Технологии непрерывного мониторирования гликемии: успехи и перспективы
https://doi.org/10.14341/probl201561454-72
Аннотация
Непрерывное мониторирование гликемии (НМГ) - относительно новая и активно развивающаяся технология оптимизации гликемического контроля у пациентов с сахарным диабетом. Доказана эффективность применения НМГ для улучшения показателей гликемии во многих клинических ситуациях (бессимптомные гипогликемии, высокая вариабельность гликемии и др.). В перспективе НМГ рассматривают как обязательный компонент «искусственной поджелудочной железы» - инсулиновой помпы с замкнутым контуром управления инфузией инсулина в зависимости от концентрации глюкозы в крови. Однако из-за существенных ограничений и недостаточной высокой точности использование показателей НМГ в качестве источника данных в замкнутом контуре управления инсулиновой помпой невозможно. Дальнейшее развитие технологий НМГ, очевидно, будет направлено на решение трех основных задач: увеличения срока службы сенсоров для детекции глюкозы, повышения точности результатов измерений и удобства использования для пациентов. В статье рассмотрены основные технологические решения современных приборов для НМГ и перспективные направления дальнейших разработок в данной области, их потенциальные преимущества и недостатки, в том числе в свете возможности их дальнейшей интеграции в «искусственную поджелудочную железу».
Ключевые слова
Об авторах
Юрий Владимирович ТарасовРоссия
научный сотрудник, Институт диабета ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России, Москва
Конфликт интересов: нет конфликта интересов
Юрий Иванович Филиппов
Россия
научный сотрудник Отделения программного обучения и лечения Института диабета ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России, Москва
Конфликт интересов: нет конфликта интересов
Екатерина Андреевна Борисова
Россия
лаборант, Институт диабета ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России, студентка лечебного факультета ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова, Москва
Конфликт интересов: нет конфликта интересов
Елена Анатольевна Федорова
Россия
научный сотрудник Отделения программного обучения и лечения Института диабета ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России, Москва
Конфликт интересов: нет конфликта интересов
Александр Юрьевич Майоров
Россия
доктор медицинских наук, заведующий отделением программного обучения и лечения Института диабета ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России, Москва
Конфликт интересов: нет конфликта интересов
Марина Владимировна Шестакова
Россия
доктор медицинских наук, профессор, член-корр. РАН, Директор института диабета ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Минздрава России; заведующая кафедрой диабетологии и эндокринологии педиатрического факультета ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Конфликт интересов: нет конфликта интересов
Список литературы
1. The effect of intensive treatment of diabetes on the development and progression of long-term complications in insulin-dependent diabetes mellitus. The Diabetes Control and Complications Trial Research Group. N Engl J Med. 1993;329(14):977-986. doi: 10.1056/nejm199309303291401.
2. American Diabetes Association. Standards of Medical Care in Diabetes—2015. Chapter 6: Glycemic Targets. Diabetes Care. 2014;38(Supplement_1):S33-S40. doi: 10.2337/dc15-S009.
3. Dedov II, Shestakova MV, Galstyan GR, et al. Standards of specialized diabetes care. Edited by Dedov I.I., Shestakova M.V. (7th edition). Diabetes mellitus. 2015;18(1S):1. doi: 10.14341/dm20151s1-112.
4. Reach G, Wilson GS. Can continuous glucose monitoring be used for the treatment of diabetes. Anal Chem. 1992;64(6):381a-386a.
5. Philippov YI. Continuous monitoring of blood glucose in the practice of endocrinologist. Obesity and Metabolism. 2012(4):15-22. doi: 10.14341/2071-8713-5124.
6. Newman JD, Turner AP. Home blood glucose biosensors: a commercial perspective. Biosens. Bioelectron. 2005;20(12):2435-2453. doi: 10.1016/j.bios.2004.11.012.
7. Vaddiraju S, Tomazos I, Burgess DJ, et al. Emerging synergy between nanotechnology and implantable biosensors: a review. Biosens. Bioelectron. 2010;25(7):1553-1565. doi: 10.1016/j.bios.2009.12.001.
