M´etodos baseados na espectroscopia diel´ectrica ou de impedˆancia

Os sensores condutim´etricos baseiam-se na espectroscopia diel´ectrica ou de impe- dˆancia, que implica a medi¸c˜ao das propriedades diel´ectricas do tecido humano de modo a poder determinar a sua concentra¸c˜ao de glicose de forma n˜ao-invasiva. De modo a conseguir isso, torna-se necess´aria a aplica¸c˜ao de uma corrente el´ectrica alternada de pouca intensidade no tecido humano. O fluxo dessa corrente origina um valor de impedˆancia do tecido humano em fun¸c˜ao da frequˆencia, cuja medi¸c˜ao ir´a permitir a determina¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos no corpo humano (Tura et al.,

2007).

O inconveniente principal da espectroscopia de impedˆancia consiste no facto de n˜ao permitir medi¸c˜oes dos n´ıveis actuais de glicemia no sangue, fornecendo apenas reco- nhecimentos e medi¸c˜oes das respostas do corpo humano `as varia¸c˜oes de concentra¸c˜ao de glicose.

3.3. M´ETODOS QU´IMICOS 51

Por norma, um sistema baseado na espectroscopia diel´ectrica ´e constitu´ıdo por um sensor adaptado `a pele humana e um sistema de medida. O sensor utiliza ondas electromagn´eticas para a interac¸c˜ao com a pele de modo a monitorizar as suas propriedades el´ectricas. O sistema de medida engloba um gerador de sinais (VCO – Voltage Controlled Oscillator ) e um microprocessador, que controlar´a a opera¸c˜ao deste dispositivo. O VCO ter´a a fun¸c˜ao de variar a gama de frequˆencia para qual a impedˆancia no dispositivo ser´a medida por meio de um divisor de tens˜ao (Caduff et al., 2006).

Neste ˆambito, a Pendragon Medical (Tura et al., 2007; Weinzimer, 2004) desenvol- veu um sistema de monitoriza¸c˜ao de glicose n˜ao-invasivo e cont´ınuo, denominado de Pendra, que j´a se encontra aprovado pela Uni˜ao Europeia (UE) mas ainda espera a aprova¸c˜ao pela FDA (Food and Drug Administration). Este dispositivo, que tem a forma de um rel´ogio de pulso, apresenta um processo de medi¸c˜ao semelhante ao descrito acima e realiza leituras de glicose continuamente a cada minuto (Tura et al.,

2007). A an´alise do padr˜ao de impedˆancia na pele e tecido humano permite a deter- mina¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos. Deste modo, ap´os a aplica¸c˜ao do dispositivo `a pele humana, os contactos el´ectricos (situados na retaguarda do dispositivo) permitem a gera¸c˜ao de um pequeno campo electromagn´etico atrav´es da superf´ıcie da pele numa gama de frequˆencia de 1 a 200 MHz. A impedˆancia detectada pelo sensor a deter- minada frequˆencia de ressonˆancia depende das varia¸c˜oes de impedˆancia ocorridas na pele humana. Deste modo, as pequenas varia¸c˜oes de condutividade no tecido das membranas causadas pelas altera¸c˜oes na concentra¸c˜ao de glicose podem ser determinadas pelo dispositivo atrav´es da medi¸c˜ao do impacto da glicose no padr˜ao de impedˆancia quando a frequˆencia ´e variada (Weinzimer, 2004).

Caduff et al. (2003, 2006) realizaram experiˆencias com o objectivo de analisar a performance de um sistema baseado na espectroscopia de impedˆancia atrav´es do c´alculo da correla¸c˜ao entre as amostras de glicose no sangue e as leituras obtidas pelo sensor adaptado `a pele, o Pendragon NI-CGMD.

