糖尿病

通过利用包括现代分子生物技术在内的方法将实验室研究成果转化为临床应用的产品与技术,同时通过临床的观察与分析帮助实验室更好的认识人体与糖尿病、进行更优化的实验设计来促进基础研究,从而最终实现整体医疗水平的提高、帮助患者解决糖尿病相关的健康问题。

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盘点近期的糖尿病检测技术进展

来源:生物谷 2016-12-04 17:26

2016年12月04日/生物谷BIOON/--糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损,或两者兼有引起。糖尿病时长期存在的高血糖,导致各种组织,特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。为了在检测糖尿病时降低对侵入式取样带来的疼痛感,近期人们开发出多种非侵入式方法来检测血液、汗液或泪液中的葡萄糖浓度。在此,小编进行一番盘点,以飨读者。

1.Anal Chem:利用呼吸分析仪诊断糖尿病有戏!
doi:10.1021/acs.analchem.6b02837

多年来,科学家们一直努力开发能够诊断多种疾病而无需采用令人疼痛的针刺或其他令认感到不愉快的方法的“呼吸分析仪(breathalyzer)”。如今,在一项新的研究中,来自英国牛津大 学和牛津医学诊断公司(Oxford Medical Diagnostics Ltd.)的研究人员开发出一种新的便携式呼吸分析仪,这种呼吸分析仪可能有朝一日协助医生在办公室里开展非侵入式地糖尿病诊断。 相关研究结果近期发表在美国化学学会(American Chemical Society)旗下《分析化学(Analytical Chemistry)》期刊上,论文标题为“Portable Device for Measuring Breath Acetone Based on Sample Preconcentration and Cavity Enhanced Spectroscopy”。

研究人员构建出一种携带吸附性聚合物的手持式设备,这种吸附性聚合物能够从呼出气体中的丙酮,随后将它释放到一个腔(cavity)中,在个腔中,一个近红外二极管激光检测它的浓度。 他们在不同条件下(如在一晚上的空腹或锻炼后)测试了这种设备检测健康人呼出气体中丙酮的准确性,并且将测试结果与利用质谱分析发获得的读数进行比较。两者的检测结果在准确性上 势均力敌,而且涵盖非常宽的浓度范围,包括那些提示着病人患有未确诊的1型糖尿病或在控制他们的血糖方面存在问题的浓度。研究人员说,让这种设备更加具有实用性的是,它能够被重复 使用多次。

2.Nanoscale:开发出携带透明传感器的葡萄糖检测隐形眼镜
doi:10.1039/C6NR05134K

一项新的研究提示着1型糖尿病患者可能有朝一日能够通过隐形眼镜上的一种透明的传感器监控他们的血糖水平,甚至控制他们的胰岛素输注。

这种传感器使用一种纳米结构的晶体管---特别是一种无定形的铟镓氧化物场效应晶体管(IGZO FET),能够检测眼睛泪液等生理缓冲液中微小的葡萄糖变化。

来自美国俄勒冈州立大学的研究人员说,他们利用IGZO FET制造出的传感器将能够传送实时的葡萄糖信息到一种运送调节血糖所需的激素:胰岛素和胰高血糖素的穿戴式泵中。事实上,这种传感器和这种泵发挥着一种人工胰腺的作用。

IGZO FET密集填充的六角形纳米结构网络是利用有低成本制造潜力的互补图案化(complimentary patterning)技术制造出的。这些技术包括胶体纳米刻蚀和电流体动力打印。

谷歌公司已在开发检测葡萄糖的隐形眼镜,但是它并不是完全透明的。Herman说,“它是一种电流型传感器,而且你能够观察到芯片,这意味着它不得不位于隐形眼镜的侧边。另一个问题是它所产生的信号依赖于这种传感器的尺寸,你仅能够让它非常小,不然你将不能够获得一种有用的信号。利用一种场效应晶体管(FET)传感器,你实际上能够让它变得更小和增强输出信号。”

3.日本开发出基于远红外光的无创血糖测量技术

日本东北大学生物医学工程研究生院Yuji Matsuura教授领导的一个研究团队开发出利用远红外光测量血糖的方法。这种方法是无害的,也是非侵入式的。

糖尿病病人传统上需要使用一种常规的检测仪器测量从指尖中采取的血液,从而监控他们每天的血糖水平。这种让人不适的疼痛感和感染风险有时可能是巨大压力和担忧产生的源头。

为了解决这一问题,其他的研究人员已提出和开发出利用近红外光测量血液中葡萄糖浓度的非侵入式方法。这种方法工作的前体条件为一些特定波长的近红外光被血液中的葡萄糖选择性地吸收。

