方旭超, 張培茗, 饒 蘭, 嚴(yán)鑫能

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093；2.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院,上海 201318； 3.上海穿戴式醫(yī)療技術(shù)與器械工程研究中心,上海 201318；4.凱聯(lián)醫(yī)療科技(上海)有限公司,上海 201203)

0 引 言

自從1920年胰島素被發(fā)現(xiàn)以來,采用藥物治療和護(hù)理相結(jié)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(huì)對(duì)人體帶來嚴(yán)重的傷害,因此血糖監(jiān)測(cè)成為了糖尿病護(hù)理的最重要組成部分[1]。

現(xiàn)如今國(guó)際上廣泛采用的血糖檢測(cè)方式有兩種[2]:生化分析儀檢測(cè)靜脈血漿血液和血糖儀指尖血或手臂采血檢測(cè)。生化分析儀可以獲得精確的血糖值,但是由于測(cè)量過程緩慢,操作復(fù)雜,目前,僅適應(yīng)于醫(yī)院；血糖儀測(cè)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(fēng)險(xiǎn),以上兩種方法對(duì)人體均有創(chuàng)傷,并且不能實(shí)現(xiàn)血糖的連續(xù)監(jiān)測(cè),可能會(huì)遺漏血糖變化的峰值,不利于藥物的使用[2]。為了減小對(duì)患者的創(chuàng)傷及實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的連續(xù)監(jiān)測(cè),研究者們把目光轉(zhuǎn)向了微創(chuàng)和無創(chuàng)動(dòng)態(tài)血糖檢測(cè)技術(shù),雖然挑戰(zhàn)頗多,但還是取得了一定的研究成果。

1 生化分析儀檢測(cè)血糖

生化分析儀是當(dāng)前測(cè)血糖最準(zhǔn)的儀器,醫(yī)院里都是用生化分析儀檢測(cè)血糖并且作為醫(yī)生診斷糖尿病的依據(jù)。目前,國(guó)內(nèi)比較受歡迎的品牌有邁瑞、迪瑞、科華等,國(guó)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(cè)血糖的原理是采用了光譜技術(shù)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(cè)血糖,分別是葡萄糖氧化酶終點(diǎn)法和己糖激酶終點(diǎn)法。這兩種方法的共同點(diǎn)是利用了樣品在試劑中,與試劑中特定的物質(zhì)反應(yīng),所得的終產(chǎn)物改變了吸收光譜,從而測(cè)得血液中的葡萄糖濃度。

2 血糖儀檢測(cè)血糖

雖然生化分析儀測(cè)量血糖準(zhǔn)確度高,但是操作復(fù)雜,耗時(shí)長(zhǎng),不利于患者的使用。因此研究人員研究出了一種快速測(cè)血糖的儀器——血糖儀。血糖儀體積輕巧,測(cè)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(guó)外品牌有羅氏、強(qiáng)生和拜耳等,國(guó)內(nèi)品牌有三諾等。

當(dāng)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(xué)比色法和電極法兩種反應(yīng)機(jī)制,化學(xué)比色法已經(jīng)基本被市場(chǎng)淘汰,目前大部分都是采用電極法測(cè)量。電極法是測(cè)量血液中的葡萄糖與試紙中的酶發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的電流來測(cè)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(cè)血糖。

3 無創(chuàng)及微創(chuàng)連續(xù)血糖檢測(cè)技術(shù)

3.1 電化學(xué)技術(shù)檢測(cè)血糖

隨著大量的葡萄糖傳感器被研究出來,新的血糖檢測(cè)方式也層出不窮,目前應(yīng)用最廣泛的,也是最傳統(tǒng)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(gè)新的概念被提出的[3]。隨著人們對(duì)葡萄糖氧化酶電極相關(guān)技術(shù)研究的努力,電極材料、酶的固化方式和電極的空間構(gòu)造等方面,有了更深入的研究,研究者相繼開發(fā)出敏感特性更高、抗干擾能力更強(qiáng)的新型酶電極葡萄糖檢測(cè)設(shè)備,葡萄糖氧化酶電極也被應(yīng)用于連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4～9]中 ,連續(xù)血糖檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)可以提供動(dòng)態(tài)、連續(xù)、實(shí)時(shí)的血糖濃度和變化率,并能預(yù)測(cè)血糖濃度的變化方向,通常被應(yīng)用于患有I型糖尿病的患者來檢測(cè)血糖變化,并預(yù)防高血糖和低血糖的發(fā)生[10]。 基于葡萄糖氧化酶的連續(xù)血糖檢測(cè)系統(tǒng)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(yīng),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(yīng),生成葡萄糖酸和過氧化氫,然后給予一個(gè)基底電流使得過氧化氫解離,根據(jù)測(cè)量得到的電荷數(shù)就可以計(jì)算出葡萄糖的濃度[11～13]。

