Сахарный диабет — это болезнь, возникающая при расстройстве нормальной работы эндокринной части поджелудочной железы, вырабатывающей инсулин (пептидный гормон, способствующий поступлению глюкозы в мышечные и жировые клетки, чтобы обеспечить их питанием). Существует два типа диабета: первый и второй. И они оба требуют тщательного контроля уровня сахара в крови. Это особенно важно для людей с первым типом заболевания. Они должны проверять уровень сахара в крови несколько раз в день при помощи глюкометра.
Классические глюкометры предполагают прокол пальца и забор капиллярной крови. Некоторые из них считывают изменение цвета тест–полоски, на которую наносится кровь пациента, а другие основаны на анализе силы тока (другой вид — электрического заряда), которая зависит от уровня сахара в крови, и вырабатывается при нанесении крови на тест-полоску.
Но все они требуют прокола и взятия крови, это делает их применение затруднительным, например, если диабетом болеет ребенок. Ведь, чтобы противостоять сахарному диабету, больные должны прокалывать свои пальцы по 4–5 раза в день для мониторинга уровня глюкозы в крови. Во-первых, это больно. Во-вторых, в этом случае существует пусть и небольшой риск заражения инфекциями через прокол при неправильном использовании.
Единственный бескровный аналог
Сегодня существуют системы для непрерывного мониторинга глюкозы, которые помогают пациентам контролировать уровень глюкозы без забора крови.
«Данный метод оценки уровня глюкозы не подразумевает забор крови, однако тонкая часть датчика погружается под кожу и закрепляется клеящейся основой в месте установки (как правило, это на задней поверхности руки между плечом и локтем)», — отметила врач-эндокринолог, диетолог НКЦ №2 РНЦХ им. акад. Б.В. Петровского Галина Минкова.
Такие системы состоят из датчика, который собирает данные о глюкозе из подкожной интерстициальной жидкости (жидкость между кровеносными сосудами и клетками), и приемника, который считывает полученную информацию и выдает нам на дисплей смартфона через приложение. Показания глюкозы в интерстициальной жидкости соотносимы с показателями в капиллярной крови, однако при резком изменении глюкозы крови показатели в интерстициальной жидкости могут запаздывать примерно на 5-10 минут.
«Оценка происходит с помощью электрохимического механизма, который основан на реакции окисления на одном электроде и реакции восстановления на другом электроде. Чем выше содержание глюкозы в интерстициальной жидкости, тем выше электрический потенциал. Некоторые модели подобных устройств взаимодействуют с инсулиновой помпой, посредством которой можно управлять введением инсулина. Часть устройств требует проведения калибровки дважды в день пациентом, определяя глюкозу крови глюкометром, после чего вносить данную информацию в приложение. Другие устройства не требуют калибровки, но им необходимо сканировать информацию с датчика не реже 1 раза в 8 часов для сохранения полученных данных», — рассказала врач.
Такой метод определения глюкозы имеет множество плюсов. Это удобно, не нужно часто использовать глюкометр с забором крови для определения уровня сахара в крови. Кроме того, система может оповещать пациентов сигналом тревоги при изменении уровня глюкозы в установленных пределах (высоких и низких показателях гликемии) в любое время суток.
«Но минусы тоже есть. Например, в редких случаях при установке датчика может появиться кровоподтек. Также может изредка встречаться повышенная чувствительность к клеящемуся веществу, с помощью которого датчик фиксируется на коже. В данном случае при появлении выраженного раздражения кожи рекомендовано удалять датчик. Эти минусы могут решить полностью неинвазивные устройства, которые не требуют прокола. Но они пока отсутствуют на рынке, сейчас идет множество разработок гаджетов для определения глюкозы в таких биологических жидкостях, как пот, слюна, слеза, а также посредством других методик, основанных на диэлектрической спектроскопии», — заключила специалист.
Измерить сахар светом
«Необходимость частого прокола пальцев рук несомненно снижает качество жизни лиц с диабетом, что привело к высокому интересу к разработками систем неинвазивного (без прокола) непрямого измерения глюкозы в крови или в других биологических жидкостях», — рассказала профессор, член-корреспондент РАН, заведующая кафедрой эндокринологии ИКМ им. Н.В. Склифосовского Сеченовского университета Нина Петунина.
На данный момент не существует неинвазивного глюкометра, отвечающего всем требованиям клинической медицины, обеспечивающего полный и точный контроль уровня глюкозы. Сегодня, по словам Петуниной, в России разработкой неинвазивных глюкометров занимается большое количество научных групп и стартапов.
«Основным плюсом разрабатываемых устройств конечно является отсутствие проколов кожи и улучшение таким образом качества жизни пациентов с диабетом. Основным же минусом, ограничивающим регистрацию и серийный выпуск — низкая точность определяемой глюкозы крови. Однако работы над усовершенствованием методик продолжаются», — рассказала Петунина.
Подобными разработками занимаются в Сеченовском университете. Ученые создали неинвазивный глюкометр с применением рамановской спектроскопии и машинного обучения для анализа уровня сахара в крови и гликированного гемоглобина, который может стать одним из первых зарегистрированных неинвазивных глюкометров в мире.
