Меню

Электрохимическое определение концентрации глюкозы в крови

Современные методы определения глюкозы

Герасименко В.А., к.м.н., Куриляк О.А., к.б.н.

Из архива газеты «Новости А/О Юнимед»

Определение концентрации глюкозы в крови – одно из наиболее часто выполняемых биохимических исследований в КДЛ. Причина исключительной популярности теста связана с высокой заболеваемостью сахарным диабетом. Данный тест выполняется как в условиях стационара, так и в поликлиниках. Больные сахарным диабетом вынуждены исследовать уровень глюкозы в крови в домашних условиях, поскольку без этой информации им трудно скорректировать свою диету, физические нагрузки, применение инсулина и других сахароснижающих препаратов. Исключительная важность теста и большие объемы выполняемых исследований стимулировали разработчиков к созданию различных типов приборов и методов определения концентрации глюкозы в крови.

В настоящее время существует достаточно много методов определения глюкозы. Их можно классифицировать следующим образом.

Методы определения глюкозы в сыворотке крови

— фотометрический по конечной точке

— отражательная фотометрия – сухая химия

Первые два метода крайне неудобны, токсичны и обладают низкой точностью, поэтому мы на них не будем останавливаться.

Глюкозооксидазный метод

Сегодня наибольшее распространение получили методы, основанные на использовании фермента – глюкозооксидазы. В основе метода лежит следующая реакция:

Глюкозооксидаза катализирует перенос двух водородных атомов с первого углеродного атома глюкозы на кислород, растворенный в жидком реагенте. При этом в ходе реакции образуется в эквимолярных количествах перекись водорода. Т.е. концентрация образовавшейся перекиси водорода точно равна определяемой концентрации глюкозы. Следовательно, использование глюкозооксидазной реакции, трансформировало задачу определения концентрации глюкозы в задачу определения концентрации перекиси водорода, которая, как будет показано ниже, значительно проще первой. И здесь есть несколько способов, широко используемых сегодня в лабораторной практике (см. схему).

Среди вышеперечисленных способов регистрации наибольшее распространение получил фотометрический биохимический метод, в котором молекулы перекиси водорода под действием фермента пероксидазы расщепляются с образованием активной формы кислорода – супероксид анион-радикала – О2 — , который в свою очередь окисляет хромоген, что приводит к значительному изменению спектра поглощения хромогена.

На рис. 1 и 2 показаны спектры рабочего раствора до внесения в него стандартного раствора глюкозы и после. Максимум поглощения реакционной смеси – (реактив + глюкоза) находится в области 500 нм. Соответственно, изменение оптической плотности конечной реакции на длине волны 480-520 нм пропорционально концентрации глюкозы, содержащейся в пробе.


Рисунок 1. Спектр рабочего раствора


Рисунок 2. Спектр реакционной смеси (рабочий раствор + глюкоза)

Большая популярность данного метода определения глюкозы объясняется его высокой специфичностью и простотой выполнения. Метод можно реализовать как с применением обычного фотометра (лучше специализированного биохимического фотометра типа Микролаб 540), так и с помощью автоматических биохимических автоанализаторов.

Наряду с методом фотометрирования по конечной точке, несколько лет назад появились наборы, в которых реализован кинетический метод фотометрирования. Суть метода состоит в том, что при определенном соотношении активностей глюкозооксидазы и пероксидазы, скорость образования окрашенного соединения некоторое время после внесения пробы в рабочий раствор будет пропорциональна концентрации глюкозы в пробе. Преимущество такого метода состоит в том, что результат не зависит от наличия в пробе других соединений, поскольку поглощение последних стабильно во времени. Этот метод требует применения кинетического фотометра, например Stat Fax 1904+, Stat Fax 3300, полуавтоматических анализаторов, например Clima 15, или автоматических биохимических анализаторов. Измерение концентрации глюкозы из цельной крови удобно выполнять с помощью приборов, работа которых основана на амперометрическом принципе измерения, при помощи специальных ферментных датчиков. Перекись водорода является крайне нестабильным химическим соединением и она может служить источником заряженных частиц. Именно это и используется в ферментных датчиках мембранного типа или электрохимических элементах портативных глюкометров.


