Электрохимический метод измерения уровня глюкозы в крови

Содержание

Современные приборы для самоконтроля уровня сахара крови

Определение уровня глюкозы крови — один из самых распространенных тестов, выполняемых клинико-диагностическими лабораториями. Кроме различных лабораторных методов анализа уровней глюкозы, существует большое число портативных приборов, действующих на основе принципа «сухой химии». Речь идет о так называемых глюкометрах, позволяющих в домашних условиях осуществить эту процедуру. Выбор прибора в каждом индивидуальном случае зависит от многих объективных и субъективных факторов, которые рассмотрены в данной статье.

Историческая справка

Более 100 лет назад было установлено, что употребление углеводов приводит к повышению количества сахара в моче, и больным сахарным диабетом (СД) в качестве лечения советовали не принимать пищу, содержащую углеводы. Единственным методом контроля эффективности таких ограничений являлось частое определение уровня сахара в моче с помощью реактива Бенедикта — раствора, содержащего сульфат меди, лимонную кислоту и карбонат натрия. Для проведения качественного анализа требовалось добавить 8 капель мочи к 5 мл реактива в пробирке и вскипятить раствор, держа его непосредственно над огнем в течение 2 мин. При этом глюкоза мочи окислялась, в результате чего снижалась интенсивность голубого цвета сульфата меди, изменялся цвет раствора и выпадал окрашенный осадок. Цвет и осадок являлись индикаторами уровня глюкозы мочи. Чистый голубой цвет без осадка указывал на отсутствие глюкозы, в то время как изменение цвета — от зеленого с желтым осадком до насыщенного оранжевого или красного — напрямую зависело от количества сахара в моче.

Определение уровня глюкозурии стало наиболее популярным после открытия инсулина в 1921 г. и в дальнейшем использовалось в лечении СД. Однако до 1941 г., т. е. до тех пор пока Walter Compton и Maurice Treneer не изобрели первый химический тест с сухим реактивом в виде таблеток-реагентов Клинитест, не существовало более простого способа контроля глюкозурии. Таблетки содержали такой же реактив, как и в тесте Бенедикта, но в сухой форме с добавлением гидроксида натрия. Жидкостью, необходимой для запуска реакции, являлась моча. Таблетка опускалась в небольшое количество мочи, находящейся в пробирке, и возникала мгновенная реакция с выработкой достаточного количества тепла, приводящего к кипению. Глюкоза мочи окислялась, а насыщенность голубого цвета сульфата меди снижалась, что приводило к изменению цвета раствора — от голубого к зеленому до желтого и оранжевого. Полуколичественный результат оценивался при визуальном сравнении полученного цвета со шкалой-эталоном.

Первые тест-полоски с «сухим реактивом» были продемонстрированы в 1956 г. Речь идет о системе Клинистикс — тест-полоске для определения глюкозы в моче. Все необходимые реагенты (глюкозооксидаза, пероксидаза и хромоген) были инкапсулированы в пористой основе полоски. Такой же ферментный принцип использовался при разработке в 1964 г. Декстростикса — одноразовой тест-полоски для полуколичественного анализа уровня глюкозы крови. Основной компонент сухого реактива содержал три слоя: поддерживающий слой, отражающую зону и реагирующую зону. Вода, необходимая для запуска реакции, содержалась непосредственно в исследуемом компоненте (кровь, плазма, сыворотка, моча). Полученный в результате реакции цвет можно было оценить визуально, сравнив его с напечатанной цветовой шкалой-эталоном. Это позволяло проводить полуколичественный анализ, результат которого в значительной степени зависел от способности пользователя корректно сравнить цвет тест-поля с образцом. Многие пациенты с СД, имеющие проблемы со зрением, не могли правильно оценить полученные результаты, особенно если имелся незначительный переход от голубого цвета к зеленому.

