Neinvazivní zařízení Raman přesně sleduje hladinu glukózy v krvi za méně než minutu

Optické zařízení velikosti krabice od bot snímá glukózu přímo přes kůži během několika sekund a nabízí slibný krok ke skutečně neinvazivnímu monitorování glukózy v místě péče.

Pipeline pro vývoj kompaktního CGM na bázi BRS. a) Plán rozvoje strategie. (b) Měřený Ramanův signál v plném spektru jednotlivých složek a modelované tkáňové fantomové signály: PBS (modrá čára), 20% intralipidový roztok ve vodě (zelená čára); 20% roztok glukózy ve vodě (červená čára); simulovaný fantom tkáně bez glukózy (černá čára); simulovaný fantom tkáně s vysokým obsahem glukózy (růžová čára). (c) Schéma optického systému pro BRS. HS: chladič; TEC: regulace teploty; DM: zrcadlo ve tvaru D; BB: blokátor paprsku; LLF: laserový liniový filtr; AD: achromatický dublet; LPF: dlouhopropustný filtr; BPF: pásmová propust; APD: zesílená fotodioda; PD: fotodioda (d) Simulovaná Ramanova spektra kolem Ramanova píku glukózy při 1125 cm^–1 přes 11 hladin glukózy. Smykové plochy označují vybrané pásy pro BRS.

Nedávná studie zveřejněná v časopise Analytická chemie uvádí, že Massachusetts Institute of Technology (S) výzkumníci vyvinuli neinvazivní zařízení na bázi světla, které dokáže přesně měřit hladinu glukózy v krvi za méně než minutu.

Globální potřeba lepšího monitorování glukózy

Diabetes, chronický metabolický stav charakterizovaný zvýšenou hladinou glukózy v krvi, se stal celosvětově významnou krizí veřejného zdraví, s projekcemi uvádějícími 592 milionů případů do roku 2035. Efektivní a přesné monitorování hladiny glukózy v krvi je základním kamenem léčby a léčby diabetu.

Tradiční metoda píchání do prstu je již dlouho standardním přístupem, který využívá lancety a testovací proužky k měření glukózy v kapilární krvi. Používání této metody každý den, několikrát denně, je však nepraktické pro kontinuální monitorování glukózy, což vede k nedostatečnému testování a zvýšenému riziku závažných zdravotních komplikací lidé s cukrovkou.

Bylo také vyvinuto několik nositelných zařízení pro nepřetržité monitorování glukózy pomocí senzorů implantovaných těsně pod kůži. Tyto komerčně dostupné kontinuální monitory glukózy se spoléhají na minimálně invazivní mikrojehly k měření hladin glukózy v intersticiální tekutině a typicky je třeba je vyměňovat každých 10 až 14 dní. Tyto systémy však nejsou plně neinvazivní a přispívají k průběžným nákladům a zátěži zařízení.

K překonání těchto omezení bylo vyvinuto několik neinvazivních metod, včetně vibrační spektroskopie, která se přímo zaměřuje na molekulární podpisy glukózy, a fototermální a fotoakustické spektroskopie, které analyzují tepelné nebo akustické změny ve vlastnostech tkáně vyvolané absorpcí glukózy.

Některé nepřímé metody, jako je fotopletysmografie a analýza dechu, se také objevily pro monitorování hladin glukózy měřením sekundárních fyziologických účinků nebo vedlejších produktů metabolismu glukózy.

Mnoho z těchto metod využívá umělou inteligenci (AI) ke zpracování složitých a hlučných signálů, což vyžaduje rozsáhlé školení a může postrádat robustnost a generalizovatelnost napříč různými jednotlivci a fyziologickými podmínkami.

Představujeme neinvazivní zařízení založené na Ramanu

Chcete-li tyto výzvy řešit, S výzkumníci vyvinuli kompaktní, neinvazivní, přenosný senzor založený na Ramanově spektroskopii využívající pásmovou Ramanovu spektroskopii (BRS) přístup pro kontinuální monitorování glukózy. Ramanova spektroskopie je technika, která vyzařuje blízké infračervené nebo viditelné světlo na tkáně nebo buňky, aby se odhalilo jejich chemické složení. Základním principem je analyzovat, jak je blízké infračervené nebo viditelné světlo rozptýleno nebo odkloněno, když se setkává s různými druhy molekul v tkáních nebo buňkách.

