Pomiar glukozy już bez kłucia. Pracują nad tym polscy naukowcy

Zespół naukowców z Indii i Polski pracuje nad koncepcją czujnika, który mógłby wykrywać glukozę nie z kropli krwi, lecz z próbki moczu, wykorzystując precyzyjny odczyt optyczny. Rozwiązanie ma szansę stać się podstawą tanich i nieinwazyjnych testów do użytku przy łóżku pacjenta lub w warunkach domowych.

Projektowany czujnik nie reaguje chemicznie na obecność cukru. Zamiast tego śledzi, jak rosnące stężenie glukozy w moczu wpływa na sposób odbicia światła od cienkiej warstwy metalu. To na razie praca teoretyczna i symulacyjna, ale pokazuje, że przy odpowiednim doborze materiałów sygnał optyczny mógłby być na tyle wyraźny, by umożliwić wiarygodny pomiar.

Monitorowanie cukrzycy w dużej mierze sprowadza się do regularnego sprawdzania poziomu glukozy. Tradycyjnie wymaga to pobierania krwi — poprzez nakłucia lub stosowanie sensorów noszonych na skórze — co dla wielu pacjentów bywa uciążliwe. Fizycy i farmaceuci z Indii, we współpracy z polskim optykiem prof. Zbigniewem Jaroszewiczem z Instytutu Łączności PIB, wychodzą z prostego założenia: skoro przy wysokich stężeniach glukozy we krwi cukier pojawia się także w moczu, to właśnie mocz może stać się wygodną, nieinwazyjną próbką do szybkiego testu.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym „Optik” naukowcy traktują stężenie glukozy w moczu jako biomarker i opisują rozwiązanie oparte na optycznym czujniku SPR (Surface Plasmon Resonance). Tego typu sensory są projektowane z myślą o natychmiastowych pomiarach przy bardzo małej objętości próbki i bez konieczności korzystania ze specjalistycznego laboratorium.

Urządzenie można porównać do niezwykle czułego testera tego, jak ciecz wpływa na odbicie światła. W metodzie SPR wiązka światła pada przez pryzmat na cienką warstwę metalu. Dla określonego kąta padania odbicie gwałtownie słabnie, ponieważ energia światła przechodzi w drgania elektronów na powierzchni metalu. Ten punkt zaniku odbicia działa jak znacznik pomiarowy.

Gdy na powierzchni metalu pojawia się ciecz, znacznik ten przesuwa się, ponieważ zmieniają się właściwości optyczne warstwy przy powierzchni. Badacze wykorzystują fakt, że wzrost stężenia glukozy w moczu powoduje wzrost współczynnika załamania światła próbki, i modelują, jak bardzo przesuwa się kąt rezonansu dla różnych poziomów cukru.

Celem pracy było zaprojektowanie i porównanie teoretycznych wariantów konstrukcji czujnika tak, by sygnał był jak najbardziej wyraźny. Zaproponowano więc układ kilku cienkich warstw: pryzmat z fluorku wapnia, na nim miedź generującą silny efekt SPR, bardzo cienką warstwę niklu pełniącą funkcję ochronną, następnie perowskit (MAPbBr₃) wzmacniający oddziaływanie światła z próbką oraz wierzchnią warstwę dwuwymiarową. Ta ostatnia ma jednocześnie chronić układ przed wilgocią i stabilizować jego działanie.

Całość została przeanalizowana metodą symulacyjną TMM (Transfer Matrix Method), stosowaną do modelowania przechodzenia i odbicia światła w układach wielu cienkich warstw. Naukowcy testowali odpowiedź czujnika dla współczynnika załamania światła moczu od 1,335 do 1,347, co w modelu odpowiada zakresowi stężeń glukozy od wartości prawidłowych (0–15 mg/dl) do bardzo wysokich, typowych dla cukrzycy (do 10 g/dl).

Symulacje pokazują, że czujnik powinien jednoznacznie odróżniać próbki o niskim i wysokim stężeniu glukozy. Wraz ze wzrostem ilości cukru wyraźnie przesuwa się punkt, w którym układ najsilniej pochłania światło, a przesunięcie to — według autorów — powinno być stabilnie mierzalne.

Jeśli projektowany czujnik uda się przełożyć z modelu komputerowego na działający prototyp, mógłby stać się podstawą bardzo prostego testu: kropla moczu, szybki odczyt optyczny i informacja, czy poziom glukozy jest na tyle wysoki, że wymaga dalszej diagnostyki lub leczenia.

Autorzy podkreślają jednak, że nie byłaby to bezpośrednia alternatywa dla klasycznych pomiarów glukozy we krwi. Obecność glukozy w moczu ma swoje ograniczenia diagnostyczne. Rozwiązanie to należałoby raczej traktować jako wygodne, nieinwazyjne narzędzie do monitorowania i badań przesiewowych. Największe wyzwania pojawią się na etapie badań praktycznych: konieczne będzie sprawdzenie odporności czujnika na substancje zakłócające obecne w moczu, stabilności materiałów w wilgotnym środowisku oraz opracowanie wiarygodnej kalibracji do codziennego użytku.