Medizintechnik 28.01.2020, 07:00 Uhr

Den Blutzucker nicht invasiv messen – per Raman-Spektroskopie

Für Diabetiker sind regelmäßige Blutzuckermessungen unangenehm. Doch die Raman-Spektroskopie könnte sich für berührungslose Messungen eignen, berichten MIT-Ingenieure. Sie wollen „künstliche Bauchspeicheldrüsen“ entwickeln.

Glukosesensor

Berührungsloser Glukosesensor auf Basis eines Ramanspektrometers.

Foto: Jeon Woong Kang/MIT

Patienten mit Typ-1- oder Typ-2-Diabetes müssen ihren Blutzuckerspiegel mehrmals täglich messen, um sicherzustellen, dass sie sich im Normbereich bewegen. Zu hohe oder zu tiefe Werte können lebensbedrohlich werden, aber selbst geringe Abweichungen führen zu mehr Folgeerkrankungen. Dazu zählen Netzhauterkrankungen (Retinopathien) oder schlecht heilenden Wunden, bekannt als diabetisches Fußsyndrom. Solche Komplikationen sind bekannt. Trotzdem haben Befragungen gezeigt, dass nur jeder zweite Diabetiker konsequent und regelmäßig seinen Blutzucker bestimmt. Das liegt vor allem daran, dass Patienten Schmerzen durch Stiche in den Finger scheuen.

Eine mögliche Alternative ist die Raman-Spektroskopie als nicht-invasive Technik. Man bestrahlt Gewebe mit Nahinfrarotlicht und kann anhand der Absorption elektromagnetischer Strahlung Rückschlüsse auf die Konzentration von Inhaltsstoffen wie Glukose ziehen. Jetzt ist es Wissenschaftlern am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge gelungen, das Verfahren praktisch nutzbar zu machen. Sie haben gezeigt, dass man die Glukosekonzentrationen direkt durch die Haut hindurch messen kann. Bisher musste der Glukosespiegel indirekt berechnet werden, basierend auf einem Vergleich zwischen Raman-Signalen und einer Referenzmessung des Blutzuckerspiegels.

Frühere Experimente: Viele Störfaktoren verfälschten das Ergebnis

Das Laser-Biomedizinische Forschungszentrum des MIT arbeitet seit mehr als 20 Jahren an Glukosesensoren, die auf Raman-Spektroskopie basieren. Ein für die Raman-Spektroskopie verwendete Nah-Infrarot-Laserstrahl kann nur wenige Millimeter in das Gewebe eindringen. Dieses Problem ließ sich mit Verbesserungen der Strahlenquelle lösen, sodass auch tieferliegende Schichten zugänglich wurden.

Doch eine Schwäche blieb bestehen: Das von Glukosemolekülen erzeugte Signal wird von den vielen anderen Gewebekomponenten in der Haut überlagert. „Wenn Sie das Signal aus dem Gewebe messen, kommen die meisten starken Signale von festen Bestandteilen wie Proteinen, Lipiden und Kollagen“, sagt Jeon Woong Kang vom MIT. „Glukose hat nur einen geringen Anteil am Gesamtsignal. Deshalb konnten wir bisher das Glukosesignal aus dem gemessenen Signal nicht wirklich herausfiltern.“

Um dies zu umgehen, hat das MIT-Team Möglichkeiten entwickelt, den Glukosespiegel indirekt zu berechnen, indem Raman-Daten aus Hautproben mit den Glukosekonzentrationen in gleichzeitig entnommenen Blutproben verglichen werden. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine häufige Kalibrierung, und entsprechende Vorhersagen können durch Bewegungen des Probanden oder Änderungen der Umweltbedingungen gestört werden.

Messmethode mit gebeugtem Laserlicht

Für die neue Studie haben die Forscher einen neuen Ansatz entwickelt, der es ihnen ermöglicht, das Glukosesignal direkt zu messen. Der neue Aspekt ihrer Technik besteht darin, dass sie das Nah-Infrarot-Licht in einem Winkel von etwa 60 Grad auf die Haut strahlen, das resultierende Raman-Signal jedoch senkrecht zur Haut zu detektieren. Dies führt zu einem stärkeren Gesamtsignal, weil unerwünschte Signalanteile von der Hautoberfläche herausgefiltert wurden.

Die Forscher testeten ihr neues System an Schweinen und stellten fest, dass sie nach einer 10- bis 15-minütigen Kalibrierung bis zu einer Stunde lang genaue Glukosemesswerte ermitteln konnten – anders als bei früheren Tests. Sie verifizierten die Messwerte, indem sie sie mit Glukosemessungen aus Blutproben verglichen. „Dies ist das erste Mal, dass wir das Glukosesignal aus dem Gewebe direkt transdermal beobachtet haben, ohne dass wir viele Berechnungen erforderlich sind“, so Kang.

Anpassung auf Bedürfnisse von Patienten

Im Tierexperiment hat das neue diagnostische System seine Leistungsfähigkeit bewiesen. Noch bevor klinische Studien folgen, wollen Kang und seine Kollegen erst einmal die Technik optimieren. Noch hat ihre Messeinheit die Größe eines Desktop-Druckers. Diabetiker benötigen jedoch kleine, mobile Varianten.

Langfristig hoffen die Forscher, ein tragbares Device zu entwickeln, das kontinuierliche Messungen vornimmt. Warum ist das so wichtig? Einzelne Messungen, wie derzeit per Blutprobe, liefern nur zufallsartige Ausschnitte der Stoffwechsellage. Unterzucker (Hypoglykämien) oder erhöhte Werte (Hyperglykämien) bleiben oft unentdeckt, werden aber gefährlich. Das Raman-Spektrometer könnte mittelfristig Teil von Systemen mit geschlossenen Regelkreisen (Closed Loop) werden. Das Raman-Spektrometer bestimmt den Blutzucker, und eine Software steuert mehrere Pumpen. Sie dosieren Insulin, um den Blutzucker abzusenken, oder dessen Gegenspieler Glucagon. Damit – so die Theorie – könnte man eine künstliche Bauchspeicheldrüse entwickeln.

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