Una lente a contatto per misurare il glucosio nel sangue

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Biosensori trasparenti in grado di misurare il livello di glucosio nel sangue, all’interno di normali lenti a contatto. Un’applicazione rivoluzionaria, che promette un controllo confortevole e agevole della glicemia, in particolar modo nel caso di pazienti diabetici. Per effettuare le misurazioni, basterà soltanto una lacrima, non più una goccia di sangue capillare.

 

Il diabete è una malattia cronica dovuta ad elevati livelli di glucosio nel sangue e ad una non idonea quantità di insulina, ormone che regola le quantità e che consente l’utilizzo come fonte energetica per l’organismo.

 

IL DIABETE E COME MISURARE LA GLICEMIA

Il glucometro tradizionale utilizzato attualmente dai pazienti diabetici

 

Secondo i dati ISTAT, nel 2011 tre milioni di italiani hanno dichiarato di essere affetti da diabete, ovvero il 4,9% della popolazione. Questa patologia è maggiormente diffusa nelle classi sociali in cui sono preponderanti i fattori di rischio, quali la sedentarietà e l’obesità.

Tra le complicanze del diabete si annoverano soprattutto la neuropatia, retinopatia, nefropatia diabetiche, le complicanze in gravidanza e le malattie cardiovascolari, che possono essere controllate o prevenute mediante misurazione del colesterolo e dei lipidi nel sangue, della pressione sanguigna oppure dei livelli medi di glicemia nel corso della giornata.

Il dispositivo adottato per la misurazione del livello glicemico è il glucometro, che consente una buona stima del valore. La tecnologia e il maggiore interesse verso la diagnosi e la prevenzione del diabete, hanno consentito lo sviluppo di svariati apparecchi portatili, basati sul controllo glicemico da parte del paziente stesso, attraverso la puntura del polpastrello di un dito. La goccia è posta su una striscia reattiva, che viene inserita all’interno del glucometro.

Il principio di funzionamento dello strumento è basato sulla glucosio-ossidasi, reazione che consente di quantificare l’ossidazione del glucosio, misurando l’intensità di colore individuata da un batterio che produce una sostanza colorata, oppure valutando la conducibilità elettrica nel sangue determinata dalla corrente elettrica sviluppata dalla reazione enzimatica.

Schema di composizione della lente a contatto sviluppata dal team di ricerca guidato dal Professor Gregory Herman Credit: Oregon State University

Una recente applicazione, sviluppata dal team di ricercatori guidati dal Professor Gregory Herman, della Oregon State University, è stata presentata al National Meeting & Exposition della American Chemical Society, tenutosi a San Francisco, il 4 Aprile 2017, nella conferenza stampa seguita anche in streaming sul canale Youtube della Società americana.

“Questi biosensori probabilmente non porteranno i laboratori di ematologia fuori dal mercato, ma credo che siamo in grado di poter fare diagnostica tramite i dati che possono essere estratti dalle gocce delle lacrime dell’occhio”,

sostiene Herman, docente di ingegneria chimica presso l’ateneo americano.

Pertanto i ricercatori hanno progettato un sensore sviluppato su un substrato trasparente, flessibile e integrabile all’interno di una lente a contatto come se si trattasse di un sottile strato, proprio come una normale lente oftalmica. Il semiconduttore utilizza una tecnologia in uso nell’elettronica di consumo: l’ossido di Indio-Gallio-Zinco (IGZO), utilizzato per produrre i display di TV, tablets e smartphones, che può anche essere reso completamente trasparente.

In tal modo, il layer nanostrutturato di IGZO, ottenuto secondo una struttura esagonale compatta: consente la realizzazione di transistor ad effetto di campo, cioè in grado di controllare la corrente, attraverso il campo elettrico generato all’interno del dispositivo. Inoltre è presente l’enzima della glucosio-ossidasi, fondamentale per la misura del livello di glucosio.

Rappresentazione schematica del biosensore impiantabile all’interno di una lente a contatto Credit: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.5b12058

La nanostruttura dell’ossido IGZO è funzionalizzata da amminosilani reticolati alla glucosio-ossidasi: in tal modo il transistor presenta elevata sensibilità alle variazioni di concentrazione di glucosio. Durante il processo di ossidazione, si verifica una diminuzione del pH, per cui è possibile rilevare la trasformazione avvenuta misurando tale parametro. Infatti il pH modula la carica positiva dei gruppi amminosilani, influenzando il numero di stati accettori, ovvero di atomi non neutri.

Inoltre, l’aumento della concentrazione di glucosio determina una diminuzione della conduttanza tra i due morsetti drain e source del transistor ad effetto di campo.

Lo studio descritto è un’evoluzione del progetto sviluppato da Google nel 2014, che aveva presentato le prime lenti a contatto bioniche, in grado di misurare i livelli glicemici e di registrarli in un’app installata sullo smartphone del paziente. Le lenti erano basate su un approccio elettrochimico, che riduce la sensibilità della registrazione dei dati. D’altra parte, il sensore di glucosio posto sulla lente, non era trasparente.

Il progetto è in fase di sviluppo, ma la fase di test sugli animali avrà inizio molto presto. Il prossimo obiettivo del team è quello di dotare il dispositivo di una trasmissione a radio frequenza, in modo da alimentarlo e caricare i condensatori.

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