微創(chuàng)及無創(chuàng)血糖檢測方法研究現(xiàn)狀綜述

糖尿病作為一種進(jìn)展性疾病，目前在臨床中尚無可以治愈糖尿病的方法，現(xiàn)有治療手段大多采用服用藥物或注射胰島素方式進(jìn)行控制和緩解。血糖檢測作為糖尿病綜合管理的重要環(huán)節(jié)，在糖尿病診斷、糖尿病控制以及糖尿病治療方面發(fā)揮重要作用。盡管有創(chuàng)檢測方法已廣泛應(yīng)用于臨床糖尿病患者，但該種方法依從性較差、每次檢測更換耗材費(fèi)用較高、檢測的穩(wěn)定性差，不便于實(shí)現(xiàn)頻繁和連續(xù)性的檢測。

傳感器技術(shù)的革命使糖尿病有創(chuàng)檢測向微創(chuàng)檢測發(fā)展成為了可能，近年來在傳統(tǒng)有創(chuàng)血糖檢測方法基礎(chǔ)上衍生出多種微創(chuàng)血糖檢測方法，雖然這類方法具有低采血量、傷口小、高準(zhǔn)確率的優(yōu)勢，但仍存在生物相容性差、成本高、易受干擾等問題。為解決有創(chuàng)及微創(chuàng)血糖檢測存在的問題，開發(fā)出一種無創(chuàng)傷性非侵入式的血糖檢測方法成為國內(nèi)外眾多科學(xué)家與醫(yī)療器械企業(yè)的研究目標(biāo)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，天津大學(xué)的研究人員在《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》發(fā)表題為“微創(chuàng)及無創(chuàng)血糖檢測方法研究現(xiàn)狀”的綜述性文章，圍繞微創(chuàng)及無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)進(jìn)行了論述，重點(diǎn)分析歸納了各種檢測方法目前存在的問題并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

比色檢測法

比色檢測是通過離心分離、電泳、沉淀或膜技術(shù)將血液中的組成成分分離，提取分離成分中的葡萄糖，并加入用于葡萄糖檢測的比色分析酶和生色劑（葡萄糖氧化酶、辣根過氧化物酶和二氨基聯(lián)苯胺等物質(zhì)）使葡萄糖分解，通過顯色結(jié)果實(shí)現(xiàn)血糖濃度的定量分析。

Dai等將血液中的葡萄糖分解為葡萄糖酸和過氧化氫，并使其顯色，經(jīng)過圖像處理軟件反轉(zhuǎn)為黑白圖像后，對圖像灰度值識別發(fā)現(xiàn)顯色效果與血糖值之間存在相關(guān)性。該種方法的測量結(jié)果與基于電化學(xué)方法的傳統(tǒng)血糖儀相比，誤差范圍在9%以內(nèi)。

基于凝膠的血糖比色檢測裝置

熒光檢測法

熒光檢測法是在人體腹部或上臂皮下植入含有對血糖特異敏感的熒光分子的聚合物微粒，通過熒光偶聯(lián)葡萄糖傳感器實(shí)現(xiàn)對葡萄糖分子的可逆識別，無需酶或試劑的催化。通過對熒光強(qiáng)度的檢測結(jié)果進(jìn)行血糖濃度的數(shù)值轉(zhuǎn)化，檢測者可以通過外接數(shù)值顯示器獲取檢測結(jié)果，完成血糖檢測。

然而，盡管熒光葡萄糖生物傳感器無需手術(shù)便可植入，其微創(chuàng)性與便捷性為糖尿病患者所接受，但植入后傳感器周圍的細(xì)胞或蛋白質(zhì)污染以及纖維囊的形成會導(dǎo)致傳感器精度下降，最終造成傳感器在體內(nèi)失效。因此，微小型生物傳感器的生物相容性的提升成為植入傳感器發(fā)展中的一個重要目標(biāo)。

旋光法

由于葡萄糖是一種光學(xué)活性物質(zhì)，當(dāng)偏振光束照射到含有葡萄糖的溶液時，溶液中的葡萄糖會引起入射光的偏振面發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)使得偏振方向與原始入射方向形成一個偏轉(zhuǎn)角，而偏轉(zhuǎn)角的大小與溶液中葡萄糖含量成正比，這使運(yùn)用葡萄糖的旋光性檢測血糖成為可能。為避免葡萄糖在皮膚和組織中的高度光散射，故將房水作為偏振光旋光法的主要檢測對象，然而該種方法在檢測時容易受到眼球移動及房水中其他介質(zhì)的干擾，導(dǎo)致檢測結(jié)果存在誤差。

光學(xué)相干斷層成像法（OCT）

光學(xué)相干斷層成像法（OCT）是基于低相干干涉的深度定向?qū)游龀上窦夹g(shù)，通過識別血液中不同葡萄糖濃度在不同真皮組織中散射系數(shù)的變化，建立血糖濃度與OCT信號斜率之間的線性關(guān)系，完成血糖濃度的定量分析。OCT一般選擇皮膚較薄的部位完成檢測，具有靈敏度和成像分辨率高（微米量級）的特點(diǎn)，可以獲取高分辨率的人體組織結(jié)構(gòu)圖像。然而OCT檢測組織液葡萄糖濃度與靜脈血糖濃度的延遲時間受到皮膚深度影響，皮下區(qū)域越深，延遲時間越長，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性得不到保證。

