(a)
(b)
Figura 3.21 – Exemplo do GlucoWatch G2 Biographer da Cygnus Therapeutic Systems (McClung,2008). (a) GlucoWatch Biographer ; (b) Autosensor.
3.4
M´etodos baseados em press˜ao osm´otica
A determina¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos tamb´em pode ser conseguida por meio da medi¸c˜ao da press˜ao osm´otica resultante da varia¸c˜ao de concentra¸c˜ao de glicose. Como referido anteriormente neste documento, a glicose difunde-se livremente atra- v´es dos vasos sangu´ıneos para as regi˜oes intersticiais, obtendo-se uma boa correla¸c˜ao entre os n´ıveis de glicose no sangue e os n´ıveis de glicose intersticial na regi˜ao sub- cutˆanea.
Deste modo, os m´etodos baseados em press˜ao osm´otica baseiam-se no fen´omeno da osmose, que se caracteriza pela passagem de mol´eculas de ´agua pela membrana se- miperme´avel em direc¸c˜ao favor´avel ao gradiente de concentra¸c˜ao (do meio de menor concentra¸c˜ao de soluto para o meio de maior concentra¸c˜ao de soluto) at´e que seja estabelecido um equil´ıbrio de concentra¸c˜ao. A ´agua ´e o solvente em todas as c´elulas, o que implica que a sua difus˜ao se d´a de forma contr´aria `as das restantes mol´eculas ou i˜oes.
Deste modo, a passagem de mol´eculas de ´agua (solvente) ´e realizado por meio da membrana semiperme´avel do meio hipot´onico (meio de menor concentra¸c˜ao de so- luto) para o meio hipert´onico (meio de maior concentra¸c˜ao de soluto). A membrana
semiperme´avel apenas permite a passagem de solvente (mol´eculas de ´agua), impe- dindo que o soluto (mol´eculas de glicose) a atravesse. De modo a for¸car a passagem das mol´eculas de ´agua pela membrana torna-se necess´ario exercer uma press˜ao de- nominada de press˜ao osm´otica (Osborne, 2007).
As varia¸c˜oes sentidas nos n´ıveis glic´emicos no fluido intersticial (meio extracelular) podem levar `a mudan¸ca de direc¸c˜ao do transporte das mol´eculas de ´agua pela mem- brana semiperme´avel, originando um acr´escimo/decr´escimo da press˜ao osm´otica. Se o meio extracelular possuir uma menor concentra¸c˜ao de soluto (maior concen- tra¸c˜ao de mol´eculas de ´agua), meio hipot´onico, as mol´eculas de ´agua deslocam-se do meio extracelular para o meio intracelular. Este fen´omeno provoca um aumento da press˜ao osm´otica no meio intracelular e um aumento de volume da membrana (dilata¸c˜ao da c´elula). No entanto, se o meio extracelular for o meio hipert´onico, contendo uma maior concentra¸c˜ao de soluto (menor concentra¸c˜ao de mol´eculas de ´agua), a ´agua sai do meio intracelular e desloca-se em direc¸c˜ao ao meio extracelu- lar, implicando tanto a redu¸c˜ao de press˜ao osm´otica no meio intracelular como a contrac¸c˜ao da c´elula (redu¸c˜ao de volume da membrana).
Uma das principais vantagens deste m´etodo de monitoriza¸c˜ao de glicose refere-se `as dimens˜oes f´ısicas reduzidas que estes sensores osm´oticos de glicose apresentam, permitindo a implanta¸c˜ao por injec¸c˜ao e evitando procedimentos cir´urgicos para este fim.
Ao contr´ario das c´elulas electroqu´ımicas, os sensores osm´oticos de glicose apresentam as vantagens de n˜ao consumir glicose durante a realiza¸c˜ao das medi¸c˜oes dos n´ıveis glic´emicos e de ter uma resolu¸c˜ao independente da concentra¸c˜ao de glicose (nas c´elulas electroqu´ımicas a resolu¸c˜ao decresce com a concentra¸c˜ao de glicose). O facto destes sensores osm´oticos serem sensores de afinidade, permite que a resolu¸c˜ao seja melhorada ao longo do decr´escimo da concentra¸c˜ao de glicose. Enquanto o tempo de vida operacional m´aximo das c´elulas electroqu´ımicas ´e de 7 dias, os materiais qu´ımicos inertes integrantes dos sensores osm´oticos asseguram um tempo de vida operacional mais elevado.