«Наше устройство — это аппаратный комплекс, который использует сразу две технологии: машинное обучение и рамановскую спектроскопию, оптический метод. В нашем приборе есть система линз, фильтров, а также специальная фотодетектирующая матрица. Когда мы смотрим телевизор с плазменным экраном, на ячейки экрана приходит сигнал, который преобразуется в изображение. В нашем устройстве происходит то же самое: луч выходит из прибора и проникает в ткани кожи. В тканях накапливается сигнал, отражается и возвращается на систему фильтров. Они отсекают ненужные сигналы, такие как свет от жиров, белков, воды и других веществ, которые присутствуют в коже, и оставляют только нужные сигналы. Они передаются на матрицу, ИИ оценивает их и определяет уровень сахара в крови», — рассказала автор разработки, генеральный директор стартапа HemoTech AI, студентка Института общественного здоровья имени Ф. Ф. Эрисмана Сеченовского Университета Екатерина Поликер.
По ее словам, метод рамановской спектроскопии был разработан еще в 1960-х годах, но никто раньше не мог устранить шумы, которые мешают провести точный анализ. Сейчас промышленные образцы устройства проходят испытания в трех лабораториях.
«Предварительно: по глюкозе у нас погрешность составляет 8%, а по гликозилированного гемоглобину погрешность 5-6%. Как нам кажется, это и для обычного глюкометра отличные показатели.
Сейчас исследование проходит не на людях – мы используем остаточные пробирки с кровью, которые обычно выбрасываются. Кровь в них просвечивается, мы получаем результат и сравниваем его со стандартными методами анализа. Мы провели уже 8 тыс. таких исследований. Однако, нужно еще 3-4 месяца для получения итоговых результатов. За это время мы получим регистрационное удостоверение, после чего мы сможем продать прибор в медицинские учреждения и начать официальные клинические испытания на пациентах», — рассказала Поликер.
Прибор можно использовать тремя способами: исследовать на просвет капиллярную кровь (из пальца), венозную кровь и кожу. Последний вариант подходит для использования не в лабораториях, а пациентами с диабетом, которые планируют самостоятельно следить за уровнем сахара в крови.
«Для этого нам нужно уменьшить размер прибора. Сейчас он весит полтора килограмма, а по размеру напоминает iPad или книгу, поэтому мы нацелены на использование в медицинских учреждениях и лабораториях. В будущем мы его уменьшим, мы рассматривали две версии устройства. Первый — это носимое устройство в виде датчика, который крепится к плечу. Второй вариант – просто уменьшить его до размеров телефона, чтобы человек смог удобно носить его с собой. По нашим планам, сначала мы хотим зарегистрировать устройство, как инвитро-диагностику, то есть это будет глюкометр, который сможет определять уровень сахара в крови, просвечивая пробирку с собранной кровью.
Есть вероятность, что под подобные технологии в 2025 году будет разработан новый нормативный документ, который позволит нам одними из первых в мире зарегистрировать неинвазивный глюкометр официально»,
— заключила специалист.
Какие еще есть варианты?
Кроме оптических методов измерения сахара в крови существуют и другие. Например, уровень можно установить по слюне, слезам и по выдыхаемому воздуху.
«Слюна используется как биологическая жидкость, в которой содержание глюкозы достаточно хорошо коррелирует с уровнем глюкозы в крови. Преимуществом определения концентрации глюкозы в слюне является простота сбора образцов, возможность использования в домашнем мониторинге. К недостаткам метода можно отнести то, что на результат определения глюкозы влияет уровень гидратации и микрофлора полости рта. В настоящее время требуется дальнейшая доработка метода. Другие методы анализируют выдыхаемый воздух на содержание метаболических продуктов, коррелирующих с уровнем глюкозы. Существенным недостатком является высокая стоимость оборудования для проведения таких исследований, а также сложные и длительные процедуры для получения точных результатов измерения глюкозы», — рассказала доцент кафедры клинической лабораторной диагностики Факультета дополнительного профессионального образования Пироговского университета Наталья Соколова.
Также можно оценить уровень сахара в крови при помощи специальных линз, которые реагируют на уровень сахара в слезной жидкости.
«Пациент должен надеть специальные контактные линзы, содержащие гидрогель. В зависимости от уровня глюкозы гидрогель меняет цвет линз. Изменение цвета линз возможно наблюдать на спектрофотометре. Однако данный метод также недостоверен, так как на него оказывают влияние свойства глазного яблока, состав слезной жидкости, температура тела и окружающей среды.
Также существуют электрохимические методы, позволяющие определить уровень глюкозы в поте», — отметила Соколова.
Кроме того, существуют методы анализа межклеточной жидкости на поверхности кожи, которую можно получить путем раздражения кожи электрическим током.
«Забор межклеточной жидкости возможен также при помощи лазера, формирующего маленькие поры в толще кожи с межклеточной жидкостью. Существенной проблемой является несоответствие по времени концентрации глюкозы в крови и межклеточной жидкости – отставание составляет от 10 до 30 минут. Но я бы хотела подчеркнуть, что на данный момент не существует неинвазивного глюкометра, отвечающего всем требованиям клинической медицины, обеспечивающего полный и точный контроль уровня глюкозы. Однако, в разработке находится очень много приборов (GlucoTrack, Scanbo, GWave, SugarBEAT, UBand, D-Pocket и др.), некоторые из которых находятся на стадии клинических испытаний. Пока в России доступны только классические глюкометры и методы непрерывного мониторирование глюкозы в межклеточной жидкости», — заключила врач.