Глюкометр: Принцип работы и применение в контроле уровня глюкозы в крови.

Введение

Медицинское устройство для определения концентрации глюкозы в крови.

Глюкометр, также называемый "глюкометром", – это медицинское устройство для определения приблизительной концентрации глюкозы в крови. Он может представлять собой также полоску индикаторную для глюкозы, которую погружают в вещество и измеряют по шкале глюкозы. Это ключевой элемент тестирования глюкозы, включая мониторинг глюкозы в крови в домашних условиях (HBGM), проводимый людьми с сахарным диабетом или гипогликемией. Небольшая капля крови, полученная при легком уколе кончика пальца ланцетом, помещается на одноразовую тест-полоску, которую прибор считывает и использует для расчета уровня глюкозы в крови. Затем прибор отображает уровень в единицах мг/дл или ммоль/л. С примерно 1980 года основной целью лечения сахарного диабета 1 типа и сахарного диабета 2 типа является достижение уровней глюкозы в крови, максимально приближенных к нормальным, на протяжении как можно большего времени, опираясь на HBGM несколько раз в день. Это позволяет снизить частоту возникновения и тяжесть долгосрочных осложнений гипергликемии, а также уменьшить риск краткосрочных, потенциально опасных для жизни осложнений гипогликемии.

История

Лиланд Кларк представил свою первую статью о кислородном электроде, позже названном электродом Кларка, 15 апреля 1956 года на собрании Американского общества искусственных органов во время ежегодных встреч Федеративных обществ по экспериментальной биологии. В 1962 году Кларк и Энн Лайонс из Детской больницы Цинциннати разработали первый глюкозо-ферментный электрод. Этот биосенсор был основан на тонком слое глюкозооксидазы (GOx) на кислородном электроде. Таким образом, показателем служило количество кислорода, потребляемого GOx во время ферментативной реакции с субстратом глюкозой. Эта публикация стала одной из наиболее часто цитируемых работ в области наук о жизни. Благодаря этой работе он считается «отцом биосенсоров», особенно в отношении определения уровня глюкозы у пациентов с диабетом. Товарный знак на которые принадлежит Bayer, а также глюкометр Accu-Chek (Roche). В результате эти торговые марки стали синонимом обобщенного продукта для многих медицинских работников. В Великобритании медицинский работник или пациент может говорить о «взятии показателя BM»: «У миссис X показатель BM равен 5» и т.д. BM расшифровывается как Boehringer Mannheim, теперь часть Roche, которая производит тест-полоски под названием «BM-тест» для использования в глюкометрах. В Северной Америке больницы более десяти лет сопротивлялись внедрению измерения уровня глюкозы с помощью глюкометров для лечения диабета у стационарных пациентов. Руководители лабораторий утверждали, что более высокая точность лабораторного измерения уровня глюкозы перевешивает преимущество немедленной доступности и делает измерения уровня глюкозы с помощью глюкометра неприемлемыми для ведения диабета у стационарных пациентов. Пациентам с диабетом и их эндокринологам в конечном итоге удалось убедить их в обратном. Домашний мониторинг уровня глюкозы при диабете 2 типа был принят медленнее, чем при диабете 1 типа, и значительная часть людей с диабетом 2 типа никогда не проходила обучение домашнему мониторингу уровня глюкозы. Это произошло главным образом из-за того, что органы здравоохранения не желают нести расходы на тест-полоски и ланцеты.