Тест-полоски для измерения глюкозы в моче до сих пор используются как скрининговый метод и очень редко в качестве диагностического метода для коррекции лечения диабета. Несмотря на дешевизну определения уровня глюкозурии, этот метод не позволяет назначить качественное лечение СД, так как не дает возможности выявить гипогликемию, а результаты анализа зависят от многих факторов, влияющих на почечную экскрецию глюкозы у пациента.

Учитывая трудности качественного субъективного анализа уровня гликемии по визуальным тест-полоскам у пациентов с сосудистыми и неврологическими осложнениями СД, производители разработали приборы для оценки изменения цвета тест-поля полоски.

Рефлектометры

Рефлектометры появились в 1969 г. и были представлены компанией Байер АГ. Они измеряли отраженный свет от окрашенной тест-полоски и преобразовывали сигнал в количественное выражение концентрации глюкозы. Первые приборы были тяжелые и громоздкие, требовали ручной калибровки, а тест-полоску необходимо было промывать и промокать прежде, чем поместить в прибор. Основным преимуществом этих глюкометров можно считать то, что результаты измерения уже не были полуколичественными и, несмотря на широкий аналитический диапазон, исключались ошибки измерения, зависящие от умения пользователя визуально оценивать цвет полоски. Однако проблема неправильной интерпретации результатов все еще была актуальной, если исследователь скрупулезно не выполнял все инструкции производителей во время проведения теста. Так, от пользователя зависело соблюдение правил хранения полосок, программирования кода, получения капли крови необходимого размера (около 50 мкл). Также довольно трудно было соблюсти временные рамки нанесения капли крови на тест-полоску и технику ее стирания с тест-поля до определения цвета. Если тест-полоска неправильно помещалась в глюкометр, то результаты теста оказывались непредсказуемыми. Эти глюкометры были так сконструированы, что химическая реакция на тест-поле происходила после размещения тест-полоски в глюкометре, что в дальнейшем требовало обязательного контроля чистоты оптической зоны прибора.

В наше время системы для измерения глюкозы отражающим методом компактны, просты в использовании и требуют минимального участия пользователя, что позволяет свести к минимуму субъективные ошибки. Использование новых технологий (анализатор цвета размещается под тест-полоской) исключило необходимость стирать кровь с полоски. Появились приборы с автоматическим счетом времени, а количество требуемой капли крови для анализа снизилось до 1–2 мкл. Кроме того, глюкометры стали автоматически предупреждать пользователя о возможных ошибках при проведении измерения гликемии.

Биосенсоры

Биосенсоры появились в конце 80-х гг. прошлого столетия и стали первой генерацией тест-полосок, использующих «нестираемую» систему определения гликемии. Биосенсор — это биоэлектрохимический преобразователь, который совместно с портативным анализатором регистрирует электрический сигнал, продуцируемый при биохимической реакции. Во многих приборах используются тест-полоски с сенсором, включающим фермент, который очень специфично ускоряет процесс окисления глюкозы, и медиатор, вовлеченный в окислительно-восстановительную реакцию.

В первом глюкозоопределяющем сенсоре, ExacTech (MediSense), использовался электрод, содержащий глюкозооксидазу в качестве фермента и ферросен в качестве медиатора. Тест-поле сенсора состояло из двух электродов в виде проводящих «дорожек»:

биоактивный рабочий электрод, содержащий глюкозооксидазу и ферросен;
второй электрод, выполняющий функцию вспомогательного электрода и электрода сравнения одновременно.

Сенсоры последней модели имеют три электрода: референсный, базовый и триггерный, — где третий электрод препятствует влиянию на показания глюкометра высоких концентраций мочевой кислоты, аскорбиновой кислоты и парацетамола, «вычитая» электроны метаболитов перечисленных веществ. Присутствие избыточного (по сравнения с нормой) содержания данных соединений может несколько завышать уровень гликемии.