Рисунок 3. Измерительная ячейка

В измерительной ячейке, сконструированной как проточная, находится измерительная камера, с одной стороны ограниченная ферментной мембраной (Рис. 3). На мембрану толщиной около 60 микрон специальным образом сорбирована глюкозооксидаза. С другой стороны мембраны к ней прижимается платиновый электрод.

Проба цельной крови (обычно 20 мкл) разводится в системном буферном растворе (эритроциты разрушаются), после чего подается по магистрали в проточную ячейку. Глюкоза, подвергается окислению под воздействием фермента глюкозооксидазы, находящейся на мембране. Образовавшаяся перекись водорода диффундирует через мембрану и окисляется далее в каталитической реакции под действием платины. Диффузия перекиси водорода на поверхность платины формирует ток, пропорциональный числу молекул Н2О2. Полученный таким образом сигнал обрабатывается прибором в соответствующее значение напряжения. Это измеренное значение пропорционально концентрации глюкозы в пробы.

Читайте также:  Норма глюкозы в крови у женщин возраст

В качестве примера приборов, использующих вышеописанный метод можно назвать автоматические анализаторы глюкозы Biosen (Германия). Эти приборы удобны для использования не только в стационарах, но и в поликлиниках, где анализ на глюкозу делают преимущественно из капиллярной крови.

Важным этапом в развитии методов клинической лабораторной диагностики стало появление «сухой химии». Естественно, одним из первых приложений этой технологии стала задача определения глюкозы в крови пациента. Первые приборы значительно уступали по точности традицинным лабораторным методам исследований. Однако, со временем, ряду фирм удалось разработать такие диагностические полоски и отражательные фотометры, которые обеспечили весьма высокую точность анализа. Широко популярными во всем мире в настоящее являются глюкометры One Touch и тест-полоски к ним производства компании Life Scan (США), которые удачно сочетают в себе аналитическую точность количественного ферментативного метода со скоростью и простотой «сухой химии».

Глюкометры One Touch предназначены для быстрого и точного измерения уровня глюкозы в цельной крови. Тест-полоска One Touch содержит все необходимые химические компоненты для двухэтапного глюкозооксидазного метода, включая ферменты глюкозооксидазу и пероксидазу, которые сорбированы на уникальную пористую гидрофильную мембрану. Результатом реакции является образование окрашенного комплекса. Интенсивность развившейся окраски регистрируется отражательным минифотометром.


Рисунок 4. Конструкция тест-полоски

В дополнении к этому, мембрана обладает гидрофильными свойствами, благодаря которым капля крови “притягивается” к поверхности тест-полоски при касании.Мембрана тест-полоск One Touch напоминает губку с микроскопическими порами и выполняет тройственную функцию. Она действует: 1) как резервуар, собирая необходимое количество крови, 2) как фильтр, блокируя твердый клеточный материал (эритроциты, лейкоциты и др.), 3) как гладкая оптическая поверхность, на которой измеряется отраженный свет. Последняя функция, в частности, очень важна для работы прибора. Она делает возможным считывать нижнюю часть полоски, тогда как кровь остается на верхней части тест-полоски. Соответственно, нет необходимости стирать (промокать) кровь с поверхности тест-полоски.

