Medidor de Glicose Minimamente Invasivo - Prova de Conceito

Universidade de Coimbra

Tese de Mestrado

Medidor de Glicose MinimamenteInvasivo - Prova de Conceito

Autor:Joana Isabel F. Santos Melo

Orientadores:Eng. Joo Pedro Martins

Prof. Jos Paulo Domingues

Tese submetida para obteno de grau deMestrado em Engenharia Fsica (MSc)

desenvolvida no

Servio de Medicina Nuclear, SESARAM E.P.E.

com colaborao do Diretor Dr. Rafael Macedo e

Instituto Pedro Nunes - Laboratrio de Automtica e Sistemas

23 de Setembro de 2016

http://www.uc.ptmailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]://www.sesaram.ptmailto:[email protected]://www.ipn.pt/

Joana Isabel Ferreira Santos Melo, 2016

ii

"An idea not coupled with action will never get any bigger than thebrain cell it occupied."

Arnold H. Glasgow (1905-1998)

iii

ResumoEsta tese reporta a demonstrao da prova de conceito de um medidor de glicose

minimamente invasivo baseada em wearable sensors. O projeto culminou na fabricaode um conjunto de microeltrodos descartveis com recurso a Screen Printing,semelhantes a uma tatuagem provisria, e ao desenvolvimento de uma PCB queintegra todo o sistema de controlo e aquisio atravs de um microcontrolador, oATmega328P. O projeto envolveu, ainda, a programao do firmware que permite ocorreto e completo funcionamento do prottipo.

O sistema combina dois processos totalmente distintos: Iontoforese Inversa paraextrair fluido intersticial atravs da pele; e a tcnica de Amperometria para medir aglicose atravs de um processo enzimtico.

Todas as tomadas de deciso foram baseadas nos progressos da comunidadecientfica ao longo dos ltimos 30 anos de estudo nesta rea, sendo ainda umanecessidade por cumprir a nvel da engenharia mdica. Ao longo do documentoapresenta-se o estudo de tcnicas e tecnologias de vanguarda para conceber o prottipodesde o desenvolvimento dos eltrodos envolvidos, conceo do hardware eprogramao do firmware.

Os testes realizados in vitro e in vivo validam os sensores e comprovam ofuncionamento de todo o sistema, indicando que um dispositivo mdico deste tipo uma promessa.

Palavras-chave: Medidor de Glicose, Dispositivos Mdicos, Minimamente Invasivo,Wearable Sensors, Iontoforese Inversa, Amperometria, Fluido Intersticial, ScreenPrinted Electrodes, Prova de Conceito, Printed Circuit Board, Instrumentao,Hardware, Firmware, Linguagem C++, Diabetes, Hipoglicemia, Hiperglicemia.

AbstractThis thesis reports the proof of concept of a minimally invasive glucose meter, based

in wearable sensors. The project ended up with the manufacturing of a set of disposablemicroelectrodes using the Screen Printing technique, similar to a temporary tattoo, andthe development of a PCB that integrates all the control and acquisition system througha microcontroller, the ATmega328P. The firmware programming was also part of thisproject, which allows the correct and complete performance of the prototype.

The system combines two totally different processes: Reverse Iontophoresis forextracting of interstitial fluid through the skin; and amperometry for measuring theglucose through an enzymatic process.

All the decision-making was based on the progress of the scientific community overthe past 30 years of studies in this area, although it is still a need to be solved in termsof medical engineering. Throughout the paper, the techniques studied and the cutting-edge technologies used to design the prototype are presented, from the electrodes thatwere developed, to the hardware design and the firmware programming.

The tests conducted in vitro and in vivo validate the sensors and confirm theoperation of the whole system, indicating that a medical device of this type is a promise.

Keywords: Glucose Meter, Medical Devices, Minimally Invasive, Wearable Sensors,Reverse Iontophoresis, Amperometry, Interstitial Fluid, Screen Printed Electrodes,Proof of Concept, Printed Circuit Board, Hardware, Firmware, C++ Language,Diabetes, Hypoglycemia, Hyperglycemia.

Agradecimentos aqui que escrevo diretamente para aqueles que foram exemplos e contriburam

para o meu sucesso acadmico e pessoal ao longo de toda a minha vida. . .Comeo por agradecer a todos os professores que me formaram e que me

incentivaram para o gosto pela engenharia e cincia e me inspiraram para seguir esteramo.

Diretamente aos meus orientadores que me receberam com muita motivao ecarinho na Madeira, o Doutor Rafael Macedo e o Engenheiro Joo Pedro Martins:obrigada por me terem confiado este desafio e por me apoiarem ao longo de todo otrabalho de tese, pela oportunidade e ensinamentos de conhecer as realidades domercado de trabalho e por todos os esforos no meio de tantas adversidades edesnimos. Tenho a certeza que entrarei na prxima fase da minha vida com maispreparao e empenho, sempre com base na honestidade e seguindo o lema que nada seconsegue sem esforo. Ao Professor Jos Paulo Domingues, que, alm de ter feitosempre um trabalho exemplar como Coordenador do Curso de Engenharia Fsica, omeu agradecimento por aceitar ser meu co-orientador e sempre se mostrar disponvel,tanto quando estava na Madeira, como na fase em que o trabalho foi desenvolvido naUniversidade de Coimbra.

Devo tambm um forte agradecimento queles que acreditaram e incentivaram oprojeto para ir mais alm do que um projeto acadmico, em especial ao Engenheiro JooQuintas do Instituto Pedro Nunes e ao Doutorado lvio Sousa, que viram neste projetoo incio de algo maior.

Ainda uma palavra amiga a todos que de alguma forma contriburam para o sucessodo trabalho e no meu conforto ao longo desta jornada na Madeira e na Universidadede Coimbra: a todas as tcnicas do Servio de Medicina Nuclear do SESARAM, Rafaela Incio e toda a sua famlia, Rute Cardoso e Susana Silva que me visitaram, Liliana Guerra, ao Engenheiro Nuno Lucas, Harri M tt da Univerisidade de Oulu, Carla Marques do IBILI, ao Professor Christopher Brett e Mariana Emlia Ghica doDepartamento de Qumica e, por fim, ao meu amigo Rafael Chelim que foi incansvelno apoio tanto no desenvolvimento da tese como ao longo de todo o curso.

Agradeo a todos os colegas de curso e vida acadmica que me ajudaram a levarde Coimbra a maior experincia de crescimento acadmico, profissional e, sobretudo,pessoal, no podendo deixar da fazer uma meno individual ao Andr Silva, AndreiaFernandes, ao Filipe Camarneiro, Ins Corveira, ao Rui Nunes e aos amigos do 3B,que so o verdadeiro significado do verso "levo comigo para a vida" . . .

Tambm um forte abrao s amigas de sempre que se tornaram suportesfundamentais de vida: Filipa Barros, Joana Barros, Rita Ferreira, Sara Meireles, Rita

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Pereira, Maria Helena Marques, que passe o tempo que passar, o rumo que cada umasiga, sempre estaro l.

Um destaque especial ao Fernando Quintas, que se tornou o amigo e confidente detodas as horas, de quem o apoio e o carinho nunca so demais... por todos os momentosde pura felicidade e dedicao, o meu obrigada.

Por fim e mais importante, a quem no chegam palavras para retratar tudo aquiloque me proporcionaram, agradeo com a pessoa que sou, porque a vocs que vos devo: me que foi tambm pai, av e ao meu irmo. No esquecendo tambm de demonstraro meu enorme carinho aos tios e amigos, T, Valdemar, Mina, Branca, Carlos, Pedro,Sandra e Joo Pedro.

Aos restantes familiares e amigos, obrigada . . .

Contedo

Lista de Figuras xvii

Lista de Tabelas xxi

Acrnimos xxiii

1 Introduo 11.1 Motivao e Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Organizao do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Enquadramento e Estado da Arte dos Medidores de Glicose 52.1 Glicose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Propriedades Fsicas e Qumicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Energia e Metabolismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2.1 Digesto de Carboidratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2.2 Absoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.2.3 Ciclo alimentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.2.4 Ciclo em jejum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.3 Regulao de Glicose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2 Patologias associadas Regulao da Glicemia . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.1 Diabetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.1.1 Classificao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.1.2 Epidemiologia e Custos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.1.3 Diagnstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.1.4 Tratamento e Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.2 Outras Patologias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.2.1 Hipoglicemias Tumorais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.2.2 Glucagonoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.2.3 Hipoglicemia Fictcia (Sndrome de Mnchhausen) . . . . 312.2.2.4 Sndrome Paraneoplsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3 Medidores de Glicose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.1 Contextualizao Histrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3.2 Estado da Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3.2.1 Mtodos Invasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

xiii

Contents

2.3.2.2 Mtodos No Invasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.3.2.3 Mtodos Minimamente Invasivos . . . . . . . . . . . . . . 39

3 Conceo e Desenvolvimento 453.1 Conceito do Produto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2 Princpios Tcnicos do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.1 Iontoforese Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.2 Medio - Amperometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2.3 Anlise e Apresentao do valor medido . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3 Eltrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4 Segurana Eltrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4 Hardware 594.1 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2 Alimentao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.3 Mdulo Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.3.1 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.3.2 Conversor USB-Srie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3.3 Interface LEDs e Botes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.4 Interface Digital - Analgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.1 Rel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.2 I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.4.3 Fonte de Tenso Isolada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.5 Mdulo Analgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.5.1 Tenses Secundrias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.5.2 Circuito de Condicionamento da Iontoforese Inversa . . . . . . . . 694.5.3 Circuito de Condicionamento de Amperometria . . . . . . . . . . . 73

4.6 PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5 Firmware 795.1 Arquitetura do Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.2 Iontoforese Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.3 Controlo da Clula Eletroqumica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.3.1 (a) Amperometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.3.2 (b) Voltametria Cclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6 Testes e Resultados 876.1 Testes em Laboratrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.1.1 Voltametria Cclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886.1.2 Amperometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2 Testes in vitro do prottipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.2.1 Voltametria Cclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.2.2 Iontoforese Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.3 Testes in vivo do prottipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.3.1 Iontoforese Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7 Concluso e Trabalho Futuro 1017.1 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

xiv

Contents

7.2 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

A Apndice A 105

B Apndice B 107

C Apndice C 111

D Apndice D 113

E Apndice E 115

F Apndice F 125

G Apndice G 127

Bibliografia 129

xv

Lista de Figuras

2.1 Estrutura molecular tridimensional da molcula de D-glicose . . . . . . . . 52.2 Frmula estrutural plana da D-glicose e L-glicose de acordo com a

projeo de Fischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Representao dos Anmeros da molcula D-glicose . . . . . . . . . . . . . 72.4 Representao do trato digestivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Esquema da transformao dos carboidratos em monossacardeos . . . . . 92.6 Representao do Intestino Delgado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7 Transporte transcelular da glicose no intestino. Representao do

intestino delgado com identificao das zonas de maior absoro . . . . . . 112.8 Converses entre os monossacardeos resultantes da digesto e sntese de

glicognio nas clulas do fgado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.9 Taxa de velocidade de difuso simples e difuso facilitada. Esquema

representativo da difuso facilitada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.10 Representao da molcula de ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.11 Vias bioqumicas para produo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12 Resumo das transformaes no processo de glicogenlise . . . . . . . . . . 172.13 Processos Push-pull control para controlo de glicose . . . . . . . . . . . . 182.14 Mecanismo de ao da insulina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.15 Resumo da resposta endcrina e metablica no estado alimentado e estado

jejum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.16 Complicaes crnicas da diabetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.17 Nmero estimado de pessoas dos 20 aos 79 anos com diabetes em todo o

mundo por regio entre 2015 e 2040 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.18 Critrios de diagnstico da diabetes, pr-diabetes e diabetes gestacional . 282.19 Testes de Glicose: Clinitest, Dextrostix e Ames Reflectance Meter . . . . . 332.20 Exemplos de medidores invasivos atuais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.21 Medidor contnuo de glicose Enlite Sensor (MiniMed Inc.) . . . . . . . . . 362.22 Princpio de extrao de glicose atravs da tcnica de iontoforese inversa

e fotografia do Glucowatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.23 Medidor de glicose Freestyle Free da marca Abbot . . . . . . . . . . . . . . 412.24 Tira que mede glicose desenvolvida por equipa Sul-Coreana e medidor

sugarBEAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1 Representao da ideia de produto e respetivos requisitos . . . . . . . . . 463.2 Diagrama de blocos funcional do medidor de deteo de glicose . . . . . . 473.3 Representao pictrica do sistema de eltrodos que fazem parte do

medidor de glicose de acordo com as suas funes. . . . . . . . . . . . . . 48

xvii

Lista de Figuras

3.4 Esquema representativo da aplicao de corrente eltrica no organismohumano e do fluxo eletro-osmtico que este provoca . . . . . . . . . . . . 49

3.5 Esquema representativo da fase de medio por mtodos eletroqumicos. . 523.6 Esquema do instrumento dedicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.7 Procedimento de aplicao dos sensores na pele . . . . . . . . . . . . . . . 543.8 Esquema dos sensores e fotografia dos mesmos. . . . . . . . . . . . . . . . 553.9 Representao da produo de SPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.10 Esquema geral das reaes na superfcie de um eltrodo modificado com

PB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.1 Arquitetura do Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2 Andar de alimentao do mdulo digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.3 Fotografia do microcontrolador ATMega328P, esquema dos portos fsicos

e principais caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.4 Portos fsicos utilizados do microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.5 Esquemtico do Conversor Srie-USB e conetor UART. . . . . . . . . . . 634.6 Esquema representativo da comunicao do conversor USB-Srie com o

computador e o interface UART do MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.7 Esquemtico dos botes e LEDs de uso geral . . . . . . . . . . . . . . . . 644.8 Esquemtico de controlo do rel de mudana de modo de funcionamento

do eltrodo CE/Iontoforese entre modo de iontoforese inversa eamperometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.9 Esquema explicativo do funcionamento do mosfet tipo N e do rel paraalternar modos de funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.10 Esquemtico do interface I2C e conetor auxiliar. . . . . . . . . . . . . . . 654.11 Esquema do barramento I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.12 Esquema do barramento I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.13 Esquemtico das ligaes de controlo da fonte de alimentao isolada

atravs de um interruptor de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.14 Esquemtico dos reguladores de tenso integrados no mdulo analgico. . 684.15 Integrado da tenso de referncia 2,5 V e condicionamento para obteno

de -2,5 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.16 Ilustrao do circuito principal para o processo de Iontoforese Inversa . . 704.17 Esquemtico do amplificador de instruo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.18 Esquemtico do DAC e do ADC de dois canais para a Iontoforese Inversa 724.19 Andar de condicionamento para feedback de segurana na Iontoforese Inversa 734.20 Ilustrao do circuito principal para o processo de Amperometria . . . . . 744.21 "Circuito Setpoint"para deslocar a tenso inserida pelo DAC para a gama

-2,5 a 2,5 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.22 Esquemtico do DAC e do ADC para a Amperometria . . . . . . . . . . . 764.23 Shunts aplicados na PCB desenhada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.24 Fotografia da PCB desenhada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.25 Fotografia das fichas utilizadas para ligar os eltrodos nos testes in vivo

e in vitro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.1 Arquitetura do Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.2 Fluxograma do firmware programado para o processo de Iontoforese Inversa 815.3 Fluxograma do firmware programado para o processo de Amperometria . 83

xviii

Lista de Figuras

5.4 Fluxograma do firmware programado para o processo de Voltametria Cclica 85

6.1 Mesa de trabalho com os utenslios necessrios realizao de testes doprottipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.2 Fotografia de um sensor inserido numa ficha usual do potencistato, nosubstrato plstico para o qual foi transferido e colado no contactoconstrudo com uma perfboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.3 Curva da tenso de excitao aplicada ao WE em relao ao REVoltamograma Cclico de PB obtido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.4 Comparao do voltamograma obtido com o voltamograma cclico de PBde outros estudos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.5 Comparao do voltamograma para um mesmo eltrodo a diferentesvelocidades de varrimento e com clula eletroqumica de trs eltrodos e2 eltrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.6 Resposta amperomtrica dos sensores para diferentes contraes de glicose 926.7 Comparao do voltamograma de um eltrodo com GOx antes e aps a

Amperometria para averiguar a estabilidade da clula eletroqumica. . . . 936.8 Comparao do voltamograma obtido com o prottipo e os resultados em

laborattio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.9 Voltamograma Cclico de PB obtido com o prottipo a scan rate de 50

mV/s, step de 5 mV e varrimento de -0,55 V a 0,55 V, para dois sensoresdistintos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.10 Resistncias da pele limites do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.11 Resposta do sistema no processo de iontoforese inversa para duas

resistncias distintas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.12 Resposta do sistema no processo de iontoforese inversa com um

potencimetro que decresce a resistncia ao longo do tempo . . . . . . . . 976.13 Exemplo prtico da configurao experimental para testes in vivo . . . . . 976.14 Fotografia de superfcie da pele de um indivduo onde se aplicaram os

eltrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986.15 Resultados experimentais de testes in vivo do processo iontoforese inversa

com uma corrente de 20 A, para duas pessoas distintas, com eltrodosaplicados na mesma zona corporal (punho) . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.16 Resultados experimentais de testes in vivo do processo iontoforese inversacom uma corrente de 20 A e 40 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

A.1 Compartimentos dos fludos corporais e sumrio das suas relaes.Difuso de molculas e substncias dissolvidas entre o plasma e o fludointersticia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

A.2 Concentraes das substncias presentes no fludo extracelular eintracelular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

B.1 Vias Bioqumicas para produo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 107B.2 Sumrio da produtividade de energia em metabolismo aerbio e anaerbio

a partir de uma molcula de glicose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

xix

Lista de Tabelas

2.1 Propriedades fsicas da glicose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Comparao dos dois tipos de diabetes principais: Tipo 1 e Tipo 2. . . . . 252.3 Custos em milhes de euros da Diabetes em Portugal . . . . . . . . . . . . 272.4 Medidores de glicose atuais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5 Tecnologias de medio de glicose minimamente invasivas em

desenvolvimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Ilustrao do circuito de realimentao e clculo de correntes e tensesexemplo que o circuito deve obter para aplicao da tcnica de iontoforeseinversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.1 Tenses, correntes e resistncias limite para o processo de iontoforese inversa 95

C.1 Sumrio dos principais desenvolvimentos na evoluo de sistemas demedio glicose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

xxi

Acrnimos

ADC Analog - Digital ConverterADP Adenosine DiPhosphateAGJ Alterao da Glicemia em JejumAMP Adenosine MonoPhosphateARM Ames Reflectance MeterATP Adenosine TriPhosphateAVC Acidente Vascular CerebralBSA Bovine Serum AlbuminCE Counter ElectrodeDAC Digital - Analog ConverterDC Direct CurrentDCV Doena CardioVascularDGS Direo Geral de SadeDM Diabetes MellitusDM1 Diabetes Mellitus Tipo 1DM2 Diabetes Mellitus Tipo 2EUA Estados Unidos da AmricaFADH2 Flavin Adenine Dinucleotide H2 (forma reduzida)FDA Food and Drug AdministrationFDG FluroDesoxiGlicoseFTDI Future Technology Devices InternationalGDH Grupo de Diagnstico HomogneoGlc GlicoseGCK GluCoKinaseGOx Glucose OxidaseG-6-P Glucose-6-PhosphateH2O2 Perxido de HidrognioHLA Human Leukocyte AntigenHK1 HexoKinase 1IDF International Diabetes Federation

xxiii

Acrnimos

IMC ndice de Massa CorporalIoT Internet of ThingsIRS Insulin-ReceptorSubstratesISF InterStitial FluidI2C Inter-Integrated CircuitIUPAC International Union of Pure and Applied ChemistryLDH Lactate DeHydrogenaseLED Light Emitting DiodeMA Mdulo AnalgicoMCU MicroController UnitMD Mdulo DigitalMIR Mid InfraRedNADH Nicotinamide Adenine Dinocleotide H (forma reduzida)NIR Near-InfraRedNME Neocrolytic Migratory ErythemaOND Observatrio Nacional DiabetesPCB Printed Circuit BoardPET Positrons Emission TomographyPOC Point-Of-CarePTGO Prova de Tolerncia Glicose OralPTK Protein Tyrosine KinaseRE Reference ElectrodeSNS Servio Nacional SadeSP Screen PrintingSPI Serial Peripheral InterfaceTDG Tolerncia Diminuda GlicoseTVS Transient Voltage Suppression DiodeUART Universal Asynchronous Receiver/TransmitterUSART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/TransmitterUSB Universal Serial BusWE Working ElectrodeWHO World Health Organization

xxiv

Captulo 1

Introduo

A sade e bem-estar do ser humano tem sido uma das principais prioridades dacincia ao longo dos sculos, resultando num aumento significativo da esperana mdiade vida nos ltimos anos. Estes resultados s puderam ser alcanados por mrito dosesforos conjuntos e persistncia notria de um nmero elevado de investigadores cujofoco de investigao a rea da sade e, graas evoluo progressiva de vrias reas dacincia, como a fsica, a biologia e a qumica, que aliadas s contribuies tecnolgicasda engenharia, tornaram possvel a monitorizao de um variado lote de parmetrosbiolgicos vitais, favorecendo a preveno, o diagnstico e a cura de doenas [1].

No contexto atual da Medicina, a prestao de cuidados de sade tem-seconcentrado na recolha de informao clnica e monitorizao de certos aspetos diriosda rotinas das pessoas, contribuindo de forma significativa para a evoluo do recenteconceito Ambient Assisted Living, cujo foco principal satisfazer as necessidades decuidados de sade no ambiente preferido dos indivduos de risco, levando ao aumentoda autonomia, segurana e independncia das pessoas, assim como, promoo de umestilo de vida mais saudvel e confortvel [2, 3].

1.1 Motivao e Enquadramento

Entre as principais ambies da engenharia mdica, a monitorizao de glicosecontinua a ser um dos maiores desafios devido ao seu envolvimento nos processosmetablicos do corpo humano e ao seu importante papel em doenas associadas acasos de hiperglicemia e hipoglicemia, destacando-se a Diabete Mellitus.

A Diabetes uma doena crnica que ocorre quando o pncreas no consegueproduzir quantidades suficientes de insulina, ou quando o corpo no consegue usareficazmente a insulina produzida. Como a insulina uma hormona que atua como"chave"para a entrada da glicose nas clulas, qualquer uma das causas anterioresprovoca alteraes nos nveis sricos de glicose, potenciando o aparecimento de

1

Captulo 1. Introduo

complicaes que afetam o funcionamento normal do organismo, acabando por limitara vida das pessoas afetadas [4].

Segundo o Atlas da Federao Internacional da Diabetes (IDF), a diabetes atingemais de 415 milhes de pessoas em todo o mundo, o que corresponde a 8.8 % dapopulao mundial, continuando a aumentar em todos os pases e sendo j consideradauma epidemia do sculo XXI. Estima-se contudo, que em 46 % dessas pessoas, adiabetes ainda no foi diagnosticada, evoluindo de forma silenciosa. Portugalposiciona-se entre os pases Europeus que registam uma das taxas de prevalncia dediabetes mais elevada, atingindo cerca de um tero da populao entre os 20-79 anos[5]. Assim, sendo umas das principais causas de morte no mundo, esta doena tem sidouma das maiores preocupaes da sociedade atual e, como tal, apesar de no existiruma cura, fundamental um bom controlo de glicose para que permita uma vidaregular e saudvel dos pacientes. Estudos recentes tambm demonstram que umamaior frequncia do controlo dos nveis de glicose no sangue podem melhor prevenir, alongo prazo, as complicaes associadas diabetes [6].

Felizmente, aps duas dcadas de estudos, temos nossa disposio uma vastagama de solues tecnolgicas user-friendly, com melhor desempenho, preo, autonomiae preciso, conhecidas por "testes de cabeceira"(POC - Point of Care). No entanto,apesar do primeiro biossensor desenvolvido, Clark e Lyons em 1962, se ter destinado deteo desta molcula e de ser um campo intenso de estudo, os testes atuais ainda sebaseiam em agulhas para retirar amostras de sangue [7].

Dada esta limitao e o aumento da prevalncia de diabetes a nvel mundial, evidente que este continuar a ser um campo ativo de estudo e, por isso, o mercado dosmtodos invasivos, estando j exaustivamente explorado, percebeu que o prximo passoso medies minimamente invasivas ou mesmo no invasivas.

1.2 Objetivos

Identificada a necessidade e o potencial mercado, o projeto desenvolvido atravsde um protocolo estabelecido entre a Universidade de Coimbra, o Servio de MedicinaNuclear do Hospital Dr. Nlio Mendona da Regio Autnoma da Madeira e oLaboratrio de Automtica e Sistemas do Instituto Pedro Nunes, tem como intuito odesenvolvimento de um dispositivo minimamente invasivo, capaz de medircontinuamente os nveis de glicose in vivo por via transdrmica. Ao inovar para umdispositivo deste tipo, alm dos benefcios a nvel de diagnstico, controlo e conforto,haver tambm uma melhoria na vertente psicolgica dos pacientes, reduzindo o medo,as limitaes e a dependncia que as medies atuais ainda provocam no quotidianodos pacientes.

2

Captulo 1. Introduo

Adicionalmente, este aparelho poder tambm ser usado para exames nos centroshospitalares e para reconhecer casos de hiperglicemia e hipoglicemia associados a outraspatologias, podendo ser aplicado sem restries a pacientes de todas as idades, desderecm-nascidos aos mais idosos, uma vez que indolor. Ademais, numa dcada em que aInternet of Things (IoT) e os dispositivos com aplicaes Health and Fitness esto cadavez mais em voga, constata-se que este se enquadra no panorama atual das tecnologiasde sade.

No entanto, compreende-se que dado o teor de uma tese de mestrado e o que umprocesso de criao de um produto envolve, como o desenvolvimento e teste de vriasverses de prototipagem, este projeto prope-se a iniciar o estudo, a definir o produtode forma mais concisa e a desenvolver um primeiro modelo prtico com base na ideiaterica de modo a averiguar se este suscetvel de ser explorado.

1.3 Organizao do Documento

Esta dissertao divide-se em trs partes fundamentais, que englobam 7 captulos,sendo o seu contedo apresentado segundo os principais passos para o processo dedesenvolvimento do prottipo.

No Captulo 2 - Enquadramento e Estado da Arte dos Medidores de Glicose,primeiramente, introduzem-se os conceitos fsicos, qumicos e biolgicos da molcula deglicose importantes para o teor da dissertao. feita uma descrio detalhada dosseus processos fisiolgicos e estabelece-se a relao com a diabetes, onde se expe aepidemiologia, fisiopatologia, sintomatologia e diagnstico da doena, seguindo-se oresumo de outras patologias tambm associadas a nveis irregulares de glicose, como adiabetes nsipida, hipoglicemias tumorais e fictcias, glucogonoma e sndromeparaneoplsica. Na ltima seco do captulo introduzem-se as tcnicas de deteo doacar do sangue, apresentando-se o estado da arte na qual se distinguem em mtodosinvasivos, no invasivos e minimamente invasivos. Este estudo permite contextualizar anvel de instrumentao e mercado, perceber quais as tendncias atuais e definir oponto de partida prtico deste trabalho.

Aps se avaliar a oportunidade, no Captulo 3 - Conceo e Desenvolvimento,seleciona-se a melhor ideia e refina-se o conceito do produto onde se descreve como estedeve funcionar e parecer-se de acordo com as necessidades e os benefcios do mercado-alvo e, tambm, de acordo com a competitividade do mercado, tendo em consideraotecnologias de vanguarda para a sua maior atratividade. Ou seja, inicialmente soapresentados os requisitos e as funcionalidades do instrumento dedicado que se esperadesenvolver e apresentam-se algumas tomadas de deciso para o conseguir. Aqui tambmse descreve o conjunto dos microeltrodos fabricados e as justificaes das escolhas feitas.

3

Captulo 1. Introduo

O Captulo 4 - Hardware revela a fase de construo do modelo prtico que far aprova de conceito. Isto , apresentam-se os componentes eletrnicos que so necessriospara a sua montagem, as tecnologias de fabricao dos sensores, a arquitetura e oesquemtico de todos os mdulos eletrnicos que o constituem, com base naspretenses sugeridas no captulo anterior.

Aps o desenvolvimento do hardware, que culminou no desenho e produo da placade circuito impresso, o Captulo 5 - Firmware expe a informao relativa ao softwaredesenvolvido e programado na linguagem C, para que o dispositivo possa funcionarcorretamente de acordo com os objetivos e o funcionamento do hardware.

No Captulo 6 - Testes e Resultados feita a anlise e avaliao global do sistema.descreve-se os mtodos experimentais para testar o funcionamento de todos os mdulosdo dispositivo, fazendo-se uma descrio crtica dos resultados.

Por fim, este documento termina com o Captulo 7 - Concluses e TrabalhoFuturo, que a reflexo sobre o cumprimento dos objetivos traados inicialmente, aidentificao das alteraes e melhorias antes de avanar para outra verso doprottipo e as perspetivas futuras sobre a prova de conceito demonstrada.

4

Captulo 2

Enquadramento e Estado da Artedos Medidores de Glicose

2.1 Glicose

A glicose um acar simples que foi pela primeira vez isolado em 1747 por AndreasMargraaf, um qumico alemo que trabalhava com variadas passas de uvas, ao qual sereferiu como "um tipo de acar- "eine arte zucke". Esta descoberta levou ConstantineKirchoff, em 1811, a produzir um xarope do acar cristalino isolado e, s no ano de1838, que a substncia foi denominada com o nome "glicose", do grego "glycos", quesignifica doce, pelo francs Jean Baptiste Andre Dumas [8, 9].

2.1.1 Propriedades Fsicas e Qumicas

A glicose (Glc) uma molcula classificada como um monossacardeo, que faz parteda famlia aldose dos carboidratos, pois possui um grupo aldedo1 na extremidade dacadeia. Os carboidratos so molculas de origem vegetal, tipicamente identificadas porseguirem a frmula emprica Cx(H2O)y, sendo a molcula de Glc C6H12O6 uma dasmais comuns. Esta trata-se, portanto, de uma hexose, muitas vezes referenciada comoaldohexose [9].

Figura 2.1: Estrutura molecular tridimensional da molcula de D-glicose: (a) acclica;(b) cclica: -D-glicose; (c) cclica: -D-glicose [12, 13].

1So compostos orgncicos da frmula R-CHO, onde h pelo menos um tomo de hidrognio ligadoao tomo de carbono do grupo funcional carbonila [10, 11].

5

Captulo 2. Fundamentos Tericos

De acordo com a distribuio de tomos, h dois ismeros oticamente ativos comrotao da luz oposta de Glc: D-glicose e L-glicose (Figura 2.2). A primeira, tambmconhecida como dextrose, desvia o plano da luz polarizada para a direita e, por isso,diz-se uma substncia dextrgira, enquanto que a L-glicose diz-se levgira (L, -), porquedesvia o plano da luz polarizada para a esquerda.

Figura 2.2: Frmula estrutural plana da D-glicose e L-glicose de acordo com aprojeo de Fischer. A azul est representado o grupo funcional aldedo e a laranja as

estruturas hidroxilo.

Apesar destes dois ismeros serem enantimeros2, apenas a dextrose est ativa nometabolismo do corpo humano e, portanto, ao longo desta dissertao o termo"glicose"referir-se- apenas forma biologicamente ativa. No entanto, a forma L-glicosetambm est presente nos alimentos e, apesar de ser indistinguvel pelo paladar emrelao forma D, no metabolizada pelas clulas dos mamferos, sendointegralmente eliminada pelo sistema excretor [1].

Ainda como podemos ver na Figura 2.2, a molcula de glicose possui muitos gruposlcool3, tornando-a polar e, consequentemente, muito solvel em solventes polares. Deforma semelhante ao que acontece na molcula de gua, esta propriedade deve-se geometria molecular, assim como, disformidade da distribuio de cargas entre ostomos de hidrognio e oxignio, onde os eletres se concentram mais sobre o tomode oxignio, uma vez que muito mais eletronegativo. A polaridade tambm influenciao ponto de fuso, assim como outras propriedades fsicas apresentadas na Tabela 2.1,devido s foras intermoleculares dipolo-dipolo.

Em virtude da sua assimetria, a Glc tem quatro carbonos quirais4 (C2 - C5), o quelhe permite adotar duas configuraes moleculares: acclica, apresentando-se em formalinear, ou cclica (ver Figura 2.1).

2So imagens no espelho uma da outra e no so sobreponveis.3Compostos orgnicos que apresentam na sua estrutura o hidroxilo(OH) ligado ao tomo de carbono

saturado [10].4Carbonos que se ligam a quatro ligantes diferentes.

6


Aparncia Branca, cristalinaMassa Molar 180,16 g/molDensidade 1,5620 g/cm3

Ponto de FusoD glicose 146 C D glicose 150 CSolubilidade

gua Muito solvelEtanol Ligeiramente Solvel

ter Etlico Insolvel

Tabela 2.1: Propriedades fsicas da glicose [14].

Em solues aquosas, a forma cclica mais estvel e surge da interaointramolecular entre um lcool com o grupo carbonilo (Figura 2.3). Trata-se de umareao espontnea e o resultado conhecido como hemiacetal intramolecular [9].

Figura 2.3: Representao dos Anmeros da molcula D-Glicose. esquerdao estereoismero D Glicopiranose: (a) ; (b) . direita o estereoismero

D Glicofuranose: (c) ; (d) .

O anel pode ser em forma de hexgono, (a) e (b), quando a reao ocorre como hidroxilo do (C5) (a azul escuro); ou pentgono, (c) e (d), quando a reao ocorrecom a hidroxilo do (C4) (a vermelho). O primeiro conhecido como piranose, uma vezque a sua estrutura em anel com cinco carbonos e um oxignio assemelha-se ao pirano,enquanto o segundo, conhecido como furanose visto ser constitudo por um anel comquatro carbonos e um oxignio [9].

7


Dependendo da orientao de C1 quando se d a ligao com o hidroxilo C5, podem-se obter duas conformaes, onde o C1 o carbono anomrico. Se o grupo (OH) nocarbono-1 e o grupo (OH) do carbono-2 esto no mesmo lado do plano, isto , posiocis, forma-se a Dglicose, caso contrrio, em posio trans, forma-se Dglicose[9].

Estas reaes que formam a piranose ou furanose so reversveis, sendo emequilbrio, a D-Glicopiranose dominante (99%) com uma mistura de 63,6% deanmero e 36,4% do anmero-. Estas concentraes so facilmente compreendidasporque na conformao , (b), todos os grupos hidroxilo esto no mesmo planoequatorial que os seis membros do anel, enquanto que na , (a), um dos OH forado para a posio axial, como podemos ver Figura 2.1. Como resultado, a forma torna-se mais estvel.

2.1.2 Energia e Metabolismo

O corpo humano constitudo por cerca de 75 a 100 trilies de clulas, cada umacom funes especficas dependendo da estrutura funcional do organismo a que pertence.Contudo, sem energia no conseguem ter um funcionamento apropriado [15].

A fonte energtica fundamental das clulas so os carboidratos e, como j foisupramencionado, todos tm origem vegetal, isto , surgem nos seres clorofiladosdevido ao processo de fotossntese e, atravs da cadeia alimentar que tambm setornam comuns entre os restantes seres vivos. Sucintamente, os carboidratos so oresultado da converso de energia solar em energia qumica, tornando-se um verdadeiro"combustvel"para todos os seres [9].

2.1.2.1 Digesto de Carboidratos

Como o Homem um ser hetertrofo, atravs do consumo de alimentos que obtmenergia para o funcionamento de todas as clulas e, por intermdio do sistema digestivo(Figura 2.4), por processos mecnicos e qumicos, que os carboidratos so digeridos etransformados em unidades mais simples para serem finalmente absorvidos. Entre osmonossacardeos absorvidos, a glicose o mais abundante, representando cerca de 80%das calorias ingeridas, tornando-se desta forma a principal fonte de energia das clulas,enquanto a galactose e frutose representam apenas cerca de 10% cada [15, 16].

Tal como todos os nutrientes, a digesto inicia-se na boca com a mastigao quefraciona o alimento e o mistura com a saliva, formando o bolo alimentar. Durante esteprocesso, a enzima amilase salivar (-amilase), secretada pelas glndulas partidas,inicia a quebra dos hidratos de carbono, que esto sob a forma de polissacardeos edissacardeos. Neste nterim, provavelmente, no hidrolizado mais que 5% doscarboidratos devido ao pouco tempo que o bolo alimentar fica na boca. Porm, como

8


Figura 2.4: Representao do trato digestivo [15].

esta enzima s inibida no estmago devido libertao de outras enzimas locais e aoseu pH cido, quando o suco gstrico comea a atuar, j cerca de 30 a 40% doshidratos de carbono esto reduzidos a dextrina5 e maltose6.

importante salientar que a secreo gstrica no contm enzimas digestivasespecficas para a quebra de carboidratos, apenas os movimentos peristlticos, isto ,as contraes das fibras musculares da parede, continuam o processo digestivomecnico e a mistura dos alimentos com o suco estomacal [15, 16].

Figura 2.5: Esquema da transformao dos carboidratos em monossacardeos. Figurabaseada de [18].

5Polissacardeo de baixa massa molecular formado por molculas de glicose por ligaes (-14)[9, 17].

6Dissacardeo formado por duas molculas de glicose ligadas entre si por uma ligao (-14) [17]

9


Aps esse processo, o bolo alimentar transforma-se em uma massa espessadenominada quimo, que ir ocupar o duodeno, a primeira poro do intestino delgado.Dentro do intestino delgado os movimentos peristlticos continuam movendo o quimoao longo do mesmo, onde misturado com as secrees pancreticas, que emsemelhana com a saliva, contm grandes pores de -amilase, mas muito maiseficazes. Por fim, tambm envolvido com o suco entrico que contm quatro enzimasdistintas: sacarase, lactase, maltase, que atuam sobre os dissacardeos lactose, sucrosee maltose respetivamente. Como resultado, a digesto dos carboidratos finalizada,obtendo-se os monossacardeos glicose, frutose e galactose, que podem ser absorvidospelo entercito7 para o sangue [15]. Na Figura 2.5 esto resumidas as sucessivasatuaes enzimticas que transformam os carboidratos nos produtos finais da digesto.

2.1.2.2 Absoro

Na Figura 2.6 observa-se que a parede do intestino delgado revestida por tecidoepitelial, que forma vrias vlvulas coniventes ou pregas de Kerckring constitudas pormilhes de pequenas vilosidades caraterizadas por uma "brush border", que consiste emmilhares de microvilosidades. Esta anatomia tem especial vantagem porque aumenta area da superfcie da mucosa absorvente em mil vezes, fazendo um total deaproximadamente 250m2 de rea da superfcie intestinal [15, 16].

Figura 2.6: Representao do Intestino Delgado [15, 16]. A rea de superfcie dointestino delgado foi ampliada trs vezes: (a) Interior do intestino onde se pode veras pregas de Kerckring; (b) Seco transversal das pregas de Kerckring onde se podeobservar a "borda em escova"; (c) Entercito onde se consegue ver as microvilosidades.

Como as clulas epiteliais da mucosa do intestino esto juntas na sua superfcieapical8 por junes apertadas, os produtos da digesto no podem passar entre as clulas,

7Tipo de clula epitelial presentes na camada superficial do intestino delgado que permitem moveras molculas para dentro do tecido [15].

8Membrana plasmtica da clula epitelial que reveste a superfcie livre da clula, voltada para acavidade do intestino [19].

10


isto , tm de passar atravs destas, cujo processo conhecido por transporte transcelular[16].

Assim, a absoro da Glc do lmen do intestino para a corrente sangunea ocorreem duas fases: primeiro ocorre a captao da molcula para o interior do entercito, porintermdio de uma protena de transporte designada por SGLT1; em segundo, ocorreo transporte da glicose do entercito para o sangue atravs da membrana basolateral9,cujo transporte conseguido, maioritariamente, pela protena GLUT2.

(a) (b)

Figura 2.7: (a)Representao do transporte transcelular secundrio ativo do lmendo intestino para o interior das clulas epitelial e transporte por difuso facilitadada clula para os fluidos corporais da glicose. Representao do intestino delgadocom identificao das zonas de absoro, onde o tamanho das setas proporcional

quantidade de concentrao absorvida. Imagem editada de [19].

O primeiro trmite trata-se de uma captao designada por transporte secundrioativo (Figura 2.7-a), porque requer o consumo de energia (ATP) para que o fluxo deglicose ocorra contra o gradiente de concentrao e dependente do gradienteelectroqumico de ies sdio (Na+). Este gradiente de ies mantido na mesmadireco que o transporte de glicose por interveno da ATPase-Na+/K+, localizadana membrana basolateral, que bombeia o excesso de sdio na clula para o meioextracelular [19, 20]. Em suma, dois ies de sdio ao ligarem-se ao transportadorSGLT1, induz uma alterao da conformao da protena, tornando-a acessvel a umamolcula de glicose.

importante salientar que a SGLT1 tambm tem afinidade com outrosmonossacardeos, desde que obedeam a dois requisitivos estruturais: hexose em umaconfigurao D e hexose que pode formar um anel de piranose de seis membros. Logo,a protena de transporte ativo no permite a absoro da L-glicose, que tem a

9Membrana plasmtica que reveste a regio basal das clulas epiteliais, voltada para a lmina basal[19].

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estereoqumica errada, nem da D-frutose, que forma um anel de cinco membros[15, 16, 19].

Contrariamente primeira etapa de transporte da dextrose, o deslocamento dointerior da clula para os vasos sanguneos considerado difuso facilitado (Figura 2.7)porque independente do sdio e no requer energia, transportando a glicose a favor dogradiente de concentrao [15, 16, 20].

Os nveis sricos de glicose no sangue so mantidos dentro dos limites saudveispor mecanismos homeostticos como ser explicado no subcaptulo 2.1.3 - Regulao daGlicose [16].

2.1.2.3 Ciclo alimentado

Aps a digesto e absoro das biomolculas, o organismo encontra-se no estadoalimentado ou estado de absoro. Neste perodo, os nutrientes esto disponveis noplasma da corrente sangunea e so destinadas para uma das seguintes vias funcionais:

So metabolizados para gerar energia que depois poder ser usado em trabalhomecnico;

So metabolizados para sintetizar compostos bsicos que as clulas necessitampara o seu crescimento e manuteno.

So metabolizados para serem armazenados e ficarem disponveis para as horas dejejum.

Figura 2.8: Converses entre os monossacardeos resultantes da digesto e sntese deglicognio nas clulas do fgado. Figura baseada de [15].

Para tal, imediatamente aps o processo de absoro no intestino, a glicose e osrestantes produtos finais da digesto, diludos no plasma do sangue, entram na

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circulao para a veia porta heptica, onde so transportados diretamente para ofgado. Neste orgo, a maioria da frutose e quase toda a galactose so rapidamenteconvertidas em glicose, restando uma pequena quantidade destes. As reaesdinmicas so tais que quando o fgado devolve os monossacardeos de volta ao sangue,o produto final praticamente s glicose (95%).

Na Figura 2.8 pode-se analisar as transformaes descritas anteriormente e obalano de concentrao dos nutrientes que entram e saem do fgado. Alm disso, estotambm representadas as etapas de polimerizao da glicose para se converter emreserva energtica, i.e. glicognio.

Glicognese

O glicognio um polmero insolvel da glicose, que em mdia contm no citoplasmacerca de 55000 molculas de glicose ligadas e uma massa molecular de 666, 577g/mol,cujo processo de sntese conhecido por glicognese. No fgado, cerca de 30% da glicose armazenada em forma de glicognio, os restantes 70% continuam na corrente sanguneapara serem distribudos ao crebro, msculos e outros rgos e tecidos [18, 21].

A grande vantagem da converso de monossacardeo para um composto precipitadode massa molecular elevada permitir armazenar grandes quantidades de carboidratossem alterar significativamente a presso osmtica intracelular da clula, podendo sernovamente convertida para glicose-6-fosfato (Glicogenlise), para ser usada como energiano estado de jejum, como ser descrito na seco 2.1.2.4 - Ciclo em Jejum.

As clulas hepticas armazenam at um mximo de 6% da sua massa celularenquanto a maioria das clulas humanas conseguem armazenar cerca de 1%, podendoatingir um mximo de 3% nas clulas musculares. Como este armazenamento limitado, caso a concentrao de glicose para armazenar sob forma de glicognio sejaexcessiva, esta convertida para gordura e armazenada nos tecidos adiposos10. Esteprocesso chamado de lipognese [15].

A glicose libertada pelo fgado imediatamente transportada pela correntesangunea para as clulas, na qual o fluxo de sangue controlado de acordo com asnecessidades dos tecidos. Isto , quando um tecido est ativo necessita de mais energia,logo h um aumento do fluxo sanguneo para levar mais nutrientes clula,tipicamente, 20 a 30 vezes mais do que quando o tecido est em descanso [15].

Transporte Transcelular

10Tecido localizado principalmente na hipoderme tem como principais funes reservar energia sobforma de gordura e atuar como isolante trmico [22].

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O plasma transportado rapidamente dentro dos vasos sanguneos ao longo detodo o corpo e ao passar nos capilares, este fluido misturado com o fluido intersticialpor difuso. Posteriormente, os constituintes necessrios conseguem chegar e entrarnas clulas. Isto , as paredes capilares so extremamente finas, tendo uma espessurade 0,5 m, o que as torna altamente permeveis para a maioria das molculaspresentes no plasma do sangue, com a exceo de molculas de protena que sodemasiado grandes. Assim, o fluido extracelular, tanto o plasma como o fluidointersticial misturam-se continuamente, mantendo a homogeneidade do fluidoextracelular por todo o corpo e permitindo que as molculas cheguem s clulas empoucos segundos, j que poucas clulas se situam a mais do que a 50 m dos capilares[15]. Para melhor entendimento, consultar Anexo A.

Portanto, as clulas obtm os nutrientes de que necessitam do fluido intersticialque as rodeiam, podendo estes entrar na clula de formas distintas, de acordo com ogradiente de concentrao e com a massa molar das molculas. A glicose, por exemplo,flui de acordo com o fluxo de gradiente e s consegue passar a membrana celular atravsde difuso facilitada, pois a glicose tem uma massa molar de 180g/mol e o mximo queconsegue facilmente difundir-se atravs dos poros da pele cerca de 100g/mol [15].

A difuso facilitada transporta a molcula do lado de maior concentrao para ode menor concentrao e difere da difuso simples porque utiliza uma protenatransportadora especfica para ajudar a substncia a difundir-se na clula. Alm disto,enquanto que a velocidade da difuso simples determinada pela concentrao dasubstncia, a velocidade de difuso facilitada tende a um mximo (Vmax) com oaumento da concentrao da substncia (ver Figura 2.9-(a) [15].

(a) (b)

Figura 2.9: (a) Taxa de velocidade de difuso simples (a azul) e difuso facilitada (avermelho). (b) Esquema representativo da difuso facilitada. Figura editada de [15]

Isto acontece porque, como podemos ver na Figura 2.9-b, a molcula atransportar entra na protena transportadora e liga-se a um recetor de ligao no seuinterior. Depois, a conformao molecular da protena muda para que a abertura do

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poro se abra no lado oposto da membrana e, s aps a separao da molcula com oponto de ligao, a molcula libertada do outro lado. Assim, a taxa de velocidade aque as molculas podem ser transportadas, depende da taxa a que a protena conseguemudar de conformao.

Produo de ATP - Adenosine Triphosphate

Aps entrar nas clulas, a glicose pode ser usada para produo de energia.A energia representada pelo smbolo G, sendo expressa em calorias por mole da

substncia. Por exemplo, a quantidade de energia obtida pela oxidao de 1 mol (180gramas) de glicose 686000 calorias [15].

Figura 2.10: Representao da molcula de ATP. Imagem baseada em [15].

A energia no simplesmente libertada, mas transferida para outra molculachamada ATP. Esta est presente em todas as clulas e uma combinao deadenina, ribose e trs radicais fosfato, sendo que os dois ltimos esto ligados porligaes de alta energia, como podemos ver na Figura 2.10 representado pelo smbolo(). A quantidade de energia livre destas ligaes por mole cerca de 7300 calorias emcondies standard, mas, em condies usuais de temperatura e concentraes dereagentes no corpo, as duas ligaes libertam 12000 calorias de energia. Depois deperder um radical fosfato, o ATP transforma-se em ADP-Adenosine Diphosphate edepois de perder o segundo, torna-se AMP-Adenosine Monophosphate [15].

Dado que a oxidao total de 1 grama-mole de glicose liberta 686000 calorias deenergia e que s necessrio 12000 calorias para formar 1 grama-mole de ATP, se aglicose fosse decomposta toda de uma vez em gua e dixido de carbono, uma grandequantidade de energia era desperdiada. Felizmente, as clulas do corpo tm enzimasproteicas especiais que permitem a degradao de glicose em sucessivos passos, sendo,por isso, a energia libertada em pequenos "pacotes"para formar uma molcula de ATPde cada vez, formando no mximo um total de 32 moles de ATP por cada mole de glicosemetabolizada.

15


Na Figura 2.11 esto sumariadas as vias para extrair energia da glicose, quegeralmente segue duas fases: gliclise (do ingls glyco-, doce + lysis, dissolve) e o ciclodo cido ctrico, tambm conhecido como ciclo de Krebs ou ciclo dos cidostricarboxlos. Cada um destes processos produz pouca quantidade de ATPdiretamente, mas produzem eletres de alta energia transportados por NADH11 eFADH212 para o sistema de transporte de eletres na mitocndria, que tm umaimportante contribuio para a sntese de ATP [18].

Figura 2.11: Vias bioqumicas para produo de energia. Figura editada de [18].

Para maior detalhe acerca deste ciclo de transformar a glicose em energia, consultarApndice B.

2.1.2.4 Ciclo em jejum

Quando o fornecimento de glicose a partir da alimentao menor que asnecessidades das clulas em sintetizar ATP, as clulas dependem das reservas deenergia armazenada, o j referido glicognio.

11Coenzima no estado reduzido obtida pela reduo do NAD+ com dois eletres e aceitao de umproto H+ que faz a transferncia de eletres durante a fosforilao oxidativa.

12Molcula transportadora de energia metablica, sendo utilizada como substrato na fosforilaooxidativa. Quando re-oxidado a FAD, resulta em duas molculas de ATP.

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Glicogenlise

O processo catablico de degradao do glicognio conhecido como glicogenlise.Nas sucessivas reaes deste processo, o glicognio degradado para reconstruir a

glicose ou a molcula intermdia glicose-6-fosfato para posteriormente originar energia,todavia este no ocorre por reverso das reaes qumicas da glicognese. Em vez disso,cada molcula de glicose, em cada ramo do polmero de glicognio, separada porfosforilao, catalisado pela enzima fosforilase.

Nas condies de estado alimentado ou de descanso das clulas, a fosforilase estinativa para que o glicognio seja armazenado. Por sua vez, quando necessriorestabelecer os nveis de glicose no estado de jejum, ativada por intermdio dahormona glucagon, como ser explanado no tpico de regulao de glicose,Subseo 2.1.3.

Figura 2.12: Resumo das transformaes no processo de glicogenlise [18].

O glicognio , maioritariamente, quebrado para o intermedirio da gliclise,glicose-6-fosfato, sendo isto de fcil compreenso, porque como explanado na descriodo processo de gliclise (Seco 2.1.2.3 - Ciclo Alimentado) e podemos analisar naFigura 2.12, antes de se iniciar a gliclise, a Glc fosforilada para glicose-6-fosfato comajuda de um ATP. Logo, quando o organismo pretende usar o glicognio para produode energia, converte-se diretamente para glicose-6-fosfato para salvar imediatamenteum ATP no metabolismo. Dado isto, constata-se que apenas 10% do glicognio hidrolisado diretamente para molculas de glicose.

O glicognio a principal fonte de energia entre refeies e estima-se que fgadomantm o fornecimento de glicose durante cerca de 4 horas. Uma vez que o glicognioescasseia, as clulas usam os lpidos e protenas como fonte de energia, convertendo-ospara glicose. Este processo de produo de glicose a partir de lpidos e protenas chamada gliconeognese.

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Gliconeognese

O mtodo similar gliclise num modo inverso, mas que usa diferentes enzimaspara cada passo. A gliconeognese pode comear com glicerol, com variados aminocidosou lactato e em todas as clulas o processo pode obter glicose-6-fosfato. Todavia, apenaso fgado e os rins tm quantidades significativas de glicose-6-fosfatase, a enzima queremove o grupo fosfato da G-6-P para o transformar em glicose.

No ciclo de jejum, o fgado a primeira fonte de sntese de glicose a partir de lpidose protenas, produzindo aproximadamente cerca de 90% de glicose.

2.1.3 Regulao de Glicose

Na seco anterior mencionou-se que usual distinguir o metabolismo do corpohumano em dois estados: alimentado e jejum. O primeiro referente ao perodo apsuma refeio quando os alimentos so absorvidos, usados e armazenados. classificadocomo um estado anablico porque os nutrientes so transferidos para compostos dealta energia ou armazenados em ligaes qumicas de outras molculas. Por sua vez,quando os nutrientes no esto presentes na corrente sangunea para o uso das clulas,o corpo encontra-se no estado jejum. Este considerado metabolismo catablico porqueas clulas quebram molculas longas para formar outras mais pequenas a fim de usar aenergia libertada.

Neste seguimento, percebe-se que se a concentrao de glicose se encontra noslimites normais, a maioria dos tecidos usa-a como fonte de energia ou se est em excesso, armazenada como glicognio (glicognese). No entanto, o armazenamento de glicognio limitado, e caso seja acima desta capacidade, a glicose a mais convertida em gordura(lipognese). Mas se a concentrao de glicose no sangue decresce, o corpo converte oglicognio em glicose (glicogenlise) e, caso este escasseie, o processo de gliconeognese ativado.

Figura 2.13: Processos Push-pull control para controlo de glicose. (a) Metabolismo doestado alimentado sob influncia da insulina para sintetizar glicognio. (b) Metabolismo

do estado jejum sob influncia do glucagon. Imagem editada de [18]

atravs destes processos, s vezes chamados de "push-pull control", que o corpomantm a concentrao de glicose no sangue constante e se a homeostasia falha, podem

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surgir graves problemas na sade das pessoas, podendo at em casos extremos levar morte.

O controlo metablico da glicose , em primeiro lugar, da responsabilidade dosistema endcrino, mais propriamente do pncreas, embora o sistema nervoso tenhaalguma influncia no controlo da ingesto de alimentos.

O pncreas tem dois grandes tipos de tecidos: cino que liberta sucos digestivospara o duodeno (sistema excrino); e ilhotas de Langerhans, que produzem hormonasdiretamente para o sangue (sistema endcrino). Este rgo tem cerca de 1 a 2 milhesde ilhotas de Langerhans, que contm trs grandes tipos de clulas que se distinguempela sua morfologia e colorao: alfa (25%) que liberta glucagon, beta (60%) quesecreta insulina, e delta (10%) que liberta somatostina. A inter-relao entre os vriostipos de tecido permitem comunicar entre si e controlar diretamente as secrees dehormonas umas com as outras e, tal como todas as glndulas endcrinas, as ilhotasesto diretamente associadas a capilares onde as hormonas so libertadas, alem de queambos os neurnios simpticos e parassimpticos terminam nas ilhotas,proporcionando um meio pelo qual o sistema nervoso pode influenciar o metabolismo.

A insulina e glucagon esto sempre presentes no sangue, mas o seu rcio quedetermina qual delas domina e qual a direo do metabolismo. No estado alimentado,a secreo de insulina para o sangue estimulada pelo aumento de concentrao deglicose, onde circula de forma no ligante e tendo uma meia-vida mdia de 6 minutos.Esta permite o rpido uso de glicose para produzir energia, ou no caso de haver emexcesso, armazena-la como glicognio, principalmente no fgado e msculos, ou quandoos excessos ultrapassam os limites de armazenamento, so convertidos em gorduras earmazenados nos tecidos adiposos [15].

Para iniciar a sua funo, a insulina comea por ligar-se com um recetor proteicoativo na membrana, que uma combinao de quatro sub-unidades mantidas juntas porligaes dissulfureto: duas alfa que esto totalmente fora da membrana celular e duasbeta que atravessa a membrana para dentro do citoplasma da clula. A insulina liga-ses unidades alfa fora da clula como se pode verificar na Figura 2.14, mas que devido ligao estabelecida com as unidades beta, fosforilam em cadeia. Esta fosforilao13 dassub-unidades beta do recetor ativa a tirosina quinase (PTK), que por sua vez provocafosforilao de outras enzimas intracelulares, incluindo um grupo conhecido do inglsinsulin-receptor substrates (IRS), que pode ser expresso com diferentes nomes de acordocom o tecido (e.g. IRS-1, IRS-2, IRS-3). Assim, a insulina direciona o metabolismointracelular a produzir os efeitos desejados nos carboidratos, gorduras ou protenas, coma ativao e inibio de determinadas enzimas, conforme o desejado [15, 18].

Tipicamente, a primeira resposta das clulas ao da insulina o aumento dometabolismo anablico de glicose e, em algumas clulas sensveis insulina (msculo,

13Fosforilao a adio de um grupo fosfato (PO4) a uma molcula ou protena [18].

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Figura 2.14: Mecanismo de ao da insulina. Figura editada de [15].

gorduras, fgado, testculos, pncreas), consegue aumentar a taxa de difuso de glicoseentre 10 a 20 vezes [1, 15].

O glucagon a hormona dominante no estado de jejum, permitindo que o fgadouse o glicognio para sintetizar glicose. Isto , quando os nveis de glicose baixam, afuno do glucagon prevenir uma hipoglicemia e restabelecer a concentrao de glicoseno plasma. Por isso, o primeiro estmulo inicia-se no fgado desencadeando os processosde glicogenlise e gliconeognese para aumentar a sntese de glicose. O glucagon tambm estimulado pela concentrao de aminocidos, pois se uma refeio contm protenas eno carboidratos, a absoro de aminocidos provoca o aumento da secreo de insulina,logo h um aumento do consumo de glicose mesmo sem esta estar a ser absorvida.

Na Figura 2.15 podemos analisar como o rcio destas duas hormonas desencadeado e intervm no estado alimentado e jejum, respectivamente em (a) e (b).

2.2 Patologias associadas Regulao da Glicemia

Na seco anterior, mencionou-se que apesar de na ausncia de glicose, a maioriadas gorduras e protenas poderem ser usadas para produzir energia, a concentraode glicose no sangue mantida dentro dos limites saudveis para que se produza aquantidade de energia (ATP) necessria e, consequentemente, a vida subsista. Assimsendo, vrias estruturas funcionais do organismo humano intervm e cooperam entre sipara que este controlo seja constante e apropriado.

Para tal, a concentrao de glicose no sangue deve estar presente em concentraeselevadas para garantir o fornecimento de energia a estruturas onde a Glc a nica fonte

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(a) (b)

Figura 2.15: Resumo da resposta endcrina e metablica no estado alimentado (a) eestado jejum (b). Figura editada de [18].

de nutrientes utilizada, como o crebro, retina, epitlio germinal e gnadas. Mas poroutro lado, a Glc no deve aumentar muito pelas seguintes razes: quantidades elevadasde glicose no sangue provocam presso osmtica elevada no fluido extracelular, podendocausar uma desidratao celular considervel; provoca a perda de glicose na urina que,por conseguinte, provoca diurese osmtica pelos rins que podem esgotar o corpo dos seusfluidos eletrlitos; pode causar danos a muitos tecidos, especialmente, vasos sanguneos.Por sua vez, as leses vasculares aumentam o risco de ataques de corao, acidentevascular cerebral (AVC), doenas renais em estgio terminal e cegueira.

Isto permite concluir que quando ocorre uma disfuno de um dos sistemasfuncionais, o controlo no mantido e, portanto, reunm-se condies para oaparecimento de doenas, ou no caso extremo, levar morte [15].

2.2.1 Diabetes

Entre as doenas associadas desregulao de glicose, a Diabetes Mellitus (DM) a mais comum, sendo uma das mais prevalentes e economicamente importantes dosculo XXI a nvel global [23].

Diabetes Mellitus trata-se de uma doena metablica que surge, em alguns casosporque os ilhus pancreticos so incapazes de segregar insulina suficiente, outras vezesdevido insulina no ser utilizada de forma eficiente, ou ainda muito frequentemente,devido combinao destes dois fatores [5, 24]. caracterizada por nveis elevadosde glicose no sangue [23, 24], estando a hiperglicemia crnica associada a complicaes

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especficas como a falha de vrios rgos, especialmente, olhos, rins, nervos e vasossanguneos [23].

2.2.1.1 Classificao

A DM dividida em dois grandes grupos de acordo com a sua causa: se adiabetes resulta da deficiente produo de insulina conhecida como diabetes tipo 1(DM1), insulina-dependente ou diabetes da infncia; se advm da resposta inadequadade insulina designa-se no-insulina-dependentes ou diabetes tipo 2 (DM2) [23, 25]. Adiabetes gestacional tambm um grupo com elevada significncia que surge durante agravidez mas que, geralmente, desaparece quando termina. Por fim, a pr-diabetes asituao que antecede a diabetes e serve de alerta para evitar a progresso da doena.

Em praticamente todo o mundo, a diabetes a principal causa de cegueira,insuficincia renal e amputao de membros inferiores e constitui uma das principaiscausas de morte, principalmente por implicar um risco significativamente aumentadode doena coronria e AVC.

Na Figura 2.16 apresenta-se uma representao pictrica das complicaes crnicasda DM juntamente com a localizao no corpo humano.

Figura 2.16: Complicaes crnicas da diabetes [5].

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(a) Tipo 1

A diabetes tipo 1 (DM1) uma doena autoimune caracterizada pelaincapacidade de produzir insulina devido destruio das clulas beta dopncreas pelo sistema imunitrio do organismo, como pode ser comprovado pelapresena de autoanticorpos antignicos especficos ou de determinados alelos doantignio leucocitrio humano (HLA) [5, 26]. Assim, as clulas produtoras deinsulina produzem pouca ou nenhuma insulina.