Когда капля крови помещается на тест-поле, глюкоза окисляется до глюконолактона и содержание глюкозы снижается. Высвобождающиеся электроны абсорбируются медиатором ферросеном, и получившееся соединение окисляется на электроде. Поток электронов пропорционален уровню глюкозы крови.

Капля крови в биосенсорах наносится на электрод вне самого прибора и не контактирует с внутренним компонентом глюкометра.

Принципы измерения глюкозы

Первые химические тесты были слишком неспецифичными, так как измеряли не только глюкозу, но и другие сахара и требовали нанесения очень большой капли крови. На сегодняшний день измерение более специфично и меньше подвержено влиянию других сахаров. В настоящее время используются три фермента для измерения гликемии:

глюкозооксидаза;
гексокиназа;
глюкозодегидрогеназа.

Глюкозооксидазный способ больше подвержен влиянию различных лекарств и других эндогенных компонентов крови, чем оба других метода.

Глюкометры

В таблице представлены рефлекторные и биосенсорные системы для измерения глюкозы, зарегистрированные в России. При правильном использовании приборов, согласно рекомендациям производителя, все они в целом отражают достаточно точные показатели уровня глюкозы крови.

Критерии выбора прибора зависят от частоты его использования пациентом, стоимости прибора и тест-полосок, а также других факторов, к которым относятся: размер прибора и дисплея, тип батареек и простота их замены, удобство в использовании, наличие памяти, гарантийного обслуживания. Кроме того, учитываются и приведенные ниже факторы.

Объем крови

За годы использования глюкометров объем крови, необходимый для корректного определения уровня гликемии, значительно снизился. Тест-полоски первой генерации требовали не менее 50 мкл крови, в глюкометрах последнего поколения этот объем — меньше 2 мкл. Пользователь должен знать, что некоторые глюкометры или сенсоры могут показывать заниженный результат, если капля крови недостаточно велика. Кроме того, результат будет ошибочным при дополнительном нанесении капли крови на тест-поле, если первая проба была недостаточной.

На практике пациенты часто путают два основных метода забора крови. Первый — когда кровь капают на полоску — при этом объем крови обычно должен контролировать сам измеряющий. Второй (капиллярный) — когда при касании вставленной в глюкометр полоски капелька крови сама всасывается в нужном объеме, при этом глюкометр «знает», когда начать измерение и когда его закончить. Именно поэтому первый метод требует до 50 мкл, а лучшие образцы второго метода 0,3–3 мкл. Некоторые пациенты, не прочитав инструкцию, пытаются капать кровь, как они давно привыкли, на сенсорную полоску и через неделю приезжают для замены глюкометра, несмотря на полную исправность прибора.

Таким образом, всегда следует учитывать, что при правильном выполнении процедуры измерения любой глюкометр будет давать адекватный результат.

Срок годности тест- полосок и их хранение

Тест-полоски находятся в индивидуальной упаковке или помещаются в специальный тубус, который обычно содержит силикогель (осушитель), чтобы избыточная влажность не воздействовала на реактив. Пользователь должен быть уверен, что контейнер с тест-полосками закрывается сразу же после извлечения полоски, так как оставшиеся тест-полоски должны храниться при определенной температуре, не подвергаться избыточному воздействию тепла или холода. Несмотря на то что тест-полоски стабильны при комнатной температуре и срок годности их составляет около двух лет, неправильное хранение может ускорить разрушение реактива, что становится причиной неправильных результатов измерения гликемии. Тест-полоски не должны использоваться, если превышен срок их годности. Также важно знать, что после вскрытия тубуса срок годности полосок, как правило, не превышает 3–4 мес, у тест-полосок «Акку-Чек Актив» и «Акку-Чек Гоу» — до 1–1,5 лет (независимо от момента вскрытия тубуса).

Влияние гематокрита

При взаимодействии с сухим реактивом тест-полоски плазма крови смачивает сухие химические агенты, что запускает реакцию. Этот механизм подвержен влиянию гематокрита при использовании цельной крови. Пробы крови с высоким гематокритом или повышенной вязкостью могут влиять на скорость или количество абсорбируемой плазмы, механически препятствовать диффузии глюкозы, что в результате занижает показатели гликемии. Соответственно, проба с низким гематокритом завышает уровень глюкозы крови.

