無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)（NIGM）是一種可以替代指尖采血法的極具吸引力的血糖評(píng)估和糖尿病管理方法。然而，目前的無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量的并不是直接獲得血液中的葡萄糖濃度，而是通過(guò)測(cè)量大量間質(zhì)液（ISF）中的葡萄糖濃度來(lái)間接獲得血糖濃度數(shù)據(jù)。但是，與血糖濃度相比，間質(zhì)液中的葡萄糖濃度非常低，并且間質(zhì)液中葡萄糖的動(dòng)態(tài)變化也與血液中的不同，這就影響了無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)自德國(guó)亥姆霍茲慕尼黑中心（Helmholtz Zentrum München）和慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich）的研究人員設(shè)計(jì)了一種名為“深度門(mén)控中紅外光聲傳感器（DIROS）”的新型生物傳感器，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)血液含量豐富的皮膚區(qū)域的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)。DIROS通過(guò)對(duì)中紅外光聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間門(mén)控，最大限度地減少了角質(zhì)層和其它皮膚表層造成的干擾，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮膚中血糖測(cè)量的深度選擇性定位。在對(duì)（雌性）小鼠耳朵進(jìn)行原位血糖監(jiān)測(cè)時(shí)，與通過(guò)對(duì)大量組織間質(zhì)液中的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量的方法相比，基于DIROS的測(cè)量方法顯示出更高的準(zhǔn)確性。相關(guān)研究成果以“Non-invasive measurements of blood glucose levels by time-gating mid-infrared optoacoustic signals”為題發(fā)表在Nature Metabolism期刊上。

圖1 用于無(wú)標(biāo)記生物分子傳感的深度門(mén)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(gè)關(guān)鍵前提，研究人員假設(shè)，深度門(mén)控將提高葡萄糖傳感的靈敏度和準(zhǔn)確性。首先，DIROS可以優(yōu)先檢測(cè)微血管豐富的皮膚區(qū)域，即血液濃度高的區(qū)域的葡萄糖含量。基于血液的葡萄糖傳感方法可以提供葡萄糖濃度波動(dòng)的實(shí)時(shí)報(bào)告，而不像基于間質(zhì)液的葡萄糖傳感方法那樣會(huì)出現(xiàn)延遲。此外，血液中的葡萄糖濃度是與臨床相關(guān)的參數(shù)，其數(shù)值比間質(zhì)液中的數(shù)值高，因此，其檢測(cè)靈敏度通常更高。其次，皮膚濕度、表皮脂質(zhì)和其它分子的變化會(huì)影響間質(zhì)液的葡萄糖測(cè)量的可靠性和可重復(fù)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(zhì)層和整個(gè)表皮層對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

研究這兩個(gè)假設(shè)的關(guān)鍵是中紅外激發(fā)和光聲探測(cè)的深度，尤其是其到達(dá)皮下微血管豐富區(qū)域的能力。為此，研究人員使用在高頻段的軸向分辨率可達(dá)30 μm（使用所有頻率時(shí)，分辨率約為45 μm）的寬帶超聲探測(cè)器（帶寬約為6 ~ 36 MHz；中心頻率約為21 MHz），對(duì)中紅外光聲技術(shù)在體內(nèi)達(dá)到的深度進(jìn)行了研究。研究人員通過(guò)將基于中紅外光源的測(cè)量結(jié)果與在532 nm照明下進(jìn)行的微血管敏感光聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)探測(cè)深度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。然后，利用深度選擇性光聲探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，研究人員探索了富血皮膚樣本中信號(hào)定位的影響，從而驗(yàn)證了上述假設(shè)。

圖2 利用深度門(mén)控中紅外光聲傳感器（DIROS）進(jìn)行位置選擇性無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)

圖3 利用時(shí)間門(mén)控中紅外光聲傳感技術(shù)進(jìn)行深度選擇性無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)

此外，研究人員利用在體實(shí)驗(yàn)展示了深度選擇性葡萄糖傳感技術(shù)，該技術(shù)能夠探測(cè)到深度大于100 μm的微血管，因此能夠?qū)Ω哐簼舛葏^(qū)域進(jìn)行測(cè)量。此外，通過(guò)剔除來(lái)自淺表皮膚層的信號(hào)，DIROS最大限度地降低了對(duì)來(lái)自上皮組織非葡萄糖特異性信號(hào)的敏感性，這些非葡萄糖特異性信號(hào)在中紅外范圍內(nèi)觀察時(shí)會(huì)導(dǎo)致皮膚外觀的高度異質(zhì)性，從而使光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)結(jié)果變得不可靠。此外，研究結(jié)果表明，與基于間質(zhì)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(xì)血管豐富的樣本中進(jìn)行測(cè)量）在記錄血糖動(dòng)態(tài)變化方面具有更高的靈敏度和更高的精確度。同樣，使用時(shí)間門(mén)控檢測(cè)法剔除來(lái)自皮膚表面的信號(hào)后，基于血液的葡萄糖測(cè)量的準(zhǔn)確性也比基于間質(zhì)液的測(cè)量方法高。

綜上所述，該研究展示了一種基于深度門(mén)控中紅外光聲傳感器（DIROS）的無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)方法，該方法可以通過(guò)信號(hào)定位提高無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，并且具有高轉(zhuǎn)化潛力，從而解決了當(dāng)前無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)方法的一個(gè)關(guān)鍵局限。此外，DIROS不僅可以用于測(cè)量葡萄糖，還可以用于測(cè)量其它代謝物，例如乳酸和脂質(zhì)。因此，未來(lái)可以開(kāi)發(fā)一種連續(xù)的代謝傳感系統(tǒng)，以用于提醒用戶注意健康代謝參數(shù)的異常。總之，本文介紹的方法是精確測(cè)定臨床相關(guān)血糖水平的強(qiáng)大新工具，為糖尿病管理的重大進(jìn)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