A Calisto Medical (Tura et al.,2007;McClung, 2008) desenvolveu o Glucoband, um dispositivo n˜ao-invasivo e cont´ınuo semelhante a um rel´ogio de pulso que se calibra

automaticamente (figura3.10). De modo a possibilitar leituras de concentra¸c˜oes de glicose uma vez num intervalo de 3 a 8 minutos, o Glucoband faz uso do fen´omeno da ressonˆancia bio-electromagn´etica (BEMR – Bio-ElectroMagnetic Resonance). Uma vez que cada concentra¸c˜ao de glicose corresponde a um determinado campo electro- magn´etico (chamado de “assinatura glic´emica”), capaz de produzir um fen´omeno de ressonˆancia, o efeito BEMR consegue provocar uma varia¸c˜ao da impedˆancia do corpo humano (Tura et al., 2007). Deste modo, o princ´ıpio de funcionamento deste dispositivo passa pela aplica¸c˜ao de um campo electromagn´etico espec´ıfico a glicose ao corpo humano, para posteriormente poder determinar a resposta de varia¸c˜ao de impedˆancia do corpo a esta excita¸c˜ao (McClung, 2008).

Segundo Tura et al. (2007), o dispositivo possui uma base de dados interna de “assinaturas glic´emicas”, cada uma relacionada com a concentra¸c˜ao de glicose de uma solu¸c˜ao de referˆencia. Deste modo, os n´ıveis de glicose actuais podem ser determinados a partir de uma determinada “assinatura glic´emica”, que determina o fen´omeno de ressonˆancia.

Figura 3.10 – Exemplo do Glucoband da Calisto Medical (McClung,2008).

Tamb´em Huber et al.(2007);Caduff et al. (2007) realizaram experiˆencias baseadas nas medi¸c˜oes n˜ao-invasivas e cont´ınuas da concentra¸c˜ao de glicose atrav´es da plata- forma multi-sensorial desenvolvida pela Solianis Monitoring, ap´os a sua calibra¸c˜ao pr´evia. As medi¸c˜oes do espectro diel´ectrico s˜ao em muito afectadas por diversos fac- tores perturbadores, como ´e o caso do fluxo sangu´ıneo, flutua¸c˜oes da temperatura corporal e varia¸c˜oes da humidade e transpira¸c˜ao da pele. De modo a determinar

3.3. M´ETODOS QU´IMICOS 53

e monitorizar tanto as varia¸c˜oes destas propriedades do tecido humano como as altera¸c˜oes de condutividade, torna-se necess´ario a interac¸c˜ao do corpo humano com um campo electromagn´etico, produzido pelos sensores desta plataforma. Estes sen- sores utilizam dois pares de el´ectrodos para alcan¸car diferentes profundidades de penetra¸c˜ao do campo electromagn´etico (EMF – Electromagnetic Field ) nas v´arias camadas do tecido do paciente. Desta forma, a plataforma utiliza diferentes senso- res para a monitoriza¸c˜ao de sinais diferentes: enquanto os sensores colocados nas camadas inferiores da pele registam sinais correlacionados com a glicose, os sensores posicionados nas camadas superiores da pele registam sinais correlacionados com factores perturbadores (Huber et al., 2007).

Por outro lado, a AiMedics (The Diabetes Mall, 2010; Skladnev et al., 2010) foi respons´avel pelo desenvolvimento do HypoMon, um sistema n˜ao-invasivo e cont´ınuo de monitoriza¸c˜ao de glicose constitu´ıdo por uma unidade colocada junto ao peito e apresentado na figura 3.11. Esta unidade cont´em quatro sensores que permitem a medi¸c˜ao de factores como a humidade da pele e actividade card´ıaca, proporcionando a detec¸c˜ao e monitoriza¸c˜ao dos sintomas corporais provocados pela hipoglicemia (baixa taxa de glicose no sangue) (Skladnev et al.,2010).

Figura 3.11 – Exemplo do Hypomon da AiMedics (The Diabetes Mall,2010).

A Analog Devices foi pioneira no desenvolvimento do AD5933 (12 Bit Impedance Converter Network Analyzer ), um circuito integrado composto por um espectr´ometro

de impedˆancia el´ectrica, que permite a medi¸c˜ao fi´avel e n˜ao-invasiva da concen- tra¸c˜ao de glicose no sangue (Seoane et al., 2008). Como este dispositivo se destina a aplica¸c˜oes de bioimpedˆancia el´ectrica, a an´alise da performance deste dispositivo miniaturizado consistiu na sua adapta¸c˜ao a uma estrat´egia de quatro el´ectrodos. Deste modo, as medi¸c˜oes de bioimpedˆancia el´ectrica baseiam-se na utiliza¸c˜ao de um par de el´ectrodos para a an´alise da resposta do sistema (estado sensorial) a uma excita¸c˜ao el´ectrica externa aplicada por meio de outro par de el´ectrodos (gerador de sinais).

