характеристики сенсоров Сенсоры, разработанные в
Калифорнии [3, 12] Нагое [19] Осаке [17-19]
Форма Дискообразный Трубчатый Игольчатый
Размер Диаметр 20 мм, глубина 2 мм Диаметр 0,4-0,8 мм,
длина 20 мм
Полупроницаемая мембрана Полипропилен Полиуретан
Мембрана, несущая фермент Найлон Найлоновый фильтр Millipore
Диацетилцеллюлоза
Газопроницаемая мембрана Полипропилен Тефлон
Определяемое электрохимически активное вещество о2 о2 Пероксид
водорода
Анод РЬ Ag Pt
Катод Ag Pt Ag
Электролит КОН NaCl Физиологический раствор
Диапазон определяемых концентраций глюкозы, ммоль/л 0-8,3 0-38,5
0-27,5
Место имплантации Подкожная ткань Кровеносные сосуды Кровеносные
сосуды, подкожная ткань
Объекты мониторинга in vivo Кролик, собака Собака, человек Собака,
человек
Контрольные опыты Собака с диабетом, вызванным стрепто-зотоцином
Собака с удаленной поджелудочной железой Собака с удаленной
поджелудочной железой; люди, больные диабетом
23.3. Изготовление глюкозного сенсора игольчатого типа
Датчик, чувствительный к пероксиду водорода, изготовляют согласно
методике, описанной в работе [8] и модифицированной следующим образом.
Кончик платиновой проволоки диаметром 0,2 мм, длиной 4 см оплавляют в
