不用扎针就能测血糖,中国团队这项研究突破有多大?

摘要

将复杂的检测系统,集成在整体厚度仅3.8微米的类皮肤柔性传感器上,可无创将皮下组织液中的葡萄糖富集到贴敷在皮表的传感器中,进行精准连续测量,这是一个突破性的进步。

糖尿病一直以来威胁着中国人的健康。据世界卫生组织调查显示,截止至 2016 年,目前,中国约有 1.1 亿名糖尿病患者,约占中国成年人总数的 1/10。糖尿病和糖尿病并发症每年导致近 100 万人死亡;其中近 40% 的死亡为过早死亡(在 70 岁以下人口中)。

糖尿病一旦发病便无法彻底治愈。其中,测血糖是其中必不可少的一环。但这对于糖尿病患者来说很痛苦。患者要么刺破手指测血糖,要么在皮肤上插入微型管,并带上监视器,用于连续测量细胞间液体中的葡萄糖。但无论是哪种方式,把针刺在自己身上并不是一件令人愉快的事。

据外媒 gizmodo 报道,来自清华大学的团队在 Science Advances 发表了一篇名为《用于无创血糖监测的电化学双通道类皮肤生物传感系统》的论文,展示了一套新方法,无需刺破手指,只使用一个非常薄的皮肤样贴片,贴近皮肤表面就可以进行测量。它看起来像一个纹身贴纸。

​图 / 团队研发的生物传感器(图片来自 gizmodo )

研究团队进行了一项体内对照试验,他们招募了三名志愿者,其中一名志愿者患有糖尿病。该装置在五天的研究期间,测量血糖水平几乎与标准的临床血液测试一样。同时,没有患者报告任何刺激或不适。

目前市场上还没有 FDA 批准的无创血糖检测仪。该论文的第一作者、清华大学航院、柔性电子技术研究中心博士生陈毅豪向 gizmodo 表示,他们的设备会有所不同,经过适当校准,该系统有望适用于医疗级的持续葡萄糖监测。

无创血糖仪,真的靠谱吗

移动医疗在 2013-2014 年便引爆了资本市场,后来甚至到了「百糖大战」的竞争局面,糖尿病管理中的一环便是血糖监测。无论是在当时还是在今日,在诸多血糖检测技术之中,最受欢迎的仍是无创血糖检测技术。

Google 在 2014 年就在博客上宣布,Google X 实验室正在测试一款面向糖尿病患者的智能隐形眼镜。隐形眼镜采用两层柔软的镜片材料,中间植入无线芯片和微型葡萄糖传感器,镜片可测量泪液中的葡萄糖含量;美国布朗大学科学家也研制出一种生物芯片传感器,利用一系列特定的化学反应,结合电浆子光学干涉法(即用光线来探测目标的化学特征的方法),分析出人类唾液等复杂溶液中的葡萄糖浓度;Integrity Applications 公司的 GlucoTrack 无创血糖仪,通过测量人体代谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度,通过数学函数可以推算出血糖浓度。

但这些项目都没有走入大众生活。事实上,这些项目都还「不太靠谱」。以谷歌眼镜为例,Dexcom 的执行副总裁 Steve Pacelli 在接受外媒专访时表示不看好谷歌隐形眼镜:它只是个科学项目。Dexcom 成立于 1999 年,是全球最大的 CGM 厂商,其产品的精确度也是目前业内的最高水平。

用泪液测量血糖,是一件不太靠谱的事。眼泪中的葡萄糖很难测量;不同的测量方法测眼泪,得到的结果不同;泪糖浓度与血糖浓度之间相关性多大,科学界也没有得出定论。

同理,唾液、代谢产生的热量和血糖是否有相关性,目前的研究仍然没有证明。

人体是复杂的系统,遇到洋葱会流眼泪,运动会出汗,细胞会有新陈代谢,身体会感冒发烧……这些因素是否会影响运用各种「黑科技」技术检测的结果呢?当身体内被植入检测系统,你会不会不舒服?无创血糖检测仪的研发制造难度可见一斑。

技术难在哪

浙江大学生物医学工程博士陈玮,在血糖监测传感器技术领域深耕多年,他向极客公园介绍了持续血糖监测技术的前世今生。

持续葡萄糖监测系统(CGMS)研究起源于科学家们对人工胰脏的追求,这套系统将会使 1 型糖尿病患者受益。1 型糖尿病是一种自身免疫性疾病,机体制造胰岛素的能力丧失。而补充多少胰岛素非常难以确定,会受到饮食运动等诸多因素影响,因此必须要对血糖进行监测。早在 1974 年,A. M. Albisser 博士等人就已经提出了人工胰脏的概念,该系统的设计中便包括了一种基于连续抽血采样的体外血糖监测装置。

