方旭超, 張培茗, 饒 蘭, 嚴鑫能

(1.上海理工大學 醫療器械與食品學院,上海 200093；2.上海健康醫學院 醫療器械學院,上海 201318； 3.上海穿戴式醫療技術與器械工程研究中心,上海 201318；4.凱聯醫療科技(上海)有限公司,上海 201203)

0 引 言

自從1920年胰島素被發現以來,采用藥物治療和護理相結合的方式控制血糖,一直是糖尿病主流的治療方法,由于降糖藥物的使用量必須合理控制,過高或過低都會對人體帶來嚴重的傷害,因此血糖監測成為了糖尿病護理的最重要組成部分[1]。

現如今國際上廣泛采用的血糖檢測方式有兩種[2]:生化分析儀檢測靜脈血漿血液和血糖儀指尖血或手臂采血檢測。生化分析儀可以獲得精確的血糖值,但是由于測量過程緩慢,操作復雜,目前,僅適應于醫院；血糖儀測量每天需要多次采血取樣,給患者帶來了心理壓力和感染的風險,以上兩種方法對人體均有創傷,并且不能實現血糖的連續監測,可能會遺漏血糖變化的峰值,不利于藥物的使用[2]。為了減小對患者的創傷及實現對血糖的連續監測,研究者們把目光轉向了微創和無創動態血糖檢測技術,雖然挑戰頗多,但還是取得了一定的研究成果。

1 生化分析儀檢測血糖

生化分析儀是當前測血糖最準的儀器,醫院里都是用生化分析儀檢測血糖并且作為醫生診斷糖尿病的依據。目前,國內比較受歡迎的品牌有邁瑞、迪瑞、科華等,國外比較受歡迎的品牌有貝克曼、日立、東芝和羅氏等。

生化分析儀檢測血糖的原理是采用了光譜技術中吸收光譜法,這也是生化分析儀的基本核心。主要有兩種辦法測血糖,分別是葡萄糖氧化酶終點法和己糖激酶終點法。這兩種方法的共同點是利用了樣品在試劑中,與試劑中特定的物質反應,所得的終產物改變了吸收光譜,從而測得血液中的葡萄糖濃度。

2 血糖儀檢測血糖

雖然生化分析儀測量血糖準確度高,但是操作復雜,耗時長,不利于患者的使用。因此研究人員研究出了一種快速測血糖的儀器——血糖儀。血糖儀體積輕巧,測試速度快捷,便于家庭使用,受到人們的歡迎。 目前比較受歡迎的血糖儀國外品牌有羅氏、強生和拜耳等,國內品牌有三諾等。

當前血糖儀主要通過指尖或者手臂采血,每種品牌的血糖儀都有與之配套的試紙,不能混用。血糖儀主要有化學比色法和電極法兩種反應機制,化學比色法已經基本被市場淘汰,目前大部分都是采用電極法測量。電極法是測量血液中的葡萄糖與試紙中的酶發生反應產生的電流來測得血糖濃度。市面上通用的血糖儀大部分都采用葡萄糖氧化酶,葡萄糖脫氫酶和己糖激酶來測血糖。

3 無創及微創連續血糖檢測技術

3.1 電化學技術檢測血糖

隨著大量的葡萄糖傳感器被研究出來,新的血糖檢測方式也層出不窮,目前應用最廣泛的,也是最傳統的葡萄糖傳感器是葡萄糖氧化酶電極,它是在1962年作為一個新的概念被提出的[3]。隨著人們對葡萄糖氧化酶電極相關技術研究的努力,電極材料、酶的固化方式和電極的空間構造等方面,有了更深入的研究,研究者相繼開發出敏感特性更高、抗干擾能力更強的新型酶電極葡萄糖檢測設備,葡萄糖氧化酶電極也被應用于連續血糖監測系統[4～9]中 ,連續血糖檢測技術系統可以提供動態、連續、實時的血糖濃度和變化率,并能預測血糖濃度的變化方向,通常被應用于患有I型糖尿病的患者來檢測血糖變化,并預防高血糖和低血糖的發生[10]。 基于葡萄糖氧化酶的連續血糖檢測系統是將葡萄糖氧化酶固化在電極上,然后抽取組織液或者在組織液中反應,使其中的葡萄糖在固化于半透膜上的葡萄糖氧化酶的作用下反應,生成葡萄糖酸和過氧化氫,然后給予一個基底電流使得過氧化氫解離,根據測量得到的電荷數就可以計算出葡萄糖的濃度[11～13]。

主要的產品有Dexcom G5和Abbott公司的Freestyle Liber,這兩個產品在2016年經過了FDA認證。 下面以Freestyle Liber為例來講一下葡萄糖氧化酶電極的工作原理,傳感器(sensor)的電極部分進入人體的皮下組織后,通過半透膜過濾使得組織液內的葡萄糖,與電極上攜帶的葡萄糖氧化酶反應產生葡萄糖酸和雙氧水,雙氧水分解生成與葡萄糖相應的電子2e-,電信號通過Pt電極傳輸到傳感器的記錄元件中。再通過一定相關還原即可通過組織液內電化學反應來得出血液中的血糖值。