3.3.2

M´etodos amperim´etricos

O princ´ıpio dos sensores amperim´etricos baseia-se na medi¸c˜ao de corrente el´ectrica com o intuito de determinar os n´ıveis de glicose presentes no sangue.

Segundo Heller (1999), existem v´arios tipos de m´etodos amperim´etricos: os el´ec- trodos enzim´aticos de glicose implantados no tecido humano, m´etodos baseados em microdi´alise e m´etodos transd´ermicos.

El´ectrodos enzim´aticos de glicose

Existe uma grande quantidade de sensores amperim´etricos, como os el´ectrodos en- zim´aticos de glicose implantados no tecido, que se baseiam na imobiliza¸c˜ao de uma enzima, usualmente a glicose oxidase (GOx), para a monitoriza¸c˜ao da glicose no fluido intersticial. Deste modo, a propaga¸c˜ao da glicose atrav´es da membrana se- miperme´avel origina uma reac¸c˜ao com a enzima glicose oxidase (GOx) que resulta na produ¸c˜ao de sinais el´ectricos proporcionais aos n´ıveis glic´emicos. Medindo a va- ria¸c˜ao no fluxo de corrente el´ectrica, fornecida pelo el´ectrodo, pode ser determinada a concentra¸c˜ao de glicose.

O estudo da utiliza¸c˜ao dos el´ectrodos de glicose como m´etodo de monitoriza¸c˜ao de glicose encontra-se bastante desenvolvido, tendo sido feitos diversos estudos `a sua aplica¸c˜ao em animais. Apesar de tudo indicar para uma breve comercializa¸c˜ao do

3.3. M´ETODOS QU´IMICOS 55

m´etodo, estudos reportam a insuficiˆencia de estabilidade a longo prazo dos sinais desses sensores devido `a falta de biocompatibilidade da superf´ıcie dos el´ectrodos (Koschinsky and Heinemann,2001).

As principais vantagens dos sensores baseados em enzimas s˜ao as suas respostas temporais r´apidas e a sua elevada especificidade a glicose. Para al´em disso, os el´ectrodos enzim´aticos de glicose s˜ao de tamanho bastante reduzido, requerendo uma quantidade de amostra de sangue menor.

As desvantagens iminentes nos el´ectrodos enzim´aticos de glicose implant´aveis basei- am-se na sua forte dependˆencia do oxig´enio (deficit de oxig´enio) e as interferˆencias electroactivas (necessidade de potenciais elevados), obrigando a procedimentos de recalibra¸c˜ao frequentes com um m´etodo capilar convencional (Wang, 2008). Os el´ectrodos enzim´aticos de glicose ainda sofrem de tempos de vida operacional re- duzidos, tornando o seu uso na implanta¸c˜ao de longo prazo inadequado. Embora os el´ectrodos de glicose tenham sofrido um grande desenvolvimento com o intuito de rectificar estes problemas, estes ainda continuam a ser um grande contratempo deste m´etodo de monitoriza¸c˜ao de glicose (Wang, 2008).

Neste ˆambito, a Medtronic desenvolveu um el´ectrodo de glicose minimamente in- vasivo, denominado de Minimed Paradigm REAL-Time (figura 3.12), que j´a se en- contra comercialmente dispon´ıvel e requer a sua inser¸c˜ao atrav´es de uma agulha no tecido abdominal do doente diab´etico de modo a possibilitar a monitoriza¸c˜ao cont´ınua dos n´ıveis glic´emicos (Koschinsky and Heinemann, 2001; Pickup et al.,

2005b). Essa agulha ´e removida deixando um el´ectrodo flex´ıvel debaixo da pele, onde ir´a permanecer ao longo de 3 dias consecutivos. A ponta do el´ectrodo ´e com- posta por uma membrana selectivamente perme´avel `a glicose. Na superf´ıcie do el´ectrodo, o per´oxido de hidrog´enio, gerado pela reac¸c˜ao catalisada pela glicose oxi- dase (GOx), ´e oxidado em ´agua. Este fen´omeno ir´a gerar uma corrente proporcional `a concentra¸c˜ao de glicose exterior `a membrana (Guang,2008). Os dados relativos a essa intensidade de corrente s˜ao recolhidos ao longo dos 3 dias e armazenados para depois serem analisados pelo m´edico do doente diab´etico.

