Измерять сахар светом: учёные нашли способ удешевить подкожный датчик глюкозы

Новый компонент стоит примерно в 10 раз меньше прежнего и работает сопоставимо. Но до готового медицинского устройства ещё далеко

Почему непрерывное измерение глюкозы остаётся дорогим

Для человека с диабетом важна не только концентрация глюкозы в определённый момент. Не менее существенно понимать, как быстро она повышается после еды, снижается после физической нагрузки или меняется ночью.

Обычный глюкометр показывает отдельное значение. Системы непрерывного мониторинга глюкозы (CGM) позволяют наблюдать динамику и предупреждают об опасном повышении или снижении показателей.

Большинство распространённых систем используют тонкий чувствительный элемент, который находится под кожей и измеряет глюкозу в межклеточной жидкости. Устройство необходимо периодически заменять, а наружные компоненты могут раздражать кожу.

Есть и финансовая проблема. Стоимость датчиков и расходных материалов накапливается месяц за месяцем. Для людей без достаточного страхового покрытия непрерывный мониторинг может оказаться недоступным.

Исследователи из Texas A&M University предложили другой подход: поместить чувствительные вещества внутрь небольшого гидрогелевого контейнера под кожей, а информацию о глюкозе получать с помощью света.

Работа опубликована 10 июля 2026 года в журнале ACS Measurement Science Au. В ноябре университет представил результаты широкой аудитории.

Как измерить глюкозу без ферментов и электрического контакта

В большинстве привычных датчиков глюкозы используется фермент глюкозооксидаза. Он запускает химическую реакцию с участием глюкозы, а электронная система регистрирует возникающий электрохимический сигнал.

Новая технология работает иначе.

Её основа — конканавалин А (ConA), белок, способный связываться с определёнными сахарами. Исследователи модифицировали его молекулами полиэтиленгликоля, чтобы улучшить растворимость и стабильность.

Второй компонент — маннопентаоза, молекула из пяти остатков сахара маннозы. К ней присоединили флуоресцентный краситель Cy5.5.

Именно взаимодействие этих веществ позволяет определять концентрацию глюкозы.

Представьте белок с несколькими местами, к которым могут присоединяться молекулы сахаров.

Когда глюкозы мало, часть этих мест занимает маннопентаоза с флуоресцентной меткой.

Когда концентрация глюкозы увеличивается, её молекулы начинают конкурировать с меченой маннопентаозой за связывание с белком.

Часть флуоресцентных молекул освобождается. Их химическое окружение изменяется, и интенсивность свечения уменьшается.

По величине изменения сигнала можно оценивать концентрацию глюкозы.

Такой механизм называется конкурентным связыванием. Для него не требуется ферментативная реакция, а само взаимодействие в принципе обратимо.

Есть ещё одна особенность. Краситель Cy5.5 работает в ближнем инфракрасном диапазоне, где свет относительно хорошо проходит через биологические ткани, а фоновое свечение тканей ниже.

В перспективе это может позволить освещать сенсор снаружи и считывать сигнал через кожу, не размещая сложную электронику внутри имплантата.

Однако в данном исследовании полноценное оптическое измерение через кожу ещё не проводилось.

Почему более дешёвая молекула оказалась не хуже дорогой

Главный результат исследования связан не столько с самим принципом измерения, сколько с выбором химического компонента.

Авторы сравнили две разновидности маннопентаозы — α-маннопентаозу и β-маннопентаозу.

Они различаются пространственной организацией химических связей. Такие различия могут существенно влиять на способность молекул взаимодействовать с белками.

В предыдущих разработках использовалась более дорогая α-форма. Существовали основания предполагать, что она лучше подходит для связывания с ConA.

Но исследователи решили проверить значительно более дешёвую β-форму.

Результат оказался неожиданным: оба соединения продемонстрировали сопоставимую способность связываться с белком и реагировать на изменение концентрации глюкозы.

Более того, в некоторых лабораторных измерениях β-маннопентаоза сохраняла чувствительность в более широком диапазоне концентраций.

При испытаниях флуоресцентного сигнала система уверенно реагировала на глюкозу в диапазоне от 25 до 400 мг/дл. Работоспособность химической системы также подтвердили в искусственной межклеточной жидкости, воспроизводящей некоторые условия подкожной среды.

Исследователи дополнительно проверили влияние ряда потенциально мешающих веществ, включая фруктозу, лактат, аскорбиновую и мочевую кислоты. В изученных условиях они существенно не изменили характер ответа системы на глюкозу.

Таким образом, экономия не сопровождалась очевидной потерей основных характеристик химического распознавания глюкозы.

Но здесь принципиально важно правильно понимать цифры.

Примерно в 10 раз дешевле оказался отдельный реагент, а не весь датчик глюкозы.

Стоимость готовой системы будет зависеть также от гидрогеля, технологии производства, оптического считывателя, калибровки, контроля качества и других компонентов.

