Mengenal Alat Pemantau Gula Darah dari Air Liur dengan “On-Chip Electrochemical Sensing”

Majalah Farmasetika (Ed.4/Juni 2016). Glukosa juga dikenal sebagai gula darah maupun gula jagung merupakan salah satu monosakarida yang paling banyak dan penting terdistribusi di alam. Glukosa adalah sumber energi dari sel-sel hidup dan produk antara metabolisme.

Kadar glukosa yang berlebihan merupakan faktor resiko tinggi penykit diabetes pada manusia. Pasien diabetes harus memantau glukosa darah secara teratur dan sering, tetapi metode konvensional  pengambilan sampel darah yang telah berkembang sebelumnya untuk mengukur kadar glukosa pada umumnya menyakitkan. Sebelumnya, metode untuk menentukan kadar glukosa telah dikembangkan diantaranya adalah pendekatan optik, spektroskopi inframerah (IR), spektroskopi fluoresensi, spektroskopi Raman, pengukuran rotasi polarisasi optik dan metode elektrokimia.

Dahulu, orang menggunakan urin untuk melihat kadar gula, kemudian ditemukan bahwa  korelasi antara urin dan glukosa plasma tidak konsisten. Sehingga saat ini pemantauan kadar glukosa melalui darah telah menjadi satu-satunya yang diakui dan banyak digunakan sebagai metode untuk diagnosis dan pengelolaan diabetes. Dalam pengujiannya, monitoring kadar gula darah ini harus dilakukan dengan cara menusuk jari pasien beberapa kali sehari dalam penggunaannya, dan hal ini merupakan masalah besar bagi anak-anak dan mengakibatkan konsekuensi negatif bagi manajemen penyakit.

Penusukan jari juga dapat menyebabkan ketidaknyamanan sementara, memar, pingsan dan infeksi yang ditularkan melalui darah. Sebuah teknik non-invasif dan sederhana untuk diagnosis dan pemantauan diabetes sangat diinginkan. Dengan korelasi langsung antara glukosa darah dan glukosa saliva, adalah mungkin untuk hanya menerapkan pengukuran glukosa saliva untuk memantau kondisi kesehatan  individu. Oleh karena itu, pemantauan kadar glukosa dengan sampel saliva dapat menjadi metode prediagnostik alternatif untuk penderita diabetes dan indikator kesehatan untuk perorangan.

Salah satu metode yang digunakan untuk memantau kadar glukosa dalam saliva adalah dengan on-chip electrochemical sensing. On-chip electrochemical sensing memiliki keunggulan yaitu sederhana, sangat sensitif, akurat, nyaman, murah, dan secara efektif dapat menentukan konsentrasi glukosa dalam air liur. Hal ini dibuat menggunakan mikro-fabrikasi dan prosedur perakitan LBL. Elektroda kerja difungsikan melalui layer-by-layer (LBL) perakitan nanotube karbon berdinding tunggal dan multilayer films composed of chitosan (CS), gold nanoparticles (GNp), dan glucose oxidase (Gox) untuk mendapatkan sensitivitas dan akurasi tinggi. Logam untuk semua elektroda adalah Pt yang secara luas dapat diaplikasikan dalam pemantauan glukosa.

Sensor glukosa yang dibuat, mendeteksi kadar glukosa dengan melacak elektron yang ditransfer langsung melalui GOx ke permukaan elektroda. Realisasi komunikasi listrik langsung dari GOx dengan permukaan elektroda tergantung pada jarak antara kofaktor redoks-aktif (FAD) dan permukaan elektroda. Selain itu, GOx asli saja tidak dapat mentransfer elektron ke permukaan elektroda konvensional karena perubahan konformasi enzim yang diperlukan untuk transfer elektron langsung yang dapat mengakibatkan hilangnya aktivitas enzimatik. Dalam penelitian, peneliti berusaha untuk membangun keseimbangan tersebut dengan memilih bahan yang mampu memfasilitasi transfer elektron langsung, misalnya, SWNT, dan GNP. Melalui hal tersebut telah dicapai sensitivitas yang tinggi tinggi dan akurasi penginderaan glukosa dalam sampel larutan PBS dan sampel air liur.