連續血糖檢測系統可以實時提供患者血糖濃度與變換情況,但患者自我注射的方式仍存在安全隱患,研究者模擬人體胰腺的工作原理設計了“仿生胰腺”系統,系統主要包括:檢測、分析、藥物注射三個部分[14]。是利用傳感器檢測血糖濃度,每隔一段時間記錄一次,并將所得信息傳到分析部分,根據相應的算法分析血糖變化的情況并決定是否注射藥物。向人體注射藥物來控制血糖,從而防止高血糖或低血糖的發生。典型應用是Medtronic公司生產的MiniMed670G,全球第一個有助患者持續監控血糖,并視需要自動導入胰島素的“人工胰腺”,通過了美國食品藥品監督管理局(FDA)的上市核準。

侵入式的連續血糖檢測系統主要是通過檢測皮下組織液中的葡萄糖濃度,來反映血糖濃度,需要將傳感器導線通過中空的針頭植入皮下組織,并將其固定在皮膚上,一般是7～14天換一次。這容易造成生物組織淤積,對傳感器的精確度產生影響[14]。其次,傳感器的成本昂貴,對于大部分人來說,經濟負擔太重。另外,傳感器植入時和置換時會對病人帶來疼痛,長期佩戴可能會有感染的風險[1]。傳感器的耐受性差,經常需要校準與更換也是其一大缺點,各種缺點影響了連續血糖檢測系統大規模使用。

為了減輕半植入式傳感器植入人體時和更換時給病人帶來的痛苦,研究者們努力的尋求微創或無創的方式來檢測血糖。

2000年Tierney M J等人[15],利用反向離子電流(reverse iontophoresis,RI)法將組織液提取出來檢測其中的血糖,當微電流通過人體皮膚時,組織液里的離子會向與電流流向相反的方向運動,從而抽取組織液,組織液里的葡萄糖在葡萄糖氧化酶特異性催化下反應測得葡萄糖濃度。典型的應用是Cygnus醫療儀表公司開發的GlucoWatch[15]。同樣基于反向離子電流法,2013年王洪等人[16]用鐵氰化鉀作為電子媒介體,固定在聚環氧乙烷凝膠里的葡萄糖氧化酶與溶液中的葡萄糖催化氧化生成葡萄糖酸和亞鐵氰化鉀,通過檢測該反應產生的氧化還原電流的大小來計算葡萄糖溶液的濃度。2018年Luca L等人[17]提出了一種基于石墨烯平臺非侵入性的、經皮的、路徑選擇的特定葡萄糖監測系統,如圖1所示。這個系統通過像素陣列,可以檢測校準通過不同路徑提取的葡萄糖濃度,克服了單純RI法提取葡萄糖時,組織液中潛在的離子干擾,保證葡萄糖檢測的準確性。

圖1 基于石墨烯平臺的葡萄糖檢測系統[17]

2010年,Gough D團隊提出了一種完全植入型葡萄糖傳感器,通過應用葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶檢測氧氣濃度變化來反映出葡萄糖濃度變化的,連續監測時間可以長達1年以上[18],從而可以減少傳感器經常更換給患者帶來的痛苦。

2018年,Sharma S團隊提出了一種微創的基于固體微針陣列[10],如圖2所示。的連續葡萄糖監測系統,并經過了人體活體實驗。這種固體微針陣列是以聚碳酸酯為材料構成,分為4個獨立的微針陣列。與傳統植入式電極相比,固體微針陣列植入在真皮層,固體微針陣列經電聚合多酚功能化膜處理[19,20]攜帶葡萄糖氧化酶,特異性催化真皮層的組織液內的葡萄糖,從而測得氧化電流。真皮層組織液葡萄糖濃度與皮下組織液相比更為接近血糖濃度[10],因此測量更為準確。固體微針陣列還設有偏置電壓,從而減少其他物質反應的干擾。固體微針陣列固定方式簡單僅需手壓即可,減小患者痛苦與創傷。且固體微針陣列成本低,還可以置于手表背面,實驗證明固體微針陣列臨床表現好,是一種非常新奇且實用的微針設計。

圖2 固體微針陣列及放大掃描圖[21]

無創技術在電化學的應用主要體現在對血液替代物(眼淚,汗液,唾液等)的研究中[22]。影響較大的是Google公司2014年提出的隱形眼鏡的構想,相類似的是Herman G等人2016年提出的隱形眼鏡的想法,并且他們已經在實驗室制造出這種設備,可以有效地測量血糖[1]。電化學無創技術面臨生理干擾,測量方法復雜,準確性低等不可避免的難題,無創技術發展任重而道遠。