В состав приборов One Touch входит два специальных светодиода. Обработка развившейся окраски на тест-полоске идет следующим образом. Как только тест-полоска вставлена в прибор – происходит нулевое считывание. В этот момент на дисплее мы видим: “ЖДАТЬ”. Когда капля крови наносится на тест-полоску, плазма крови моментально сорбируется мембраной, тогда как эритроциты и излишки плазмы остаются на поверхности мембраны. После полного впитывания капли крови немедленно происходит окрашивание. Прибор регистрирует изменение величины отражения и автоматически запускает таймер. Через 45 секунд химическая реакция заканчивается, результат светоотражения обрабатывается. Окрашенный продукт реакции поглощает свет, испускаемый первым светодиодом. Форменные элементы крови и лишняя плазма также поглощают свет, излучаемый диодом. Чтобы скорректировать фоновое отражение, второе считывание производится вторым светодиодом на другой длине волны. Разность сигналов от первого и второго светодиода несет информацию о поглощении света хромогеном. Сигнал, полученный от хромогена для оценки концентрации глюкозы, соотносится со специальной калибровкой. Все приборы One Touch откалиброваны с использованием референтного метода на лабораторном анализаторе глюкозы. С помощью этой процедуры получается стандартная калибровочная кривая. Отметим, что достаточно сложно наладить производство тест-полосок, которые были бы абсолютно одинаковыми химически, в силу очень низкой концентрации реактивов. Для решения этой проблемы используется стандартная калибровочная кривая, состоящая из 16 –ти калибровочных линий. Контроль качества осуществляется сразу после производства тест-полосок, что позволяет определить, какая из калибровочных линий (от 1 до 16) может быть применена для данной тест-полоски. Это так называемый номер кода, который проставляется на упаковке тест-полосок. Эти 16 калибровочных линий также программируются в микропроцессоре прибора. Для получения оптимально точных результатов, номер кода, указанный на упаковке тест-полосок выставляется в приборе при помощи кнопки кода. Таким образом, неправильно установленный код на приборе может являться причиной ошибки измерения.

С момента появления на рынке приборов One Touch прошло большое количество клинических исследований в лабораториях России, Америки и Европы. Одно из таких исследований было проведено Эндокринологическим научным центром РАМН по заказу Российской Ассоциации Медицинской Лабораторной Диагностики. Специалисты Центра провели сравнительный анализ двух методов измерения уровня глюкозы в крови. Результаты, полученные на One Touch, сопоставлялась с данными, полученными на биохимическом анализаторе Spectrum II (Abbott Laboratories, США), реализующем гексокиназный метод определения глюкозы. Было исследовано 190 проб крови от 95 пациентов. Коэффициент корреляции результатов составил 0,98641. Коэффициент вариации в нормальном и патологическом диапазонах на глюкометре One Touch не превысил 2,5%.

Читайте также:  Сколько раз за беременность сдают кровь на глюкозу


Рис. 5. Корреляционная зависимость показаний “One Touch” и «Спектрум-2» (коэффициент корреляции 0,98641)

В заключении следует упомянуть и о недостатках глюкозооксидазного метода. Образующаяся перекись водорода и супероксид анион-радикал могут окислять не только хромоген, но и другие вещества, присутствующие в биологической жидкости: аскорбиновую кислоту, мочевую кислоту, билирубин. При этом, соответственно, доля перекиси, принимающая участие в окислении хромогена, снижается, что приводит к занижению результата по глюкозе. Этот метод линеен, как правило, до 20-30 ммоль/л глюкозы.В официальном отчете Эндокринологического научного центра РАМН сказано: «приборы One Touch обладают высокой точностью и правильностью, а также широким диапазоном измерений. Их можно использовать для диагностики неотложных состояний при диабете, в том числе бригадами “Скорой помощи”, поскольку эти приборы не только надежны, но и быстро дают результаты».

Гексокиназный метод

Регистрация осуществляется при длине волны 340 нм по светопоглощению НАДН. Этот метод является высокоспецифичным и не дает реакции с другими компонентами сыворотки крови. Гексокиназный метод считается референтным для определения глюкозы. Как правило, он линеен до 50 ммоль/л, что позволило его широко рекомендовать для клиник с эндокринологическими отделениями.

Из описанного разнообразия методов определения глюкозы сотрудники КДЛ могут решить для себя, какой способ определения и какой прибор выбрать:

  • Методы «мокрой» биохимии, реализованные на автоматических биохимических анализаторах, обеспечат нужды лабораторий с большим потоком анализов.
  • Анализаторы глюкозы типа Biosen требуют от оператора минимальных трудозатрат, так как они полностью автоматизированы и достаточно производительны (скорость от 50 до 200 проб в час).
  • Для лабораторий с небольшим числом исследований, а также экспресс-лабораторий удобен специализированный биохимический фотометр Микролаб 540.
  • Для бригад скрой помощи идеальное решение — глюкометры типа One Touch.

