В начале 2014 года Google анонсировала инициативу, которая в случае успеха, казалось, была призвана закрепить за Кремниевой долиной статус крупного игрока в сфере здравоохранения.
В сообщении в блоге компания раскрыла, что начала разработку прототипа «умной» контактной линзы, способной измерять уровень глюкозы в слезах с помощью миниатюрного сенсора, встроенного в ее слои. Сообщалось, что прототипы могли генерировать показания раз в секунду.
Если бы технология оказалась успешной, она принесла бы две большие выгоды. Во-первых, это стало бы прорывом для примерно 830 миллионов человек, страдающих диабетом во всем мире, поскольку это предоставило бы гораздо более простой способ частого мониторинга уровня глюкозы, что связано с лучшими долгосрочными показателями здоровья. Но это также стало бы прорывом для потребительской носимой электроники. Успешная «умная» линза доказала бы, что крупная технологическая компания способна решить фундаментальную биомедицинскую проблему, и позволила бы Google конкурировать с традиционными производителями медицинских устройств, сделав ее легитимным участником рынка здравоохранения.
Но этого не произошло.
Несмотря на помпу и ожидания, связанные с анонсом, уже через два года после начала проекта, согласно отчетам, включая расследование STAT в 2016 году, стало ясно, что проект полон неудач. Главной проблемой была базовая наука: слезы оказались просто ненадежной жидкостью для измерения уровня глюкозы в крови. В более широком смысле это выявило и другие проблемы, связанные со слиянием потребительских технологий и здравоохранения. Во-первых, миниатюризации оборудования недостаточно, поскольку человеческая биология «шумна» и хаотична. Во-вторых, медицинские устройства требуют чрезвычайно точных и надежных данных. Устройство, оценивающее ежедневное количество шагов, может быть, по очевидным причинам, «достаточно хорошим», но как насчет устройства, измеряющего уровень глюкозы в крови у людей с диабетом? «Достаточно хорошо» здесь не годится.
Сегодня ученые все еще работают над решением одной из «святых граалей» носимых устройств: по-настоящему неинвазивным мониторингом глюкозы. В отличие от «умных» контактных линз, эти устройства не будут контактировать с биологическими жидкостями. Вместо этого они будут обнаруживать уникальную молекулярную сигнатуру глюкозы через кожу, а затем использовать этот сигнал для косвенной оценки уровня глюкозы в крови. Это остается одной из самых сложных задач в биомедицинской инженерии. Но исследователи медленно продвигаются в освоении физики, химии и материаловедения, необходимых для достижения этой цели, — и они ближе, чем когда-либо.
Сигнал к шуму
«Умные» контактные линзы Google потерпели неудачу из-за ключевой биологической проблемы: в нашем теле циркулирует множество веществ, и глюкоза — лишь одна из них, причем крайне малая составляющая.
Когда человек прокалывает палец для измерения уровня глюкозы, он помещает крошечную каплю крови на одноразовую тестовую полоску. Эти полоски содержат фермент, который специфически реагирует с глюкозой, содержащейся в этой капле крови. Во время реакции глюкоза окисляется и высвобождает электроны, которые передаются через химические посредники на крошечные электроды в полоске. Глюкометр измеряет возникающий электрический ток, и поскольку большее количество глюкозы вызывает больший поток электронов, прибор может рассчитать концентрацию глюкозы в крови. Системы непрерывного мониторинга глюкозы (CGM) работают по схожей химической схеме, но вместо анализа капли крови они непрерывно измеряют глюкозу в интерстициальной жидкости, находящейся непосредственно под кожей.
Одна из главных причин высокой эффективности этих устройств заключается в том, что химия является высокоспецифичной и контролируемой. Ферменты, участвующие в реакции, почти исключительно реагируют с глюкозой, с которой вступают в прямой контакт либо в крови, либо в интерстициальной жидкости. И, что важно, уровни глюкозы как в интерстициальной жидкости, так и в крови колеблются схожим образом.
Но ситуация становится странной, когда используются слезы. Концентрация глюкозы в слезах и так ниже, и она колеблется не всегда точно отражая уровень глюкозы в крови. Ситуация становится еще более причудливой, когда вы вообще не контактируете ни с какой жидкостью.
Концепция неинвазивного мониторинга не нова. Когда «умное» устройство, такое как Apple Watch или Fitbit, измеряет частоту сердечных сокращений, оно делает это, отслеживая изменения объема крови в крошечных кровеносных сосудах близко к коже. Устройство направляет свет в кожу, и кровь поглощает этот свет сильнее, чем окружающие ткани. При каждом ударе сердца объем крови увеличивается и уменьшается. Этот сдвиг фиксируется по количеству света, отраженного обратно к сенсору. Обнаруживая эту повторяющуюся закономерность с течением времени, устройство рассчитывает количество ударов сердца в минуту. Благодаря этой технологии носимые устройства сегодня невероятно точны в отношении частоты сердечных сокращений.
Так почему же глюкоза так отличается? Частота сердечных сокращений фокусируется на изменениях общего объема крови, что не очень подходит для глюкозы. Кровь состоит из смеси различных клеток, белков, воды и других веществ, а глюкоза составляет лишь крошечную часть этого, как отмечает Джудит Су, адъюнкт-профессор оптических наук и биомедицинской инженерии в Университете Аризоны. Чтобы обнаружить глюкозу среди всех этих компонентов крови, вам, по сути, нужно найти способ отделить глюкозу от всех этих других компонентов.