3.2 光學技術測量血糖

光學法測量血糖一直以來是學者們研究的熱門,利用光學技術測血糖,可以在更大動態內實現更為準確的測量[1]。光學檢測技術為實現微創或無創檢測提供了更為廣闊的研究空間,光學測量具有高靈敏度、高選擇性、長期穩定性等突出特點[22],克服了很多電化學技術的難題。

目前光學檢測技術在無創血糖檢測中應用比較多,2016年Segman Y等人[23～26]提出了一種利用光學血流動力學來無創檢測血糖的技術,并于2018年利用此技術研究出了一種新型血糖測量儀器。這種新型血糖測量儀器,如圖3所示。主要有兩部分組成:主體和校準器,主體由4個單色光源,光譜范圍是從可見光到近紅外光(600～1 000 nm),一個彩色圖像傳感器和一個數字信號處理器構成。主要原理是基于彩色圖像傳感器的血糖檢測,4個單色光源照射手指,穿過手指后的光線被彩色圖像傳感器吸收,彩色圖像傳感器對連續光譜敏感性強,對不同顏色的光線吸收效率不同,通過處理器的復雜的算法處理,可以得到血糖濃度。

圖3 新型血糖測量儀器(左)示意圖(右)[25]

紅外技術在無創血糖檢測技術中應用也比較多。如日本NEC公司生產的健糖寶。該技術采用近紅外光譜法測量,使用時只需要將傳感器貼在手掌處即可得到血糖[27]。2016年,Vanitha M等人[28]提出了一種基于多模光譜集成傳感器的傳感設備,如圖4所示。

圖4 多模光譜集成電路構成[29]

使用LED和光電二極管設計了一種傳感器貼片,觀察人體前臂血液的漫反射光譜,利用了近紅外光譜技術來實現無創血糖檢測。其中多模光譜集成電路由兩個獨立的葡萄糖預估電路組成:阻抗光譜(impedance spectral,IMPS)電路和多波長近紅外光譜(multi-wavelength near infrared spectroscopy,mNIRS)電路,這兩個電路由的工作原理各不相同,如圖5所示。IMPS是基于葡萄糖濃度水平間接影響組織的性能變化而mNIRS是基于血糖的光學散射特性,兩種電路所采集數據被綜合處理和分析后得出結果,從而提高了血糖監測的準確性。這種設備還可以及時更新病人體內血糖信息并實現藥物注射。2017年美國科學家Dhawn A等人[29],提出了一種基于近紅外光成像的無創血糖檢測技術和與之配套的設備,這種技術通過測量吸收波長,與脈搏血氧信息相結合,并采用卷積函數校準與相應的優化算法來得到血糖值。

圖5 IMPS(a)和mNIRS(b)原理[29]

圖6 可調量子級聯激光裝置[31]

光學技術檢測血糖的研究主要采用偏振測定,拉曼光譜技術,等離子表面共振現象,熒光能量共振轉移,單壁碳納米管熒光特性相結合的傳感器,熒光水凝膠技術,有機高分子材料與熒光特性相結合等技術[1]。

除了光學和電化學技術等方法外,其他的技術,如光聲檢測,能量代謝守恒法[26],熱消融法[1]等也為血糖檢測技術帶來了不同的思路。

4 問題和挑戰

目前,生化分析測量血糖是精確度最高的檢測方式,但由于操作流程復雜,且耗時長而只是用于臨床診斷與設備校準。血糖儀靈巧便捷,且節約時間,被廣泛用于家庭自測,但由于血糖儀測量血糖只是單點式測量,容易遺漏血糖變化的峰值,不利于患者的自我監管,而且需要高頻率的采集血液給患者造成了心理壓力和感染的風險。為了獲得更為詳盡的血糖變化信息,實現對血糖的實時監測,便于醫生對病人病情的判斷和病人自我管理,研究者們將目光投向了連續血糖檢測系統,連續血糖監測系統主要面臨以下問題和挑戰：1)精確度:不管是目前已經廣泛使用的電化學傳感器、光學檢測技術還是其他各種檢測技術都面臨著精確度不夠的問題,檢測信號弱、檢測參數多、信號漂移、信噪比低等問題影響了血糖的準確測量；2)成本:連續血糖檢測系統與血糖儀相比價格昂貴,且傳感器等耗材的更換也會增加使用成本,這是制約連續血糖監測系統廣泛使用的重要原因；3)耐受性:傳感器耐受性低,靈敏度退化等因素,不能實現長期的血糖監測；4)心理壓力:高頻率的校準和檢測器的更換,給患者帶來了心理壓力和被感染的風險。另外,使用者的操作,醫生和患者對新事物的抗拒性[33]等也會制約連續血糖監測系統的使用。

5 結束語

隨著研究的深入,多種微創和無創檢測技術的出現,納米工程與傳感器相結合,各種新材料的研究,“人工胰腺”的出現,給糖尿病檢測與護理帶來了新思路,對提高血糖測量的準確性與實用性有相當大的幫助。血糖檢測技術的創新與發展,多種檢測技術相融合已經成為一種趨勢,這必將為糖尿病的護理和治療帶來新的突破。