Ограничение в использовании

Правильная процедура нанесения пробы крови на тест-полоску должна использоваться при каждом измерении, поэтому глюкометры, в которых применяется цельная кровь, не подходят для некоторых категорий пациентов. Такие глюкометры нельзя использовать у больных с гиперосмолярной гипергликемией, так как показатели гликемии могут быть значительно занижены.

Необходимо учитывать, что некоторые лекарственные препараты и другие вещества, указанные производителем, могут повлиять на интерпретацию результатов измерения. Отражающие или биосенсорные глюкометры, в которых используется глюкозооксидазный метод измерения гликемии, подвержены влиянию высокого уровня липидов или билирубина крови, парацетамола, витамина С или мочевой кислоты.

Безопасность или перекрестное инфицирование

Безопасность использования прибора напрямую не влияет на показатели измерения гликемии, но здоровье пациента и медперсонала может подвергаться перекрестному инфицированию при проведении анализа. Безопасность особенно важна при использовании прибора у нескольких пациентов (например, в стационаре), когда нужно быть уверенным, что выбранный прибор и ланцеты наиболее приемлемы в данной ситуации и не являются переносчиками инфекции. Медперсонал должен менять тест-полоски и при необходимости очищать тест-зону прибора между измерениями гликемии у разных пациентов, что особенно важно при использовании глюкометров в специализированных детских стационарах для исключения риска перекрестной инфекции.

Калибровка прибора

Несмотря на то что глюкометры и сенсоры калибруются производителем, пользователи также должны иметь информацию о калибровке каждой упаковки тест-полосок или электродов. Обычно в программу вручную вносятся изменения кода при помощи специальной кнопки кода на приборе. Так как калибровка значительно влияет на результаты измерения гликемии, производители попытались свести к минимуму ошибку оператора при мануальном изменении кода следующими способами:

информация о коде находится в тест-полоске, ее самостоятельно «считывает» глюкометр;
каждая партия тест-полосок имеет калибровочный ключ, который вставляется в глюкометр;
каждая партия тест-полосок имеет калибровочные полоски для переноса необходимой информации в глюкометр.

Практически все глюкометры для измерения уровня глюкозы в крови используют цельную капиллярную кровь. В приборах, калиброванных по цельной крови, значения гликемии отличаются от таковых, полученных при использовании глюкометра, калиброванного по плазме, о чем следует помнить при интерпретации полученных результатов.

Субъективные факторы, влияющие на результаты измерения

Глюкометры широко применяются как пациентами, так и медицинскими работниками, начиная от среднего медперсонала и заканчивая профессиональными диабетологами, поэтому результаты исследования зависят от способности оператора следовать инструкции производителя. Приборы для индивидуального использования должны характеризоваться минимальным количеством манипуляций и быть простыми в использовании, чтобы снизить вероятность некорректного измерения гликемии. Прежде чем рекомендовать определенный прибор для домашнего использования, необходимо определить возможности и навыки пациента в проведении такого рода манипуляций. Ниже представлены наиболее характерные особенности измерения гликемии, помогающие минимизировать количество ошибок оператора и повысить качество измерения уровня глюкозы крови. Системы, не требующие стирания крови, отличаются наименьшим количеством ошибок, связанных с действием оператора.

Преимущества современных глюкометров, позволяющие исключить ошибку пользователя:

минимальное участие пользователя;
нанесение калибровочной информации на электронный чип или калибровочную полоску;
минимальный объем крови;
капиллярный забор крови;
автоматический отсчет времени измерения;
отсутствие необходимости стирать кровь с тест-поля полоски;
электронное предупреждение об ошибках пользователя;
обязательный контроль качества процедуры измерения.