Pemantauan glukosa dilakukan dengan menggunakan sistem on-chip electrochemical sensing, melalui metode voltametri siklik elektroda Pt dimodifikasi dengan PAA/SWNT/(CS/GNp/GOx) 3 lapisan yang diperoleh di 0-40 mg/dL larutan glukosa dengan tegangan antara WE dan RE berkisar antara -0,4V ke 0,4V pada tingkat scan 50mV/s.

Berdasarkan perserujuan Institutional Review Board (IRB)  dari Northerastern University Human Subject Research Protection, pendeteksian glukosa ini tidak hanya dibandingkan dalam larutan penyangga PBS saja, tapi juga membandingkan glukosa darah satu subjek muda yang sehat diukur dengan meteran glukosa darah dan glukosa saliva oleh sensor tersebut dalam keadaan puasa pada hari yang berbeda. Dilihat dari hasil percobaan tersebut, terdapat korelasi konstan yang jelas antara glukosa darah dan glukosa saliva pada keadaan puasa di hari yang berbeda. Hasil awal penelitian menunjukkan, glukosa saliva subjek muda puasa yang sehat pada kisaran 0,8-1,05mg/dL sesuai dengan pengukuran menggunakan metode standar. Hal ini tidak hanya membuktikan sensor on chip electrochemical secara efektif dan andal dapat menentukan kadar glukosa dalam air liur, tetapi juga mengungkapkan adanya potensi besar penggunaan analisis air liur untuk kedua diagnosis non-invasive diabetes dan pemantauan glukosa.

Penulis : Muhammad Iqbal bin Mohd Yusof, Adam Renaldi, Ilham Septiandi, Budi Kurniawan, Ahmad Fauzi ( Mahasiswa Program Studi Sarjana, Fakultas Farmasi, Universitas Padjadjaran).

Editor : Aliya Nur Hasanah, Nasrul Wathoni

Daftar Pustaka

[1]   S. Vaddiraju et al.,  Technologies for  continuous glucose monitoring: current problems and future promises, J. Diabetes Sci.  Technol. 4 (2010) 1540–1562. [2]   E.-H.  Yoo, S.-Y. Lee, Glucose biosensors: an overview of use in clinical practice, Sensors 10 (2010) 4558–4576. [3]   Y.C. Shen et al.,  The   use of  Fourier-transform infrared spectroscopy for  the quantitative determination of  glucose concentration  in whole  blood, Phys. Med. Biol.  48 (2003) 2023–2032. [4]   H.A. MacKenzie et al.,  Advances in photoacoustic noninvasive glucose testing, Clin.  Chem. 45 (1999) 1587–1595. [5]   X. Huang et al., A MEMS  affinity glucose sensor using a biocompatible glucose- responsive polymer, Sens. Actuators B Chem. 140 (2009) 603–609. [6]   S.-H.  Jung, Y.-K.  Lee,  Y.-K.  Son,   Improved sensitivity of  a glucose sensor by encapsulation of  free GOx   in conducting polymer micropillar structure,  J. Electrochem. Sci.  Technol. 2 (2011) 124–129. [7]   A.P. Periasamy, Y.J. Chang, S.M.  Chen, Amperometric glucose sensor based on glucose oxidase immobilized on gelatin-multiwalled carbon nanotube modified glassy carbon electrode, Bioelectrochemistry 80 (2011) 114–120. [8]   X.H.  Kang et al.,  Glucose oxidase–graphene–chitosan  modified electrode for direct electrochemistry  and glucose sensing, Biosens. Bioelectron. 25 (2009) [9]   J.T.   Hayford,   J.A.   Weydert,   R.G.    Thompson,   Validity   of    urine   glucose measurements for  estimating plasma-glucose concentration, Diabetes Care 6 (1983) 40–44. [10] S.  Amer et  al.,   Salivary glucose concentrations  in  patients  with  diabetes mellitus – a minimally invasive technique for  monitoring blood glucose levels, Pak.  J. Pharm. Sci.  14 (2001) 33–37. [11] C. Jurysta et al.,  Salivary glucose concentration and excretion in normal and diabetic subjects, J. Biomed. Biotechnol. 2009 (2009) 6. [12] A.M.  Azevedo et al.,  Ethanol biosensors based on alcohol oxidase, Biosens. Bioelectron. 21 (2005) 235–247. [13] M.  Ferreira et al.,  Enzyme-mediated amperometric biosensors prepared with the Layer-by-Layer (LbL) adsorption technique, Biosens. Bioelectron. 19 (2004) 1611–1615. [14] J.   Zhang,  M.   Feng,  H.   Tachikawa, Layer-by-layer fabrication  and  direct electrochemistry  of   glucose  oxidase  on  single  wall  carbon  nanotubes, Biosens. Bioelectron. 22 (2007) 3036–3041. [15] A. Guiseppi-Elie, C.H.  Lei,  R.H.  Baughman, Direct electron transfer of  glucose oxidase on carbon nanotubes, Nanotechnology 13 (2002) 559–564. [16] A.  Harper,  M.R.   Anderson, Electrochemical glucose sensors-developments using electrostatic assembly and carbon nanotubes for  biosensor construction, Sensors 10 (2010) 8248–8274. [17] Y.H.   Su   et  al.,    Electrochemical quartz  crystal  microbalance  studies  on enzymatic  specific  activity  and  direct  electrochemistry  of   immobilized glucose oxidase in the presence of  sodium dodecyl benzene sulfonate and multiwalled carbon nanotubes, Biotechnol. Progr. 24 (2008) 262–272. [18] B.C. Janegitz et al.,  Direct electron transfer of glucose oxidase at glassy carbon electrode modified with functionalized carbon nanotubes within a dihexadecylphosphate  film, Sens. Actuators B – Chem. 158 (2011) 411–417. [19] L.  Chen,  W.   Gorski, Bioinorganic composites  for   enzyme  electrodes,  Anal. Chem. 73 (2001) 2862–2868. [20] B.Y.  Wu et  al.,   Amperometric glucose biosensor  based  on  layer-by-layer assembly of  multilayer films composed of  chitosan, gold nanoparticles and glucose oxidase modified Pt  electrode, Biosens. Bioelectron. 22 (2007) 838–

