【作 者】付亞成 ，全昌云，劉麗霞，張偉

1 中南大學(xué)湘雅醫(yī)院 臨床藥理研究所，長(zhǎng)沙市，410008

2 可孚醫(yī)療科技股份有限公司，長(zhǎng)沙市，410000

0 引言

目前，糖尿病雖沒(méi)有治愈的方法，但血糖監(jiān)測(cè)與適當(dāng)藥物相結(jié)合可以提高治療效率，減輕癥狀，減少并發(fā)癥[1]。動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（continuous glucose monitoring system,CGMS）

被認(rèn)為是糖尿病治療的最佳候選設(shè)備。CGMS是間接反映血糖變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可用來(lái)探尋食物種類、運(yùn)動(dòng)類型、藥物品種、精神因素、生活方式等因素與患者血糖波動(dòng)之間的關(guān)系，幫助制訂個(gè)體化的干預(yù)措施和治療方案，減少胰島素用藥劑量，將血糖值控制在正常范圍內(nèi)，成為可視化糖尿病教育的工具[2-5]。然而，CGMS技術(shù)大多受到準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期性問(wèn)題的困擾。因此，本研究對(duì)CGMS組成的各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了綜合討論，重點(diǎn)介紹了傳感器技術(shù)、生物相容性等技術(shù)的難點(diǎn)，比對(duì)三大動(dòng)態(tài)血糖儀品牌德康（DexCom）、美敦力（Medtronic）、雅培（Abbott）最新產(chǎn)品系列，旨在為國(guó)內(nèi)CGMS研發(fā)提供一定的理論參考依據(jù)。

1 傳感器技術(shù)

自從將電化學(xué)檢測(cè)方法引到葡萄糖生物傳感器領(lǐng)域后，陸續(xù)有很多企業(yè)利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)連續(xù)監(jiān)測(cè)葡萄糖濃度的生物傳感器。通過(guò)將傳感器植入皮膚，搭載信號(hào)傳輸裝置，形成CGMS，使之成為糖尿病患者常用的監(jiān)測(cè)工具。在過(guò)去幾年內(nèi)，CGMS在監(jiān)測(cè)葡萄糖濃度時(shí)，其生物傳感器可重復(fù)測(cè)量的穩(wěn)定性、可靠性及監(jiān)測(cè)天數(shù)遇到以下4個(gè)方面的挑戰(zhàn)[6]：一是生物傳感器體積小，制造困難。開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)個(gè)植入式生物傳感器，其生產(chǎn)工藝的難度常常被低估，通常這些傳感器寬小于1 mm，長(zhǎng)10～30 mm，其電極本身大小和涂層厚度必須嚴(yán)格控制。二是傳感器的酶電極在數(shù)周內(nèi)應(yīng)可重復(fù)對(duì)葡萄糖產(chǎn)生特定反應(yīng)[7]，因此需要保證酶電極的酶活穩(wěn)定，可重復(fù)利用，對(duì)酶的負(fù)載技術(shù)要求很高。三是如何抑制干擾物質(zhì)的影響。干擾物質(zhì)和血液中的氧氣反應(yīng)，形成的產(chǎn)物會(huì)附著在酶電極的表面，阻礙葡萄糖擴(kuò)散到酶電極表面，影響傳感器的靈敏度，因此，需要開(kāi)發(fā)抗干擾強(qiáng)的傳感器，保證傳感器在連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)有較高的靈敏度。四是傳感器膜層的生物相容性。一方面，傳感器的膜層植入皮膚，必須具備較好的生物相容性，另一方面，膜層需要嚴(yán)格控制大分子擴(kuò)散，最大限度地減少較大蛋白質(zhì)和細(xì)胞在酶電極上堆積，降低蛋白質(zhì)黏附酶電極，提高葡萄糖分子的傳遞速率。

1.1 相關(guān)傳感器及CGMS簡(jiǎn)介

用于連續(xù)監(jiān)測(cè)葡萄糖的商用電化學(xué)生物傳感器是安培型傳感器，即工作電極相比于參比電極而言，工作電極易被極化，通過(guò)測(cè)量工作電極的電流可作為生物傳感器的響應(yīng)信號(hào)[8-9]。傳感器分為三電極傳感器和雙電極傳感器。三電極傳感器由工作電極、對(duì)電極和參比電極組成，雙電極傳感器由工作電極和對(duì)電極組成[10]。三電極傳感器對(duì)參比電極的要求更低，但其代價(jià)是需要穩(wěn)定的恒電位。雙電極傳感器只需要在兩個(gè)電極之間施加穩(wěn)定的電位差，其對(duì)電極能夠維持與工作電極相等的電流，且沒(méi)有明顯的極化現(xiàn)象。

最初的第一代葡萄糖生物傳感器的原理是利用葡萄糖氧化酶與底物反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫再分解成水和氧氣，通過(guò)過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的電流大小來(lái)建立濃度關(guān)系。過(guò)氧化氫在正電極被氧化生成氧氣（氧化法），還可以在負(fù)電極被還原生產(chǎn)水（還原法），這兩種方法都有很多商業(yè)用途，雖然氧化法使用率更高，但是鉑族等貴金屬作為過(guò)氧化氫氧化的有效催化劑也被越來(lái)越多地使用[11-13]。

CGMS的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者是擁有Enlite傳感器的美敦力和擁有G4 Platinum和G6系統(tǒng)的德康[14]，這兩個(gè)廠家的CGMS產(chǎn)品在全球各占有40%以上的市場(chǎng)份額，值得注意的是，這兩家市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者都采用了第一代傳感器技術(shù)[15]。其余廠家，如Menarini GlucoDay目前僅在歐洲銷售，而雅培瞬感動(dòng)態(tài)血糖已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，并做出了極佳的銷售業(yè)績(jī)。

雅培FreeStyle Libre是第一個(gè)不需要每天用手指針刺進(jìn)行校準(zhǔn)的CGM，但需要12 h預(yù)熱期[16-17]。美敦力家用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)血糖儀采用植入皮下的葡萄糖傳感器，每個(gè)傳感器至多可用170 h（約7 d），需要每12 h采指血校準(zhǔn)一次。美敦力在2017年推出了MiniMed 670G。它將美敦力的Guardian動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和美敦力的胰島素泵組合在一個(gè)系統(tǒng)中，每5 min自動(dòng)測(cè)量血糖水平，然后在必要時(shí)自動(dòng)給予胰島素劑量[18-19]。德康新產(chǎn)品G6比雅培的FreeStyle Libre功能更豐富，與FreeStyle Libre一樣，德康醫(yī)療的G6不需要手指針刺校準(zhǔn)，但G6的傳感器將預(yù)熱期縮短至2 h[20]。G6是第一個(gè)獲得FDA批準(zhǔn)的獨(dú)立CGM，也就是說(shuō)它可以和其他胰島素泵制造商的產(chǎn)品自行配對(duì)使用[21]。從表1中，我們可以看到在很多方面，德康G6會(huì)顯示出更多的優(yōu)勢(shì)。但不意味著每個(gè)人都需要G6，因?yàn)椴煌愋偷奶悄虿?duì)控制血糖的要求不一樣，比如2型糖尿病，只需要知道整體血糖趨勢(shì)即可[22]。

表1 雅培、美敦力、德康CGM產(chǎn)品系列對(duì)比Tab.1 CGM product series comparison of Abbott,Medtronic and DexCom

在科技飛速發(fā)展的今天，很多科研人員經(jīng)過(guò)夜以繼日的研究，發(fā)現(xiàn)人體除了血液和組織液外，還有很多其他種類人體分泌液也可檢測(cè)出大量的信息，如淚液、汗液、尿液等，這些信息也同樣可以用于判斷一個(gè)人的生理狀態(tài)?？蒲腥藛T通過(guò)研究汗液中葡萄糖的濃度與血液中葡萄糖濃度之間的關(guān)系后，設(shè)想開(kāi)發(fā)出一種應(yīng)用于皮膚表面的非侵入性監(jiān)測(cè)血糖濃度的設(shè)備，這種產(chǎn)品將具有非常廣闊的前景[23-25]。LEE等[26]研究出了一種基于柔性石墨烯材料的電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái)，在可穿戴的貼片上集成了很多傳感器，這些傳感器可以對(duì)汗液中的葡萄糖、溫度、酸堿度等進(jìn)行檢測(cè)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖濃度的目的。GAO等[27]研制出了一種通用傳感設(shè)備，該設(shè)備可以選擇性地對(duì)汗液中的代謝產(chǎn)物、電解質(zhì)以及皮膚表面的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中，代謝產(chǎn)物主要是葡萄糖和乳酸，電解質(zhì)主要包括鉀鹽和鈉鹽，皮膚溫度主要用于校準(zhǔn)傳感器。

1.2 傳感器布局

傳感器在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中主要有3個(gè)步驟：首先是設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部的布局，德康公司開(kāi)發(fā)的傳感器內(nèi)部主要集成了兩個(gè)電極，分別是工作電極和參比電極，工作電極是為了捕捉電信號(hào)，參比電極是為了穩(wěn)定電極間電位。這樣做的最大優(yōu)勢(shì)是可以縮小傳感器的直徑，但這種結(jié)構(gòu)布局須采用多對(duì)工作電極和參比電極，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且增加了制造難度。然后是設(shè)計(jì)傳感器的平面布局，目前來(lái)說(shuō)相對(duì)成熟的工藝是將工作電極、計(jì)數(shù)器和參比電極全部印刷在柔性基板的同一側(cè)，由于傳感器的寬度需要符合標(biāo)準(zhǔn)，因此在制造過(guò)程中需嚴(yán)格控制公差。最后為了盡可能地縮小傳感器所占用的空間，設(shè)計(jì)人員會(huì)將電極和恒電位器組裝到一起，而不是簡(jiǎn)單地并排設(shè)置。

1.3 傳感器酶膜

在CGMS正式投入使用之前，研發(fā)人員需要在傳感器上的工作電極表面涂覆涂層，這層涂層主要有兩個(gè)作用：一是可以避免電極組分（如葡萄糖氧化酶）浸出到人體周圍組織液中；二是可以降低電極表面葡萄糖的傳質(zhì)速率。CGMS的工作原理是基于安培生物傳感器設(shè)計(jì)，葡萄糖濃度在2～30 mmol/L，具有較佳的電流-濃度線性關(guān)系。為了避免影響傳感器的響應(yīng)速度，傳感器酶負(fù)載不能過(guò)于飽和，葡萄糖通過(guò)涂層表面的傳質(zhì)速率比在水溶液中的傳質(zhì)速率小4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。由于皮下組織中的氧濃度要比葡萄糖濃度低300倍，所以對(duì)于依賴氧的傳感器來(lái)說(shuō)，傳感器正常工作需要大量的氧氣，在選擇酶膜時(shí)，選用氧透過(guò)性膜[28]。CGMS傳感器的敏感性取決于背景校正電流和血糖濃度，為了使傳感器在插入后，這些指標(biāo)能夠盡快恒定下來(lái)，就需要擴(kuò)散屏障層能夠快速濕潤(rùn)并且能夠重復(fù)使用，以保證快速實(shí)現(xiàn)葡萄糖和氧氣擴(kuò)散系數(shù)的恒定。傳感器酶膜除了需要具有選擇透過(guò)性，阻攔很多干擾物質(zhì)之外，還被要求通過(guò)改變本底電流的內(nèi)源性和外源性物質(zhì)使本底電流變化最小，進(jìn)而提高傳感器的靈敏性。此外，在使用過(guò)程中，酶膜對(duì)葡萄糖的靈敏度需要保持穩(wěn)定。酶膜的高生物相容性可以減少異物反應(yīng)，延緩傳感器周圍細(xì)胞屏障和纖維囊的形成，從而減少葡萄糖到傳感表面的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，該薄膜同時(shí)還要求能夠承受在制造過(guò)程和傳感器磨損期間被施加的機(jī)械應(yīng)力，防止裂紋的形成，在測(cè)試過(guò)程中，保證傳感器靈敏度穩(wěn)定。膜與底層傳感器軸之間保持較強(qiáng)的附著力，避免隨著時(shí)間的推移，膜與傳感器分離。最后，聚合物膜的沉積過(guò)程能夠適用大批量生產(chǎn)，其膜層的厚度也需要嚴(yán)格的工藝控制。

1.4 傳感器制造

很多患者傾向于根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特性來(lái)區(qū)分CGMS產(chǎn)品，但是不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與血糖檢測(cè)的靈敏度沒(méi)有直接聯(lián)系[29]。對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，他們主要關(guān)注的是傳感器在佩戴過(guò)程中是否可以做到無(wú)痛和方便、接收單元是否易于管理、血糖值數(shù)據(jù)傳輸是否準(zhǔn)確。CGMS不僅需要便于患者使用，還需要降低成本，從而惠及更多患者。由于這種一次性的傳感器組件對(duì)生物相容性有著特殊要求，所以在材料選擇、制造方法、制造環(huán)境以及制造成本等方面必須統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。這種寬度不足 1 mm，長(zhǎng)度只有幾厘米的組件，除了需要性能高度集成外，還需要在包裝前進(jìn)行組裝和消毒，研發(fā)人員需要考慮利用各種低成本的方法來(lái)制造柔性傳感器。