主要的產(chǎn)品有Dexcom G5和Abbott公司的Freestyle Liber,這兩個(gè)產(chǎn)品在2016年經(jīng)過了FDA認(rèn)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(jìn)入人體的皮下組織后,通過半透膜過濾使得組織液內(nèi)的葡萄糖,與電極上攜帶的葡萄糖氧化酶反應(yīng)產(chǎn)生葡萄糖酸和雙氧水,雙氧水分解生成與葡萄糖相應(yīng)的電子2e-,電信號(hào)通過Pt電極傳輸?shù)絺鞲衅鞯挠涗浽小Ｔ偻ㄟ^一定相關(guān)還原即可通過組織液內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)來得出血液中的血糖值。

連續(xù)血糖檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)了“仿生胰腺”系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括:檢測(cè)、分析、藥物注射三個(gè)部分[14]。是利用傳感器檢測(cè)血糖濃度,每隔一段時(shí)間記錄一次,并將所得信息傳到分析部分,根據(jù)相應(yīng)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(fā)生。典型應(yīng)用是Medtronic公司生產(chǎn)的MiniMed670G,全球第一個(gè)有助患者持續(xù)監(jiān)控血糖,并視需要自動(dòng)導(dǎo)入胰島素的“人工胰腺”,通過了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)的上市核準(zhǔn)。

侵入式的連續(xù)血糖檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過檢測(cè)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(dǎo)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(duì)傳感器的精確度產(chǎn)生影響[14]。其次,傳感器的成本昂貴,對(duì)于大部分人來說,經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)太重。另外,傳感器植入時(shí)和置換時(shí)會(huì)對(duì)病人帶來疼痛,長(zhǎng)期佩戴可能會(huì)有感染的風(fēng)險(xiǎn)[1]。傳感器的耐受性差,經(jīng)常需要校準(zhǔn)與更換也是其一大缺點(diǎn),各種缺點(diǎn)影響了連續(xù)血糖檢測(cè)系統(tǒng)大規(guī)模使用。

為了減輕半植入式傳感器植入人體時(shí)和更換時(shí)給病人帶來的痛苦,研究者們努力的尋求微創(chuàng)或無創(chuàng)的方式來檢測(cè)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(cè)其中的血糖,當(dāng)微電流通過人體皮膚時(shí),組織液里的離子會(huì)向與電流流向相反的方向運(yùn)動(dòng),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(yīng)測(cè)得葡萄糖濃度。典型的應(yīng)用是Cygnus醫(yī)療儀表公司開發(fā)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(huán)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(cè)該反應(yīng)產(chǎn)生的氧化還原電流的大小來計(jì)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(tái)非侵入性的、經(jīng)皮的、路徑選擇的特定葡萄糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如圖1所示。這個(gè)系統(tǒng)通過像素陣列,可以檢測(cè)校準(zhǔn)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(shí),組織液中潛在的離子干擾,保證葡萄糖檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖1 基于石墨烯平臺(tái)的葡萄糖檢測(cè)系統(tǒng)[17]

2010年,Gough D團(tuán)隊(duì)提出了一種完全植入型葡萄糖傳感器,通過應(yīng)用葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶檢測(cè)氧氣濃度變化來反映出葡萄糖濃度變化的,連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)1年以上[18],從而可以減少傳感器經(jīng)常更換給患者帶來的痛苦。

2018年,Sharma S團(tuán)隊(duì)提出了一種微創(chuàng)的基于固體微針陣列[10],如圖2所示。的連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并經(jīng)過了人體活體實(shí)驗(yàn)。這種固體微針陣列是以聚碳酸酯為材料構(gòu)成,分為4個(gè)獨(dú)立的微針陣列。與傳統(tǒng)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(jīng)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(nèi)的葡萄糖,從而測(cè)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(cè)量更為準(zhǔn)確。固體微針陣列還設(shè)有偏置電壓,從而減少其他物質(zhì)反應(yīng)的干擾。固體微針陣列固定方式簡(jiǎn)單僅需手壓即可,減小患者痛苦與創(chuàng)傷。且固體微針陣列成本低,還可以置于手表背面,實(shí)驗(yàn)證明固體微針陣列臨床表現(xiàn)好,是一種非常新奇且實(shí)用的微針設(shè)計(jì)。

圖2 固體微針陣列及放大掃描圖[21]

無創(chuàng)技術(shù)在電化學(xué)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)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(gòu)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(jīng)在實(shí)驗(yàn)室制造出這種設(shè)備,可以有效地測(cè)量血糖[1]。電化學(xué)無創(chuàng)技術(shù)面臨生理干擾,測(cè)量方法復(fù)雜,準(zhǔn)確性低等不可避免的難題,無創(chuàng)技術(shù)發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

3.2 光學(xué)技術(shù)測(cè)量血糖

光學(xué)法測(cè)量血糖一直以來是學(xué)者們研究的熱門,利用光學(xué)技術(shù)測(cè)血糖,可以在更大動(dòng)態(tài)內(nèi)實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的測(cè)量[1]。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)或無創(chuàng)檢測(cè)提供了更為廣闊的研究空間,光學(xué)測(cè)量具有高靈敏度、高選擇性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等突出特點(diǎn)[22],克服了很多電化學(xué)技術(shù)的難題。