Postupující Ramanova spektroskopie s pásmovou propustností

Výzkumníci vyvinuli tento Ramanův systém pro efektivní a přesnou kvantifikaci hladin glukózy pomocí optimalizované optiky a fyzikálně interpretovatelných spektrálních metrik. Systém byl namontován na prkénko na krájení a uzavřen, což vedlo ke kompaktnímu přenosnému zařízení pro monitorování glukózy schopné přímo měřit glukózové Ramanovy signály z kůže.

Glukózové Ramanovy signály, které byly generovány prostřednictvím blízkého infračerveného záření (830 nm) světlo, jsou obecně příliš malé na to, aby je bylo možné snadno odlišit od všech ostatních signálů generovaných buněčnými nebo tkáňovými molekulami. K odfiltrování těchto nežádoucích signálů vědci posvítili na kůži blízkým infračerveným světlem pod úhlem, který se liší od úhlu použitého pro sběr výsledného Ramanova signálu. Tato konfigurace mimo osu potlačuje elasticky rozptýlené světlo a zlepšuje Ramanovy vlastnosti specifické pro glukózu.

Ramanovo spektrum typicky obsahuje přibližně 1000 pásů, což jsou spektrální oblasti, které odpovídají specifickým molekulárním rysům. Z těchto pásů výzkumníci vybrali a analyzovali pouze tři strategicky zvolené spektrální pásy kolem hlavního Ramanova píku glukózy s použitím dvou sousedních postranních pásů jako intraspektrálních referencí pro měření hladin glukózy v krvi. Tento přístup jim umožnil měřit s nákladově efektivním zařízením o velikosti krabice od bot, aniž by vyžadovaly pořízení celého spektra nebo složité modely řízené umělou inteligencí.

Testování a ověřování prototypového zařízení

Výzkumníci provedli počáteční ověřovací experimenty s použitím fantomů optických tkání v širokém rozsahu koncentrací glukózy, po nichž následovala pilotní studie uvnitř kůže, aby prozkoumala účinnost tohoto přenosného systému založeného na Ramanu při kontinuálním monitorování hladin glukózy v krvi u lidského účastníka.

Studie byla provedena na zdravém mužském dobrovolníkovi ve věku 27 let, který položil paži na horní část zařízení a blízký infračervený paprsek ze zařízení prosvítal malým skleněným okénkem na kůži, aby provedl měření. Měření byla prováděna každých pět minut po dobu čtyř hodin.

Pro srovnávací analýzu byly do druhé paže účastníka vloženy dva komerčně dostupné invazivní kontinuální monitory glukózy, aby se každých 5 minut měřily hladiny glukózy. K měření hladiny glukózy v krvi každých 10 minut byl také použit standardní glukometr s píchnutím do jednoho prstu.

Aby se vyvolaly dynamické změny v koncentracích glukózy v krvi, byl účastník instruován, aby během studie vypil dva 75gramové glukózové nápoje. Závěrečná zjištění studie naznačovala, že měření ze zařízení založeného na Ramanu úzce sledovala trendy glukózy a souhlasila s měřeními z komerčních invazivních zařízení, přičemž metriky výkonu byly srovnatelné s metrikami současných komerčních kontinuálních monitorů glukózy.

Důsledky pro budoucí monitorování glukózy

Přenosné, neinvazivní zařízení založené na Ramanovi vyvinuté ve studii demonstruje slibnou předběžnou výkonnost pro nepřetržité monitorování hladin glukózy v krvi s přesností měření srovnatelnou s přesností komerčně dostupných invazivních monitorů glukózy v tomto pilotním nastavení. Zařízení trvá přibližně 36 sekund, než dokončí měření, což má za následek celkovou dobu měření pod jednu minutu.

Zatímco současná zjištění jsou založena na jediném zdravém účastníkovi, tato předběžná pozorování poskytují silný základ pro budoucí studie s větší, rozmanitější populací, včetně lidí s diabetem, k lepšímu pochopení potenciálu této technologie point-of-care.

Zařízení je příslibem v transformaci monitorování glukózy, nabízí přenositelnost, dostupnost, přesnost a kontinuitu pro budoucí aplikace v oblasti klinického a osobního zdraví, s potenciálem časem snížit závislost na testování vpichem do prstu a senzorech pod kůží.