Поэтому утверждать, что будущий мониторинг глюкозы станет в десять раз дешевле, пока нельзя.

Гидрогель должен пропускать глюкозу, но удерживать химические вещества

Вторая важная часть разработки — контейнер для чувствительных молекул.

Исследователи использовали гидрогель — полимерный материал с высоким содержанием воды. Его внутренняя структура содержит микроскопические пространства, через которые могут перемещаться небольшие молекулы.

Конструкция рассчитана на то, чтобы глюкоза из окружающей жидкости проникала внутрь, а более крупные компоненты измерительной системы оставались в контейнере.

Экспериментальный цилиндр имел диаметр около 2,5 мм и длину около 11 мм.

Такие размеры, по замыслу авторов, позволяют создать устройство для подкожного введения вместо установки более сложного имплантата хирургическим способом.

Но сможет ли материал достаточно долго удерживать чувствительные вещества?

Для проверки учёные поместили состав в полость гидрогеля и оценили, сколько флуоресцентно меченной β-маннопентаозы покинет контейнер за семь дней.

Потери составили около 6%. Иными словами, более 94% этого компонента осталось внутри.

Это важный результат: чувствительное вещество не должно быстро выходить из имплантата в окружающие ткани.

Однако есть существенное ограничение.

Эксперимент проверял удержание флуоресцентного компонента, а не полноценную работу готового сенсора на протяжении недели. Семидневная сохранность вещества не означает, что устройство уже способно семь дней непрерывно и точно измерять глюкозу.

Что пока не удалось доказать

Разработка находится на стадии подтверждения научной концепции — proof of concept.

Авторы показали, что выбранные молекулы взаимодействуют с глюкозой предсказуемым образом, дают измеримый оптический ответ и могут удерживаться внутри гидрогелевой конструкции.

Но между таким результатом и медицинским прибором остаётся несколько серьёзных задач.

Во-первых, необходимо проверить точность измерений относительно эталонных методов определения глюкозы. Лабораторная зависимость интенсивности свечения от концентрации вещества ещё не доказывает клиническую точность датчика.

Особенно важна надёжность в области низких концентраций глюкозы, когда ошибка измерения может привести к неправильному решению о лечении.

Во-вторых, предстоит проверить работу системы при многократном повышении и снижении глюкозы, оценить скорость реакции и возможный дрейф сигнала со временем.

В-третьих, потребуется оценить безопасность длительного присутствия гидрогеля и содержащегося в нём белка ConA в тканях. Сохранение вещества внутри контейнера снижает риск его утечки, но само по себе не доказывает биосовместимость всей конструкции.

В-четвёртых, необходимо создать и испытать полноценную систему оптического считывания через кожу. Авторы планируют дальнейшую разработку схемы флуоресцентного измерения, в том числе с использованием переноса энергии между красителями.

Пока также не доказана одинаковая точность работы устройства при разных оттенках кожи. Ближний инфракрасный диапазон создаёт для этого определённые физические преимущества, но соответствующие испытания ещё необходимы.

Подкожные датчики уже существуют. В чём тогда новизна?

Идея имплантируемого мониторинга глюкозы не появилась впервые в этом исследовании.

Например, система Eversense 365 уже разрешена к применению в США и Европе и рассчитана на срок использования имплантируемого сенсора до одного года.

Поэтому речь не идёт об изобретении первого подкожного или первого оптического датчика глюкозы.

Новизна работы Texas A&M заключается в сочетании нескольких решений: более доступного химического реагента, неферментативного механизма распознавания глюкозы, небольшого гидрогелевого контейнера и перспективы внешнего инфракрасного считывания.

Исследователи пытаются упростить саму конструкцию и снизить затраты на её чувствительные компоненты.

При этом новой системе ещё предстоит продемонстрировать хотя бы сопоставимую с существующими медицинскими устройствами точность, надёжность и безопасность.

Для кого такая технология может изменить ситуацию

Если последующие исследования окажутся успешными, потенциальную пользу смогут получить люди с диабетом, которым необходимо регулярно отслеживать концентрацию глюкозы.

Особенно значимым снижение стоимости могло бы стать для пациентов, самостоятельно оплачивающих расходные материалы или имеющих ограниченный доступ к страховой медицине.

Для врачей преимущество надёжного и доступного мониторинга заключается в возможности чаще использовать информацию о динамике глюкозы при подборе и оценке терапии.

Однако доступность определяется не только ценой одного устройства. Имеют значение срок службы, стоимость считывателя, необходимость медицинских процедур, техническая поддержка и расходы на последующую замену.

Все эти параметры для новой платформы пока неизвестны.

Исследователям предстоит объединить химические компоненты и гидрогель в работающую систему, проверить её в биологических условиях, провести доклинические исследования и затем оценить безопасность и точность у людей.

До этого момента технология не может рассматриваться как замена существующим глюкометрам или системам непрерывного мониторинга.