Пробные полосы, не являющиеся измерителями

Тест-полоски, меняющие цвет и считываемые визуально, без использования глюкометра, широко применяются с 1980-х годов. Дополнительным преимуществом было то, что их можно было разрезать вдоль, чтобы сэкономить средства. Критики утверждали, что тест-полоски, результаты которых оцениваются визуально, менее точны и удобны, чем тестирование с помощью глюкометра. Производитель ссылался на исследования, показывающие, что продукт столь же эффективен, несмотря на отсутствие точности до десятых долей, что, по их мнению, излишне для контроля уровня сахара в крови. Аналогичные дебаты проходили и в Германии, где "Glucoflex R" был распространенной тест-полоской для диабета 2 типа. С повышением точности глюкометров и расширением страхового покрытия их популярность снизилась. "Glucoflex R" является альтернативой тест-полоскам BM от австралийского производителя National Diagnostic Products. Существуют версии, которые можно использовать как в глюкометре, так и считывать визуально. Также продукт продается под торговой маркой Betachek. 1 мая 2009 года британский дистрибьютор Ambe Medical Group снизил цену на тест-полоски "Glucoflex R" для Национальной службы здравоохранения (NHS) примерно на 50%. Это должно было позволить NHS сэкономить на тест-полосках и, возможно, немного ослабить ограничения на их поставку. Согласно источникам в NHS, вскоре по рецепту станет доступна еще одна недорогая тест-полоска, результаты которой можно считывать визуально.

Глюкометры для больниц

В настоящее время используются специальные глюкометры для использования в стационарах при работе с несколькими пациентами. Они обеспечивают более расширенные записи контроля качества. Их возможности обработки данных предназначены для передачи результатов измерения уровня глюкозы в электронные медицинские карты и компьютерные системы лаборатории для целей выставления счетов.

Стоимость

Стоимость домашнего мониторинга уровня глюкозы в крови может быть существенной из-за стоимости тест-полосок. В 2006 году стоимость одной тест-полоски для потребителей в США варьировалась от 0,35 до 1,00 доллара США. Производители часто предоставляют глюкометры бесплатно, чтобы стимулировать использование прибыльных тест-полосок. Пациенты с диабетом 1 типа могут проводить тестирование от 4 до 10 раз в день из-за необходимости корректировки дозы инсулина, в то время как пациенты с диабетом 2 типа обычно тестируются реже, особенно если инсулин не входит в схему лечения. В Великобритании, где Национальная служба здравоохранения (NHS) оплачивает лекарства, включая тест-полоски, а не пациенты, исследование 2015 года, финансируемое NHS, по сравнительной экономической эффективности различных вариантов самостоятельного мониторинга уровня глюкозы в крови выявило значительные различия в ценах, которые нельзя было объяснить наличием расширенных функций глюкометров. По оценкам, было инвестировано в общей сложности 12 миллионов фунтов стерлингов на проведение 42 миллионов тестов самоконтроля уровня глюкозы в крови с использованием систем, не соответствующих приемлемым стандартам точности. При этом, экономия в размере 23,2 миллиона фунтов стерлингов в год могла бы быть достигнута, если бы NHS прекратил финансировать технологии с меньшей функциональностью, чем доступные альтернативы, но по значительно более высокой цене. В Соединенных Штатах были обнаружены партии контрафактных тест-полосок для некоторых глюкометров, которые выдавали нестабильные результаты, не соответствующие заявленным производителем характеристикам.

Неинвазивные счетчики

Поиск эффективной методики начался примерно в 1975 году и продолжается по сей день, не дав клинически или коммерчески жизнеспособного продукта. По состоянию на 1999 год FDA одобрил для продажи лишь один подобный продукт, основанный на технике электрофоретического извлечения глюкозы через неповрежденную кожу, который вскоре был отозван из-за неудовлетворительной эффективности и эпизодических повреждений кожи у пользователей.

Мониторы непрерывного уровня глюкозы

Системы непрерывного мониторинга глюкозы могут состоять из одноразового сенсора, помещенного под кожу, передатчика, подключенного к сенсору, и ридера, который принимает и отображает измерения. Сенсор можно использовать несколько дней, прежде чем потребуется его замена. Эти устройства предоставляют данные в режиме реального времени и снижают необходимость в проведении глюкометрических анализов с помощью прокола пальца. Недостатком является то, что эти приборы не столь точны, поскольку они измеряют уровень глюкозы в интерстициальной жидкости, которая показывает значения с некоторой задержкой по сравнению с уровнем глюкозы в крови. Системы непрерывного мониторинга глюкозы также относительно дороги.