3.4. M´ETODOS BASEADOS EM PRESS˜AO OSM ´OTICA 69
Por outro lado, quando comparados com os sensores baseados na emiss˜ao/recep¸c˜ao de luz os sensores osm´oticos revelam ser de baixo consumo (cerca de 2 mW a 2,5 V), caracter´ıstica que possibilita a alimenta¸c˜ao indutiva atrav´es de uma unidade ultra compacta com uma pequena antena.
A transmiss˜ao indutiva pr´oxima, atrav´es do corpo humano, previne n˜ao s´o leituras n˜ao autorizadas de terceiros como elimina a necessidade da utiliza¸c˜ao de baterias que requerem substitui¸c˜ao. Alguns integrantes destes sensores osm´oticos, como ´e o caso da membrana e do transdutor, possibilitam tanto a redu¸c˜ao da complexidade como a melhoria da fiabilidade deste m´etodo.
Embora a quantidade de vantagens que esta tecnologia oferece a torne bastante vi´avel e eficaz, tamb´em os sensores osm´oticos apresentam as suas desvantagens. Entre estas pode-se referir a dependˆencia da selectividade da membrana, que poder´a ser baixa uma vez que o seu procedimento de exclus˜ao de part´ıculas ´e baseado no peso molecular.
Por outro lado, estes sensores osm´oticos requerem tamb´em uma comunica¸c˜ao directa entre a membrana porosa e os fluidos corporais, o que torna a membrana sens´ıvel ao entupimento devido a incrusta¸c˜ao (“biofouling”). Por ´ultimo, o processo de medi¸c˜ao de glicose atrav´es deste m´etodo pode ainda ser bastante lento, uma vez que se baseia na difus˜ao por meio de um gradiente de concentra¸c˜ao.
No que diz respeito `a operacionalidade, a principal fun¸c˜ao dos sensores osm´oticos de glicose consiste na medi¸c˜ao das varia¸c˜oes de press˜ao osm´otica no meio intercelular proporcionais `a concentra¸c˜ao de glicose no fluido intersticial.
Existem diversas formas de medir e determinar a press˜ao osm´otica exercida no meio intracelular aquando de altera¸c˜oes de concentra¸c˜oes de glicose no fluido intersticial (meio extracelular), baseando-se para isso na deforma¸c˜ao da membrana de sil´ıcio do sensor de press˜ao.
Alguns dos sensores de press˜ao utilizados para medir a press˜ao osm´otica no meio intracelular s˜ao dispositivos de sil´ıcio miniaturizados que contˆem piezoresistˆencias
embebidas na membrana de sil´ıcio do sensor. A deforma¸c˜ao/deflex˜ao da mem- brana de sil´ıcio, aquando das altera¸c˜oes de press˜ao osm´otica no meio intracelular, provoca uma varia¸c˜ao na resistˆencia destas piezoresistˆencias. Atrav´es da medi¸c˜ao da resistˆencia das piezoresistˆencias torna-se poss´ıvel determinar a concentra¸c˜ao de glicose no meio intersticial.
Neste ˆambito, Ellingsen (2001) retrata um sensor osm´otico de glicose implant´avel na pele humana com o objectivo de monitorizar continuamente os n´ıveis glic´emicos no fluido corporal. De modo a conseguir isso, o dispositivo minimamente invasivo incorpora um fluido calibrado colocado por baixo de uma membrana semiperme´avel, que por sua vez separa esse fluido interno ao dispositivo do fluido corporal.
O sensor ´e activado pela energia associada ao transporte de mol´eculas de ´agua pela membrana semiperme´avel e determina as varia¸c˜oes de osmolalidade (concentra¸c˜ao de part´ıculas osmoticamente activas existentes numa solu¸c˜ao) sujeitas no fluido corporal pelo efeito de osmose.
Deste modo, o aumento da concentra¸c˜ao de glicose no fluido corporal faz com que o fluido calibrado passe para o exterior do dispositivo de modo a obter um equil´ıbrio de concentra¸c˜ao entre os meios. A sa´ıda desse fluido calibrado do dispositivo atrav´es da membrana semiperme´avel ir´a produzir uma quantidade de energia proporcional `a concentra¸c˜ao de glicose, que permitir´a controlar o fornecimento de insulina e activar o mecanismo de detec¸c˜ao do sensor. Quanto maior for a concentra¸c˜ao de glicose no fluido corporal mais elevada ser´a a quantidade de energia associada, provocando por consequˆencia um aumento da dura¸c˜ao do fluxo de ´agua atrav´es da membrana. No entanto, com a redu¸c˜ao dos n´ıveis glic´emicos no fluido corporal provocada pela liberta¸c˜ao de insulina, a osmolalidade no fluido corporal ir´a tornar-se menor que a do dispositivo. Este fen´omeno ir´a permitir que o fluido calibrado regresse novamente ao interior do dispositivo por meio da membrana semiperme´avel, activando o meca- nismo de detec¸c˜ao do sensor osm´otico de glicose na direc¸c˜ao oposta `a anteriormente descrita.