8. Renard E. Implantable continuous glucose sensors. Current diabetes reviews. 2008;4(3):169-174. doi: 10.2174/157339908785294406.
9. Garg S, Zisser H, Schwartz S, et al. Improvement in glycemic excursions with a transcutaneous, real-time continuous glucose sensor: a randomized controlled trial. Diabetes Care. 2006;29(1):44-50. doi: 10.2337/diacare.29.01.06.dc05-1686.
10. Liao KC, Hogen-Esch T, Richmond FJ, et al. Percutaneous fiber-optic sensor for chronic glucose monitoring in vivo. Biosens. Bioelectron. 2008;23(10):1458-1465. doi: 10.1016/j.bios.2008.01.012.
11. Rhee SY, Chon S, Koh G, et al. Clinical experience of an iontophoresis based glucose measuring system. J. Korean Med. Sci. 2007;22(1):70-73. Pmc2693572.
12. Park EJ, Werner J, Beebe J, et al. Noninvasive ultrasonic glucose sensing with large pigs (approximately 200 pounds) using a lightweight cymbal transducer array and biosensors. J Diabetes Sci Technol. 2009;3(3):517-523. doi: 10.1177/193229680900300316.
13. Oliver NS, Toumazou C, Cass AE, Johnston DG. Glucose sensors: a review of current and emerging technology. Diabet. Med. 2009;26(3):197-210. doi: 10.1111/j.1464-5491.2008.02642.x.
14. Robert JJ. Continuous monitoring of blood glucose. Horm Res. 2002;57 Suppl 1:81-84. doi: 53321.
15. Caduff A, Talary MS, Mueller M, et al. Non-invasive glucose monitoring in patients with Type 1 diabetes: a Multisensor system combining sensors for dielectric and optical characterisation of skin. Biosens. Bioelectron. 2009;24(9):2778-2784. doi: 10.1016/j.bios.2009.02.001.
16. Joshi PP, Merchant SA, Wang Y, Schmidtke DW. Amperometric biosensors based on redox polymer-carbon nanotube-enzyme composites. Anal. Chem. 2005;77(10):3183-3188. doi: 10.1021/ac0484169.
17. Vaddiraju S, Burgess DJ, Tomazos I, et al. Technologies for Continuous Glucose Monitoring: Current Problems and Future Promises. J Diabetes Sci Technol. 2010;4(6):1540-1562. doi: 10.1177/193229681000400632.
18. Yamazaki T, Kojima K, Sode K. Extended-range glucose sensor employing engineered glucose dehydrogenases. Anal. Chem. 2000;72(19):4689-4693.
19. Yuan JH, Wang K, Xia XH. Highly Ordered Platinum-Nanotubule Arrays for Amperometric Glucose Sensing. Adv. Funct. Mater. 2005;15(5):803-809. doi: 10.1002/adfm.200400321.
20. Wang J, Thomas DF, Chen A. Nonenzymatic electrochemical glucose sensor based on nanoporous PtPb networks. Anal. Chem. 2008;80(4):997-1004. doi: 10.1021/ac701790z.
21. Tura A, Maran A, Pacini G. Non-invasive glucose monitoring: assessment of technologies and devices according to quantitative criteria. Diabetes Res. Clin. Pract. 2007;77(1):16-40. doi: 10.1016/j.diabres.2006.10.027.
22. Pickup JC, Hussain F, Evans ND, et al. Fluorescence-based glucose sensors. Biosens. Bioelectron. 2005;20(12):2555-2565. doi: 10.1016/j.bios.2004.10.002.
23. Moschou EA, Sharma BV, Deo SK, Daunert S. Fluorescence glucose detection: advances toward the ideal in vivo biosensor. J Fluoresc. 2004;14(5):535-547.
24. Barone PW, Parker RS, Strano MS. In vivo fluorescence detection of glucose using a single-walled carbon nanotube optical sensor: design, fluorophore properties, advantages, and disadvantages. Anal. Chem. 2005;77(23):7556-7562. doi: 10.1021/ac0511997.
25. Barone PW, Strano MS. Reversible control of carbon nanotube aggregation for a glucose affinity sensor. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2006;45(48):8138-8141. doi: 10.1002/anie.200603138.