Точность

Точность измерения глюкозы – частая тема клинической обеспокоенности. Глюкометры должны соответствовать стандартам точности, установленным Международной организацией по стандартизации (ISO). Согласно ISO 15197, глюкометры должны выдавать результаты, которые в 95% случаев находятся в пределах ±15% от лабораторного стандарта при концентрациях выше 100 мг/дл, или в пределах ±15 мг/дл при концентрациях ниже 100 мг/дл. Однако на точность теста могут влиять различные факторы. Факторы, влияющие на точность разных приборов, включают калибровку глюкометра, температуру окружающей среды, давление, используемое для протирания полоски (если это предусмотрено), размер и качество образца крови, высокое содержание определенных веществ (например, аскорбиновой кислоты) в крови, гематокрит, загрязнение глюкометра, влажность и срок годности тест-полосок. Разные модели по-разному чувствительны к этим факторам и по-разному способны предотвращать или предупреждать о неточных результатах с помощью сообщений об ошибках. График ошибок Кларка – распространенный метод анализа и отображения точности измерений, имеющих значение для принятия решений о лечении. В последнее время стала использоваться усовершенствованная версия графика ошибок Кларка, известная как график ошибок консенсуса. Более старые глюкометры часто требуют "кодировки" в соответствии с номером партии используемых тест-полосок, иначе точность измерения уровня глюкозы в крови может быть снижена из-за отсутствия калибровки.

Будущее

Один неинвазивный глюкометр был одобрен FDA США: GlucoWatch G2 Biographer, произведенный компанией Cygnus Inc. Устройство было разработано для ношения на запястье и использовало электрические поля для извлечения жидкости из организма для анализа. Устройство не заменяло традиционный мониторинг уровня глюкозы в крови. Одним из ограничений GlucoWatch было то, что он не мог справляться с потоотделением в месте измерения. Перед возобновлением измерения необходимо было дать поту высохнуть. Из-за этого и других ограничений продукт больше не выпускается. Выход на рынок неинвазивного измерения глюкозы в крови с помощью спектроскопических методов в области ближнего инфракрасного (NIR) излучения, с использованием внетелосных измерительных устройств, не увенчался успехом, поскольку эти устройства измеряют содержание сахара в тканях организма, а не уровень глюкозы в крови. Для определения уровня глюкозы в крови измерительный луч инфракрасного света, например, должен проникать в ткани для измерения уровня глюкозы. В настоящее время доступно три системы непрерывного мониторинга глюкозы (CGMS). Первая – Medtronic Minimed Paradigm RTS с подкожным зондом, подключенным к небольшому передатчику (примерно размером с монету в двадцать пять центов), который каждые пять минут отправляет данные об уровне глюкозы в межклеточной жидкости на небольшой приемник размером с пейджер. Dexcom System – это еще одна система, доступная в США в двух поколениях: G4 и G5 (1 квартал 2016 г.). Это гиподермальный зонд с небольшим передатчиком. Приемник размером с мобильный телефон и может работать на расстоянии до двадцати футов от передатчика. Dexcom G4 передает данные по радиочастоте и требует специального приемника. Версия G5 использует Bluetooth Low Energy для передачи данных и может передавать данные непосредственно на совместимый мобильный телефон. В настоящее время устройства Apple iPhone и Android могут использоваться в качестве приемника. Помимо двухчасового периода калибровки, мониторинг ведется с пятиминутными интервалами в течение до 1 недели. Пользователь может установить оповещения о высоком и низком уровне глюкозы. Третья доступная CGMS – FreeStyle Navigator от Abbott Laboratories. В настоящее время ведется разработка интегрированной системы лечения, включающей глюкометр, инсулиновый насос и контроллер Wristop, а также интеграция глюкометра с мобильным телефоном. Тест-полоски являются запатентованными и доступны только у производителя (страховое покрытие отсутствует). Эти "Glugophones" в настоящее время предлагаются в трех вариантах: в виде донгла для iPhone, в виде дополнительного комплекта для мобильных телефонов LG моделей UX5000, VX5200 и LX350, а также в виде дополнительного комплекта для мобильного телефона Motorola Razr. В США это ограничивает выбор операторов связи AT&T и Verizon. Аналогичные системы тестируются в Финляндии уже в течение длительного времени. Недавние достижения в технологии сотовой связи позволили разработать глюкометры с интегрированной функцией передачи данных по сотовой сети, что позволяет пользователю передавать данные об уровне глюкозы лечащему врачу и получать от него прямые рекомендации на экране глюкометра. Первое такое устройство от Telcare, Inc. было представлено на Международной выставке беспроводных технологий CTIA 2010 года, где оно получило награду E Tech. Затем это устройство проходило клинические испытания в США и за рубежом. В начале 2014 года Google сообщила о тестировании прототипов контактных линз, которые контролируют уровень глюкозы и предупреждают пользователей при превышении определенных пороговых значений. Apple запатентовала методы определения уровня сахара в крови с помощью абсорбционной спектроскопии, а также путем анализа выдыхаемого воздуха в своих электронных устройствах.

