Blutzuckermessung: Infrarot statt invasiv

Über sechs Millionen Deutsche leiden an Diabetes. Weltweit wird die Zahl auf etwa 400 Millionen geschätzt. Zur Kontrolle des Blutzuckerwerts müssen Patienten sich mehrmals täglich in den Finger stechen. Im interdisziplinären Zentrum für Lebenswissenschaften in Iserlohn forscht ein Doktorand zurzeit an einem modernen nicht-invasiven Messverfahren, das den Pieks überflüssig machen soll. Sein Hilfsmittel: ein Laser-Spektrometer.

Im Interview mit MEDICA.de spricht Sven Delbeck über die Bedeutung von großen Datenmengen für die Diabetologie, welche Rolle die neue Methode auch in anderen medizinischen Fachbereichen spielen könnte und wo es noch Verbesserungsbedarf gibt.

Welche Chancen bieten sich Diabetikern im heutigen Zeitalter, in dem auch die Gesundheitsbranche immer digitaler wird? 

Sven Delbeck: Wir können in Echtzeit große Datenmengen auswerten, die speziell für Diabetiker optimierte und personalisierte Therapieformen ermöglichen. Hierbei unterstützen beispielsweise Smartphones (mhealth im Katalog der MEDICA 2018) und Apps (Medizinische Apps und App Stores im Katalog der MEDICA 2018) eine übersichtliche Darstellung und Auswertung von Daten, die bei der Diabetiker-Selbstkontrolle der Blutglucosekonzentrationen anfallen (Geräte und Systeme zur Glukose-Bestimmung im Katalog der MEDICA 2018). Neuerdings werden insbesondere kontinuierlich aufgenommene Glucosewerte, die mit einer neuen Generation von Biosensoren ermöglicht werden und mit denen eine neue Qualität in der intensivierten Insulintherapie eröffnet wird, gesammelt und analysiert. Weiterhin erlauben Apps z.B. eine Abschätzung der Kohlenhydratmengen in Speisen sowie die Berechnung des Insulinbedarfs des Patienten.

Viele dieser Apps für kontinuierlich messende Glucosemessgeräte verfügen über Warnsysteme, die mittels Tonsignalen oder Trendpfeilen vor drohenden Unter- oder Überzuckerungen warnen. Über die Freigabefunktion dieser Datensätze können Ärzte oder autorisierte Personen Ferndiagnosen stellen und Hilfestellung leisten, was unter anderem auch für Eltern von Kindern mit Diabetes oder für das Pflegepersonal von Diabetes-Patienten von großem Interesse ist.

Bisher wurde Unter- bzw. Überzuckerung anhand von invasiven Methoden festgestellt. Sie sind dabei ein neues Verfahren zu entwickeln. Was ist neu?

Delbeck: Der Ansatz ist nicht ganz neu. Prof. Herbert Michael Heise, der meine Promotion betreut, hat seit Jahren sehr erfolgreich auf diesem Gebiet am ISAS-Forschungsinstitut in Dortmund (jetzt Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften – ISAS e.V.), aber auch schon früher zusammen mit Mitarbeitern der Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn geforscht.

Die grundsätzliche Neuheit an der jetzigen Entwicklung ist der Einsatz eines nicht-invasiven, kontinuierlich messenden Systems auf Basis einer optischen Messtechnik zur Überwachung des Blutzuckers. Im Unterschied zu bereits erforschten oder sogar entwickelten minimal- oder nicht-invasiven optischen Methoden, die zumeist eine Mischung der integralen glucosespezifischen Messsignale aus Interstitium, Intrazellularraum und Blut abbilden, wird bei unserem Ansatz gezielt der im Blut vorhandene Glucosespiegel, der in der Medizin als Goldstandard angesehen wird, bestimmt. Der große Nachteil bei den gewebeintegralen Messmethoden besteht in den individuell unterschiedlichen Verzögerungszeiten des Glucoseaustauschs zwischen Blut und Gewebe, sodass kein bisher vorgestelltes, nicht-invasives optisches System präzise den Ist-Zustand des Patienten hinsichtlich der arteriellen Blutglucosekonzentration bestimmen kann.

Wie genau wird der Blutzucker gemessen?

Delbeck: Wir arbeiten mit einem schwingungsspektroskopischen Aufbau mit einer Lichtquelle im nahen Infrarotbereich (mit längeren Wellenlängen als im sichtbaren Spektralbereich) und einer speziell konstruierten Reflexionsoptik, was zu hervorragenden Signal/Rausch-Verhältnissen führt. Durch den Kontakt von stark durchbluteter Haut an der ebenen Seite einer halb-sphärischen Linse können Spektren dieses Hautbereiches aufgenommen werden, wobei rückgestreute Photonen aus den oberen Hautschichten gesammelt, auf einen Detektor fokussiert und anschließend analysiert werden. In den oberen Hautschichten befindet sich Glucose in den blutführenden Kapillargefäßen, welche Strahlung bestimmter Wellenlängen absorbiert. Zur Differenzierung zwischen Gewebs- und Blutglucose sollen die durch den Herzschlag bedingten Blutvolumenänderungen, auch über einen pulsplethysmografischen Triggerimpuls gesteuert, genutzt werden, sodass anschließend mittels spezieller multivariater Datenanalyse die glucosespezifischen Signale herausgefiltert werden können.