2 生物相容性

血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（blood glucose monitoring system,BGMS）的測(cè)量裝置和試紙之間有一個(gè)可重復(fù)連接的機(jī)械接口，BGMS一次的測(cè)量時(shí)間通常只需要幾秒鐘，而CGMS是連續(xù)監(jiān)測(cè)的過(guò)程，一般監(jiān)測(cè)時(shí)間為7～14 d，科研人員采用了不同的機(jī)械組合和信號(hào)傳輸方案來(lái)保障患者能夠長(zhǎng)時(shí)間佩戴該產(chǎn)品[30-31]。CGMS的探針和傳感器需要植入皮膚下，所以在使用前需要進(jìn)行無(wú)菌處理，其用于制造探針和傳感器的材料，不僅需要能夠承受住滅菌工序，還要滿足相應(yīng)的生物相容性要求[32]。

如何降低異物反應(yīng)帶來(lái)的不良影響，一直是生物傳感器領(lǐng)域的一大難題，解決這個(gè)難題的關(guān)鍵在于，能否找到合適的植入式血糖傳感器的外膜層，對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，它的外膜具有很多功能，包括降低葡萄糖的傳質(zhì)效率、加快氧的傳質(zhì)速度、改善傳感器與細(xì)胞組織界面的兼容性以及保護(hù)傳感器等。為了解決這一問(wèn)題，我們通常需要在傳感器表面涂覆多層擁有不同功能的膜。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)的基質(zhì)效應(yīng)

一般來(lái)說(shuō)，靜脈血的葡萄糖濃度與組織間液的葡萄糖濃度在大部分時(shí)間內(nèi)存在一定差異，組織間液血糖濃度低于靜脈血漿血糖濃度，但在穩(wěn)定狀態(tài)下，組織間液葡萄糖濃度幾乎與靜脈血漿中的葡萄糖濃度保持一致。血液流動(dòng)會(huì)使人體不同部位的血糖濃度有很大差異。血液流到指尖和手掌的速度大約是血液流到組織間液速度的5～20倍[33]，由于血液流速存在差距，所以當(dāng)血糖濃度快速變化時(shí)，組織間液血糖值滯后于指尖或靜脈血糖值。葡萄糖在組織間液中的傳質(zhì)速度，在很大程度上受到達(dá)該區(qū)域的總血流量影響，而總血流量由毛細(xì)血管的數(shù)量和毛細(xì)血管壁的通透性決定。

4 數(shù)據(jù)處理

傳感器把測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)處理后，根據(jù)電流值計(jì)算葡萄糖的濃度和變化率[34]。由于人體內(nèi)葡萄糖濃度的變化率比較慢，所以葡萄糖濃度的顯示值不需要非常頻繁地更新[35]，通過(guò)測(cè)量收集的數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理，構(gòu)成血糖隨時(shí)間變化曲線圖[36]。

5 數(shù)據(jù)傳輸

CGMS中最關(guān)鍵的部件就是信號(hào)發(fā)射器，通過(guò)本地接收器接收其發(fā)射的信號(hào)，從而形成一個(gè)信息傳輸通道。發(fā)射器對(duì)傳感器產(chǎn)生電流值進(jìn)行預(yù)處理后，以1～5 min的時(shí)間間隔將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到本地接收器[37]，本地接收器將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)公式換算，會(huì)將當(dāng)前的葡萄糖濃度值、變化方向及變化率等參數(shù)在顯示屏幕上顯示[38]。

6 總結(jié)與展望

良好的血糖控制能有效延緩糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生，傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測(cè)在某些固定時(shí)間點(diǎn)采用便攜式血糖儀進(jìn)行指尖血糖監(jiān)測(cè)，只能反映瞬間的血糖情況，而不能反映較完整的血糖變化及波動(dòng)趨勢(shì)[39]。長(zhǎng)期反復(fù)的針扎給糖尿病患者帶來(lái)了嚴(yán)重的精神和肉體折磨，新型的血糖監(jiān)測(cè)手段的需求顯得尤為突出[40]。CGMS作為一款新型的血糖監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)初期就被寄予厚望，是一款真正意義上可以幫助糖尿病人更好地了解自身血糖變化趨勢(shì)的產(chǎn)品。隨著CGMS技術(shù)的不斷發(fā)展，目前市場(chǎng)上銷售的CGMS也比較成熟?？傮w來(lái)看，CGMS與胰島素泵的結(jié)合是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，CGMS與胰島素泵可形成一個(gè)閉環(huán)的人造胰腺系統(tǒng)。全球知名企業(yè)，像強(qiáng)生、美敦力和德康等公司都已經(jīng)將自己的CGMS運(yùn)用到胰島素泵中，建立了一套完整的糖尿病管理系統(tǒng)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們相信會(huì)有越來(lái)越多的中國(guó)企業(yè)參與到CGMS行業(yè)中來(lái)，中國(guó)的CGM市場(chǎng)未來(lái)可期。