Heilzaam polymeer; op weg naar een interne glucosemeter

Voor een sensor die continu het glucosegehalte in bloed meet bestaat een groeiende markt. Er zijn honderduizenden suikerzieken die regelmatig suikergehalte in hun bloed willen meten.

ONDERZOEKERS van het California Institute of Technology in Pasadena (Californië) hebben een stabiel polymeer ontworpen dat glucosemoleculen uit bloedserum en andere dergelijke 'complexe biologische media' bindt. Na binding van een glucosemolecuul staat het polymeer ogenblikkelijk een proton af en dat betekent een zuurgraadverandering die bestaande sensoren kunnen meten (Nature Biotechnology, 15 april).

De onderzoekers zien het als een voordeel dat het polymeer optimaal werkt bij een hoge zuurgraad van pH=11. De bufferende capaciteit van het bloed, dat streeft naar handhaving van de pH op ongeveer 7,3, is bij zo'n hoge pH uitgeput. Daardoor kunnen pH-veranderingen door glucosebinding aan het polymeer ongestoord worden gemeten.

In een commentaar in Nature Biotechnology wordt opgemerkt dat de werking bij die hoge pH het gebruik als eenvoudige, liefst in de bloedbaan aangebrachte glucosesensor verhindert. Het polymeer zou in ieder geval moeten worden omhuld door een biomembraan. Binnen die kleine meetruimte zou dan een hoge pH kunnen worden gehandhaafd. Zo'n membraan bestaat wel, de sensor is echter nog niet gebouwd.

Het nieuwe glucosebindende polymeer is een eenvoudig polystyreen waaraan een stof is gebonden die (afgekort) TACN-Cu heet. Het is een organische ringverbinding met zes koolstof- en drie stikstofatomen, waarin een koperion is gebonden. Daaraan hechten aanvankelijk een watermolecuul (HO) en een hydroxylgroep (OH). Als er glucose langskomt verdringt dat water en hydroxylgroep van hun bindingsplaatsen aan het koperion. Het suikermolecuul verliest daarbij twee protonen (H). Een ervan bindt aan de hydroxylgroep en wordt water. De andere is het proton dat de pH verlaagt.

Om het glucosebindende effect te optimaliseren zijn al voor de polymerisatie een TACN-Cu-glucose-complexen aan een van de bouwstenen van het polystyreen gekoppeld. Tijdens de polymerisatie, als het polymeer uithardt, komen de TACN-Cu-glucosegroepen aan het polymeeroppervlak vaak in holten van het gevormde polymeer terecht. Die holten krijgen door de aanwezigheid van glucose zo'n vorm dat ook in de toekomst nauwelijks andere moleculen dan glucose aan het TACN-Cu kunnen binden. Op deze manier ontstaat een ruimtelijke barrière tegen andere suikermoleculen die ook met TACN kunnen binden en die de metingen zouden kunnen verstoren. Deze techniek van fabricage van polymeren voor speciale doeleinden heet molecular imprinting. Hoe mooi de techniek ook is, een bruikbare glucosesensor levert het werk voorlopig nog niet op.

Suikerpatiënten moeten voorlopig voort met liefst meermalen per dag een druppeltje bloed prikken. Daarin bepalen ze met een chemicaliënpapiertje en een detectie-apparaatje de suikerwaarde. Afhankelijk van het gemeten glucosegehalte spuit de diabeet insuline.

Een goede regulering van het glucosegehalte met insuline is belangrijk omdat door grote variaties van het vrije glucose in het bloed kleine bloedvaten beschadigd raken, wat na jaren kan leiden tot blindheid en problemen met de doorbloeding van extremiteiten. Strikte controle van het glucosegehalte voorkomt 30 tot 70 procent van de late complicaties van suikerziekte.

De huidige glucosemeting is praktisch uitvoerbaar, maar niet ideaal. Een continu intern meetsysteem zou ideaal zijn. Het zou eventueel aan een insulinepompje kunnen worden gekoppeld. Pas dan kunnen suikerpatiënten hun insuline en glucose weer net zo nauwkeurig regelen als gezonde mensen.

Maar op een continue in het lichaam geplaatste glucosemeter is nog geen zicht, zette biosensorhoogleraar P. Bergveld vorig jaar uiteen in zijn artikel 'The future of biosensors' in het tijdschrift Sensors and Actuators.

Allereerst zijn er nauwelijks sensoren die twee metingen achtereen kunnen uitvoeren zonder tussentijds te worden gecalibreerd. Voor een calibratie is een standaard meetvloeistof nodig en dus een catheter die in een ader terechtkomt. In het ziekenhuis en bij noodgevallen is, ondanks het infectierisico, een permanente catheter nog wel te realiseren, maar rondlopen met een catheter wordt niet draaglijk geacht.

Een biosensor bestaat uit een biologische receptor die een bruikbaar signaal (bijvoorbeeld een zuurgraadverandering of ionenstroom) aan een halfgeleidersensor afgeeft. De laatste maakt er een elektrische stroom van. De meest serieuze pogingen om biosensoren te maken, schrijft Bergveld, waren gebaseerd op pogingen om immunologische reacties van antilichamen met hun antigenen op een chip-oppervlak te laten plaatsvinden. De biomoleculen (antilichamen) die deze reacties uitvoeren blijken echter te dik en te ingewikkeld om een signaal aan de chip te kunnen doorgeven. Bergveld ziet nog het meest in het implanteren van een kale chip waar het lichaam zelf vervolgens een biosensor van moet maken door er een cellaag overheen te groeien die het noodzakelijke signaal afgeeft. Het overkwam Bergveld en zijn medewerkers met een suikersensor die in een tandprothese werd ingebouwd om de zuurgraad in de mond te kunnen meten. De chips werkten als een soort glucosemeters toen bacteriën een laagje tandplak over de chip vormden. Zij splitsen glucose, waardoor de zuurgraad daalt. Een echte glucosesensor is dit niet, want mondbacteriën splitsen allerlei suikers, maar het idee om de functie van de sensor pas in situ te laten ontstaan is prachtig. En wellicht de enige manier om de biosensor van zijn virtuele bestaan te verlossen.