Como o dispositivo apenas recolhe os dados glic´emicos ao longo de 3 dias, no mo- mento de diagn´ostico o m´edico ir´a avaliar o doente diab´etico com base em con- centra¸c˜oes de glicose no sangue desactualizadas. Juntamente com este facto, outro inconveniente deste dispositivo consiste na sua necessidade de recalibra¸c˜ao pelo me- nos uma vez diariamente de modo a evitar perdas de sinal do sensor (Koschinsky and Heinemann, 2001).

D

C

B

A

Figura 3.12 – Exemplo do Minimed Paradigm REAL-Time da Medtronic (The Diabetes

Mall,2010). (A) Minimed Paradigm REAL-Time; (B) Monitor cont´ınuo de glicose sangu´ınea;

(C) Transmissor; (D) Sistema de perfus˜ao.

A Medtronic tamb´em desenvolveu o Guardian RT, que j´a se encontra comercialmente dispon´ıvel e cujo tempo m´aximo de permanˆencia no corpo humano ´e de 3 dias (Guang,2008). O sensor, minimamente invasivo, ´e constitu´ıdo por um el´ectrodo de glicose baseado na enzima glicose oxidase (GOx) e ser´a inserido no tecido subcutˆaneo de modo a monitorizar continuamente as varia¸c˜oes de concentra¸c˜ao de glicose. A determina¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos torna-se poss´ıvel atrav´es da quantifica¸c˜ao de um fluxo de electr˜oes proporcional produzido pela convers˜ao na enzima da glicose intersticial em H2O2 (per´oxido de hidrog´enio). Os dados recolhidos pelo sensor s˜ao

transmitidos para um monitor externo ao corpo humano, que os regista e armazena ao longo dos 3 dias de utiliza¸c˜ao para posterior an´alise por parte de um m´edico

3.3. M´ETODOS QU´IMICOS 57

especializado.

Apesar deste dispositivo permitir medi¸c˜oes de glicose com intervalos de 10 segun- dos, este requer a sua recalibra¸c˜ao 3 vezes ao dia atrav´es de um m´etodo capilar convencional (The Diabetes Mall, 2010).

Hu et al. (1999) relataram o desenvolvimento de um biossensor enzim´atico serigra- fado descart´avel capaz de monitorizar e detectar simultaneamente n´ıveis de glicose e amido. Este biossensor minimamente invasivo caracteriza-se por funcionar com o trabalho de dois el´ectrodos e pelo facto do seu comportamento electroqu´ımico ser avaliado por meio de voltametria c´ıclica e cronoamperometria.

Segundo Pieri and Tenzer (2006), encontra-se tamb´em em desenvolvimento os de- nominados biossensores minimamente invasivos “Thick Film” apresentados na fi- gura 3.13. Neste el´ectrodo ´e colocado uma membrana enzim´atica (GOx – Glicose Oxidase) para se poder utilizar o processo de oxida¸c˜ao da glicose. A partir desta oxida¸c˜ao, torna-se poss´ıvel a detec¸c˜ao amperim´etrica de uma corrente el´ectrica pro- duzida durante o processo qu´ımico de oxida¸c˜ao da glicose sobre o el´ectrodo. As varia¸c˜oes de corrente el´ectrica medidas ir˜ao traduzir um aumento quando se verifica um acr´escimo na concentra¸c˜ao de glicose no sangue.

Figura 3.13 – Biossensor “Thick Film” utilizado para medi¸c˜oes de n´ıveis glic´emicos (Pieri

and Tenzer,2006).

A Abbott Laboratories, anteriormente designada de Therasense (Guang,2008;Bode,

2005), desenvolveu um monitor subcutˆaneo de fluido intersticial denominado de FreeStyle Navigator, que se encontra ilustrado na figura 3.14 e ´e constitu´ıdo essen- cialmente por um sensor amperim´etrico subcutˆaneo, um transmissor e um receptor.

