Onderzoekers vergroten de nauwkeurigheid van thuisgebaseerde continue glucosemonitoring

Elektrochemische biosensor die PbS colloïdale kwantumdots/Au nanosferen-gemodificeerde elektrode gebruikt voor ultragevoelige glucosedetectie. Credit: Nano-onderzoek (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-5138-0

Thuis gebaseerde continue glucosemonitoring voor diabetici moest tot nu toe gebruiksgemak, lage kosten en draagbaarheid inruilen voor een iets lagere gevoeligheid – en dus nauwkeurigheid – in vergelijking met vergelijkbare systemen in klinieken of ziekenhuizen. Een team van onderzoekers heeft nu een biosensor ontwikkeld voor dergelijke monitoren die “nul-dimensionale” kwantumdots (QD’s) en gouden nanosferen (AuNS’s) omvat en niet langer hoeft in te leveren op nauwkeurigheid.

In het tijdschrift verscheen een paper waarin het ontwerp van de biosensor en de verbeterde prestaties werden beschreven Nano-onderzoek op 9 november 2022.

In de afgelopen jaren is de ontwikkeling van technologie voor continue glucosemonitoring (CGM) een grote zegen geweest voor mensen met diabetes. In tegenstelling tot het testen van de bloedsuikerspiegel voor het eten en voor het slapen gaan, heeft de real-time, snelle en nauwkeurige detectie van glucosewaarden van altijd ingeschakelde CGM-apparaten de behandeling van diabetes aanzienlijk verbeterd.

Glucosetrends kunnen gemakkelijker worden gevolgd, waardoor veranderingen in voeding, lichaamsbeweging en medicijnen in een diabeteszorgplan gedurende de dag gemakkelijker kunnen worden doorgevoerd, en er gaan alarmen af ​​wanneer de glucosespiegel te hoog of te laag wordt, waardoor informatie naar het individu of naar de ouders wordt verzonden , partners of verzorgers.

CGM’s werken meestal via een kleine biosensor die onder de huid is ingebed en die het glucosegehalte in de vloeistof tussen cellen meet. Deze sensor controleert dergelijke niveaus om de paar minuten en stuurt die informatie naar een monitor. De monitor kan ook worden aangesloten op een insulinepomp.

Er zijn verschillende technieken voor glucosedetectie ontwikkeld, waaronder colorimetrie, infraroodspectroscopie, fluorescentiespectroscopie en massaspectrometrie. Maar voor thuisgebruik in plaats van in een kliniek of ziekenhuis, is elektrochemische glucosedetectie de meest algemeen aanvaarde techniek vanwege de snelle respons, het gebruiksgemak, de lage kosten en de draagbaarheid.

“Het heeft ook een behoorlijke gevoeligheid, maar geen uitstekende gevoeligheid”, zegt Huan Liu, een specialist in micro-elektronica bij de School of Optical and Electronic Information aan de Huazhong University of Science and Technology. “Niet vergeleken met andere technieken die in de gezondheidszorg worden gebruikt. Dus we wilden zien of we die gevoeligheid een beetje konden stimuleren en zo de nauwkeurigheid ervan konden verbeteren.”

Elektrochemische glucosesensoren kunnen worden geclassificeerd als op enzymen gebaseerde sensoren en niet op enzymen gebaseerde sensoren. Voor de op enzymen gebaseerde elektrochemische glucosesensoren wordt glucose-oxidase (GOx) – een enzym dat oxidatie-reductie chemische reacties versnelt (katalyseert) – veel gebruikt om glucose op het oppervlak van de CGM-sensorelektrode te oxideren.

De elektrode trekt elektronen uit de glucose aan (oxideert ze) en genereert daarbij een elektrische stroom die varieert afhankelijk van de glucosespiegel. GOx wordt hiervoor veel gebruikt vanwege de hoge selectiviteit voor glucose (het vermogen om te selecteren op glucose en niet op andere stoffen), hoge stabiliteit en hoge activiteit over een breed scala aan pH-waarden.