«Главная проблема — это соотношение сигнала и шума», — говорит Су Gizmodo. «В лаборатории легко различить глюкозу, но сложность в том, что человеческий организм весьма сложен».
«Глюкоза производит очень слабый сигнал и присутствует в очень низких концентрациях по сравнению со всем остальным в организме, особенно с водой, которая доминирует в сигнале при большинстве методов измерения. Второе — у нее не обязательно очень сильная уникальная сигнатура, поэтому при измерении она имеет тенденцию перекрываться с сигналами от других молекул, а третье — она искажается вашими тканями», — говорит Су.
Из-за капризного характера глюкозы исследователям понадобился инструмент, способный идентифицировать что-то внутри молекулы сахара, уникальное именно для нее. Эта потребность в специфичности привела ученых к рамановской спектроскопии.
Один фотон из миллиона
Рамановская спектроскопия работает путем направления лазера на образец и измерения того, как крошечная доля этого света изменяется после взаимодействия с определенными молекулами, — рассказывает Арианна Бреши, инженер-оптик и постдокторант в Исследовательском центре лазерной биомедицины Массачусетского технологического института (MIT).
При рамановской спектроскопии устройство посылает одноцветный лазерный луч в материал, например, в кожу. Большая часть этого света — 99,999% — отражается без изменений. Но очень небольшая доля этих фотонов взаимодействует с молекулами, заставляя их вибрировать. Это взаимодействие приводит к тому, что эти фотоны отражаются обратно со слегка, но отчетливо иным смещением, чем остальные 99,999% фотонов. Поскольку разные молекулы, такие как глюкоза, имеют разную структуру связей, они смещают свет по-разному. На основе этих различных паттернов исследователи могут создать так называемый рамановский спектр.
В идеальных условиях очень чувствительный сенсор измеряет слабо смещенный рамановский свет и отфильтровывает исходный лазерный свет. Затем компьютерная система сравнивает измеренный спектр света с известными эталонными спектрами. Как только паттерны совпадают, она может идентифицировать молекулу. Наконец, интенсивность характерных пиков отражает, сколько глюкозы присутствует. Таким образом, маленький пик будет означать низкое показание глюкозы, а больший пик — более высокое. Звучит просто, но это оказалось невероятно сложно.
«Среди всех неинвазивных оптических методов Раман является элитным, потому что вы можете отслеживать конкретную молекулу», — говорит Бреши. «Но недостаток в том, что рамановский сигнал очень слаб по интенсивности… на каждый миллион фотонов, которые попадают внутрь, только один является рамановским фотоном».
Подтверждение концепции
В MIT Чон Ун Кан, научный сотрудник университета, изучающий биомедицинскую оптику, руководит проектом по неинвазивному мониторингу глюкозы, в котором участвует Бреши. Еще в 2020 году команда доказала, что может точно измерять рамановские сигналы глюкозы непосредственно с кожи. Частично причиной этого прорыва стало то, что они обнаружили возможность отфильтровывать нежелательный «шум» от других компонентов в тканях тела, направляя ближний инфракрасный свет на кожу под другим углом, нежели угол сбора рамановского сигнала.
Это был огромный прорыв, но он требовал устройства размером с настольный принтер. С тех пор его команда работает над уменьшением размера системы. В декабре 2025 года команда MIT опубликовала исследование, демонстрирующее, что им удалось создать рабочее устройство размером с обувную коробку, и они протестировали его по сравнению с традиционными глюкометрами.
В идеале, в конечном итоге оно должно появиться в носимом устройстве размером с Apple Watch или даже смарт-кольцо Oura. Но до этого еще далеко. Поскольку рамановские сигналы чрезвычайно слабы, система для их захвата требует больших, высокочувствительных оптических компонентов, таких как мощный лазер, линзы и фильтры, а также спектрометр. Для измерения глюкозы эта проблема усугубляется тем, что сигнал глюкозы в коже ничтожно мал по сравнению с другими окружающими веществами. Чем меньше устройство, тем меньше света оно собирает, что, как правило, затрудняет выделение глюкозы (сигнала) из всего остального шума.
Другая часть проблемы возвращает нас к одной из причин провала «умных» линз Google. Чтобы создать устройство для измерения уровня глюкозы в крови, нужно быть невероятно точным, иначе даже не стоит пытаться.
Теперь, когда у команды MIT есть рабочий прототип, их следующие цели — продолжать уменьшать устройство и проводить клинические испытания, чтобы убедиться, что оно так же хорошо, как текущий золотой стандарт: прокол пальца. Эту часть разработки они передали стартапу Apollon, членом которого является Кан.
«У нашего отраслевого партнера, Apollon, есть план выпустить продукт на рынок в 2029 или 2030 году», — говорит Кан. «Это их график, потому что нам нужно пройти сертификацию FDA, прежде чем продавать его на рынке».
Будущее неинвазивного мониторинга глюкозы зависит от того, смогут ли исследователи уместить оптику размером с целую лабораторную комнату в носимое устройство.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Claire Maldarelli