目前光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在無創(chuàng)血糖檢測(cè)中應(yīng)用比較多,2016年Segman Y等人[23～26]提出了一種利用光學(xué)血流動(dòng)力學(xué)來無創(chuàng)檢測(cè)血糖的技術(shù),并于2018年利用此技術(shù)研究出了一種新型血糖測(cè)量?jī)x器。這種新型血糖測(cè)量?jī)x器,如圖3所示。主要有兩部分組成:主體和校準(zhǔn)器,主體由4個(gè)單色光源,光譜范圍是從可見光到近紅外光(600～1 000 nm),一個(gè)彩色圖像傳感器和一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成。主要原理是基于彩色圖像傳感器的血糖檢測(cè),4個(gè)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(duì)連續(xù)光譜敏感性強(qiáng),對(duì)不同顏色的光線吸收效率不同,通過處理器的復(fù)雜的算法處理,可以得到血糖濃度。

圖3 新型血糖測(cè)量?jī)x器(左)示意圖(右)[25]

紅外技術(shù)在無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用也比較多。如日本NEC公司生產(chǎn)的健糖寶。該技術(shù)采用近紅外光譜法測(cè)量,使用時(shí)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(shè)備,如圖4所示。

圖4 多模光譜集成電路構(gòu)成[29]

使用LED和光電二極管設(shè)計(jì)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(shù)來實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖檢測(cè)。其中多模光譜集成電路由兩個(gè)獨(dú)立的葡萄糖預(yù)估電路組成:阻抗光譜(impedance spectral,IMPS)電路和多波長(zhǎng)近紅外光譜(multi-wavelength near infrared spectroscopy,mNIRS)電路,這兩個(gè)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(xué)散射特性,兩種電路所采集數(shù)據(jù)被綜合處理和分析后得出結(jié)果,從而提高了血糖監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。這種設(shè)備還可以及時(shí)更新病人體內(nèi)血糖信息并實(shí)現(xiàn)藥物注射。2017年美國(guó)科學(xué)家Dhawn A等人[29],提出了一種基于近紅外光成像的無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)和與之配套的設(shè)備,這種技術(shù)通過測(cè)量吸收波長(zhǎng),與脈搏血氧信息相結(jié)合,并采用卷積函數(shù)校準(zhǔn)與相應(yīng)的優(yōu)化算法來得到血糖值。

圖5 IMPS(a)和mNIRS(b)原理[29]

圖6 可調(diào)量子級(jí)聯(lián)激光裝置[31]

光學(xué)技術(shù)檢測(cè)血糖的研究主要采用偏振測(cè)定,拉曼光譜技術(shù),等離子表面共振現(xiàn)象,熒光能量共振轉(zhuǎn)移,單壁碳納米管熒光特性相結(jié)合的傳感器,熒光水凝膠技術(shù),有機(jī)高分子材料與熒光特性相結(jié)合等技術(shù)[1]。

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

4 問題和挑戰(zhàn)

目前,生化分析測(cè)量血糖是精確度最高的檢測(cè)方式,但由于操作流程復(fù)雜,且耗時(shí)長(zhǎng)而只是用于臨床診斷與設(shè)備校準(zhǔn)。血糖儀靈巧便捷,且節(jié)約時(shí)間,被廣泛用于家庭自測(cè),但由于血糖儀測(cè)量血糖只是單點(diǎn)式測(cè)量,容易遺漏血糖變化的峰值,不利于患者的自我監(jiān)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(fēng)險(xiǎn)。為了獲得更為詳盡的血糖變化信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),便于醫(yī)生對(duì)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(xù)血糖檢測(cè)系統(tǒng),連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要面臨以下問題和挑戰(zhàn)：1)精確度:不管是目前已經(jīng)廣泛使用的電化學(xué)傳感器、光學(xué)檢測(cè)技術(shù)還是其他各種檢測(cè)技術(shù)都面臨著精確度不夠的問題,檢測(cè)信號(hào)弱、檢測(cè)參數(shù)多、信號(hào)漂移、信噪比低等問題影響了血糖的準(zhǔn)確測(cè)量；2)成本:連續(xù)血糖檢測(cè)系統(tǒng)與血糖儀相比價(jià)格昂貴,且傳感器等耗材的更換也會(huì)增加使用成本,這是制約連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的血糖監(jiān)測(cè)；4)心理壓力:高頻率的校準(zhǔn)和檢測(cè)器的更換,給患者帶來了心理壓力和被感染的風(fēng)險(xiǎn)。另外,使用者的操作,醫(yī)生和患者對(duì)新事物的抗拒性[33]等也會(huì)制約連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用。

5 結(jié)束語

隨著研究的深入,多種微創(chuàng)和無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn),納米工程與傳感器相結(jié)合,各種新材料的研究,“人工胰腺”的出現(xiàn),給糖尿病檢測(cè)與護(hù)理帶來了新思路,對(duì)提高血糖測(cè)量的準(zhǔn)確性與實(shí)用性有相當(dāng)大的幫助。血糖檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展,多種檢測(cè)技術(shù)相融合已經(jīng)成為一種趨勢(shì),這必將為糖尿病的護(hù)理和治療帶來新的突破。