26. Domschke A, March WF, Kabilan S, Lowe C. Initial clinical testing of a holographic non-invasive contact lens glucose sensor. Diabetes Technol. Ther. 2006;8(1):89-93. doi: 10.1089/dia.2006.8.89.
27. Gabbay RA, Sivarajah S. Optical coherence tomography-based continuous noninvasive glucose monitoring in patients with diabetes. Diabetes Technol Ther. 2008;10(3):188-193. doi: 10.1089/dia.2007.0277.
28. Rawer R, Stork W, Muller-Glaser KD. Polarimetric methods for measurement of intra ocular glucose concentration. Biomed. Tech. (Berl.). 2002;47 Suppl 1 Pt 1:186-188. doi: 10.1515/bmte.2002.47.s1a.186.
29. Harman-Boehm I, Gal A, Raykhman AM, et al. Noninvasive glucose monitoring: increasing accuracy by combination of multi-technology and multi-sensors. J Diabetes Sci Technol. 2010;4(3):583-595. doi: 10.1177/193229681000400312.
30. Sieg A, Guy RH, Delgado-Charro MB. Noninvasive and minimally invasive methods for transdermal glucose monitoring. Diabetes Technol. Ther. 2005;7(1):174-197. doi: 10.1089/dia.2005.7.174.
31. Weiss R, Yegorchikov Y, Shusterman A, Raz I. Noninvasive continuous glucose monitoring using photoacoustic technology-results from the first 62 subjects. Diabetes Technol Ther. 2007;9(1):68-74. doi: 10.1089/dia.2006.0059.
32. Lyandres O, Yuen JM, Shah NC, et al. Progress toward an in vivo surface-enhanced Raman spectroscopy glucose sensor. Diabetes Technol. Ther. 2008;10(4):257-265. doi: 10.1089/dia.2007.0288.
33. Alexeev VL, Das S, Finegold DN, Asher SA. Photonic crystal glucose-sensing material for noninvasive monitoring of glucose in tear fluid. Clin. Chem. 2004;50(12):2353-2360. doi: 10.1373/clinchem.2004.039701.
34. Huber D, Talary M, Dewarrat F, Caduff A. The compensation of perturbing temperature fluctuation in glucose monitoring technologies based on impedance spectroscopy. Med Biol Eng Comput. 2007;45(9):863-876. doi: 10.1007/s11517-007-0229-3.
35. Gourzi M, Rouane A, Guelaz R, et al. Study of a new electromagnetic sensor for glycaemia measurement: in vitro results on blood pig. J. Med. Eng. Technol. 2003;27(6):276-281. doi: 10.1080/0309190031000098845.
36. ISO 15197:2013. In vitro diagnostic test systems -- Requirements for blood-glucose monitoring systems for self-testing in managing diabetes mellitus. 2013:46.
37. Clarke WL, Kovatchev B. Continuous Glucose Sensors: Continuing Questions about Clinical Accuracy. J Diabetes Sci Technol. 2007;1(5):669-675. doi: 10.1177/193229680700100510.
38. D'Archangelo MJ. New guideline supports the development and evaluation of continuous interstitial glucose monitoring devices. J Diabetes Sci Technol. 2008;2(2):332-334. Pmc2771489.
39. Kovatchev BP, Gonder-Frederick LA, Cox DJ, Clarke WL. Evaluating the accuracy of continuous glucose-monitoring sensors: continuous glucose-error grid analysis illustrated by TheraSense Freestyle Navigator data. Diabetes Care. 2004;27(8):1922-1928.
40. Clarke WL, Cox D, Gonder-Frederick LA, et al. Evaluating clinical accuracy of systems for self-monitoring of blood glucose. Diabetes Care. 1987;10(5):622-628. doi: 10.2337/diacare.10.5.622.
41. Parkes JL, Slatin SL, Pardo S, Ginsberg BH. A new consensus error grid to evaluate the clinical significance of inaccuracies in the measurement of blood glucose. Diabetes Care. 2000;23(8):1143-1148. doi: 10.2337/diacare.23.8.1143.