A doena pode afetar pessoas de qualquer idade, mas ocorre geralmente emcrianas ou jovens [5, 24]. O seu aparecimento , geralmente, inesperado e aspessoas com este tipo de patologia necessitam de injees de insulina comfrequncia diria para controlar os nveis de glicose no sangue e sobreviver.

Alm das complicaes descritas acima, os sintomas que geralmente se manifestamna DM1 so [5, 27]:

Sede anormal e secura de boca

Mico frequente

Cansao/falta de energia

Dores de cabea, vmitos e nuseas

Fome constante

Perda de peso sbita

Feridas de cura lenta

Infees recorrentes

Viso turva

Ademais, os indivduos afetados esto propensos a desenvolver uma condiochamada cetoacidose diabtica causada pela falta de insulina [24].

Este tipo menos frequente que a Diabetes tipo 2 (DM2), mas a sua incidncia esta aumentar. Os fatores de risco ambientais, o aumento da altura e peso, o aumentoda idade materna no parto e, possivelmente, alguns aspetos da alimentao, bemcomo a exposio a certas infees virais, podem desencadear fenmenos de auto-imunidade ou acelerar uma destruio das clulas beta j em progresso [5, 28].Foi tambm j comprovada a existncia de uma predisposio hereditria para odesenvolvimento deste tipo de diabetes [24].

(b) Tipo 2

Diabetes tipo 2 a variante mais comum desta patologia surgindo normalmentequando os tecidos so insensveis ao da insulina e esto incapazes deresponder apropriadamente, mesmo quando o pncreas est em condies deproduzir concentraes normais ou mais elevadas de insulina [24]. Ao contrrioda DM1, devido ausncia de marcadores especficos, a DM2 normalmente

23


diagnosticada aps excluso de DM1 ou de outras causas determinantes dehiperglicemia, como as endocrinopatias [26].

mais frequente surgir na idade adulta em pessoas com massa corporal superior aorecomendado para a sua faixa etria e gnero. Desta forma, possvel estabeleceruma correlao entre a resistncia de insulina e a obesidade, at porque a reduode peso, normalmente, restabelece a resposta da insulina e controla a diabetes[24]. Tambm tem uma forte predisposio hereditria e h vrios fatores quecontribuem para o desenvolvimento da diabetes tipo 2 alm da idade e peso, entreos quais: alimentao inadequada, inatividade fsica, resistncia insulina, histriafamiliar de diabetes, ambiente intra-uterino deficitrio, etnia.

Este tipo de DM pode ser assintomtico, ou seja, pode passar despercebido pormuitos anos, sendo o diagnstico muitas vezes feito devido manifestao decomplicaes associadas a um nvel elevado de glicose no sangue. Causam lesesnos tecidos de diversos rgos, embora seja nos rins, olhos, nervos perifricos esistema vascular que se manifestam as mais importantes [5]. Alm dos sintomasreferidos na Figura 2.16 ainda podem ser includos os seguintes [27]:

Boca seca;

Urina em excesso;

Sede e fome constante;

Emagrecimento;

Cansao;

Dores nas pernas;

Formigueiro nos ps e mos;

Aparecimento de infeesfrequentes;

Comicho no corpo, nomeadamenteorgos genitais.

Contudo, na DM2 no se verificam a existncia de casos de cetoacidose diabtica,mas as pessoas podem desenvolver outra complicao chamada comahiperosmolar14, devido hiperglicemia [24].

As crianas so mais sensveis falta de insulina do que os adultos e um controlometablico deficiente pode resultar num dfice de desenvolvimento, assim comona ocorrncia tanto de hipoglicemia grave, como hiperglicemia crnica ou mesmointernamentos hospitalares recorrentes.

Ao contrrio da diabetes tipo 1, as pessoas no so dependentes de insulinaexgena, mas podem vir a necessitar de insulina para o controlo da hiperglicemiase no o conseguirem atravs da dieta associada a antidiabticos orais.

14Coma resultante da disfuno neurolgica causada por idade dos fluidos corporais como consequnciade hiperglicemia severa [24].

24


Tipo 1 Tipo 2Idade de

Aparecimento Infncia / AdolescnciaMeia Idade ou mais

tardeConstituioCorporal Normal Acima do peso

InsulinaPlasmtica Ausente ou baixa Normal ou alta

Complicaes Cetoacidose Coma hiperosmolarResposta aInsulina Normal Reduzido

Resposta amedicamentos

oraisanti-diabetes

No responde Responde

Tabela 2.2: Comparao dos dois tipos de diabetes principais: Tipo 1 e Tipo 2 [24].

(c) Gestacional

Na gravidez, os nveis altos de hormonas da placenta pode provocar umaresistividade insulina, que, normalmente, a mulher consegue compensar com asecreo de concentraes mais elevadas de insulina. Quando a mulher noconsegue produzir os nveis de insulina para suprir as suas necessidades e as dofeto, desenvolve diabetes gestacional.

Em termos teraputicos, esta variante da DM controlada com uma dietaequilibrada numa primeira instncia. Caso no se consiga controlar os nveissricos de Glc, incia-se a administrao de insulina exgena visto a hiperglicemiaser nociva para o desenvolvimento do feto. Na maioria dos casos, aps agravidez, a mulher retorna ao normal, mas apresentando um risco aumentado dedesenvolver a doena uns anos mais tarde [5, 24].

(d) Pr-Diabetes

Quando os indivduos se encontram numa condio em que apresentam nveis deglicose no sangue superiores ao normal, no sendo, contudo, suficientementeelevados para serem classificados como Diabetes, so diagnosticadas comHiperglicemia Intermdia, tambm conhecida como Pr-Diabetes [5, 24]. Aspessoas com Hiperglicemia Intermdia podem ter Alterao da Glicemia emJejum (AGJ), Tolerncia Diminuda Glicose (TDG) ou ambas as condies,que so atualmente reconhecidas como um fator de risco vascular e um aumentode risco para a diabetes.

25


2.2.1.2 Epidemiologia e Custos

Em 2015 estima-se a existncia de 415 milhes de pessoas com diabetes distribudaspor todo o mundo e calcula-se que esse valor atinja os 642 milhes em 2040. A cada setesegundos uma pessoa morre por diabetes e sabe-se que cerca de 179 milhes desconhecemque tm a doena.[5, 28, 29].

Figura 2.17: Nmero estimado de pessoas dos 20 aos 79 anos com diabetes em todoo mundo por regio entre 2015 e 2040 [28].

Considerada como epidemia do sculo XXI em todo o mundo, a maior parcela depessoas com diabetes tem idades entre os 40 e os 59 anos. Ademais, mais de 79 milcrianas e jovens desenvolveram diabetes tipo 1 em 2013, o nmero de pessoas comdiabetes tipo 2 aumenta todos os dias e mais de 21 milhes de nascimentos foramafetados por hiperglicemia, durante o perodo de gravidez [5, 28, 29].

Estes resultados tm um impacto cada vez maior em todos os aspetos da medicinae da sade pblica, pois a doena uma condio que exige uma abordagemmultidisciplinar para a sua gesto e tratamento, envolvendo mdicos de atenoprimria, enfermeiros, nutricionistas, psiclogos, oftalmologistas entre outrosespecialistas. Dado isto, esforos tm sido realizados para adquirir mais conhecimentosobre esta patologia e sobre as suas manifestaes e evoluo.

Alm de todo o impacto fsico, social e psicolgico causado, economicamente estadoena tambm representa uma importante vertente. Em adio aos custos que cadaindivduo acarreta de tratamento e controlo, os custos de preveno, diagnstico,tratamento e seguimento dos pacientes que so diretamente levados aos sistemas desade assumem cada vez mais valores significativos e elevados, tendo-se obtido em 2014

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o custo direto estimado entre 1 300 - 1 550 milhes de euros, um acrscimo deaproximadamente 50 milhes de euros face ao ano transato [5, 23, 28]. Seconsiderarmos o custo mdio das pessoas com diabetes, segundo o 6 Atlas Mundial daDiabetes (1 515 ), em Portugal representa um custo de 1540 milhes de euros paratodos os indivduos com Diabetes entre os 20-79 anos [5, 28].

Portugal 2013 2014Medicamentos Ambulatrios Total 215,5* 245,2*Medicamentos Ambulatrio SNS 226,0 242,5Tiras - Teste de Glicemia 52,8 50,9Tiras - Teste de Glicemia - Encargo SNS 43,5 43,1Hospitalizao - GDHs Total Diabetes 454,8 479.7Hospitalizao - GDHs DiagnsticoPrincipal Diabetes 34,3 35,2

Bombas Infusoras de Insulina eConsumveis - SNS 1,2 1,3

Tabela 2.3: Custos em milhes de euros da Diabetes em Portugal [5].Legenda: * - estimativa; GDH o Grupo de Diagnstico Homogneos, ou seja, a classificao de doentes internados em hospitais que agrupa doentes em grupos

clinicamente coerentes e similares do ponto de vista do consumo de recursos.

Desde 2009 que o Observatrio Nacional da Diabetes (OND) recolhe, valida, gerae dissemina informao fivel e cientificamente credvel sobre a Diabetes em Portugal,constituindo um repositrio da informao disponvel sobre a diabetes em Portugal. visvel uma evoluo positiva nalguns indicadores, como a diminuio de internamentosassociados a descompensao/complicaes da diabetes, excluindo os episdios com umadurao inferior a 24 horas, a diminuio da letalidade hospitalar e a diminuio dosepisdios de p diabtico e das amputaes dos membros inferiores nas pessoas comdiabetes. A nvel dos cuidados primrios merece referncia o incremento da abrangnciada prestao dos cuidados de sade na populao diabtica ou o aumento da observaodo p diabtico [5]. No entanto, outros indicadores so preocupantes, como o aumento deprevalncia e de internamentos devido s complicaes associadas diabetes, o aumentoda diabetes gestacional, a diminuio do nmero de utentes com retinografias realizadas,bem como o aumento da despesa com medicamentos.

2.2.1.3 Diagnstico

Desde 1965 que a Organizao Mundial de Sade, em ingls World HealthOrganization (WHO), publica diretrizes para a classificao e diagnstico da diabetes[29] e desde este nicio at aos dias de hoje que houve mudanas significativas nestescritrios de diagnstico e classificao da DM e Hiperglicemia Intermdia [29]. Asdiretrizes atuais so descritas na Figura 2.18.

27


Figura 2.18: Critrios de diagnstico da diabetes, pr-diabetes e diabetes gestacionalde acordo com a Norma DGS N.2/2001, de 14/01/2011 [5, 28].