844.

[21] L. Zhang et al., Attachment of gold nanoparticles to glassy carbon electrode and its application for  the direct electrochemistry and electrocatalytic behavior of hemoglobin, Biosens. Bioelectron. 21 (2005) 337–345. [22] J.J. Feng et al.,  Direct electrochemistry and electrocatalysis of  heme proteins immobilized on gold nanoparticles stabilized by  chitosan, Anal. Biochem. 342 (2005) 280–286. [23] C.  Chen et  al.,   Recent advances in electrochemical glucose biosensors: a review, RSC Adv.  3 (2013) 4473–4491. [24] Y.-L.  Yao,  K.-K.  Shiu, Direct electrochemistry  of  glucose oxidase at carbon nanotube-gold  colloid modified  electrode  with  poly(diallyldimethy- lammonium chloride) coating, Electroanalysis 20 (2008) 1542–1548. [25] X.B. Yan  et al.,  Transparent and flexible glucose biosensor via  layer-by-layer assembly of  multi-wall carbon nanotubes and glucose oxidase, Electrochem. Commun. 9 (2007) 1269–1275. [26] W.W. Yang et  al.,   Multilayered construction  of  glucose oxidase  and  gold nanoparticles on Au  electrodes based on layer-by-layer covalent attachment, Electrochem. Commun. 8 (2006) 665–672. [27] J.-D. Qiu  et al., Amperometric sensor based on ferrocene-modified multiwalled carbon nanotube nanocomposites as electron mediator for  the determination of glucose, Anal. Biochem. 385 (2009) 264–269. [28] B.-Y.  Wu et  al.,   Amperometric glucose biosensor based  on layer-by-layer assembly of  multilayer films composed of  chitosan, gold nanoparticles and glucose oxidase modified Pt  electrode,  Biosens. Bioelectron. 22 (2007) 838–844. [29] X.  Che   et  al.,   Amperometric glucose biosensor  based  on  Prussian blue– multiwall carbon nanotubes composite and hollow PtCo  nanochains, Electrochim. Acta 55 (2010) 5420–5427. [30] M.  Lee   et al.,   Enhanced sensitivity  of  a glucose sensor adopting polymermicrotubule, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 492 (2008) 155–164. [31] S.   Mohtashami,  M.R.   Howlader,  T.E.   Doyle, Comparative  electrochemical investigation of  Pt  Au  and Ti  electrodes on liquid crystal polymer for   the application of neuromuscular prostheses, Ecs  Trans. 35 (2011) 23–33. [32] T.R.I.   Cataldi et  al.,   Comparison  of   silver, gold  and  modified  platinum