3.4. M´ETODOS BASEADOS EM PRESS˜AO OSM ´OTICA 71
meio de um sistema implant´avel minimamente invasivo que ´e composto por duas cˆamaras, delimitadas e isoladas por duas membranas semiperme´aveis. Estas pos- suem a caracter´ıstica de permitir a passagem de mol´eculas de glicose, sendo no en- tanto imperme´aveis a mol´eculas de dimens˜oes superiores a estas. Para as medi¸c˜oes, as cˆamaras s˜ao equipadas com transdutores de press˜ao e preenchidas com suspens˜oes isot´onicas de for¸ca osm´otica semelhante `a do fluido peritoneal (l´ıquido produzido na cavidade abdominal). Uma destas cˆamaras ´e constitu´ıda por uma suspens˜ao de c´elulas de levedura e a sua reac¸c˜ao com mol´eculas de glicose permite a produ¸c˜ao de di´oxido de carbono a uma taxa proporcional `a concentra¸c˜ao de glicose no san- gue. Deste modo, a produ¸c˜ao do di´oxido de carbono permite que a mudan¸ca de n´ıveis glic´emicos resulte num aumento de press˜ao osm´otica correspondente. A de- termina¸c˜ao deste aumento de press˜ao osm´otica ou dos n´ıveis de concentra¸c˜ao de di´oxido de carbono permite ao sistema elaborar uma estimativa dos n´ıveis glic´emicos no organismo (DiTraglia,1989;Johannessen, 2009).
Neste ˆambito, Neftel (1994) retrata um dispositivo minimamente invasivo implan- t´avel na regi˜ao subcutˆanea cuja constitui¸c˜ao passa pela localiza¸c˜ao paralela de duas cˆamaras de medi¸c˜ao que se encontram isoladas e delimitadas por membranas semi- perme´aveis.
Uma das cˆamaras de medi¸c˜ao possui uma membrana perme´avel `a glicose, permitindo a passagem de glicose e impedindo a passagem de todas as mol´eculas de dimens˜oes superiores a esta. Esta cˆamara de medi¸c˜ao encontra-se em contacto directo com um sensor de press˜ao que determina a press˜ao osm´otica induzida pela concentra¸c˜ao destas mol´eculas nessa cˆamara de medi¸c˜ao. No entanto, a outra cˆamara de medi¸c˜ao encontra-se isolada por uma membrana n˜ao perme´avel `a glicose, que apenas permite a passagem de mol´eculas de dimens˜oes inferiores a esta, e faz uso de um sensor de press˜ao de modo a monitorizar e medir a actividade osm´otica induzida pela concentra¸c˜ao das mol´eculas de ´agua.
Deste modo, atrav´es da diferen¸ca entre os sinais de press˜ao osm´otica provenientes de cada cˆamara de medi¸c˜ao torna-se poss´ıvel obter um valor de press˜ao osm´otica induzido unicamente pela glicose. Por fim, a sua compara¸c˜ao com um valor de
referˆencia possibilita a obten¸c˜ao do n´ıvel de glicose correspondente.
Por outro lado, Gilbert (1972) reporta um m´etodo minimamente invasivo de moni- toriza¸c˜ao de glicose baseado num osm´ometro que cont´em uma membrana osm´otica colocada numa c´elula. De forma a poder realizar as medi¸c˜oes de press˜ao osm´otica, ´e colocado um solvente de referˆencia no interior da c´elula, que ir´a estar em contacto com o lado interno da membrana. O lado externo da membrana ´e adaptado de forma a permanecer em contacto com uma solu¸c˜ao l´ıquida, cuja press˜ao osm´otica ser´a sujeita a medi¸c˜oes. Esta membrana cont´em transdutores de press˜ao piezoresis- tivos, cuja fun¸c˜ao consiste na medi¸c˜ao das varia¸c˜oes de press˜ao osm´otica sentidas na membrana quando um dos lados se encontra em contacto com o solvente. Tamb´em Johannessen (2009) propˆos um dispositivo minimamente invasivo mini- aturizado composto por uma cavidade de referˆencia, que ao ser delimitada num dos lados por uma membrana semiperme´avel realiza medi¸c˜oes com base em press˜ao osm´otica. As varia¸c˜oes de press˜ao osm´otica induzidas na cˆamara de referˆencia s˜ao determinadas por um conjunto de transdutores em contacto operacional com a mem- brana semiperme´avel, possibilitando assim a obten¸c˜ao de uma estimativa dos n´ıveis glic´emicos no organismo.