One noninvasive glucose meter has been approved by the U. S. FDA: The GlucoWatch G2 Biographer made by Cygnus Inc. The device was designed to be worn on the wrist and used electric fields to draw out body fluid for testing. The device did not replace conventional blood glucose monitoring. One limitation was that the GlucoWatch was not able to cope with perspiration at the measurement site. Sweat must be allowed to dry before measurement can resume. Due to this limitation and others, the product is no longer on the market. The market introduction of noninvasive blood glucose measurement by spectroscopic measurement methods, in the field of near infrared (NIR), by extracorporal measuring devices, has not been successful because the devices measure tissue sugar in body tissues and not the blood sugar in blood fluid. To determine blood glucose, the measuring beam of infrared light, for example, has to penetrate the tissue for measurement of blood glucose. There are currently three CGMS (continuous glucose monitoring system) available. The first is Medtronic's Minimed Paradigm RTS with a sub cutaneous probe attached to a small transmitter (roughly the size of a quarter) that sends interstitial glucose levels to a small pager sized receiver every five minutes. The Dexcom System is another system, available in two different generations in the US, the G4 and the G5. (1Q 2016). It is a hypodermic probe with a small transmitter. The receiver is about the size of a cell phone and can operate up to twenty feet from the transmitter. The Dexcom G4 transmits via radio frequency and requires a dedicated receiver. The G5 version utilizes Bluetooth low energy for data transmission, and can transmit data directly to a compatible cellular telephone. Currently, Apple's iPhone and Android devices can be used as a receiver. Aside from a two hour calibration period, monitoring is logged at five minute intervals for up to 1 week. The user can set the high and low glucose alarms. The third CGMS available is the FreeStyle Navigator from Abbott Laboratories. There is currently an effort to develop an integrated treatment system with a glucose meter, insulin pump, and wristop controller, as well as an effort to integrate the glucose meter and a cell phone. Testing strips are proprietary and available only through the manufacturer (no insurance availability). These "Glugophones" are currently offered in three forms: as a dongle for the iPhone, an add on pack for LG model UX5000, VX5200, and LX350 cell phones, as well as an add on pack for the Motorola Razr cell phone. In US, this limits providers to AT&T and Verizon. Similar systems have been tested for a longer time in Finland. Recent advances in cellular data communications technology have enabled the development of glucose meters that directly integrate cellular data transmission capability, enabling the user to both transmit glucose data to the medical caregiver and receive direct guidance from the caregiver on the screen of the glucose meter. The first such device, from Telcare, Inc., was exhibited at the 2010 CTIA International Wireless Expo, where it won an E Tech award. This device then underwent clinical testing in the US and internationally. In early 2014 Google reported testing prototypes of contact lenses that monitor glucose levels and alert users when glucose levels cross certain thresholds. Apple has patented methods for determining blood sugar levels by absorption spectroscopy, as well as by analyzing exhaled air in its electronic devices.

Технология

Многие глюкометры используют окисление глюкозы до глюконолактона, катализируемое глюкозооксидазой (иногда известной как GOx). Другие используют аналогичную реакцию, катализируемую другим ферментом – глюкозодегидрогеназой (GDH). Это дает преимущество в чувствительности по сравнению с глюкозооксидазой, но делает метод более восприимчивым к интерферирующим реакциям с другими веществами. Устройства первого поколения использовали ту же колориметрическую реакцию, которая до сих пор применяется в тест-полосках для определения глюкозы в моче. Помимо глюкозооксидазы, в тестовом наборе содержится производное бензидина, которое окисляется до синего полимера перекисью водорода, образующейся в реакции окисления. Недостатком этого метода было то, что тест-полоску необходимо было проявить через определенный промежуток времени (кровь нужно было смыть), а глюкометр требовал частой калибровки. Большинство современных глюкометров используют электрохимический метод. Тест-полоски содержат капилляр, который всасывает воспроизводимое количество крови. Глюкоза в крови реагирует с ферментным электродом, содержащим глюкозооксидазу (или дегидрогеназу). Фермент реоксидируется избытком медиаторного реагента, такого как ион феррицианида, производное ферроцена или комплекс осмия с бипиридилом. Медиатор, в свою очередь, реоксидируется в реакции на электроде, генерируя электрический ток. Для обеспечения работы медиатора в течение длительного времени он должен быть стабилен как в окисленном, так и в восстановленном состоянии. Это позволяет непрерывно регенерировать окисленную форму медиатора для переноса электронов от фермента к активному центру. Полипиридиловые окислительно-восстановительные комплексы и полимеры на основе осмия являются перспективными кандидатами в качестве медиаторов благодаря их стабильности в окисленной и восстановленной формах, настраиваемому окислительно-восстановительному потенциалу, легкости ко-иммобилизации и способности работать при низких потенциалах. Общий заряд, проходящий через электрод, пропорционален количеству глюкозы в крови, вступившей в реакцию с ферментом. Кулонометрический метод – это техника, при которой за определенный период времени измеряется общее количество заряда, генерируемого реакцией окисления глюкозы. Амперометрический метод, используемый некоторыми глюкометрами, измеряет электрический ток, генерируемый в определенный момент времени реакцией глюкозы. Это аналогично бросанию мяча и определению скорости его движения в определенный момент времени для оценки силы броска. Кулонометрический метод позволяет использовать переменное время тестирования, в то время как время тестирования на глюкометре, использующем амперометрический метод, всегда фиксировано. Оба метода дают оценку концентрации глюкозы в исходном образце крови. Тот же принцип используется в тест-полосках, коммерциализированных для выявления диабетического кетоацидоза (ДКА). Эти тест-полоски используют β-гидроксибутиратдегидрогеназу вместо глюкозоокислительного фермента и применяются для выявления и лечения некоторых осложнений, которые могут возникнуть при длительной гипергликемии. Датчики алкоголя в крови, использующие аналогичный подход, но с ферментами алкогольдегидрогеназы, были испытаны и запатентованы, но пока не были успешно коммерциализированы.

