Biosensore per monitorare il glucosio: addio aghi?

Un biosensore è un sistema di monitoraggio del glucosio meno invadente che potrebbe sostituire le tecnologie ad oggi disponibili. A tal proposito i ricercatori della Penn State hanno sviluppato un sensore non invasivo e a basso costo in grado di rilevare il glucosio nel sudore.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica Biosensors and Bioelectronics.

Biosensore per monitorare il livello di glucosio: ecco come funziona

I ricercatori, capitanati da Huanyu “Larry” Cheng, Dorothy Quiggle Career Development, Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Scienza e Meccanica della Penn State, hanno dato vita ad un biosensore non invasivo e a basso costo capace di misurare i livelli di glucosio nel sangue senza l’ausilio di aghi dolorosi.

Gli scienziati hanno prima costruito il dispositivo con grafene indotto dal laser (LIG), un materiale costituito da strati di carbonio dello spessore di un atomo in varie forme.

Con un’elevata conduttività elettrica e un tempo di fabbricazione di pochi secondi, LIG ​​sembrava essere una struttura ideale per il dispositivo di rilevamento, ma c’era una mancanza non trascurabile: “La sfida è che LIG non è affatto sensibile al glucosio“, ha spiegato Cheng: “Quindi, avevamo bisogno di depositare un materiale sensibile al glucosio sul LIG”.

Il team ha scelto il nichel per la sua forte sensibilità al glucosio e lo ha combinato con l’oro per ridurre i potenziali rischi di una reazione allergica. I ricercatori hanno ipotizzato che il LIG dotato della lega nichel-oro sarebbe stato in grado di rilevare basse concentrazioni di glucosio nel sudore catturato dalla superficie della pelle.

Un materiale con un’elevata sensibilità al glucosio era una priorità. Il sudore mostra concentrazioni di glucosio notevolmente basse rispetto al sangue, ma, secondo Cheng, esiste una forte correlazione tra i livelli di glucosio nel sudore e nel sangue.

Mentre la concentrazione di glucosio nel sudore è circa 100 volte inferiore alla concentrazione nel sangue, il biosensore sviluppato dal team è abbastanza sensibile da misurare con precisione il glucosio nel sudore e riflettere la concentrazione nel sangue.

I dispositivi di monitoraggio del glucosio non invasivi non sono attualmente disponibili in commercio negli Stati Uniti, quindi le persone con diabete devono raccogliere campioni di sangue o utilizzare sensori incorporati sotto la pelle per misurare i livelli di zucchero nel sangue.

Ora, con un nuovo dispositivo indossabile creato dai ricercatori della Penn State, il monitoraggio del glucosio meno invadente potrebbe diventare la norma. Credito: Pennsylvania State University

La sensibilità della lega di nichel-oro ha permesso al team di Cheng di escludere gli enzimi, che sono spesso usati per misurare il glucosio in dispositivi più invasivi, disponibili in commercio o in monitor non invasivi proposti da altri ricercatori. Questi enzimi, tuttavia, possono degradarsi rapidamente con il tempo e le variazioni di temperatura.

“Un biosensore enzimatico deve essere mantenuto a una certa temperatura e pH, e l’enzima non può essere conservato a lungo termine“, ha detto Cheng. “Un sensore di glucosio non enzimatico, d’altra parte, è vantaggioso in termini di prestazioni stabili e sensibilità al glucosio indipendentemente da questi cambiamenti”.

I sensori non enzimatici richiedono una soluzione alcalina, che può danneggiare la pelle e in genere limita l’indossabilità del dispositivo. Per arginare questo problema, Cheng e il suo team hanno collegato una camera microfluidica alla lega LIG. Questa camera è più piccola rispetto alle configurazioni sviluppate in precedenza per favorire la vestibilità, ed è porosa per consentire una vasta gamma di movimenti.

 Il biosensore è collegato ad un ingresso di raccolta che fa passare il sudore nella soluzione senza che la soluzione venga a contatto con la pelle. La soluzione di base interagisce con le molecole di glucosio per produrre un composto che reagisce con la lega. Questa reazione innesca un segnale elettrico, che indica la concentrazione di glucosio nel sudore.

Riducendo le dimensioni della camera della soluzione alcalina, l’intero dispositivo ha all’incirca le dimensioni di un quarto ed è abbastanza flessibile da mantenere un attaccamento sicuro al corpo umano, ha affermato Cheng.

In un test di prova, i ricercatori hanno utilizzato un adesivo sicuro per la pelle per attaccare al braccio il dispositivo riutilizzabile un’ora e tre ore dopo un pasto. Il soggetto ha eseguito un breve allenamento, quanto basta per produrre sudore, subito prima di ogni misurazione.

 Pochi minuti dopo aver raccolto il sudore, i ricercatori hanno scoperto che la concentrazione di glucosio rilevata scendeva dalla prima misurazione alla successiva. Le misurazioni del glucosio dal dispositivo sono state verificate mediante con un monitor di glucosio disponibile in commercio.

Cheng e il team hanno in programma di migliorare il loro prototipo per applicazioni future, compreso il modo in cui i pazienti oi medici possono utilizzare il sensore per misurazioni incrementali del glucosio o il monitoraggio continuo per determinare le azioni di trattamento, come la somministrazione di insulina.

 Intendono anche perfezionare ed espandere questa piattaforma per un monitoraggio più confortevole di altri biomarcatori che possono essere trovati nel sudore o nei fluidi interstiziali che riempiono lo spazio tra le cellule del corpo.

“Vogliamo lavorare con medici e altri operatori sanitari per vedere come possiamo applicare questa tecnologia per il monitoraggio quotidiano di un paziente”, ha concluso Cheng: “Questo biosensore per il glucosio serve come esempio fondamentale per dimostrare che possiamo migliorare il rilevamento dei biomarcatori nel sudore a concentrazioni estremamente basse”.