用于無創血糖監測的深度門控中紅外光聲傳感器

無創血糖監測（NIGM）是一種可以替代指尖采血法的極具吸引力的血糖評估和糖尿病管理方法。然而，目前的無創血糖監測技術測量的并不是直接獲得血液中的葡萄糖濃度，而是通過測量大量間質液（ISF）中的葡萄糖濃度來間接獲得血糖濃度數據。但是，與血糖濃度相比，間質液中的葡萄糖濃度非常低，并且間質液中葡萄糖的動態變化也與血液中的不同，這就影響了無創血糖監測的準確性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自德國亥姆霍茲慕尼黑中心（Helmholtz Zentrum München）和慕尼黑工業大學（Technical University of Munich）的研究人員設計了一種名為“深度門控中紅外光聲傳感器（DIROS）”的新型生物傳感器，首次實現了對血液含量豐富的皮膚區域的無創血糖檢測。DIROS通過對中紅外光聲信號進行時間門控，最大限度地減少了角質層和其它皮膚表層造成的干擾，從而實現了對皮膚中血糖測量的深度選擇性定位。在對（雌性）小鼠耳朵進行原位血糖監測時，與通過對大量組織間質液中的葡萄糖濃度進行測量的方法相比，基于DIROS的測量方法顯示出更高的準確性。相關研究成果以“Non-invasive measurements of blood glucose levels by time-gating mid-infrared optoacoustic signals”為題發表在Nature Metabolism期刊上。

圖1 用于無標記生物分子傳感的深度門控中紅外光聲傳感器（DIROS）的成像深度選擇功能

在該研究中，基于兩個關鍵前提，研究人員假設，深度門控將提高葡萄糖傳感的靈敏度和準確性。首先，DIROS可以優先檢測微血管豐富的皮膚區域，即血液濃度高的區域的葡萄糖含量?；谘旱钠咸烟莻鞲蟹椒梢蕴峁┢咸烟菨舛炔▌拥膶崟r報告，而不像基于間質液的葡萄糖傳感方法那樣會出現延遲。此外，血液中的葡萄糖濃度是與臨床相關的參數，其數值比間質液中的數值高，因此，其檢測靈敏度通常更高。其次，皮膚濕度、表皮脂質和其它分子的變化會影響間質液的葡萄糖測量的可靠性和可重復性，而基于血液的葡萄糖傳感方法可以最大限度地減少新陳代謝不活躍的角質層和整個表皮層對測量結果的干擾。

研究這兩個假設的關鍵是中紅外激發和光聲探測的深度，尤其是其到達皮下微血管豐富區域的能力。為此，研究人員使用在高頻段的軸向分辨率可達30 μm（使用所有頻率時，分辨率約為45 μm）的寬帶超聲探測器（帶寬約為6 ~ 36 MHz；中心頻率約為21 MHz），對中紅外光聲技術在體內達到的深度進行了研究。研究人員通過將基于中紅外光源的測量結果與在532 nm照明下進行的微血管敏感光聲測量結果進行對比，對探測深度和結構進行了驗證。然后，利用深度選擇性光聲探測的優點，研究人員探索了富血皮膚樣本中信號定位的影響，從而驗證了上述假設。

圖2 利用深度門控中紅外光聲傳感器（DIROS）進行位置選擇性無創血糖監測

圖3 利用時間門控中紅外光聲傳感技術進行深度選擇性無創血糖監測

此外，研究人員利用在體實驗展示了深度選擇性葡萄糖傳感技術，該技術能夠探測到深度大于100 μm的微血管，因此能夠對高血液濃度區域進行測量。此外，通過剔除來自淺表皮膚層的信號，DIROS最大限度地降低了對來自上皮組織非葡萄糖特異性信號的敏感性，這些非葡萄糖特異性信號在中紅外范圍內觀察時會導致皮膚外觀的高度異質性，從而使光學無創血糖監測結果變得不可靠。此外，研究結果表明，與基于間質液的葡萄糖傳感方法相比，基于血液的葡萄糖傳感方法（即從毛細血管豐富的樣本中進行測量）在記錄血糖動態變化方面具有更高的靈敏度和更高的精確度。同樣，使用時間門控檢測法剔除來自皮膚表面的信號后，基于血液的葡萄糖測量的準確性也比基于間質液的測量方法高。

綜上所述，該研究展示了一種基于深度門控中紅外光聲傳感器（DIROS）的無創血糖監測方法，該方法可以通過信號定位提高無創血糖監測的準確性，并且具有高轉化潛力，從而解決了當前無創血糖監測方法的一個關鍵局限。此外，DIROS不僅可以用于測量葡萄糖，還可以用于測量其它代謝物，例如乳酸和脂質。因此，未來可以開發一種連續的代謝傳感系統，以用于提醒用戶注意健康代謝參數的異常?？傊?，本文介紹的方法是精確測定臨床相關血糖水平的強大新工具，為糖尿病管理的重大進展鋪平了道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s42255-024-01016-9

審核編輯：劉清