Т.о., задача КДЛ обеспечить не только быстрое, но и высокоточное определение глюкозы, на сегодняшний день вполне решаема.

источник

Определение концентрации глюкозы

Более 90% всех растворимых низкомолекулярных углеводов крови приходится на глюкозу, кроме того, в небольших количествах могут присутствовать фруктоза и пентозы, а при патологии и галактоза.

Глюкоза распределена почти равномерно между плазмой и эритроцитами, поэтому может определяться в цельной крови, плазме и сыворотке крови. Нормальное содержание в крови составляет 3,3-5,5 мМ/л. В физиологических условиях в крови может повышаться после обильной углеводной пищи, физиологических нагрузок, сильных эмоций.

Гипергликемия наблюдается при многих патологических состояниях: сахарном диабете, панкреатите, травмах и сотрясениях головного мозга, энцефалите, муковисциидозе, психическом возбуждении, отравлениях окисью углерода, ртутью. В зависимости от тяжести сахарного диабета уровень глюкозы натощак составляет : при легкой степени – 6,7-7,8 мМ/л.

Гипогликемия бывает при передозировке инсулина, заболеваниях поджелудочной железы, злокачественных заболеваниях, некоторых инфекционных и токсических поражениях печени, гипотириозе, наследственных заболеваниях, связанных с дефицитом ферментов.

Глюкозурия отмечается при сахарном диабете, гиперплазии коры надпочечников, нарушениях функции почек, сепсисе, травмах и опухолях головного мозга,отравлениях морфином, панкреатите, синдроме Фанкони.

Однократная нагрузка глюкозой вызывает у больных сахарным диабетом медленное нарастание гликемической кривой, при этом гипогликемическая фаза обычно не выявляется, понижение кривой очень медленное. В моче также определяется сахар.

В соременной диагностике сахарного диабета критерием является повышение содержания глюкозы в крови натощак до 7, 0 мМ/л, проводят пробу на выявление нарушения толерантности к глюкозе. Пробу проводят с сахарной нагрузкой, исследуют содержание глюкозы в крови натощак после приема внутрь 75 г глюкозы, растворенной в 200-300 мл воды. Кровь из пальца для определения содержания глюкозы берут каждые 30 минут в течение 2 часов. Проводится также тест на определение гликозилированного гемоглобина. В крови глюкоза связывается с молекулой гемоглобина (НвАIс) внутри эритроцитов. Число, связанных частиц глюкозы с молекулой гемоглобина напрямую связано с концентрацией глюкозы в крови, так как эритроциты живут 90 дней. По анализу гликозилированного гемоглобина можно установить концентрацию глюкозы за 3 месяца. Повышение уровня с определенного уровня на 5% говорит о хорошо скомпенсированном сахарном диабете, на 10% — частично компенсированный диабет, на 12% и более – некомпенсированный сахарный диабет.

Читайте также:  Показать норму глюкозы крови

Важно также для диагностики сахарного диабета определение концентрации инсулина и С-пептида. В молекуле преинсулина есть С-пептид, состоящий из 31 аминокислоты, соединяющий А и В цепи. При синтезе инсулина он вырезается пептидазами и вместе с инсулином он попадает в кровоток. До отщепления пептида инсулин не активен. Это позволяет поджелудочной железе образовывать запасы инсулина. С-пептид и инсулин выделяется в равных количествах, поэтому по С-пептиду можно оценить секрецию инсулина. Но надо знать, что скорость выведения из кровотока этих веществ разная. С-пептид дольше находится в крови, чем инсулин и он стабильнее инсулина в 5 раз. У здоровых С-пептид находится в пределах 1-4 нг/мл, инсулин от 6 до 27 мЕ/ мл. Повышение уровня С-пептида может свидетельствовать о гипертрофии В-клеток, об инсулин независимом сахарном диабете (ИНСД). Понижение С-пептида отмечается при инсулинзависимом сахарном диабете (ИЗСД).