O sensor minimamente invasivo ´e colocado por baixo da pele por um dispositivo des- cart´avel de auto-inser¸c˜ao, onde permanecer´a ao longo de 5 dias, e efectuar´a medi¸c˜oes cont´ınuas de glicose todos os minutos. Recentemente este dispositivo passou a se encontra dispon´ıvel em partes dos Estados Unidos da Am´erica (EUA) e as suas lei- turas baseiam-se na medi¸c˜ao da corrente el´ectrica gerada pela oxida¸c˜ao de glicose. Por outro lado, o transmissor encontra-se associado ao sensor e recebe informa¸c˜ao de forma wireless. O receptor disp˜oe e armazena os valores referentes `as altera¸c˜oes dos n´ıveis de glicose transmitidos de forma wireless pelo sensor/transmissor. A co- munica¸c˜ao entre o transmissor e o receptor ´e feita atrav´es de radiofrequˆencia (RF) e tem um alcance m´aximo de 10 m (The Diabetes Mall,2010).

Figura 3.14 – Exemplo do FreeStyle Navigator da Abbott Laboratories, no qual a unidade

sensorial (sensor e transmissor) comunica de forma wireless com o monitor receptor (The

Diabetes Mall,2010).

Tamb´em Park et al. (2005) propuseram um sistema de monitoriza¸c˜ao n˜ao-invasivo de glicose atrav´es da urina humana, constitu´ıdo essencialmente por um biossensor electroqu´ımico, uma parte de an´alise e uma parte de hardware (aquisi¸c˜ao de dados e controlo digital).

O seu princ´ıpio de funcionamento centra-se na determina¸c˜ao da concentra¸c˜ao de gli- cose fornecida pelo biossensor atrav´es da medi¸c˜ao da corrente diferencial provocada pela resposta da urina. Deste modo, o processo de an´alise da urina inicia-se quando a parte sensorial do biossensor entra em contacto com a amostra de urina. Atrav´es do m´etodo amperim´etrico torna-se poss´ıvel determinar as intensidades de corrente

3.3. M´ETODOS QU´IMICOS 59

resultantes do processo de oxida¸c˜ao/redu¸c˜ao originado pela reac¸c˜ao qu´ımica entre o sensor e a glicose da amostra de urina.

Garcia and Marques(2001) estudaram o desenvolvimento de um sistema n˜ao-invasivo que permite a an´alise autom´atica dos sinais oriundos do electrocardiograma dos do- entes diab´eticos com o intuito de reconhecer padr˜oes relativos `a hipoglicemia (baixa taxa de glicose no sangue). Atrav´es da coloca¸c˜ao de el´ectrodos na pele humana torna-se poss´ıvel avaliar a intensidade e a direc¸c˜ao das correntes el´ectricas do cora¸c˜ao a cada batimento card´ıaco. As varia¸c˜oes da concentra¸c˜ao de glicose ir˜ao-se reflectir na actividade el´ectrica produzida pelo cora¸c˜ao do doente diab´etico.

Tamb´em a Echo Therapeutics, antigamente designada de Sontra Medical, tem em fase de testes cl´ınicos o Symphony tCGM System (Chuang et al.,2008). Este dispo- sitivo permite a monitoriza¸c˜ao cont´ınua e n˜ao-invasiva de glicose de forma wireless e transd´ermica (figura 3.15). Neste sistema, o Prelude Skin Permeation System remove o estrato c´orneo (camada mais exterior da pele) de forma a possibilitar a co- loca¸c˜ao do sensor de glicose transd´ermico sobre a pele com o intuito de determinar a concentra¸c˜ao de glicose. De modo a conseguir isso, uma camada de hidrogel permite a capta¸c˜ao do fluxo de glicose e converte-a por meio de um processo qu´ımico em per´oxido de hidrog´enio, que ao ser consumido pelo sensor electroqu´ımico permite a gera¸c˜ao de uma corrente el´ectrica. A determina¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos torna-se poss´ıvel por meio da detec¸c˜ao da corrente el´ectrica resultante do processo qu´ımico. O transmissor associado ao sensor electroqu´ımico comunicar´a os dados recolhidos a um monitor remoto wireless (receptor).