Welche Vorteile bringt die neue Methode zur Blutzuckermessung für Diabetiker, aber auch für Patienten auf der Intensivstation?

Delbeck: Sehr kurzfristig gesehen, verschwinden Schmerz und das Infektionsrisiko, wenn sonst die mehrmals tägliche Blutentnahme an der Fingerbeere durch einen Lanzettenstich erfolgt, die dem jetzigen Stand der Technik entspricht. Auch minimal-invasive Patch-Glucosemessgeräte, die bis zu zwei Wochen an derselben Stelle messen, haben Nachteile gegenüber einer nicht-invasiven Messung, da es hier auch zu Hautreaktionen auf den Kleber kommen kann oder das Gewebe mit Entzündungen auf den zeitweise implantierten Sensor reagiert. Durch eine kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels können nachweislich die HbA1c Werte (Langzeitzuckerwerte) der Diabetiker verbessert und Spätschäden wie diabetischer Fuß, Retinopathie und Nierendysfunktionen, reduziert werden. Eine individuelle Therapieanpassung durch die "Online-Messung" der Ist-Werte des Blutzuckers sowie ein weiterer Schritt hin zum "Artificial Pancreas", also einer künstlichen Bauchspeicheldrüse, sind weitere Vorteile der Methodik. Auf der Intensivstation wird eine Dauerüberwachung der Patienten möglich, da intermittierende Blutzuckeranalysen, die durch das Personal mehrmals am Tag durchgeführt werden, wegfallen.

Das Verfahren kann in der Diabetologie zum Einsatz kommen, könnte aber auch in anderen medizinischen Fachbereichen helfen. Welche und warum?

Delbeck: Prinzipiell vorstellbar wäre ein Monitoring von unterschiedlichen medizinisch relevanten Blutparametern, die in der Intensivmedizin von Interesse sind. Eine kontinuierliche Blutzuckerüberwachung erlaubt beispielsweise viele Rückschlüsse auf den Stoffwechsel von Patienten. Auch die Temperatur oder der Wassergehalt beziehungsweise die Analytik von Körperflüssigkeiten auf der Hautoberfläche, wie zum Beispiel Schweiß, sind interessante Messparameter, die im Bereich des Ausdauersports eine Rolle spielen. Seit einigen Jahren sind sogenannte Fitness-Armbänder auf dem Markt. Durch die Kombination mit anhaftenden Pflaster-ähnlichen Spektrometern (Patch-Spektrometer) würde sich die Anwendungsbreite nochmal erweitern. Ein weiteres medizinisches Einsatzgebiet ist die klinisch-chemische Analytik, in der die nicht-invasive Bestimmung des Blutalkoholspiegels wichtige Informationen, zum Beispiel zur Fahrtüchtigkeit eines Menschen, liefern kann.

Das Verfahren ist zurzeit noch nicht marktreif. Wo gibt es noch Verbesserungsbedarf?

Delbeck: Zurzeit müssen noch Störgrößen charakterisiert werden, deren Ergebnisse mit in die Datenanalyse einfließen, sodass wir ein robustes Vorhersagemodell entwickeln können. Dazu gehören das Hautalter oder die Durchblutungseigenschaften des Hautgewebes. Bei Patch-Sensoren sind Hautveränderungen durch die Sensor-Abdeckung zu berücksichtigen (Feuchtegehalt, Lichtstreuung). Dies sind einige Parameter, die ausreichend bekannt und implementiert sein müssen, sodass ein Blutzuckermessgerät auch unter Alltagsbedingungen von jedem Patienten bedient werden kann und qualitativ dieselben Werte liefert, wie ein Laboraufbau unter standardisierten Bedingungen.

Eine andere Aufgabe ist die Miniaturisierung des Messgerätes unter Beibehaltung der gleichen Leistungsfähigkeit hinsichtlich der spektralen Signal/Rausch-Verhältnisse. Hierzu tragen neu entwickelte und bereits miniaturisierte Bauteile aus dem Bereich der Optik und Elektronik bei. Ebenso müssen eine elektronische Datenverarbeitung sowie Lösungen für den Einsatz in der Telemedizin integriert werden. Ein solches Messgerät ist portabel und flexibel einsetzbar – im besten Fall direkt am Körper tragbar, ohne dass es die Mobilität der jeweiligen Person einschränkt.