В диагностике сахарного диабета применят определение концентрации альбумина в моче. В суточной моче у здоровых людей может обнаруживаться до 8 мг белка. При сахарном диабете белок повышается до 20-300 мг/л.

Дополнительным критерием на риск возникновения сахарного диабета является определение липидного обмена. Уровень триглицеридов в крови изменяется параллельно повышению содержания сахара в крови.

Методы определения глюкозы разделяют на три группы:

· методы с использованием цветных реакций, в которых участвуют продукты, образующиеся при нагревании углеводов с концентрированными кислотами.

Ферментативные методы исследования сочетают в себе высокую точность, они основываются на одной из двух реакций – гексокиназной или глюкоооксидазной. При гексокиназной глюкоза сначала фосфорилируется за счет АТФ благодаря действию гексокиназы; образовавшийся глюкозо-6-фосфатный эфир в присутствии глюкозо- 6- фосфат-дегидрогеназы восстанавливает NADP, количество которого определяется по увеличению светопоглощения в ультрафиолетовой области.

Легче выполнимы глюкозооксидазные методы, в которых глюкозоксидаза окисляет глюкозу кислородом воздуха с образованием перекиси водорода, количество которой определяется или химическим путем, или по ее способности в присутствии пероксидазы окислять диамины с образованием окрашенных продуктов.

Принцип метода: Глюкозооксидаза окисляет глюкозу с образованием перекиси водорода, которая под действием пероксидазы окисляет ортотолидин с образованием синего хромогена.

1.Натрия хлорид 9 г/л (0,9г NaСI в 100 мл воды).

2. Сульфат цинка, 50 г/л: 5г сульфата цинка растворяют в воде, объем доводят до 100 мл.

3. Натр едкий, 0,3 моль/л: готовят, растворяя 1,2 NaOH в 100 мл воды.

4. Ортотолиидин, 1% раствор: 1г препарата растворяют в 100 мл абсолютного спирта.

5. Ацетатный буферный раствор рН 4,8: смешивают 4 части 0,25 Н уксусной кислоты и 6 частей 0,25 Н ацетата натрия.

8. Рабочий реактив в 80 мл ацетатного буфера растворяют 2 мг глюкозооксидазы и 1 мг пероксидазы, прибавляют 1 мл 1%-ного раствора ортотолидина, перемешивают и доводят объем буферным раствором до 100 мл.

9. Калибровочные растворы глюкозы. Сначала готовят основной раствор с концентрацией 50 ммоль/л, для чего 180 мг глюкозы растворяют в 20 мл бензойной кислоты. Из этого раствора готовят рабочие калибровочные растворы, содержащие: 3 ммоль/л; 6 ммоль/л; 9 ммоль/л; 12 ммоль/л; 15 ммоль/л; 18 ммоль/л; 21 ммоль/л, для чего берут 0,6 мл; 1,2 мл; 1,8 мл; 2,4 мл; 3,6 мл; 4,2 мл основного раствора и доводят насыщенным раствором бензойной кислоты до 10 мл. Эти растворы содержат глюкозу в тех же концентрациях, в которых она бывает в крови.

Ход определения: В центрифужные пробирки вносят 1,1 мл хлорида натрия, 0,4 мл раствора сульфата цинка и 0,4 мл 0,3 Н раствора NaOH, перемешивают; при этом образуется очень тонкий гель гидрата окиси цинка, в него выпускают 0,1 мл крови или калибровочного раствора, снава перемешивают и через 10 мин. центрифугируют при 3000 об/мин в течение 10 мин.

К 1 мл надосадочной жидкости добавляют 3 мл рабочего реактива и осторожно перемешивают. Через 15 минут развивается окраска и фотометрируют в кюветах с длиной оптического пути 1 см с красным светофильтром (625 нм) против холостого опыта, который ставят одновременно с рабочими пробами, но вместо крови берут физиологический раствор хлорида натрия. При приготовлении калибровочного графика вместо проб крови берут 0,1 мл соответствующего калибровочного раствора.

Нормальные величины натощак: 3,5- 5,7 ммоль/л (60-100 мг в 100 мл).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник