基于唾液葡萄糖传感器的无创血糖监测
2024-08-02 22:44:39 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文深入研究了检测唾液中的葡萄糖可能采用的传感策略，根据检测原理对所描述的葡萄糖传感器进行了分类，并总结了这些葡萄糖传感器具备的共同特征和局限性。最后，作者展望了该领域的未来发展方向、机遇和挑战。
糖尿病是一种由胰岛素分泌不足或细胞对胰岛素的反应受损引起的，以血液中葡萄糖浓度升高为典型特征的慢性疾病。据国际糖尿病联合会估计，目前，全世界已有超五亿人罹患糖尿病，患病人数约占全球成年（20-79岁）人口的10.5%，其中有近一半的患者对自己的病情缺乏了解。此外，预计到2050年，全球糖尿病患病人数将增长到13亿以上。早期诊断和持续血糖监测对于向患者提供实时数据和预防糖尿病相关的慢性并发症（如心脏病和肾衰竭）至关重要。
目前，可以居家进行血糖检测的方法主要包括基于指尖采血的血糖检测和基于可穿戴传感器贴片的连续血糖监测。然而，这些方法仍然存在一定的局限性，例如可能引起患者的不适和疼痛，并且具有引发感染的风险。
因此，近几十年来，围绕血糖即时检测（POCT），相关人员开展了大量的研究工作，并着重研究了利用尿液、眼泪和唾液等可以通过非侵入性方法采集的体液实现血糖POCT的方法。这些创新方法旨在彻底改变血糖监测，使其具有无痛、患者友好、经济便捷的特点，从而推进其商业化进程。在这些体液中，唾液一直是许多研究的重点关注对象，因为它具有高度的可及性、非侵入性和相对简单的采集方法。此外，相关研究表明，唾液中的葡萄糖水平与血液中的葡萄糖水平具有一定的相关性——尽管这仍存在争议。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自澳大利亚悉尼大学（The University of Sydney）等机构的研究人员在Advanced Sensor Research期刊上发表题为“Glucose Sensing in Saliva”的综述性论文，简要介绍了葡萄糖的代谢过程，讨论了其在各种体液中的浓度范围和作用，然后深入研究了检测唾液中的葡萄糖可能采用的传感策略。在该综述中，作者根据检测原理对所描述的葡萄糖传感器进行了分类，并总结了这些葡萄糖传感器具备的共同特征和局限性。最后，作者展望了该领域的未来发展方向、机遇和挑战。
唾液葡萄糖传感器
唾液中含有许多可用于健康监测的生物标志物，包括乳酸、尿酸和胆固醇等。然而，由于唾液的化学成分复杂，而且与血液相比，目标生物标志物的浓度通常较低，因此在使用唾液开发POCT装置时必须将这些限制因素纳入考虑范围。唾液的主要成分是水，但也含有电解质（例如Na⁺、K⁺、Cl⁻、Ca²⁺等）、粘液、酶（例如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等）、抗体、蛋白质、多肽、DNA、RNA、代谢物（例如多巴胺、脂肪酸、血清素等）和炎症生物标志物（例如细胞因子和趋化因子）。如此丰富的物质成分可能会通过钝化电极和/或成为电活性干扰物的方式对检测产生干扰。因此，通常会对唾液样本进行处理或使用膜材料来获得更纯净的信号。如果将这些问题都考虑到位，检测唾液中的葡萄糖并非难事，因为其最低浓度为微摩尔量级。
目前，研究人员设计的用于唾液葡萄糖检测的传感器多数基于电化学原理。如图1所示，这些电化学传感器大多是电流型，可分为酶促电化学传感器和非酶促电化学传感器两种。此外，基于其它原理的生物传感器也可以用于检测唾液中的葡萄糖，因此也是值得探索的方向。
图1 酶促和非酶促电化学葡萄糖传感器的工作原理
唾液葡萄糖传感器和传感装置设计
人类每天平均分泌0.5 ~ 1.5 L唾液，其中大部分是在进食时分泌的。因此，唾液分泌率约为0.3 ~ 0.4 ml/min。因此，合理的唾液采样方法以及尽量减少所需的样本量是成功开发POCT装置的关键因素。