随着科技的发展,传感器从体外走向了皮下。到了 1996 年,MiniMed 的血糖传感器走出实验室,进入临床试验,并最终于 1999 年获得 FDA 认证,这象征着第一款 CGMS 产品的问世。随着糖尿病人数的不断增加,CGMS 成为各大医疗器械公司的兵家必争之地。

​图 / MiniMed (来自亚特兰大糖尿病协会 )

同样是在 1999 年,Cygnus 公司发布的 GlucoWatch 通过 FDA 许可。这种血糖仪像普通手表一样戴在手腕上,无需创伤侵入。它透过完整的皮肤测定血糖,提供一种自动而且连续的血糖测定。但皮肤出汗、温度过高或过低、静电干扰、短路等都会影响其测定结果,引起误差,甚至导致仪器关闭。同时,部分患者的局部皮肤出现一定的刺激症状。此外,它测定的结果要略滞后于指血血糖值。最终,GlucoWatch 成为了昙花一现的产品。

​图 / GlucoWatch (来自MPO Magazine)

陈玮博士告诉极客公园,相对于目前较为成熟的皮下植入式 CGMS, 如目前火爆全球的雅培瞬感;CGMS 未来的发展趋势主要分为这样几类技术:1)全植入型,如 Sensornics 的 Eversense;2)微针阵列皮肤贴,如 Sano;3)无创持续监测,像本文介绍的这种类皮肤生物传感器。

无创血糖检测或多或少大都存在干扰因素多、相关性差、生理意义不明确等问题。在实际研发和生产中,还需要更多考虑,这里举出几个代表性的因素:

1)实际应用中,为达到更高的精度,必须考虑组织液血糖值与指血血糖值存在一定的延时,人体在日常活动中产生的传感器—组织界面变化对传感器信号的影响,环境温度带来的仪器系统误差的影响因素;

2)血糖浓度在不同组织区域和不同血液循环部位是有差异的,体液比值 (细胞液、组织液和血浆) 受到一些因素的影响,如活动程度、新陈代谢和药物的影响。从而影响血糖测定;

3)体液中葡萄糖浓度与血液中葡萄糖浓度的相关性。这也是一个值得探讨的问题;

4)还要考虑材料是否对人体造成刺激,是否会因为长期工作而失灵;此外,还要考虑佩戴舒适、安全等诸多因素。

这些因素导致无创血糖监测走向生活是很难的一件事,无论是在理论研究上还是生产研发中。

3.8 微米传感器是巨大突破

这篇论文引起了国内外的广泛关注,IEEE 的旗舰出版物 IEEE Spectrum 认为,这套传感系统和所有通过皮肤组织液,而不是血液中间接测量葡萄糖的动态血糖监测设备一样,传感器的葡萄糖浓度检测能力上有时间滞后。但是这个系统被证明是非常准确的,就像在多个时间点测量指血糖和静脉抽取的血液血糖一样。而且它没有刺激皮肤表面,也没有产生疼痛或炎症,这和其他的非侵入式血糖监测系统不同。

它利用了反离子电渗透技术,通过在皮肤表面施加一个小的恒电流,形成离子流,并利用离子流将皮下组织液中的葡萄糖携带到皮肤的表面,继而通过只有 3.8 微米厚的超薄柔性生物传感器件进行高精度测量。

这个 3.8 微米厚的超薄柔性生物传感器是很大的突破,它的制造需要多学科的结合,里面涉及力学、材料、化学、生物化学、电子以及信息等多个学科。这篇研究论文的通讯作者冯雪教授向媒体表示,多学科深入交叉,密切合作,快速迭代,才能最终形成一个真正能改变人们生活的成熟产业。

研究团队使用这套方法测量的血糖结果,和使用血糖仪或静脉血测量的结果相关性超过 90%,达到了医疗级监测和诊断的标准,有巨大的医疗潜力。

虽然从理论走向实践还有很长的路要走,但这个成果实现了在人体皮肤表面进行无创测血糖,并达到了医疗级别精度,在医学上有很大的意义,为 CGMS 提供了一条新的道路。在未来,它能帮助人们更准确、方便的测量血糖,我们很期待这个产品能够落地。

责任编辑:双筒猎枪

头图来源:视觉中

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