electrodes  for   the  electrochemical detection  of   iodide  in  urine  samples following ion  chromatography,  J.  Chromatogr. B  Analyt.  Technol.  Biomed. Life Sci.  827 (2005) 224–231.

[33] C.   Jin,   Z.   Chen,  Electrocatalytic  oxidation   of   glucose  on  gold–platinum nanocomposite electrodes and platinum-modified gold electrodes, Synthetic Met. 157 (2007) 592–596. [34] K.K.  Kasem, S.  Jones, Platinum as a reference electrode in electrochemical measurements,  Platin. Met. Rev.  52 (2008) 100–106. [35] W.     Zhang,    M.L.     Wang,   Saliva   glucose    monitoring    system,    2014. US20140197042  A1. [36] T.   Hoshi  et   al.,    Selective  permeation   of    hydrogen  peroxide  through polyelectrolyte multilayer films and  its  use for   amperometric  biosensors, Anal. Chem. 73 (2001) 5310–5315. [37] H.   Huang,  X.   Yang, Chitosan  mediated   assembly   of   gold  nanoparticles

multilayer,  Colloids Surf., A 226 (2003) 77–86.

[38] F. Ricci  et al.,  Prussian blue based screen printed biosensors with improved characteristics of long-term lifetime and pH  stability, Biosens. Bioelectron. 18 (2003) 165–174. [39] J.H. Zhu et al.,  Planar amperometric glucose sensor based on glucose oxidase

immobilized by chitosan film on Prussian blue layer, Sensors 2 (2002) 127–136. [40] P.  Marchetti et al.,  Salivary insulin concentrations in type 2 (non-insulin- dependent) diabetic patients and obese non-diabetic subjects: relationship to changes in plasma insulin levels after an oral glucose load, Diabetologia 29 (1986) 695–698.

[41] M. Yamaguchi, M. Mitsumori, Y. Kano, Noninvasively measuring blood glucose using saliva, IEEE Eng.  Med. Biol.  17 (1998) 59–63. [42] M.   Mitsumori,  M.   Yamaguchi,  Y.  Kano,  A  new  approach  to  noninvasive measurement of blood glucose using saliva analyzing system, in: Proceedings of   the  20th  Annual International  Conference of   the  IEEE  Engineering in Medicine and Biology Society, 20,  1998, pp.  1767–1770. [43] I. Mirzaii-Dizgah, M.R.  Mirzaii-Dizgah, M.H.  Mirzaii-Dizgah, Stimulated saliva glucose as a diagnostic specimen for detection of diabetes mellitus, J. Arch. Mil. Med. 1 (2013) 24–27. [44] P. Abikshyeet, V. Ramesh, N. Oza,  Glucose estimation in the salivary secretion of diabetes mellitus patients, Diabetes Metab. Syndr. Obes. 5 (2012) 149–154. [45] W.  Zhang, Y. Du,  M.L.  Wang, Noninvasive glucose monitoring  using saliva nano-biosensor, Sens. Bio-Sensing Res.  4 (2015) 23–29. [46] Jianwei Wu,  Ridong Wang,   Haixia Yu,  Guijun Li,  Kexin Xu, Norman C. Tien,   Robert C. Roberts and   Dachao Li. Inkjet-printed microelectrodes on PDMS as biosensors for functionalized microfluidic systems. Lab Chip, 2015,15, 690-695

Artikel Majalah Farmasetika ini termasuk kedalam artikel edisi khusus yang telah diterbitkan di http://jurnal.unpad.ac.id/farmasetika