传感器和传感装置的良好设计是最大限度减少所需样本量的基础。目前，已有研究将传感器整合到日常用品中。例如，Chen等人将一个三电极系统整合到电动牙刷中，将所需样本量降至30 µL。García-Carmona等人在奶嘴中整合了第一代酶促葡萄糖传感器。将传感器整合到可以在口腔中自然放置较长时间的物品中，可以绕过采样量的问题，尽管一些成年患者可能不愿意使用这种装置。此外，一些研究利用微流控装置来减少分析所需的样本量。微流控装置可以大大减少试剂和分析物的使用量，同时还可以提高通量和时间效率。Vinoth等人开发了一种用于检测唾液中代谢物的多路复用微流控装置，并成功地对人类唾液中的葡萄糖进行了选择性检测。
图2 唾液葡萄糖传感装置和微流控平台
商用的唾液葡萄糖传感器和相关专利
目前，相关研究机构和人员已经申请了许多与葡萄糖传感有关的专利，特别是用于连续血糖监测的专利。据统计，从2000年到2022年，此类专利的申请量达6000多项，其中，70%以上的专利申请集中于监测血液或组织间质液（ISF）中葡萄糖的有创和微创方法。尽管这些技术得到了广泛应用，但正如本综述所强调的，它们也有许多局限性，包括引起病人不适、需要校准以及具有感染风险。
当前，创新性无创血糖POCT解决方案的开发得到了快速发展，从2000年到2022年，提出的相关研究方案的数量增长了四倍。一些方案通过从唾液或呼出气体中收集样本，并测量这些生物流体中的葡萄糖水平，从而预测人体血糖水平。不过，这些技术还处于早期阶段，尚未获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于商业用途。
Dongwoon Anatech和iQ Global Group等公司已开发了基于唾液的葡萄糖检测装置。Dongwoon Anatech公司开发的名为“D-SaLife”的葡萄糖传感装置（图2F）由一个数字仪表和一个修饰有金（Au）和葡萄糖氧化酶（GOx）的纸质电极组成。在该设计中，患者使用装有吸水垫的注射器直接从口中收集唾液，然后将一滴（约5 µL）唾液滴在插入血糖仪的电极上。同样，由iQ Global Group开发的名为“iQ Biozoom”的葡萄糖传感装置也是利用吸水条收集患者的唾液，然后将其插入装有电子元件的数字仪表中。
唾液葡萄糖传感器的性能
图3展示了本综述中分析的专门用于唾液葡萄糖检测的现有传感器的性能，以便进行比较分析。唾液葡萄糖传感器可以分为酶促和非酶促两种，其线性检测范围用不同的横向条带表示。此外，健康人（绿色竖向条带）和糖尿病患者（红色竖向条带）唾液中的葡萄糖浓度使用不同颜色的竖向条带突出显示。图3显示了近期的研究趋势，即研究工作主要集中在非酶促葡萄糖传感器上，而不是酶促葡萄糖传感器上。不过，如图3所示，酶促传感器和非酶促传感器的性能差别不大，尽管这在很大程度上取决于材料和设计。
图3 本综述中提到的唾液葡萄糖传感器的线性检测范围
结论与展望
综上所述，唾液有望成为一种用于无创血糖监测的体液。然而，与基于血液或组织间质液（ISF）的无创血糖检测方法相比，基于唾液的检测方法也面临着一些挑战，例如唾液样本量有限、成分复杂、所含生物标志物浓度较低等。因此，未来的研究应优先开发一种可以整合到便携式设备中的葡萄糖传感器，从而可以在不影响检测范围的前提下最大限度地减少所需样本量。此外，使用未经处理的人体唾液评估所开发的葡萄糖传感器的检测性能至关重要，而膜材料可能在提高选择性和确保高灵敏度方面发挥关键的作用。总而言之，在具体的开发工作中，需要权衡当前的技术能力和目标灵敏度水平，从而使开发的血糖监测装置更接近实际应用需求，并具有良好的商业可行性。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adsr.202400065
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