O primeiro exame mdico a realizar o exame de sangue, onde so analisadosos dados de acordo com os critrios descritos anteriormente e sendo uma doena tocomum entre a populao, muitas vezes os exames so realizados sem prvia indicaoda possibilidade da doena, apenas como forma de preveno.

2.2.1.4 Tratamento e Controlo

Tratamento DM1

As pessoas com diabetes tipo 1 requerem administrao de insulina devendo adose ser ajustada em funo dos nveis de glicose no sangue. Alm disso, para ospacientes poderem ter uma vida saudvel, plena e sem grandes limitaes devemcumprir o tratamento individualizado aconselhado, que engloba [5, 24]:

Insulina ;

Alimentao;

Exerccio fsico ;

Educao para a auto-vigilncia e o auto-controlo da diabetes diariamentee que permitem o ajuste da dose de insulina, da alimentao e da atividadefsica

No fundo, o bom controlo resulta do balano entre a alimentao, o exerccio fsicoe a insulina. Os testes feitos vrias vezes dia informam as pessoas se o acar estalto, baixo ou dentro dos limites e permite-lhes adaptar (auto-controlo) estes trselementos do tratamento [5].

28


Tratamento DM2

Para a DM2 o passo mais importante implica a adaptao na alimentao e aatividade fsica que se efetua. Muitas vezes, somando estes dois passos anteriores eventual perda de peso, caso seja indicado por profissionais qualificados, osuficiente para manter a diabetes controlada [5, 24].

Quando no possvel monitorizar a diabetes desta forma, torna-se necessrioiniciar o tratamento recorrendo a anti-diabticos orais ou mesmo a administraode insulina sub-cutnea. Adicionalmente, podem ser introduzidos na teraputicaanti-hipertensores e anti-colesterolmicos orais pers com vista ao efetivo destapatologia [5].

Em suma, o objetivo fundamental do tratamento da diabetes mellitus controlaros nveis sricos de glicose, o que significa ter nveis de acar no sangue dentro de certoslimites, o mais prximo possvel da normalidade. Para tal, uma pessoa com diabetes deveefetuar testes de glicemia diariamente, vrias vezes ao dia, antes e depois das refeies,cujos valores a atingir para um controlo adequado deve ser individualizado de acordocom a idade, anos de diabetes, tipo de vida, atividade, existncia de outras doenas ecomplicaes [5].

O mtodo mais habitual para avaliar o estado de controlo da Diabetes adeterminao do composto A1c15 no sangue. Este mtodo consiste, essencialmente,numa anlise ao sangue que pode fornecer uma viso global da evoluo da diabetesnos ltimos trs meses e se necessita de algum ajuste no respetivo tratamento. Comoesta molcula surge da reao da hemoglobina com a glicose quando os nveis deglicemia esto altos durante perodos prolongados, logo maior a exposio dahemoglobina a concentraes elevadas de glicose no sangue e maior a formao dessahemoglobina glicosilada [5].

Devido associao da diabetes com a hipertenso arterial e com colesterol elevado,que podem agravar as suas complicaes, o controlo destes dois fatores de risco faz parteintegrante do controlo da doena [5].

2.2.2 Outras Patologias

Alm da DM, existem tambm outras patologias, com ocorrncia estatsticainferior DM, que provocam alteraes nos valores de glicose srica e que necessitamser monitorizadas com muita ateno. Essas condies incluem: doenas pancreticas,cuja hiperglicemia resulta da destruio das ilhotas pancreticas; doenas endcrinasassociadas produo excessiva de hormonas da hipfise ou renais que atuam para

15Designa-se por hemoglobina glicosilada e est presente nos glbulos vermelhos [24].

29


aumentar a concentrao de glicose no sangue; ingesto de variadas drogas, comodiurticos ou anti-hipertensores, que provocam o uso de glicose prejudicialmente ou, nocaso de doentes com DM1, ingesto de uma dosagem de insulina superior necessriapara metabolizar os carboidratos, provocando hipoglicemia; doenas hereditrias rarascujo metabolismo de carboidratos perturbado [24].

Visto estas patologias estarem associadas a variaes de glicose srica com possveisrepercusses na sade do paciente, achou-se pertinente a incluso e breve descrio dasmesmas neste documento. Como tal, so apresentadas de seguida as doenas maiscomuns associadas a estados de hiperglicemia e hipoglicemia ou doenas que, por vezes,so confundidas com a mais comum, a diabetes mellitus.

2.2.2.1 Hipoglicemias Tumorais

Um tumor nas clulas do pncreas com a capacidade de produzir insulina (i.e.insulinoma) ou, em raras ocasies, uma proliferao generalizada dessas clulas,provoca a excessiva produo de insulina, causando alguns valores anormalmentebaixos de glicose no sangue. Embora seja pouco frequente, um tumor originado fora dopncreas tambm pode causar esta perturbao ao produzir uma hormona semelhante insulina.

Num doente com um tumor pancretico secretor de insulina, mais provvel queos sintomas apaream nas primeiras horas da manh em jejum, sobretudo se as reservasde acar do sangue se tiverem esgotado com o exerccio realizado antes do pequeno-almoo. No princpio, um tumor s causa episdios ocasionais de hipoglicemia, mas como passar dos meses ou dos anos os episdios tornam-se mais frequentes e graves.

Estes tumores devem ser retirados cirurgicamente, contudo, como so muitopequenos e difceis de localizar, o diagnstico e a prpria cirurgia englobam umadificuldade elevada [30].

2.2.2.2 Glucagonoma

um tumor neuroendcrino raro localizado nas clulas do pncreas que induz aproduo de glucagon em excesso, o que aumenta o nvel de acar no sangue e provocauma erupo caracterstica.

Dada a sua raridade, no se conhece ainda a taxa de sobrevivncia de indivduosportadores desta patologia, mas sabe-se que em 75 a 80% dos casos, o glucagonoma surgena forma maligna j existindo metstases em 50% destes casos aquando do diagnstico.

Alm da superproduo de glucagon, que provoca diminuio dos nveis deaminocidos sanguneos, anemia, diarria e perda de peso, observa-se a presena de umaumento dos nveis de glicose sangunea, devido ativao de processos anablicos e

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catablicos, incluindo os processos de gliconeognese liplise16, respetivamente.Consequentemente, tambm ocorre um aumento de lpidos no sangue. O eritemamigatrrio necroltico (NME) um sintoma clssico dos doentes de glucagonoma, quese caracteriza pela presena de bolhas eritematosas em reas expostas a maior atrito epresso, como a regio inferior do abdmen, ndegas, perneo e virilha [31].

2.2.2.3 Hipoglicemia Fictcia (Sndrome de Mnchhausen)

O sndrome de Mchhausen uma desordem psiquitrica, na qual os indivduossimulam estar adoentados ou com algum trauma psicolgico para chamaram atenodos que os rodeiam. Contrariamente hipocondria, os indviduos sabem que no estorealmente doentes e provocam ativamente a enfermidade, colocando-se em risco e numasituao que necessita de investigao e tratamento.

Muitas vezes, induzem hipoglicemias, atravs da ingesto de medicamentos taiscomo quinino, insulina, clorpropamida, entre outros, gerando manifestaes clnicas esintomas inexplicveis e incomuns.

O tratamento desta patologia requer habitualmente aconselhamento psiquitricopara modificar os pensamentos e comportamentos do indivduo ou no caso de se tratardo sndrome de Mchhausen por procurao, necessrio afastar o doente doresponsvel[32].

2.2.2.4 Sndrome Paraneoplsica

As sndromes paraneoplsicas so um conjunto de sintomas causados no por umtumor em si, mas pelos produtos derivados do cancro: hormonas, citocinas e vriasprotenas.

O modo exato como os cancros afetam reas ou volumes corporais distantes no completamente conhecido, mas sabe-se que alguns cancros libertam substncias nosangue, que causam reaes autoimunes que lesa os tecidos afastados, outros segregamsubstncias que interferem diretamente na funo de diferentes rgos ou que destroemos tecidos. Muitas vezes as sndromas paraneoplsicas afetam o sistema nervoso.

Podem aparecer sintomas como a diminuio do acar no sangue, diarreia eaumento da presso arterial [33].

2.3 Medidores de Glicose

No captulo 2.2.1.4-Tratamento e Controlo conclu-se que, apesar de no haver curapara a DM mellitus, a abordagem principal do tratamento passa por manter os nveisde glicose no sangue dentro dos limites saudveis. Alm disto, sabe-se que monitorizar

16Processo inverso lipogense, onde h degradao de lpidos em glicerol.

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continuamente a glicose no sangue reduz, a longo-prazo, as complicaes causadas peladoena e, consequentemente, o sofrimento humano que estas complicaes causam, assimcomo os custos econmicos associados monitorizao, controlo e interveno mdica dadoena [5, 24]. Como tal, desde cedo se insistiu em desenvolver dispositivos, precisos eautnomos, capazes de medir os nveis sricos de glicose em prol de uma melhor qualidadede vida dos pacientes.

Para se perceber melhor como o passar do tempo nos permitiu alcanar umenorme conhecimento de diagnstico, monitorizao e tratamento da diabetes, deseguida apresentado o estado da arte dos medidores, antecipando-se umacontextualizao histrica.

2.3.1 Contextualizao Histrica

Durante a poca Medieval (sculo V-XV), as doenas eram maioritariamenteidentificadas atravs da observao da urina, do cheiro, cor, sedimentos depositados eat pelo sabor e, portanto, tambm a diabetes era assim diagnosticada.

Neste seguimento, em 1941 a Ames Division of Miles Laboratories, em Elkhart,Indiana, USA, introduziu a venda de um teste padro urina baseado em sulfato decobre (CuSO4) e numa tabela de cores. Ao adicionar umas gotas de urina num tubo comos comprimidos "Clinitest", a cor resultante comparada com a tabela de cores estimavaa quantidade de glicose (Figura 2.19-a).

Porm, os testes de glicose atravs da urina so bons indicadores quando o pacienteest com excesso de glicose no sangue, mas para quantidades normais ou baixas no halteraes na urina. Ademais, a concentrao de Glc depende da ingesto de lquidos epode no corresponder ao valores atuais da concentrao srica.

Posto isto, em 1965, Ames Division of Miles Laboratories desenvolveu uma tirade teste prtico para a medio de glicose no sangue, chamada "Dextrostix". Esta tirade papel continha uma membrana semipermevel exterior que no permitia passar asclulas vermelhas do sangue, mas que deixava passar a glicose solvel para reagir comos reagentes secos. Aps um minuto, a tira era lavada e a cor da almofada do reagenteera comparada com

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