然而,利用这种方法进行准确地和稳定地测量已被证实是比较困难的,这是因为近红外光不仅被葡萄糖较弱地吸收,而且也被水、蛋白和血红蛋白较弱地吸收。

相比之下,波长在40微米左右的远红外光能够被葡萄糖强劲地吸收,这就使得在理论上可以对病人进行更加准确地和灵敏地测量。然而,研究人员面临的问题是,远红外光只能穿透到皮肤表面下几微米,这就使得检测血糖比较困难。因此,Matsuura团队开发出一种新的测量技术:将一块小的棱镜附着到柔韧的空芯光纤末端上来发射远红外光。利用这种方法,就能够照射内唇的口腔黏膜。不同于皮肤,内唇没有厚厚的表皮角质层。

实验结果证实这种新技术能够高灵敏度地检测和准确地测量血糖水平,误差范围在20%以下。Matsuura教授认为这足以适合临床使用。

4.Biosens Bioelectron:利用免疫磁性试纸条高灵敏度定量检测血液
doi:10.1016/j.bios.2015.12.049

在一项新的研究中,来自俄罗斯科学院基础物理研究所(General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, GPI RAS)和莫斯科物理技术学院(Moscow Institute of Physics and Technology, MIPT)的研究人员开发出一种新的基于磁性纳米颗粒的生物传感器测试系统。它能够高度准确地测量包括不透明液体或较浓颜色液体在内的多种样品中的蛋白分子浓度。

这种新开发的测试系统类似于早孕测试。利用由多孔材料制成的含有一条测试线(test line)和控制线(control line)的小型试纸条就可进行分析。一滴液体样品加在试纸条的一端上,在较短时间后,分析结果可根据控制线或测试线和控制线的显色反应而呈现出来。这些试纸条在使用前可长时间储存着。这种测试快速进行,也不需要由经过专业训练的人员来执行;测试可在病人旁边或者甚至在户外条件下轻松完成。

在分子水平上,这种磁性纳米颗粒与特异性结合到靶蛋白的抗体偶联在一起,然后将它们放置在事先确定好的试纸条加样位点附近的多孔纤维素膜上。这种液体样品在毛细管作用下沿着这种纤维素膜侧向扩散,并捕获磁性纳米颗粒。它接着遇见测试线和控制线。测试线含有能够捕获靶蛋白的检测抗体(test antibody),通过双抗夹心方法,这种检测抗体也能捕获与靶蛋白抗体偶联的磁性纳米颗粒。控制线含有控制抗体(control antibody),该控制抗体仅捕获与磁性纳米颗粒偶联的抗体,只要测试条可以使用,那么控制线在任何情况下都会发生显色反应。因此,控制线可用来指示这项测试是否可靠、它的蛋白抗体是否因储存错误而被破坏,以及测试液体是否正确地加入到试纸条中。

这种新的测试系统可被用来测量血液中的最低浓度为0.025ng/ml的前列腺特异性抗原(PSA)。PSA是临床男性筛查中最常用的检测标志物之一。健康的PSA浓度低于4ng/ml。

为了验证这种新方法的测试结果,研究人员利用了作为金标准方法的酶联免疫吸附法(ELISA)进行测量,并进行比较,结果证实这种新的测试系统工作非常良好,而且比传统方法更有显著优势。

5.ACS Nano:利用便携式设备定量检测微量血液中十几种生物标志物
doi:10.1021/acsnano.5b07939

当卫生设施有限的偏远地区发生流行病时,那里的人们需要能够在医院外的地方使用的便携式诊断设备。为了解决对这些设备不断增加的需求,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员开发出一种低成本的便携式微流体诊断设备。它已成功地在埃博拉病毒(Ebola)传染病上进行免疫测试,也能够用于检测许多其他疾病。

在过去的几年,微流体设备已在诊断领域显示出非凡的潜力。它们是由硅橡胶制成的,含有头发丝宽度的微小通道。微流体设备能够快速地检测极少量血液中的许多种不同的生物标志物

在EPFL,由Sebastian Maerkl领导的生物网络特征实验室(Laboratory of Biological Network Characterization, LBNC)已开发出一种新型的微流体平台。它是一种完全自我维持的依靠电池能源运行的便携式设备。它无缝地与廉价的显微镜一起运作,从而提供非常高水平的检测准确性。这种平台能够在微量血液(小于0.005微升)中定量检测高达16种不同的生物标志物分子。这些生物标志物通常是酶、蛋白、激素或代谢物,它们在血液中的浓度可提供关于病人健康状况的准确信息。

