I ricercatori aumentano la precisione del monitoraggio continuo del glucosio a domicilio
Il monitoraggio continuo del glucosio domiciliare per i diabetici fino ad ora ha dovuto barattare la facilità d’uso, il basso costo e la portabilità con una sensibilità leggermente inferiore, e quindi precisione, rispetto a sistemi simili nelle cliniche o negli ospedali. Un team di ricercatori ha ora sviluppato un biosensore per tali monitor che coinvolge punti quantici (QD) “a dimensione zero” e nanosfere d’oro (AuNS) e non deve più scendere a compromessi sulla precisione.
Un documento che descrive il design del biosensore e le sue prestazioni migliorate è apparso sulla rivista Nano Research il 9 novembre 2022.
Negli ultimi anni, lo sviluppo della tecnologia di monitoraggio continuo del glucosio (CGM) è stato un grande vantaggio per le persone con diabete. A differenza dei test della glicemia prima dei pasti e prima di coricarsi, il rilevamento in tempo reale, rapido e accurato dei livelli di glucosio dei dispositivi CGM sempre attivi ha migliorato significativamente la gestione del diabete. Le tendenze del glucosio vengono monitorate più facilmente, rendendo le modifiche alla dieta, all’esercizio fisico e ai farmaci a un piano di cura del diabete più facili da implementare durante il giorno e gli allarmi si attivano quando i livelli di glucosio salgono troppo in alto o scendono troppo in basso, inviando informazioni all’individuo o ai genitori , partner o caregiver.
I CGM in genere funzionano tramite un minuscolo biosensore incorporato sotto la pelle che misura i livelli di glucosio nel fluido tra le cellule. Questo sensore controlla tali livelli ogni pochi minuti e invia tali informazioni a un monitor. Il monitor può anche essere collegato a una pompa per insulina.
CREDITO
Ricerca Nano, Tsinghua University Press
Sono state sviluppate varie tecniche per il rilevamento del glucosio, tra cui colorimetria, spettroscopia a infrarossi, spettroscopia di fluorescenza e spettrometria di massa. Ma per le operazioni domiciliari piuttosto che in una clinica o in ospedale, il rilevamento elettrochimico del glucosio è la tecnica più ampiamente accettata grazie alla sua risposta rapida, facilità d’uso, basso costo e portabilità.
“Ha anche una sensibilità decente, ma non eccellente”, ha affermato Huan Liu, uno specialista di microelettronica presso la School of Optical and Electronic Information presso la Huazhong University of Science and Technology. “Non rispetto ad altre tecniche utilizzate in ambito sanitario. Quindi volevamo vedere se potevamo dare un po’ di spinta a quella sensibilità e quindi migliorarne la precisione”.
I sensori di glucosio elettrochimici possono essere classificati come sensori basati su enzimi e sensori non basati su enzimi. Per i sensori elettrochimici del glucosio basati su enzimi, la glucosio ossidasi (GOx), un enzima che accelera (catalizza) le reazioni chimiche di riduzione dell’ossido, è ampiamente utilizzata per ossidare il glucosio sulla superficie dell’elettrodo del sensore CGM. L’elettrodo attrae gli elettroni dal glucosio (ossidandoli) e nel processo genera una corrente elettrica che varia a seconda dei livelli di glucosio. GOx è ampiamente utilizzato per questo scopo grazie alla sua elevata selettività per il glucosio (capacità di selezionare il glucosio e non altre sostanze), l’elevata stabilità e l’elevata attività su un’ampia gamma di livelli di pH.
Tuttavia, quando il GOx viene combinato direttamente con la superficie dell’elettrodo nudo, non solo il GOx stesso viene facilmente esfoliato (privato di alcuni dei suoi strati), ma anche la sua attività biologica e stabilità possono essere influenzate. Inoltre, l’efficienza del trasferimento di elettroni tra il GOx e la superficie dell’elettrodo è un fattore chiave che determina la sensibilità del sensore.
Finora sono stati fatti numerosi tentativi per rendere l’enzima GOx più saldamente attaccato all’elettrodo, migliorando così il trasferimento diretto di elettroni tra i centri elettroattivi (siti di attività elettronica) e la superficie dell’elettrodo. Un tentativo degno di nota prevede l’uso di elettrodi progettati su scala nanometrica per avere strutture sull’elettrodo che forniscono aree superficiali più ampie e un’elevata attività elettrocatalitica. Sfortunatamente, queste nanostrutture aumentano la complessità della fabbricazione di tali biosensori elettrochimici. La loro costruzione si basa anche sul polimero sintetico Nafion come impalcatura, che crea una barriera per il trasferimento di carica attraverso l’interfaccia tra il sensore e il fluido da testare.
I ricercatori sono quindi andati in una direzione completamente diversa. Il team mirava a migliorare le prestazioni di rilevamento del glucosio utilizzando punti quantici colloidali (CQD) come materiale per modificare l’elettrodo. I CQD sono nanoparticelle semiconduttrici a dimensione “zero”. (In realtà non sono dimensioni zero, ma solo diametri estremamente piccoli che vanno tipicamente da 2 a 20 nm). Questi possiedono un’abbondanza di siti attivi, luoghi in cui possono verificarsi reazioni chimiche, e si legano in modo molto stabile alle molecole proteiche biologiche.
Ancora meglio, a causa delle loro dimensioni molto ridotte, i CQD subiscono effetti quantistici come il tunneling quantistico e il trasferimento di carica all’interfaccia della proteina CQD può essere regolato mediante l’applicazione di un campo elettrico esterno. I CQD sono anche compatibili con una gamma di diversi materiali di substrato rigidi e flessibili, rendendoli più facilmente realizzabili.
Per migliorare questo effetto, i ricercatori hanno integrato le “nanosfere” d’oro (AuNS) nella struttura dell’elettrodo del sensore. Si tratta di minuscole nanoparticelle sferiche con diametri compresi tra 10 e 200 nm. Sono sempre più utilizzati nelle applicazioni di biorilevamento grazie alle loro proprietà fisiche e chimiche uniche. In particolare, quando utilizzati come componenti in biosensori elettrochimici enzimatici, gli AuNS consentono agli enzimi proteici di mantenere la loro attività biologica dopo l’adesione alle superfici e riducono l’effetto isolante del guscio della proteina per il trasferimento diretto di elettroni. In un CGM, questo migliora notevolmente l’ampiezza del segnale dei biosensori elettrochimici.
I ricercatori hanno costruito un CGM proof-of-concept impiegando CQD, in questo caso fatto di solfuro di piombo, e l’elettrodo modificato con AuNS. Hanno scoperto che l’aggiunta degli AuNS in particolare ha migliorato significativamente il segnale di corrente rilevato dal sensore elettrochimico, come era stato sperato.
Combinate, queste alterazioni hanno mostrato grandi potenzialità nel rilevare il glucosio in diversi campioni come sangue, sudore e altri fluidi corporei, e fornisce un biosensore elettrochimico rapido (in meno di 30 secondi), con un ampio raggio di rilevamento e il tipo di ultra-alto sensibilità che il team stava cercando.
I ricercatori mirano ora a prendere il loro CGM proof-of-concept e renderlo producibile su scala commerciale.
Il documento è disponibile anche su SciOpen ( https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5138-0 ) di Tsinghua University Press.