42. Onuki Y, Bhardwaj U, Papadimitrakopoulos F, Burgess DJ. A review of the biocompatibility of implantable devices: current challenges to overcome foreign body response. J Diabetes Sci Technol. 2008;2(6):1003-1015. doi: 10.1177/193229680800200610.
43. Lodwig V, Heinemann L. Continuous glucose monitoring with glucose sensors: calibration and assessment criteria. Diabetes Technol. Ther. 2003;5(4):572-586. doi: 10.1089/152091503322250596.
44. Cembrowski GC, Smith B, O'Malley EM. Increases in whole blood glucose measurements using optically based self-monitoring of blood glucose analyzers due to extreme Canadian winters. J Diabetes Sci Technol. 2009;3(4):661-667. doi: 10.1177/193229680900300407.
45. Wentholt IM, Hart AA, Hoekstra JB, Devries JH. Relationship between interstitial and blood glucose in type 1 diabetes patients: delay and the push-pull phenomenon revisited. Diabetes Technol. Ther. 2007;9(2):169-175. doi: 10.1089/dia.2006.0007.
46. Tipnis R, Vaddiraju S, Jain F, et al. Layer-by-layer assembled semipermeable membrane for amperometric glucose sensors. J Diabetes Sci Technol. 2007;1(2):193-200. doi: 10.1177/193229680700100209.
47. O'Brien KB, Killoran SJ, O'Neill RD, Lowry JP. Development and characterization in vitro of a catalase-based biosensor for hydrogen peroxide monitoring. Biosens. Bioelectron. 2007;22(12):2994-3000. doi: 10.1016/j.bios.2006.12.020.
48. Kim SN, Rusling JF, Papadimitrakopoulos F. Carbon Nanotubes for Electronic and Electrochemical Detection of Biomolecules. Adv. Mater. 2007;19(20):3214-3228. doi: 10.1002/adma.200700665.
49. Palys B, Bokun A, Rogalski J. Poly-o-phenylenediamine as redox mediator for laccase. Electrochimica Acta. 2007;52(24):7075-7082. doi: 10.1016/j.electacta.2007.05.029.
50. Kay CW, Mennenga B, Gorisch H, Bittl R. Structure of the pyrroloquinoline quinone radical in quinoprotein ethanol dehydrogenase. J. Biol. Chem. 2006;281(3):1470-1476. doi: 10.1074/jbc.M511132200.
51. McNichols RJ, Cote GL. Optical glucose sensing in biological fluids: an overview. J Biomed Opt. 2000;5(1):5-16. doi: 10.1117/1.429962.
52. Barone PW, Strano MS. Single walled carbon nanotubes as reporters for the optical detection of glucose. J Diabetes Sci Technol. 2009;3(2):242-252. doi: 10.1177/193229680900300204.
53. Updike SJ, Shults MC, Rhodes RK, et al. Enzymatic glucose sensors. Improved long-term performance in vitro and in vivo. ASAIO J. 1994;40(2):157-163. doi: 10.1097/00002480-199404000-00007.
54. Wang J. Glucose Biosensors: 40 Years of Advances and Challenges. Electroanalysis. 2001;13(12):983-988. doi: 10.1002/1521-4109(200108)13:12<983::AID-ELAN983>3.0.CO;2-#.
55. Galeska I, Chattopadhyay D, Moussy F, Papadimitrakopoulos F. Calcification-resistant Nafion/Fe3+ assemblies for implantable biosensors. Biomacromolecules. 2000;1(2):202-207. doi: 10.1021/bm0002813.
56. Praveen SS, Hanumantha R, Belovich JM, Davis BL. Novel hyaluronic acid coating for potential use in glucose sensor design. Diabetes Technol. Ther. 2003;5(3):393-399. doi: 10.1089/152091503765691893.
57. Bhardwaj U, Sura R, Papadimitrakopoulos F, Burgess DJ. Controlling acute inflammation with fast releasing dexamethasone-PLGA microsphere/pva hydrogel composites for implantable devices. J Diabetes Sci Technol. 2007;1(1):8-17. doi: 10.1177/193229680700100103.