Many glucose meters employ the oxidation of glucose to gluconolactone catalyzed by glucose oxidase (sometimes known as GOx). Others use a similar reaction catalysed instead by another enzyme, glucose dehydrogenase (GDH). This has the advantage of sensitivity over glucose oxidase but is more susceptible to interfering reactions with other substances. The first generation devices relied on the same colorimetric reaction that is still used nowadays in glucose test strips for urine. Besides glucose oxidase, the test kit contains a benzidine derivative, which is oxidized to a blue polymer by the hydrogen peroxide formed in the oxidation reaction. The disadvantage of this method was that the test strip had to be developed after a precise interval (the blood had to be washed away), and the meter needed to be calibrated frequently. Most glucometers today use an electrochemical method. Test strips contain a capillary that sucks up a reproducible amount of blood. The glucose in the blood reacts with an enzyme electrode containing glucose oxidase (or dehydrogenase). The enzyme is reoxidized with an excess of a mediator reagent, such as a ferricyanide ion, a ferrocene derivative or osmium bipyridyl complex. The mediator in turn is reoxidized by reaction at the electrode, which generates an electric current. In order for the mediator to operate over long timeframes, it needs to be stable in both oxidised and reduced states. This is to allow for continuous regeneration of the oxidised form of the mediator for shuttling of electrons from enzyme to active site. Osmium based polypyridyl redox complexes and polymers are attractive candidates as mediators due to their stability in oxidised and reduced forms, tunable redox potential, ease of co immobilisation and ability to operate at low potentials. The total charge passing through the electrode is proportional to the amount of glucose in the blood that has reacted with the enzyme. The coulometric method is a technique where the total amount of charge generated by the glucose oxidation reaction is measured over a period of time. The amperometric method is used by some meters and measures the electric current generated at a specific point in time by the glucose reaction. This is analogous to throwing a ball and using the speed at which it is travelling at a point in time to estimate how hard it was thrown. The coulometric method can allow for variable test times, whereas the test time on a meter using the amperometric method is always fixed. Both methods give an estimation of the concentration of glucose in the initial blood sample. The same principle is used in test strips that have been commercialized for the detection of diabetic ketoacidosis (DKA). These test strips use a beta hydroxybutyrate dehydrogenase enzyme instead of a glucose oxidizing enzyme and have been used to detect and help treat some of the complications that can result from prolonged hyperglycemia. Blood alcohol sensors using the same approach, but with alcohol dehydrogenase enzymes, have been tried and patented but have not yet been successfully commercially developed.

Использование счетчика при гипогликемии

Хотя кажущаяся ценность немедленного измерения уровня глюкозы в крови может показаться выше при гипогликемии (низкий уровень сахара), чем при гипергликемии (высокий уровень сахара), глюкометры оказались менее полезными. Основные проблемы – это точность и соотношение ложноположительных и ложноотрицательных результатов. Неточность в ±15% менее значима при высоких уровнях глюкозы, чем при низких. Небольшая разница в ведении пациента с уровнем глюкозы 200 мг/дл по сравнению с 260 (то есть «истинным» уровнем глюкозы 230±15%), в то время как погрешность в ±15% при низкой концентрации глюкозы вносит большую неопределенность в управление глюкозой. Неточность усугубляется относительной вероятностью ложноположительных и ложноотрицательных результатов у людей с диабетом и без него. У пациентов с диабетом 1 типа обычно более широкий диапазон уровней глюкозы, а пики глюкозы часто превышают норму, варьируясь от 40 до 500 мг/дл (2,2 до 28 ммоль/л). Когда показания глюкометра 50 или 70 (2,8 или 3,9 ммоль/л) сопровождаются их обычными симптомами гипогликемии, мало сомнений, что это «истинный положительный» результат, и небольшой вред, если это «ложный положительный» результат. Однако, частота гипогликемии без осознания, автономная недостаточность, связанная с гипогликемией (HAAF), и нарушенная контррегуляторная реакция на гипогликемию делают необходимость большей надежности при низких уровнях особенно важной для пациентов с сахарным диабетом 1 типа, в то время как это редко является проблемой при более распространенной форме заболевания – сахарном диабете 2 типа. В отличие от этого, у людей без диабета периодически могут возникать симптомы гипогликемии, но при этом частота ложноположительных результатов может быть значительно выше, чем истинных, и глюкометра недостаточно для постановки диагноза гипогликемии. Глюкометр может быть полезен для мониторинга тяжелых форм гипогликемии (например, врожденного гиперинсулинизма), чтобы гарантировать, что средний уровень глюкозы в состоянии голодания остается выше 70 мг/дл (3,9 ммоль/л).