Numa outra abordagem,Glass (1994) reporta o desenvolvimento de um osm´ometro ´optico minimamente invasivo baseado na coloca¸c˜ao de uma sonda de fibra ´optica numa cˆamara. Para al´em disso, a cˆamara ir´a ainda ser constitu´ıda por um filtro e uma membrana, cuja resposta depende da varia¸c˜ao de press˜ao no interior da cˆamara. As varia¸c˜oes de press˜ao na cˆamara, proporcionais `a mudan¸ca nos n´ıveis glic´emicos, s˜ao originadas pelo filtro quando este ret´em as reac¸c˜oes qu´ımicas formadas entre o reagente da cˆamara e o anal´ıtico (glicose) transmitido por este para a cˆamara. Deste modo, as varia¸c˜oes de press˜ao s˜ao determinadas por um detector atrav´es da an´alise da luz reflectida pela membrana modulada proporcionalmente a essas varia¸c˜oes, quando excitada por um feixe de luz oriundo da sonda de fibra ´optica.
3.4. M´ETODOS BASEADOS EM PRESS˜AO OSM ´OTICA 73
Tamb´em Ehwald (2001) descreveu o desenvolvimento de um microsensor minima- mente invasivo que se baseia na viscosimetria com o objectivo de determinar conti- nuamente a concentra¸c˜ao de glicose em l´ıquidos. De modo a conseguir isso, o sensor incorpora uma cˆamara de di´alise composta por uma fibra oca, que ser´a preenchida por uma solu¸c˜ao polim´erica sens´ıvel `a glicose e ligada a um condutor oco. Para al´em disso, o sensor tamb´em possui um sistema de medi¸c˜ao constitu´ıdo por um micromo- tor electrost´atico, para induzir o movimento da solu¸c˜ao polim´erica sens´ıvel `a glicose, e um transdutor de press˜ao, volume ou fluxo de forma a fornecer sinais relativos `a viscosidade. A cˆamara de di´alise encontra-se ligada ao micromotor electrost´atico numa unidade funcional fechada hidraulicamente.
No entanto, existe uma outra forma de determinar os n´ıveis glic´emicos, que se ca- racteriza pela utiliza¸c˜ao de uma membrana de espessura maior. Esta membrana sofre uma deforma¸c˜ao de acordo com as varia¸c˜oes de press˜ao osm´otica sentidas no interior do sensor de press˜ao. Deste modo, o movimento da membrana ir´a provocar uma mudan¸ca do ˆangulo de uma luz que ´e reflectida da superf´ıcie da membrana, e que varia de acordo com a deforma¸c˜ao da membrana. Atrav´es da an´alise e medi¸c˜ao desse ˆangulo torna-se poss´ıvel determinar a concentra¸c˜ao de glicose no metabolismo. Neste ˆambito, Rawer et al. (2004a); Receveur et al. (2007) reportaram o desen- volvimento de um sensor de glicose minimamente invasivo baseado numa c´elula de medi¸c˜ao microestruturada e miniaturizada, que ap´os isolada por uma membrana semiperme´avel destina-se `a implanta¸c˜ao micro-invasiva na cˆamara anterior do olho humano (espa¸co compreendido entre a ´ıris e a c´ornea).
Deste modo, a press˜ao osm´otica presente no interior desta c´elula depende essen- cialmente da concentra¸c˜ao de glicose intraocular e ´e traduzida na deforma¸c˜ao da membrana. Atrav´es deste sistema torna-se poss´ıvel obter uma estimativa dos n´ıveis glic´emicos por meio da determina¸c˜ao da deforma¸c˜ao ´optica da membrana atrav´es da t´ecnica de interferometria de luz branca.
