连续血糖检测技术研究进展*

方旭超, 张培茗, 饶 兰, 严鑫能

(1.上海理工大学 医疗器械与食品学院,上海 200093；2.上海健康医学院 医疗器械学院,上海 201318； 3.上海穿戴式医疗技术与器械工程研究中心,上海 201318；4.凯联医疗科技(上海)有限公司,上海 201203)

0 引 言

自从1920年胰岛素被发现以来,采用药物治疗和护理相结合的方式控制血糖,一直是糖尿病主流的治疗方法,由于降糖药物的使用量必须合理控制,过高或过低都会对人体带来严重的伤害,因此血糖监测成为了糖尿病护理的最重要组成部分[1]。

现如今国际上广泛采用的血糖检测方式有两种[2]:生化分析仪检测静脉血浆血液和血糖仪指尖血或手臂采血检测。生化分析仪可以获得精确的血糖值,但是由于测量过程缓慢,操作复杂,目前,仅适应于医院；血糖仪测量每天需要多次采血取样,给患者带来了心理压力和感染的风险,以上两种方法对人体均有创伤,并且不能实现血糖的连续监测,可能会遗漏血糖变化的峰值,不利于药物的使用[2]。为了减小对患者的创伤及实现对血糖的连续监测,研究者们把目光转向了微创和无创动态血糖检测技术,虽然挑战颇多,但还是取得了一定的研究成果。

1 生化分析仪检测血糖

生化分析仪是当前测血糖最准的仪器,医院里都是用生化分析仪检测血糖并且作为医生诊断糖尿病的依据。目前,国内比较受欢迎的品牌有迈瑞、迪瑞、科华等,国外比较受欢迎的品牌有贝克曼、日立、东芝和罗氏等。

生化分析仪检测血糖的原理是采用了光谱技术中吸收光谱法,这也是生化分析仪的基本核心。主要有两种办法测血糖,分别是葡萄糖氧化酶终点法和己糖激酶终点法。这两种方法的共同点是利用了样品在试剂中,与试剂中特定的物质反应,所得的终产物改变了吸收光谱,从而测得血液中的葡萄糖浓度。

2 血糖仪检测血糖

虽然生化分析仪测量血糖准确度高,但是操作复杂,耗时长,不利于患者的使用。因此研究人员研究出了一种快速测血糖的仪器——血糖仪。血糖仪体积轻巧,测试速度快捷,便于家庭使用,受到人们的欢迎。 目前比较受欢迎的血糖仪国外品牌有罗氏、强生和拜耳等,国内品牌有三诺等。

当前血糖仪主要通过指尖或者手臂采血,每种品牌的血糖仪都有与之配套的试纸,不能混用。血糖仪主要有化学比色法和电极法两种反应机制,化学比色法已经基本被市场淘汰,目前大部分都是采用电极法测量。电极法是测量血液中的葡萄糖与试纸中的酶发生反应产生的电流来测得血糖浓度。市面上通用的血糖仪大部分都采用葡萄糖氧化酶,葡萄糖脱氢酶和己糖激酶来测血糖。

3 无创及微创连续血糖检测技术

3.1 电化学技术检测血糖

随着大量的葡萄糖传感器被研究出来,新的血糖检测方式也层出不穷,目前应用最广泛的,也是最传统的葡萄糖传感器是葡萄糖氧化酶电极,它是在1962年作为一个新的概念被提出的[3]。随着人们对葡萄糖氧化酶电极相关技术研究的努力,电极材料、酶的固化方式和电极的空间构造等方面,有了更深入的研究,研究者相继开发出敏感特性更高、抗干扰能力更强的新型酶电极葡萄糖检测设备,葡萄糖氧化酶电极也被应用于连续血糖监测系统[4～9]中 ,连续血糖检测技术系统可以提供动态、连续、实时的血糖浓度和变化率,并能预测血糖浓度的变化方向,通常被应用于患有I型糖尿病的患者来检测血糖变化,并预防高血糖和低血糖的发生[10]。 基于葡萄糖氧化酶的连续血糖检测系统是将葡萄糖氧化酶固化在电极上,然后抽取组织液或者在组织液中反应,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应,生成葡萄糖酸和过氧化氢,然后给予一个基底电流使得过氧化氢解离,根据测量得到的电荷数就可以计算出葡萄糖的浓度[11～13]。

主要的产品有Dexcom G5和Abbott公司的Freestyle Liber,这两个产品在2016年经过了FDA认证。 下面以Freestyle Liber为例来讲一下葡萄糖氧化酶电极的工作原理,传感器(sensor)的电极部分进入人体的皮下组织后,通过半透膜过滤使得组织液内的葡萄糖,与电极上携带的葡萄糖氧化酶反应产生葡萄糖酸和双氧水,双氧水分解生成与葡萄糖相应的电子2e-,电信号通过Pt电极传输到传感器的记录元件中。再通过一定相关还原即可通过组织液内电化学反应来得出血液中的血糖值。

