智能穿戴和植入式生物监测的未来

戴着手表监测心率、心电图已经变得很流行，看看最新和下一代智能设备的发展趋势，监测血糖、胰岛素等。减肥、健康和保健的大数据时代已经到来。举例来说，最近看了很多关于健身减肥的信息，发现每个人对同一食物的反应都大不相同。有些人吃冰激凌并不会太高血糖，吃香蕉反而反应很大。目前的趋势是减肥者实时监测血糖浓度，根据个人反应制定个性化的配方。在美国市场上已有针对消费者的血糖连续监测装置。

持续血糖监测仪只是一个开端。下面是六种测量葡萄糖和其它关键生物标志的未来技术。

持续血糖监测是新一代可穿戴生物技术的一部分，它可以追踪曾经被用于医疗机构的生物标记物，如HRV和ECG读数、呼吸频率、高血压和酮水平。就像日益增长的可穿戴设备市场让人们看到了实时反馈运动的价值一样，新的生物穿戴设备利用实时输入信息来指导人们的生活方式，并提高整体健康水平。

当这种技术变得越来越普遍时，下一步就是使用能够跟踪更多的心血管和生化指标、摄取的咖啡因(例如咖啡因)甚至感染(例如COVID-19)的仪器。

这里有六项正在发展中的技术，可以为实时健康监测指明方向。

一、目前血糖持续监测系统的状况。

第一种检测血糖水平的方法(目前也有很多种方法)是刺破手指，然后在试管上滴一滴血，把血插入手持设备，等待读出结果。约20年前，连续血糖监测仪(CGM)就投入市场，为糖尿病患者提供实时血糖跟踪服务。从那以后，患有1型糖尿病的美国人使用CGM的数量急剧增加，从2011年的6%增加到2018年的38%，而且价格也在下降。目前，雅培FreestyleLibre传感器的价格区间为每年900-1800美元，而早期型号的价格范围为每年3000-5000美元。CGM价格在最近的两次型号更新中已经下跌了约40%。由于非糖尿病人群中CGM市场增长，价格和供应应该会继续下降。

目前的模型包括电子装置，这些电子装置嵌入到粘附到胃或上臂的塑料盘中。长约5mm、宽约0.4mm的柔韧的金属丝刺入皮肤下细胞周围的组织液。葡萄糖会通过血管和毛细血管不断地渗入这种液体中，然后用丝线来测量。

丝状涂层是一种叫做葡萄糖氧化酶的酶，它能把葡萄糖转化成双氧水。双氧水与铂反应，分解成氢，氧和电子，从而产生电流。这个装置将信号无线地传送到手持式阅读器或智能手机上，通过一个算法把电讯号码转换成葡萄糖读数。感应器将持续7至14天，在这段时间内，人体在丝状穿透点附近来不及反应。传感器化学物质在超过7-15天后的降解将降低读数的准确性。

二、植入CGM

与贴片相比，可植入性更强。研究人员已于2019年研制出实验传感器。这种感应器比芝麻还小，采用特殊的、方便用户将注射器植入皮下。主要的创新是一种新颖的微芯片，它使用与其他CGM相同的表面化学方法来测量葡萄糖，并向可穿戴设备(如智能手表)发送无线信号。感应器上有一条丝状的线，佩戴者可以在设备过期后拔出它。

收缩感应器有一些优点。第一，它减少了对周围组织的不良反应和损害。降低异物反应可以使异物反应工作更快、更准确、更可靠。由于葡萄糖能更快地通过薄层胶囊，所以反应速度也更快。线缆的去除降低了噪声，提高了精度和灵敏度。

研究者们在猪身上进行了实验，认为猪是一个良好的人类生理模型。研究人员把这种病毒注射到猪的腹部下皮下，用静脉导管采集血样，用消耗型葡萄糖监测器每5-10分钟分析一次，用台式仪器每15-20分钟分析一次。感应器在植入后的10分钟内开始工作，数周内就能收集数据。研究者发现，它的血糖值与其他监视器的数据相符，包括血糖在快速波动之后的数据。这个产品还没有上市，但是它有可能被小型化。

三、胰岛素和葡萄糖联合测定。

对胰岛素的反应因人而异，胰岛素注射液的校准错误会给糖尿病患者带来持续的致命风险。电感应器只能实时连续监测少量的分子，如葡萄糖和氧气。胰岛素浓度只有葡萄糖的十亿分之一，因此仍难以检测。但一月份的《自然生物医学工程》中介绍了一种可以连续测量葡萄糖和胰岛素的新设备。

