Kontinuierliche Blutzuckermessung: "Unsere Methode basiert auf dem Prinzip der Absorptionsmessung"

Interview mit Prof. Herbert Michael Heise, Fachbereich Informatik und Naturwissenschaften, Fachhochschule Südwestfalen

Patienten auf der Intensivstation haben nicht nur mit den Folgen einer schweren Verletzung oder Erkrankung zu kämpfen – bei ihnen kommt es auch zu starken Blutzuckerschwankungen, die den Heilungserfolg gefährden. Diese geschehen teilweise so schnell, dass sie mit bisherigen, diskreten Messmethoden nicht rechtzeitig erfasst werden.

22.10.2014

Foto: Herbert Michael Heise

Prof. Herbert Michael Heise; © privat

Im Interview mit MEDICA.de erklärt Prof. Herbert Micheal Heise, wie eine kontinuierliche Messmethode auf Basis der Infrarotspektroskopie hier Abhilfe schafft. Sie soll bei Intensivpatienten nicht nur den Blutzucker messen, sondern auch andere Werte, und könnte zukünftig auch Diabetikern zugutekommen.

Herr Prof. Heise, bei Patienten auf der Intensivstation kommt es mitunter zu starken Blutzuckerschwankungen. Was ist die Ursache dafür?


Herbert Michael Heise: Der Körper dieser Patienten steht unter erhöhtem Stress, etwa durch Operationen, Blutverlust, Sepsis oder andere Erkrankungen. Das sind extreme Situationen. Der Körper produziert Hormone, die die Freisetzung von Glucose aus Speichern in der Leber verursachen. Es kann aber nicht genügend Glucose mit dem Hormon Insulin in die Zellen eindringen, sodass die Glucosekonzentration im Blut und in den Gewebsflüssigkeiten steigt. Das ist ein ähnliches Phänomen wie bei Diabetikern, hat aber eine andere Ursache. Die Schwankungen wirken sich dabei sehr nachteilig auf den Ausgang der Heilung, die Mortalität und die Morbidität aus.

Wie sieht die Blutzuckerüberwachung dort aus?

Heise: Zurzeit wird der Prozess vom Pflegepersonal auf den Stationen größtenteils händisch durchgeführt: Es gibt entsprechende Systeme, in die Messwerte eingegeben werden und die dann eine Insulingabe empfehlen oder eine Insulinpumpe unter Kontrolle des Personals steuern. Außerdem liegen die Werte dann in vielen diskreten Messungen vor. Unter Stress kann es aber zu starken Änderungen in kurzer Zeit kommen, die mit Einzelmessungen nicht rechtzeitig erfasst werden. Hier wollen wir mit einer kontinuierlichen Messmethode Abhilfe schaffen.
Foto: Blauer Kasten auf Laborbank

Optische Bank mit blauem Kasten, der insgesamt vier abstimmbare Quantenkaskaden-Laser-Module mit externen Resonatoren enthält; © privat

Wie sieht die Methode aus?

Heise: Sie basiert auf dem Prinzip der Absorptionsmessung. Der Stoff, den wir messen wollen, also die Glucose, hat ein bestimmtes Absorptionsspektrum im infraroten Spektralbereich, das messbar wird, wenn sie mit bestimmten Wellenlängen jenseits des sichtbaren Lichts durchstrahlt wird. Jede Substanz hat ein eigenes Absorptionsmuster, das so charakteristisch ist wie ein Fingerabdruck. Damit kann man Substanzen identifizieren und quantifizieren.

Im vorhergehenden CLINICIP-Projekt haben wir mit einem Mikro-Dialyse-Katheter kleine Moleküle wie Glucose, Harnstoff und Laktat aus dem subkutanen Fettgewebe der Haut im Bauchbereich gezogen. Die aus dem Katheter weitergeführte Flüssigkeit, das sogenannte Dialysat, enthielt dann Informationen über den Gehalt der kleinen Moleküle in der Körperflüssigkeit. Sie wurde außerhalb des Körpers in einer Messzelle mit einem kleinen bettseitig neben dem Patienten stehenden Spektrometer spektroskopiert. Dafür eignet sich das Absorptionsspektrum im infraroten Bereich sehr gut. Der Vorteil ist, dass wir so nicht nur einen Bestandteil der Flüssigkeit wie die Blutglucose analysieren können, sondern gleich mehrere, an denen die Intensivmediziner auch interessiert sind. Neben den vorher Genannten sind dies gelöstes CO2 und Bicarbonat, die Aufschluss über den pH-Wert der untersuchten Körperflüssigkeit und einen Einblick in den Elektrolythaushalt des Körpers geben.