连续血糖检测系统可以实时提供患者血糖浓度与变换情况,但患者自我注射的方式仍存在安全隐患,研究者模拟人体胰腺的工作原理设计了“仿生胰腺”系统,系统主要包括:检测、分析、药物注射三个部分[14]。是利用传感器检测血糖浓度,每隔一段时间记录一次,并将所得信息传到分析部分,根据相应的算法分析血糖变化的情况并决定是否注射药物。向人体注射药物来控制血糖,从而防止高血糖或低血糖的发生。典型应用是Medtronic公司生产的MiniMed670G,全球第一个有助患者持续监控血糖,并视需要自动导入胰岛素的“人工胰腺”,通过了美国食品药品监督管理局(FDA)的上市核准。

侵入式的连续血糖检测系统主要是通过检测皮下组织液中的葡萄糖浓度,来反映血糖浓度,需要将传感器导线通过中空的针头植入皮下组织,并将其固定在皮肤上,一般是7～14天换一次。这容易造成生物组织淤积,对传感器的精确度产生影响[14]。其次,传感器的成本昂贵,对于大部分人来说,经济负担太重。另外,传感器植入时和置换时会对病人带来疼痛,长期佩戴可能会有感染的风险[1]。传感器的耐受性差,经常需要校准与更换也是其一大缺点,各种缺点影响了连续血糖检测系统大规模使用。

为了减轻半植入式传感器植入人体时和更换时给病人带来的痛苦,研究者们努力的寻求微创或无创的方式来检测血糖。

2000年Tierney M J等人[15],利用反向离子电流(reverse iontophoresis,RI)法将组织液提取出来检测其中的血糖,当微电流通过人体皮肤时,组织液里的离子会向与电流流向相反的方向运动,从而抽取组织液,组织液里的葡萄糖在葡萄糖氧化酶特异性催化下反应测得葡萄糖浓度。典型的应用是Cygnus医疗仪表公司开发的GlucoWatch[15]。同样基于反向离子电流法,2013年王洪等人[16]用铁氰化钾作为电子媒介体,固定在聚环氧乙烷凝胶里的葡萄糖氧化酶与溶液中的葡萄糖催化氧化生成葡萄糖酸和亚铁氰化钾,通过检测该反应产生的氧化还原电流的大小来计算葡萄糖溶液的浓度。2018年Luca L等人[17]提出了一种基于石墨烯平台非侵入性的、经皮的、路径选择的特定葡萄糖监测系统,如图1所示。这个系统通过像素阵列,可以检测校准通过不同路径提取的葡萄糖浓度,克服了单纯RI法提取葡萄糖时,组织液中潜在的离子干扰,保证葡萄糖检测的准确性。

图1 基于石墨烯平台的葡萄糖检测系统[17]

2010年,Gough D团队提出了一种完全植入型葡萄糖传感器,通过应用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶检测氧气浓度变化来反映出葡萄糖浓度变化的,连续监测时间可以长达1年以上[18],从而可以减少传感器经常更换给患者带来的痛苦。

2018年,Sharma S团队提出了一种微创的基于固体微针阵列[10],如图2所示。的连续葡萄糖监测系统,并经过了人体活体实验。这种固体微针阵列是以聚碳酸酯为材料构成,分为4个独立的微针阵列。与传统植入式电极相比,固体微针阵列植入在真皮层,固体微针阵列经电聚合多酚功能化膜处理[19,20]携带葡萄糖氧化酶,特异性催化真皮层的组织液内的葡萄糖,从而测得氧化电流。真皮层组织液葡萄糖浓度与皮下组织液相比更为接近血糖浓度[10],因此测量更为准确。固体微针阵列还设有偏置电压,从而减少其他物质反应的干扰。固体微针阵列固定方式简单仅需手压即可,减小患者痛苦与创伤。且固体微针阵列成本低,还可以置于手表背面,实验证明固体微针阵列临床表现好,是一种非常新奇且实用的微针设计。

图2 固体微针阵列及放大扫描图[21]

无创技术在电化学的应用主要体现在对血液替代物(眼泪,汗液,唾液等)的研究中[22]。影响较大的是Google公司2014年提出的隐形眼镜的构想,相类似的是Herman G等人2016年提出的隐形眼镜的想法,并且他们已经在实验室制造出这种设备,可以有效地测量血糖[1]。电化学无创技术面临生理干扰,测量方法复杂,准确性低等不可避免的难题,无创技术发展任重而道远。