这项技术依靠微流体技术(基本上是7.5厘米长晶片上的细管)和流经晶片管的微珠。葡萄糖中血与散开的微珠一起进入混合回路，这就是所谓的适体DNA。在身体遇到葡萄糖时，它们会改变形状，将裸露的被称为萤光团的分子暴露出来，使之发光。与消耗血细胞的液体一起，混合后的液体通过消耗模块。最终，它进入一个探测模块，在这个模块中，高速摄像机和软件将记录发光分子的浓度。

该生物传感器通过血管导管与老鼠相连，用一个蠕动泵将血液注入装置。这一装置包括三个模块：混合模块，血液与检测试剂混合(通过注射泵进入设备)；清除过多血细胞所用的消耗模块；荧光标记珠转移检测模块。

四.心血管监测的生物标记和创可贴。

对代谢健康状况的全面了解需要监测血液中的生物标记，如葡萄糖和心血管功能。有些糖尿病患者也有高血压。选手要同时测量荷尔蒙和心率。败血症休克患者血压下降，血乳酸升高。但人们并不希望佩戴多种仪器来测量所有这些。位于圣地亚哥的加利福尼亚大学的研究人员构想出一种能监控以上内容的CTU。

这个装置的宽度有几厘米，是一个透明的、灵活的、可伸缩的方块，上面有可见的平面打印线，可以附着在颈部。该产品由两个电极组成，用于提取体液进行无创感应：正极通过电斥力将毛果芸香碱药物推入皮肤，从而产生汗液。一整套的感应器通过汗液、乳酸盐或酒精来测量咖啡因。负极通过皮肤吸收组织液，然后用另一组传感器测量血糖。现在，这种贴片可以一次测量两种化学物质，但是为了测量全部四种化学物质，必须加以改进。这个贴片也向动脉发出超声波，并从血管的近壁和远壁测量回声，以跟踪血压和心率。

制作这款创可贴需要选择合适的材料，使其可伸缩，并开发集成芯片，以降低功率消耗，而且它的设计将进一步减少组件间的信号干扰。这个小组在实际中测试人们，让他们先吃东西，然后做运动，或者在吃饭的时候喝水。其读数与常规生理监视器的读数相符。这个装置目前还没有自己提供电力，但研究人员正在研究灵活的电池和可再生能源，比如太阳能电池，或者使用摩擦的或发汗机的发电机，纳米工程博士LuYin说。

五、利用光线追踪葡萄糖。

更加令人怀疑的是，未来的智能手表不需要接触任何体液就能追踪葡萄糖。根据这一概念，该设备将通过皮肤将光线引入血液。大部分物质吸收光后，会在相同的波长再次发光，而有些物质则会在不同的波长再次发光，这种现象叫做拉曼散射。这两个波长的亮度就像指纹，可以指示不同的分子浓度。

六、使用血糖仪监测更多资料。

多伦多大学的研究人员开发了一种分子转译仪器，该仪器使用指尖血糖仪在SARS-CoV-2等病人样本中测定其他物质。

在他们的系统中，病人样本可能触发生物反应，导致生产一定量的葡萄糖，这些葡萄糖可以用现成的血糖仪检测。今后，一滴血液或自体病人的体液样本将与短链遗传物质RNA一起培养。这个链子包含一个叫做脚趾开关的序列，它可以补充你在样本中寻找的特定目标的RNA(如SARS-CoV-2基因物质)。将RNA链与目标遗传物质结合后，RNA就会改变形状，暴露于报告酶的RNA表达中。该酶能把葡萄糖前体转化成单个的葡萄糖分子，并用血糖仪检测。所以，只有当病人样本中有特殊的基因物质时，葡萄糖分子才会产生。最终，用户将结果输入到Web界面，该界面将葡萄糖评分转换为目标物质的评分。

七、酮连续监测器。

葡萄糖和脂肪是人体的两大燃料。身体燃烧脂肪(通常在消耗葡萄糖和糖原后)时，会产生所谓的酮体或酮。已经证明，以酮为能量有利于肌肉的发展、细胞和器官的功能，甚至有利于大脑的健康。目前，要知道你的身体是否处于脂肪燃烧状态，最好的办法是用呼吸监视器或血液测试试纸来测量酮。这种方法只提供照片，所以用户不会看到他们是否接近脂肪燃烧时产生的酮，或者更重要的是，对于糖尿病人来说，这种情况被称为有风险的糖尿病酮症酸中毒。

该系统的挑战是，在几天的使用期内，感应化学物质保持稳定，但是在两周内，CKM的精确度超过90%(低于血液检测结果的30%)。在体外实验中，4分钟内可检测到一种酮浓度的快速变化。研究者们刚刚获得资助，试图将传感器商业化。