Als Strahlungsquelle nutzen Sie einen Quanten-Kaskaden-Laser. Wie kann man sich diesen vorstellen?

Heise: Konventionelle kleinste IR-Spektrometer haben etwa die Grundfläche einer DIN A4-Seite. Damit haben wir bei CLINICIP ein bettseitiges System für kritisch Kranke entwickelt. Wünschenswert ist hier aber eine weitere Miniaturisierung, denn die Akzeptanz der Mediziner für ein weiteres Gerät am Krankenbett ist nicht groß. Die Miniaturisierung ist aber schwierig, denn einerseits haben die Spektrometer eine thermische Strahlungsquelle, sodass das Gerät auch für den Abtransport von Wärme ausgelegt sein muss, andererseits ist die Messtechnik recht aufwendig. Eine weitere Verkleinerung dieser Geräte ist in absehbarer Zeit nicht zu erwarten.

Quanten-Kaskaden-Laser stellen eine kalte Quelle für Infrarotstrahlung dar, bei der weniger Wärme abtransportiert werden muss. Mittlerweile verwenden wir ein System mit der Grundfläche von der Größe einer halben DIN A4-Seite, das wir gerne auf die Größe einer Zigaretten- oder Streichholzschachtel verkleinern würden. Auf diesem Chip hätten wir dann neben der Strahlungsquelle eine Messküvette oder eine Fasersonde und einen entsprechenden Fotodetektor. Eine Miniaturisierung ist durchaus möglich. Das sieht man beispielsweise an modernen Mobiltelefonen.
Foto: Prof. Heise und Teammitglieder

Links: Prof. Michael Heise, Mitte: Dr.-Ing. Konstantinos Nalpantidis, rechts: Dipl.-Ing Markus Grafen (beide Mitarbeiter im GLUQCL-Projekt vom Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik, Ruhr-Universität Bochum); © privat

Haben Sie schon so etwas wie ein Grundkonzept für die „künstliche Bauchspeicheldrüse“?

Heise: Im Moment arbeiten wir noch an einem zuverlässigen Sensorsystem. Dann müssten wir mit Herstellern von Insulinpumpen kooperieren und die Geräte mit einer Software ausrüsten. Das wären Algorithmen, die selbstständig die Insulindosierung vornehmen auf Grundlage der vorherigen Blutzuckerkonzentration und der Kalorieneinnahme des Patienten. Wir versuchen, diese Lücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung in einem aktuellen Projekt zu schließen. In diesem Rahmen arbeiten wir nicht nur an der Miniaturisierung, sondern wir vergleichen konventionelle Messtechniken auch mit unserer Technik. Hier wird sich herausstellen, ob unsere Technik zuverlässiger, kleiner und kostengünstiger sein kann.

Als wie zuverlässig schätzen Sie sie denn ein?

Heise: Gängige kontinuierliche Messsysteme nutzen Nadeltypsensoren und funktionieren auf elektrochemischer Basis. Diese Sensoren weisen aber nicht die Zuverlässigkeit auf, die sie haben müssten, und benötigen eine häufige Nachkalibrierung. Das macht mehrmals täglich eine Nachkalibrierung notwendig, die mit einer parallelen Vergleichsmessung direkt im Blut erfolgt. Diabetiker müssen deshalb auch weiter Teststreifensysteme nutzen, deren Messabweichung sich mittlerweile gut eingrenzen lässt, und dürfen ihren Insulinbedarf nicht mit kontinuierlich messenden, kommerziell verfügbaren Sensorsystemen ermitteln. Unsere photonisch basierte Messung ist voraussichtlich zuverlässiger, denn beim Absorptionsspektrum der Glucose, das wir messen, handelt es sich um eine physikalische Konstante. Unser System sollte deshalb nach der ersten Einstellung im weiteren Gebrauch kalibrationsfrei funktionieren.

Im Moment ist unser Ziel noch das bettseitige Messsystem für Intensivpatienten. Wenn es weiter miniaturisierbar ist, könnte daraus auch ein alltagstaugliches System für Diabetiker entstehen, das möglicherweise in der Zukunft mit einem Pflaster direkt auf die Haut geklebt wird.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Timo Roth.
MEDICA.de