这种设备是独特的原因在于它是由模拟信号检测装置和数字信号检测装置这两种装置组成的,而迄今为止,常规的设备只整合其中的一种装置。数字信号检测是高度灵敏的,能够检测单个生物标记物的存在。但是,当生物标志物的浓度太高时,由于信号饱和的原因,它表现欠佳。另一方面,模拟信号检测在较高的生物标记物浓度时表现得最好。同时使用这两种检测装置,就能够在短时间内彻底地分析一滴血中的成分。这种分析提供珍贵的医疗信息:它可能有助医生作出早期诊断或者确定疾病所处的阶段。

初始的测试已成功地在含有抗埃博拉病毒抗体的样品中执行,其中抗埃博拉病毒抗体指示着在出现症状的和未出现症状的病人体内存在这种病毒。这种设备可能能够潜在地检测大量的其他蛋白生物标志物和分子。

6.J Clin Pharm Ther:外用聚维酮碘溶液能够导致血糖测量值高估
doi:10.1111/jcpt.12431

血液中的糖分称为血糖,绝大多数情况下都是葡萄糖(英文简写Glu)。体内各组织细胞活动所需的能量大部分来自葡萄糖,所以血糖必须保持一定的水平才能维持体内各器官和组织的需要。

根据一项病例报告,使用外用碘溶液能够导致血糖测量值高估。相关研究结果于2016年8月8日在线发表在Journal of Clinical Pharmacy and Therapeutics期刊上,论文标题为“Probable glucometer interference caused by topical iodine solution test site preparation”。

来自美国俄亥俄州哥伦布市迦密山西医院的A.M. Lipshutz博士和来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的Emily M. Hawes博士发布了一篇针对一名28岁华裔孕妇的外用碘溶液与即时检测血糖仪之间存在临床上有意义的很可能发生的药物-设备相互作用的病例报告。一诊断患上妊娠糖尿病后,这名孕妇就被要求开始进行每天4次自我监控的血糖测试。她觉得这些测量值是不准确的:在5到10分钟内,在107 mg/dL到160 mg/dL之间变化。在拜访诊所访问一名医师后,经证实,她的测量方法是正确的。

通过与这名病人进行深入的交谈,研究人员发现在检测血糖之前,她已将10%的聚维酮碘溶液施用在测试位点上。她被要求在检测之前用肥皂洗手,结果导致利用两种即时血糖检测设备的测量值更加相一致。采用合适的洗手方法后,她在测量时就不再存在异常的血糖读数值。在停止使用碘液后,所有的测量值在整个怀孕期间都保持在她的目标值之下。

7.Angew Chem:无需血液,就可检测汗液或泪液中的葡萄糖
doi:10.1002/ange.201606031

基于铜的传感器能够检测血液之外的体液中的葡萄糖水平。

在开发一种能够检测汗液或泪液等含盐体液中的葡萄糖的铜膜之后,控制糖尿病等复杂疾病可能能够变得更加低廉和更加简单。

来自澳大利亚卧龙岗大学超导与电子材料研究所的研究人员证实他们首次制造出的具有海绵状多孔结构的铜膜也能够快速地和准确地检测含盐体液中的葡萄糖。相关研究结果发表在2016年10月4日那期Angewandte Chemie期刊上,论文标题为“First Synthesis of Continuous Mesoporous Copper Films with Uniformly Sized Pores by Electrochemical Soft Templating”。

论文通信作者Yusuke Yamauchi教授说,基于铜的葡萄糖传感器得到大量的研究,这是因为这种材料具有良好导电性、低成本和性能优越。

他说,“金和铂等贵重金属具有非常好的导电性,但是它们是非常昂贵的。我们想要关注更多丰富的和更加廉价的金属。”

作为主要的候选金属,铜很难被制造成多孔结构,这是因为当暴露在空气中,它很容易发生氧化---这就是美国自由女神雕像是绿色的原因---因而会严重地影响它的性能。

“这种金属不仅与空气活跃地发生反应,它在溶液中不容易发生还原反应,而且很难在基质上一致性地堆积。”

为了解决这个问题,研究人员利用一种类似电镀的方法将铜附着到一种基质上,并利用紫外光线让位于中间的聚苯乙烯发生熔化,从而留下微小的大约比一根人头发厚度小1万倍的孔。结果就是形成具有海绵状多孔结构的铜膜。进一步的测试结果表明这种铜膜具有高度的选择性,与葡萄糖发生反应,同时不会受到汗液中能够存在的其他酸或糖的干扰。