OCT檢測血糖的計(jì)算模型的通用性和可重復(fù)性成為制約該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。Weatherbee等基于光纖的光譜域OCT系統(tǒng)開發(fā)了OCT動態(tài)光散射模型，檢測了各種葡萄糖濃度、流速和流動角度，通過對布朗運(yùn)動引起的隨機(jī)多普勒位移和由于流動導(dǎo)致的探測器上的動態(tài)散斑圖案進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對功率頻譜的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化。盡管該模型擺脫了OCT對血糖濃度檢測的局限性，但該模型的可行性較低。

基于光學(xué)相干斷層成像法的血糖檢測裝置

近紅外光譜法

由于血液中葡萄糖分子振動和分子內(nèi)部鍵的旋轉(zhuǎn)，增加了血液的近紅外光吸收能力，通過檢測葡萄糖分子中含氫基團(tuán)（O-H和C-H）對近紅外光譜780 nm～2500 nm范圍內(nèi)波長的吸收和散射的變化，完成血糖的定量分析。近紅外光譜法一般選擇皮膚較薄的部位檢測，但是人體的個體差異、生物組織成分的背景干擾會影響檢測的準(zhǔn)確性。為避免背景干擾，國內(nèi)外科學(xué)家圍繞數(shù)據(jù)去噪、選擇和特征提取等方面進(jìn)行改進(jìn)，取得了諸多突破性進(jìn)展。Wu等提出在溫度干擾下的近紅外光譜的修正方法，證實(shí)了基于溫度不敏感徑向距離的檢測方法可以有效降低溫度變化對血糖檢測準(zhǔn)確性的影響。

近紅外血糖檢測裝置及檢測原理示意圖

拉曼光譜法

拉曼光譜法檢測血糖是通過使用從可見光到中紅外光的單色光源，利用單色光源的光波與組織樣品間的相互作用，引起組織內(nèi)葡萄糖分子旋轉(zhuǎn)和振動，由于葡萄糖分子之間的振動與葡萄糖的分子濃度密切相關(guān)，這使得血糖濃度的量化成為可能。目前拉曼光譜法主要根據(jù)糖化血紅蛋白與血糖濃度之間的線性關(guān)系，完成血糖的檢測。拉曼光譜法的主要局限是葡萄糖的信號非常微弱，并且蛋白質(zhì)分子會在檢測過程中產(chǎn)生很大的干擾。

構(gòu)建糖化血紅蛋白與血糖濃度之間的模型，成為排除蛋白質(zhì)分子的干擾，提高葡萄糖濃度檢測準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。Shih等證明了偏最小二乘法回歸的回歸向量與葡萄糖溶液的已知拉曼光譜之間的相似性（R > 0.93），并對實(shí)驗(yàn)動物狗進(jìn)行血糖檢測實(shí)驗(yàn)。

基于拉曼光譜法的血糖檢測裝置示意圖

綜上所述，近年來國內(nèi)外對微創(chuàng)和無創(chuàng)血糖檢測的方法已開展了諸多研究，多種新型的微創(chuàng)及無創(chuàng)血糖檢測方法避免了傳統(tǒng)有創(chuàng)血糖檢測需要重復(fù)指尖采血帶來的創(chuàng)傷和交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，使血糖長期連續(xù)監(jiān)測和智能閉環(huán)治療成為可能，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。然而，歸納到目前為止存在的微創(chuàng)和無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)，尚存在以下問題：

（1）微創(chuàng)及無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)中使用的葡萄糖傳感器存在靈敏度低、需要定期校準(zhǔn)、檢測結(jié)果延遲以及組織損傷等問題。盡管采用多種新型納米電極使得傳感器的特異性和靈敏度有所提高，但仍面臨生產(chǎn)成本高、無法批量生產(chǎn)、價(jià)格昂貴的難題。

（2）光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測方法雖然消除了檢測材料與血液或皮膚直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)，但光學(xué)方法是通過各種光波對體內(nèi)葡萄糖濃度的特定反應(yīng)間接估計(jì)血糖水平，測定的血糖值與實(shí)際血糖值存在偏差，且線性范圍窄，需要后續(xù)的算法校正。此外不同檢測對象的個體差異如膚色、皮膚厚度和基礎(chǔ)代謝率的差異會導(dǎo)致葡萄糖濃度存在非線性差異，目前基于臨床試驗(yàn)樣本的擬合方法不能完全適用于所有個體，缺乏大量樣本人群的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)對方法進(jìn)行優(yōu)化。

總結(jié)以上研究的不足，展望未來微創(chuàng)和無創(chuàng)血糖檢測的研究前景，作者認(rèn)為可從以下方向展開深入研究：（1）克服不同生理信號間的干擾，實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的精準(zhǔn)檢測；（2）結(jié)合更多的物理參數(shù)（如pH、溫度）和其他與血糖相關(guān)的生物標(biāo)志物，以糾正檢測結(jié)果。通過完善以上方面的研究，未來有望找到并設(shè)計(jì)出高精準(zhǔn)性、高生物相容性和高安全性的實(shí)時動態(tài)檢測血糖濃度的方案。

審核編輯：劉清