Wanneer GOx echter direct wordt gecombineerd met het kale elektrode-oppervlak, wordt niet alleen GOx zelf gemakkelijk geëxfolieerd (ontdaan van sommige van zijn lagen), maar kan ook de biologische activiteit en stabiliteit ervan worden aangetast. Bovendien is de efficiëntie van de elektronenoverdracht tussen de GOx en het elektrode-oppervlak een sleutelfactor die de gevoeligheid van de sensor bepaalt.

Tot nu toe zijn talloze pogingen gedaan om het GOx-enzym steviger aan de elektrode te laten hechten, waardoor de directe elektronenoverdracht tussen de elektroactieve centra (plaatsen van elektronenactiviteit) en het elektrode-oppervlak wordt verbeterd. Een opmerkelijke poging omvat het gebruik van elektroden die op nanoschaal zijn ontworpen om structuren op de elektrode te hebben die grotere oppervlakken en een hoge elektrokatalytische activiteit bieden.

Helaas vergroten deze nanostructuren de complexiteit van het fabriceren van dergelijke elektrochemische biosensoren. Hun constructie is ook gebaseerd op het synthetische polymeer Nafion als een steiger, die een barrière vormt voor de ladingsoverdracht over de interface tussen de sensor en de vloeistof die wordt getest.

De onderzoekers zijn dus een heel andere kant op gegaan. Het team streefde naar het verbeteren van de glucosedetectieprestaties door colloïdale kwantumdots (CQD’s) te gebruiken als materiaal voor het aanpassen van de elektrode. CQD’s zijn “nul”-dimensionale halfgeleider nanodeeltjes. (Het zijn eigenlijk geen nuldimensies, maar eerder gewoon extreem kleine diameters, typisch variërend van 2 tot 20 nm). Deze hebben een overvloed aan actieve sites – locaties waar chemische reacties kunnen optreden – en binden zeer stabiel aan biologische eiwitmoleculen.

Sterker nog, vanwege hun zeer kleine formaat ondergaan CQD’s kwantumeffecten zoals kwantumtunneling, en kan de ladingsoverdracht op de CQD-eiwitinterface worden gereguleerd door de toepassing van een extern elektrisch veld. CQD’s zijn ook compatibel met een reeks verschillende stijve en flexibele substraatmaterialen, waardoor ze gemakkelijker te produceren zijn.

Om dit effect te versterken, integreerden de onderzoekers gouden nanosferen (AuNSs) in de structuur van de sensorelektrode. Dit zijn ultrakleine bolvormige nanodeeltjes met een diameter van 10 tot 200 nm. Vanwege hun unieke fysische en chemische eigenschappen worden ze steeds vaker gebruikt in biosensing-toepassingen.

Met name wanneer ze worden gebruikt als een component in enzymatische elektrochemische biosensoren, zorgen AuNS’s ervoor dat eiwitenzymen hun biologische activiteit behouden bij hechting aan oppervlakken en verminderen ze het isolerende effect van de schaal van het eiwit voor directe elektronenoverdracht. In een CGM verbetert dit de signaalamplitude van de elektrochemische biosensoren aanzienlijk.

De onderzoekers construeerden een proof-of-concept CGM met behulp van CQD’s – in dit geval gemaakt van loodsulfide – en de AuNSs-gemodificeerde elektrode. Ze ontdekten dat met name de toevoeging van de AuNS’s het door de elektrochemische sensor gedetecteerde stroomsignaal aanzienlijk verbeterde, zoals gehoopt.

Gecombineerd toonden deze veranderingen een groot potentieel bij het detecteren van glucose in verschillende monsters, zoals bloed, zweet en ander lichaamsvocht, en leverden ze een snelle (in minder dan 30 seconden) elektrochemische biosensor op, met een breed detectiebereik en het soort ultrahoge gevoeligheid het team zocht.

De onderzoekers streven er nu naar om hun proof-of-concept CGM te nemen en het op commerciële schaal produceerbaar te maken.