适合用作传感器的材料的一个关键条件是高选择性:与少量往往会很快蒸发的液体中的葡萄糖快速地发生反应。

Yamauchi说,“这种海绵状多孔结构极大地增加它的表面积,因而增加触发一种电化学信号所需的灵敏度。这种铜膜的优异检测性能可能归于它的内在良好的葡萄糖氧化反应。这使得这种铜膜成为一种直接检测葡萄糖并且满足多种应用需求(如糖尿病管理)的良好候选物。”

8.Sensor Actuat B-Chem:开发出检测汗液中葡萄糖的生物传感器
doi:10.1016/j.snb.2016.07.088

来自美国德州大学达拉斯分校的研究人员正在努力开发一种能够通过一个人的皮肤汗液检测葡萄糖水平的可穿戴式设备。

在一项新的研究中,德州大学达拉斯分校埃里克-约翰逊工程与计算机科学学院(Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science)生物工程教授Shalini Prasad博士和他的同事们证实他们设计的一种传感器能够可靠地定量检测人汗液中的葡萄糖。相关研究结果将发表在2017年1月那期Sensors and Actuators B: Chemical期刊上,论文标题为“Lancet-free and label-free diagnostics of glucose in sweat using Zinc Oxide based flexible bioelectronics”。

典型的家用血糖检测仪需要获得用户的少量血液样品,通常是通过手指刺破来获得的,而且经常一天需要进行多次。然而,德州大学达拉斯分校开发的基于织物的传感器检测人皮肤表面上少量汗液中的葡萄糖。

Prasad说,“在我们的传感器中,我们使用相同的整合到血糖测试条中的化学试剂和酶促反应。但是在我们的设计中,我们不得不应对在皮肤表面上较少数量的汗液。”

Prasad说,以汗液作为研究对象的研究人员经常使用一种被称作离子电渗(iontophoresis)的过程,即施加一个穿过皮肤的电流产生足够的汗液来开展检测实验。然而,这种方法能够导致皮疹和皮肤灼伤,为此,Prasad和生物工程博士生Rujuta Munje寻求一种仅需少量汗液的替代方法。

他们将一种现成的基于聚合物的织物材料整合在他们的葡萄糖传感器中,并且使用德州大学达拉斯分校的净室设施制造电子元件。他们设计出的这种生物传感器原型是一种小型的柔软的大约长1英寸的杆状设备。他们的设计仅需不少1微升的汗液,而且这种技术也以一种数字读数的形式实时作出反应。

9.J Mol Med:新型血液检测手段提前诊断1型糖尿病
doi:10.1007/s00109-015-1296-9

近日,发表于国际杂志Journal of Molecular Medicine上的一项研究报告中,来自伦敦帝国理工学院的研究人员通过研究,首次在患早期1型糖尿病患者的机体血液中发现了一种循环的特殊小分子,同时研究者还开发出了一种新型的简单血液检测手段,该技术可以在患者症状并未发生之前就可以对患者机体中的生物标志物进行检测。

研究者Mathieu Latreille说道,如果我们可以鉴别并且早日治疗患者,那么我们或许就可以帮助其避免二次并发症的发生,最终或将有效改善患者的健康;当前医生们对1型糖尿病的诊断依赖于患者所出现的症状,即口渴、体重减轻、视力模糊等,但当机体免疫系统错误地将胰腺细胞视为病原体进行攻击时,患者机体的损伤实际上早已经开始了,机体免疫系统会攻击并且破坏胰岛细胞,引发胰腺失去产生胰岛素的能力,从而使得血糖失去控制。

近来有研究表明,一种名为microRNAs的小型信使分子可以帮助诊断患者是否患1型糖尿病,microRNAs会携带细胞的少许遗传信息,而且还会被调节释放进入血液中,在糖尿病患者机体中血液中循环的microRNAs分子的水平处于不断变化中,然而本文中研究者通过一种血液检测手段就可以轻松对microRNAs的水平进行检测。

研究者Latreille说道,microRNAs可以被释放到任何组织中,比如眼睛、肾脏或腿部,但其并不会告诉我们关于胰腺健康的任何信息,而我们开发的血液检测手段却可以有效检测出个体患糖尿病的特异性改变。截止到目前为止,研究者还并不能鉴别出和胰腺相关的microRNAs,但本文中研究者揭示了和胰腺相关的特殊microRNAs分子—microRNA375,该分子会在产生胰岛素的细胞中被释放,正常情况下胰腺细胞中包含有大量microRNA375分子,其可以帮助控制细胞生长,而在1型糖尿病患者中该分子会被大量释放到血液中,随后细胞就会死亡,这种错误性改变或可作为一种有用的标记来帮助医生进行糖尿病的早期诊断和治疗。(生物谷 Bioon.com)

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