58. Patil SD, Papadmitrakopoulos F, Burgess DJ. Concurrent delivery of dexamethasone and VEGF for localized inflammation control and angiogenesis. J. Control. Release. 2007;117(1):68-79. doi: 10.1016/j.jconrel.2006.10.013.
59. Nichols SP, Koh A, Storm WL, et al. Biocompatible materials for continuous glucose monitoring devices. Chem. Rev. 2013;113(4):2528-2549. doi: 10.1021/cr300387j.
60. Popat KC, Eltgroth M, Latempa TJ, et al. Decreased Staphylococcus epidermis adhesion and increased osteoblast functionality on antibiotic-loaded titania nanotubes. Biomaterials. 2007;28(32):4880-4888. doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.07.037.
61. Narayan RJ, Aggarwal R, Wei W, et al. Mechanical and biological properties of nanoporous carbon membranes. Biomed Mater. 2008;3(3):034107. doi: 10.1088/1748-6041/3/3/034107.
62. Frost MC, Meyerhoff ME. Fabrication and in vivo evaluation of nitric oxide-releasing electrochemical oxygen-sensing catheters. Methods Enzymol. 2004;381:704-715. doi: 10.1016/s0076-6879(04)81045-0.
63. Phadtare S, Vinod VP, Wadgaonkar PP, et al. Free-standing nanogold membranes as scaffolds for enzyme immobilization. Langmuir. 2004;20(9):3717-3723. doi: 10.1021/la035870j.
64. Gerritsen M, Jansen JA, Lutterman JA. Performance of subcutaneously implanted glucose sensors for continuous monitoring. Neth J Med. 1999;54(4):167-179.
65. Yu B, Moussy Y, Moussy F. Coil-type implantable glucose biosensor with excess enzyme loading. Front. Biosci. 2005;10:512-520. doi: 10.2741/1547.
66. Chen T, Barton SC, Binyamin G, et al. A miniature biofuel cell. J. Am. Chem. Soc. 2001;123(35):8630-8631.
67. Mano N, Mao F, Heller A. Characteristics of a miniature compartment-less glucose-O2 biofuel cell and its operation in a living plant. J. Am. Chem. Soc. 2003;125(21):6588-6594. doi: 10.1021/ja0346328.
68. Kvist PH, Iburg T, Aalbaek B, et al. Biocompatibility of an enzyme-based, electrochemical glucose sensor for short-term implantation in the subcutis. Diabetes Technol. Ther. 2006;8(5):546-559. doi: 10.1089/dia.2006.8.546.
69. McMahon CP, O'Neill RD. Polymer-enzyme composite biosensor with high glutamate sensitivity and low oxygen dependence. Anal. Chem. 2005;77(4):1196-1199. doi: 10.1021/ac048686r.
70. Errachid A, Ivorra A, Aguiló J, et al. New technology for multi-sensor silicon needles for biomedical applications. Sensors Actuators B: Chem. 2001;78(1–3):279-284. doi: 10.1016/S0925-4005(01)00826-7.
71. Johnson KW, Mastrototaro JJ, Howey DC, et al. In vivo evaluation of an electroenzymatic glucose sensor implanted in subcutaneous tissue. Biosens. Bioelectron. 1992;7(10):709-714. doi: 10.1016/0956-5663(92)85053-D.
72. Steiner M-S, Duerkop A, Wolfbeis OS. Optical methods for sensing glucose. Chem. Soc. Rev. 2011;40(9):4805-4839. doi: 10.1039/C1CS15063D.
Рецензия
Для цитирования:
Тарасов Ю.В., Филиппов Ю.И., Борисова Е.А., Федорова Е.А., Майоров А.Ю., Шестакова М.В. Технологии непрерывного мониторирования гликемии: успехи и перспективы. Проблемы Эндокринологии. 2015;61(4):54-72. https://doi.org/10.14341/probl201561454-72
For citation:
Tarasov Yu.V., Philippov Yu.I., Borisova E.A., Fedorova E.A., Mayorov A.Yu., Shestakova M.V. Continuous glucose monitoring technologies: state of the art and future perspectives in view of artificial pancreas. Problems of Endocrinology. 2015;61(4):54-72. https://doi.org/10.14341/probl201561454-72

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY-NC-ND 4.0).