3.2 光学技术测量血糖

光学法测量血糖一直以来是学者们研究的热门,利用光学技术测血糖,可以在更大动态内实现更为准确的测量[1]。光学检测技术为实现微创或无创检测提供了更为广阔的研究空间,光学测量具有高灵敏度、高选择性、长期稳定性等突出特点[22],克服了很多电化学技术的难题。

目前光学检测技术在无创血糖检测中应用比较多,2016年Segman Y等人[23～26]提出了一种利用光学血流动力学来无创检测血糖的技术,并于2018年利用此技术研究出了一种新型血糖测量仪器。这种新型血糖测量仪器,如图3所示。主要有两部分组成:主体和校准器,主体由4个单色光源,光谱范围是从可见光到近红外光(600～1 000 nm),一个彩色图像传感器和一个数字信号处理器构成。主要原理是基于彩色图像传感器的血糖检测,4个单色光源照射手指,穿过手指后的光线被彩色图像传感器吸收,彩色图像传感器对连续光谱敏感性强,对不同颜色的光线吸收效率不同,通过处理器的复杂的算法处理,可以得到血糖浓度。

图3 新型血糖测量仪器(左)示意图(右)[25]

红外技术在无创血糖检测技术中应用也比较多。如日本NEC公司生产的健糖宝。该技术采用近红外光谱法测量,使用时只需要将传感器贴在手掌处即可得到血糖[27]。2016年,Vanitha M等人[28]提出了一种基于多模光谱集成传感器的传感设备,如图4所示。

图4 多模光谱集成电路构成[29]

使用LED和光电二极管设计了一种传感器贴片,观察人体前臂血液的漫反射光谱,利用了近红外光谱技术来实现无创血糖检测。其中多模光谱集成电路由两个独立的葡萄糖预估电路组成:阻抗光谱(impedance spectral,IMPS)电路和多波长近红外光谱(multi-wavelength near infrared spectroscopy,mNIRS)电路,这两个电路由的工作原理各不相同,如图5所示。IMPS是基于葡萄糖浓度水平间接影响组织的性能变化而mNIRS是基于血糖的光学散射特性,两种电路所采集数据被综合处理和分析后得出结果,从而提高了血糖监测的准确性。这种设备还可以及时更新病人体内血糖信息并实现药物注射。2017年美国科学家Dhawn A等人[29],提出了一种基于近红外光成像的无创血糖检测技术和与之配套的设备,这种技术通过测量吸收波长,与脉搏血氧信息相结合,并采用卷积函数校准与相应的优化算法来得到血糖值。

图5 IMPS(a)和mNIRS(b)原理[29]

图6 可调量子级联激光装置[31]

光学技术检测血糖的研究主要采用偏振测定,拉曼光谱技术,等离子表面共振现象,荧光能量共振转移,单壁碳纳米管荧光特性相结合的传感器,荧光水凝胶技术,有机高分子材料与荧光特性相结合等技术[1]。

除了光学和电化学技术等方法外,其他的技术,如光声检测,能量代谢守恒法[26],热消融法[1]等也为血糖检测技术带来了不同的思路。

4 问题和挑战

目前,生化分析测量血糖是精确度最高的检测方式,但由于操作流程复杂,且耗时长而只是用于临床诊断与设备校准。血糖仪灵巧便捷,且节约时间,被广泛用于家庭自测,但由于血糖仪测量血糖只是单点式测量,容易遗漏血糖变化的峰值,不利于患者的自我监管,而且需要高频率的采集血液给患者造成了心理压力和感染的风险。为了获得更为详尽的血糖变化信息,实现对血糖的实时监测,便于医生对病人病情的判断和病人自我管理,研究者们将目光投向了连续血糖检测系统,连续血糖监测系统主要面临以下问题和挑战：1)精确度:不管是目前已经广泛使用的电化学传感器、光学检测技术还是其他各种检测技术都面临着精确度不够的问题,检测信号弱、检测参数多、信号漂移、信噪比低等问题影响了血糖的准确测量；2)成本:连续血糖检测系统与血糖仪相比价格昂贵,且传感器等耗材的更换也会增加使用成本,这是制约连续血糖监测系统广泛使用的重要原因；3)耐受性:传感器耐受性低,灵敏度退化等因素,不能实现长期的血糖监测；4)心理压力:高频率的校准和检测器的更换,给患者带来了心理压力和被感染的风险。另外,使用者的操作,医生和患者对新事物的抗拒性[33]等也会制约连续血糖监测系统的使用。

5 结束语

随着研究的深入,多种微创和无创检测技术的出现,纳米工程与传感器相结合,各种新材料的研究,“人工胰腺”的出现,给糖尿病检测与护理带来了新思路,对提高血糖测量的准确性与实用性有相当大的帮助。血糖检测技术的创新与发展,多种检测技术相融合已经成为一种趋势,这必将为糖尿病的护理和治疗带来新的突破。