Por outro lado, foi desenvolvido um novo tipo de hidrogel sens´ıvel `a glicose (GSH – Glucose-Sensitive Hydrogel ), em que a forma¸c˜ao de liga¸c˜oes cruzadas revers´ıveis
provoca a diminui¸c˜ao do volume do hidrogel em resposta ao aumento dos n´ıveis de glicose (Lin et al., 2010). O facto da sua caracter´ıstica de funcionamento ser n˜ao-enzim´atica permite que a resposta do sensor minimamente invasivo apresente uma forte independˆencia do n´ıvel de oxig´enio no sangue. A sua aplica¸c˜ao visa os sensores de glicose implant´aveis, que em combina¸c˜ao com transdutores de press˜ao piezoresistivos permitem a determina¸c˜ao da concentra¸c˜ao de glicose por meio da an´alise da deflex˜ao do hidrogel e da resposta da press˜ao osm´otica.
No entanto, existe um outro e mais antigo tipo de hidrogel sens´ıvel `a glicose que tamb´em pode ser utilizado num sistema de medi¸c˜ao de concentra¸c˜oes de glicose (Receveur et al., 2007). Neste caso, o aumento das concentra¸c˜oes de glicose no metabolismo reflecte-se na dilata¸c˜ao do hidrogel (aumento do volume).
Tamb´em Han et al. (2001) propuseram um biossensor implant´avel capaz de deter- minar n´ıveis glic´emicos de forma minimamente invasiva, baseando-se para isso na utiliza¸c˜ao de um hidrogel polim´erico sens´ıvel ao pH. O inv´olucro do biossensor ´e delimitado num dos seus extremos por uma membrana semiperme´avel, enquanto no outro extremo se encontra uma membrana flex´ıvel sens´ıvel `a press˜ao. O hidrogel inclui a enzima imobilizada glicose oxidase (GOx), que na catalisa¸c˜ao de uma reac¸c˜ao qu´ımica transforma glicose e oxig´enio em per´oxido de hidrog´enio e ´acido gluc´onico. A produ¸c˜ao do ´acido gluc´onico (subproduto) provoca uma redu¸c˜ao do pH, que por sua vez obriga o hidrogel a aumentar a sua press˜ao osm´otica e volume de acordo a concentra¸c˜ao do subproduto.
Como a concentra¸c˜ao de glicose ´e proporcional ao n´ıvel de pH do hidrogel, que por sua vez ´e proporcional `a press˜ao osm´otica do hidrogel, esta pode ser deduzida por meio de um transdutor de press˜ao capacitivo associado operacionalmente `a mem- brana flex´ıvel.
Rogoff(1985) reportou o desenvolvimento de um transdutor minimamente invasivo que integra um inv´olucro implant´avel na corrente sangu´ınea com fins de monitorizar as concentra¸c˜oes de glicose no metabolismo.
3.5. OUTROS M´ETODOS DE MONITORIZAC¸ ˜AO DE GLICOSE 75
dos lados uma cˆamara, que se encontrar´a preenchida com uma solu¸c˜ao osm´otica. O lado oposto desta cˆamara ir´a ser isolado por uma membrana imperme´avel flex´ıvel, equipada com uma liga¸c˜ao el´ectrica.
As varia¸c˜oes nos n´ıveis glic´emicos levam `a proporcional transferˆencia de fluido para o interior da cˆamara com solu¸c˜ao osm´otica por meio da membrana semiperme´avel. Este fen´omeno implica uma deflex˜ao da membrana imperme´avel flex´ıvel em duas direc¸c˜oes opostas de acordo com a press˜ao diferencial entre a solu¸c˜ao da cˆamara e o sangue.
Deste modo, baixas concentra¸c˜oes de glicose implicam que a press˜ao osm´otica do sangue seja menor que a press˜ao osm´otica da solu¸c˜ao no interior da cˆamara, pro- vocando o fluxo de fluido para o interior da cˆamara e o aumento do seu volume. Neste caso, a membrana imperme´avel flex´ıvel ir´a deflectir-se de modo a permitir a activa¸c˜ao da infus˜ao de glicose para o fluxo sangu´ıneo. Por outro lado, as concen- tra¸c˜oes de glicose elevadas originam uma press˜ao negativa no interior da cˆamara, levando `a deflex˜ao da membrana imperme´avel flex´ıvel na direc¸c˜ao oposta de modo a activar a infus˜ao de insulina no fluxo sangu´ıneo (Rogoff, 1985;Johannessen, 2009).