A Oxygen Biotherapeutics/Glucometrics, anteriormente designada de Synthetic Blood International, foi respons´avel pelo desenvolvimento de um biossensor de glicose inva- sivo implant´avel, cujo tempo de vida operacional ap´os implanta¸c˜ao na pele humana se estima corresponder a 1 ano (The Diabetes Mall, 2010). De forma a realizar as medi¸c˜oes cont´ınuas de concentra¸c˜ao de glicose, o biossensor de glicose implant´avel possuir´a ainda uma membrana semiperme´avel com um sistema enzim´atico de glicose oxidase (GOx).

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 3.15 – Exemplo da opera¸c˜ao do sistema Symphony tCGM System da Echo Thera-

peutics (Chuang et al.,2008). (a) Permea¸c˜ao da pele durante 5 a 15 segundos; (b) Aplica¸c˜ao

do biossensor; (c) Adapta¸c˜ao do transmissor ao biossensor; (d) Transmiss˜ao wireless do sinal

captado pelo biossensor para um monitor externo.

A DexCom (Guang, 2008; Bode, 2005) desenvolveu o DexCom STS (Short Term System), um dispositivo comercialmente dispon´ıvel que ao ser injectado na pele humana permite a monitoriza¸c˜ao cont´ınua de glicose ao longo de 3 dias (figura3.16). A determina¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos ´e minimamente invasiva e conseguida por meio de reac¸c˜oes electroqu´ımicas com mol´eculas de glicose. Deste modo, com a utiliza¸c˜ao da enzima glicose oxidase (GOx) torna-se poss´ıvel correlacionar os valores glic´emicos presentes no sangue com sinais de corrente el´ectrica gerados pela reac¸c˜ao de oxida¸c˜ao de glicose.

Posteriormente, a empresa pretendeu o desenvolvimento deste dispositivo para o DexCom Seven, que fornecia um tempo de utiliza¸c˜ao de 7 dias at´e se tornar ne- cess´aria a sua substitui¸c˜ao. Recentemente, a empresa optou por lan¸car para o mer- cado o DexCom Seven Plus, que se caracteriza por ser uma vers˜ao mais desenvolvida das anteriormente referidas. Para al´em de visualiza¸c˜oes gr´aficas do comportamento glic´emico do corpo, esta vers˜ao oferece ainda uma precis˜ao superior e maiores rendi- mentos aquando de medi¸c˜oes de concentra¸c˜oes de glicose (The Diabetes Mall,2010).

3.3. M´ETODOS QU´IMICOS 61

Aplicador dedicado para inserção do sensor

Transmissor STS

Monitor receptor STS

Sensor STS

Figura 3.16 – Exemplo do DexCom STS (Short Term System) da DexCom (The Diabetes

Mall,2010).

Como apresentado na figura 3.17, a DexCom tamb´em desenvolveu um sistema inva- sivo de monitoriza¸c˜ao cont´ınua de glicose de longo termo, denominado de DexCom LTS (Long Term System), com tempo de vida operacional at´e 1 ano (The Dia- betes Mall, 2010; Bode, 2005). O sistema ´e composto por um sensor implant´avel no abd´omen humano, que realiza as medi¸c˜oes dos n´ıveis glic´emicos no tecido sub- cutˆaneo, e um receptor externo dos dados resultantes. A reac¸c˜ao qu´ımica da glicose com a enzima glicose oxidase (GOx) provoca a gera¸c˜ao de uma pequena corrente el´ectrica, proporcional `a concentra¸c˜ao de glicose presente no sangue. Por meio da determina¸c˜ao desse sinal el´ectrico torna-se poss´ıvel estimar os n´ıveis glic´emicos do doente diab´etico.

M´etodos baseados em microdi´alise

O princ´ıpio b´asico da microdi´alise consiste na inser¸c˜ao de uma fibra de di´alise (mi- croagulhas), equipada com uma membrana semiperme´avel, no tecido subcutˆaneo com o intuito de recolher amostras de fluido intersticial. Por meio do gradiente de concentra¸c˜ao, torna-se poss´ıvel a difus˜ao da glicose do fluido intersticial para o per- fusato atrav´es da membrana de di´alise. A oxida¸c˜ao da glicose no dialisado do fluido