24.血糖檢測(cè)的變革
糖尿病的特點(diǎn)是高血糖,因長(zhǎng)期高血糖給患者多種器官造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害,因此,檢測(cè)血糖是診斷和監(jiān)測(cè)糖尿病治療的重要手段。
在歷史上,早在五六世紀(jì)我國(guó)、古印度、阿拉伯和日本的醫(yī)生們先后發(fā)現(xiàn)“多尿癥”患者的尿液是甜的這一現(xiàn)象,而將這種疾疾病稱為“糖尿病”。在古代,沒有有效的診斷方法,醫(yī)生只有通過觀察患者尿液是否吸引螞蟻和蒼蠅,品嘗患者尿液是否甜來確定。這種情況一直維持到十九世紀(jì),隨著社會(huì)進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尿糖檢測(cè)方法有了發(fā)展。
1843年,德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將硝酸銀與氫氧化銨、氫氧化鈉及葡萄糖混合后加熱,在玻璃試管壁上會(huì)形成銀白色具有很好反光作用的物質(zhì),之后將這一方法用于制作鏡子,因此該化學(xué)反應(yīng)被命名為“銀鏡反應(yīng)”。后來人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)反應(yīng)如果沒有葡萄糖是不會(huì)發(fā)生的,于是人們想到將這一方法可以用于檢測(cè)葡萄糖。但是這一檢測(cè)方法只能檢測(cè)患者尿液中有沒有葡萄糖,而無法確定是多還是少。
圖64.銀鏡反應(yīng)
1849年德國(guó)化學(xué)家斐林(Hermann von Fehling)發(fā)明斐林試劑,是由氫氧化鈉,酒石酸鉀鈉和硫酸銅配制的深藍(lán)色混合溶液,斐林試劑中的二價(jià)銅離子在與具有還原性的葡萄糖共熱時(shí)被還原為氧化亞銅,藍(lán)色消失,析出紅色的氧化亞銅沉淀。在氧化亞銅析出過程中,反應(yīng)液的顏色可能經(jīng)過由藍(lán)變綠變黃變紅逐漸形成沉淀的漸變化過程,反應(yīng)較快時(shí),可直接觀察到紅色沉淀。因此,斐林試劑常用于鑒定葡萄糖這類的可溶性還原性糖。因此這一試劑用來檢測(cè)糖尿病患者的尿糖,可以根據(jù)反應(yīng)液的顏色變化大概確定糖尿病患者的尿液中葡萄糖數(shù)量的多少,但難以定量精確測(cè)定。
圖65.菲林試劑測(cè)尿糖(引自網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn))
到了二十世紀(jì),隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),特別是生物學(xué)、化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的的發(fā)展,為血糖和尿糖檢測(cè)帶來巨大變化。
生物化學(xué)家們?cè)谏矬w中發(fā)現(xiàn)了大量的可以專一催化各種化學(xué)反應(yīng)的酶,并且可以利用微生物在工廠大規(guī)模生產(chǎn),如葡萄糖氧化酶能催化葡萄糖與氧發(fā)生反應(yīng)生成葡萄糖酸,同時(shí)產(chǎn)生過氧化氫,就是俗稱的雙氧水。而雙氧水是個(gè)強(qiáng)烈的氧化劑,能夠?qū)⒁恍┗瘜W(xué)染料氧化,使之改變顏色。于是人們最初將葡萄糖氧化酶和染料配成溶液,將濾紙?jiān)谌芤褐薪?,再晾干,切成紙條,制成像pH試紙一樣的試紙條。使用時(shí),將試紙條在患者尿液中浸一下,取出放上一定時(shí)間,試紙條就會(huì)改變顏色,可以根據(jù)顏色深淺,或者與標(biāo)準(zhǔn)色板比對(duì),就可以判斷尿糖大約有多少。從此之后,人們不斷改進(jìn),使之越來靈敏,越來越精準(zhǔn),逐漸成為醫(yī)院和糖尿病患者個(gè)人隨時(shí)監(jiān)測(cè)尿糖工具。
圖66.尿糖試紙(引自網(wǎng)絡(luò))
研究發(fā)現(xiàn),雖然腎臟的腎小管能夠?qū)⑵咸烟请S著尿液排出,但是腎臟本身又存在兩個(gè)回收葡萄糖的功能,即C-糖苷類鈉依賴性葡萄糖1和2型共轉(zhuǎn)運(yùn)體(SGLT1和SGLT2),因此在尿液中排出的葡萄糖并不多,雖然尿液葡萄糖濃度與血糖濃度有關(guān),但是測(cè)定的尿糖并不能直接反應(yīng)當(dāng)時(shí)的血糖水平。因此,人們通過不斷的改進(jìn)和完善,在尿糖試紙的基礎(chǔ)上研究成功用于檢測(cè)血糖的試紙,稱為血糖試紙。
由于血液中含有大量的血細(xì)胞,組成也遠(yuǎn)比尿液復(fù)雜,用尿糖試紙測(cè)定血糖會(huì)受到嚴(yán)重的干擾,難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此首先需要排除血細(xì)胞的干擾。另外,采用肉眼觀察或與比色板比對(duì)來判斷葡萄糖含量是很粗糙不精確的方法。
為解決這些問題,出現(xiàn)了改良版本,即在紙片上涂上一層乙基纖維素或者在含酶的紙片上加上一層防水層,部分解決了問題。測(cè)定時(shí),將患者一滴血滴在試紙上,一分鐘之后洗掉血跡,拿比色卡進(jìn)行對(duì)照比色,讀出數(shù)值。這種血糖試紙反應(yīng)后需洗掉血跡,這不僅干擾比色,而且因紅細(xì)胞滲透到基底會(huì)使反應(yīng)物流失影響顯色,如果顏色介于比色板兩色之間,不能準(zhǔn)確讀數(shù),因此誤差較大。
隨著電子和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們將用眼睛觀察比色改為光學(xué)比色,再將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流,根據(jù)電流大小轉(zhuǎn)算成血糖濃度。在此想法基礎(chǔ)上,1970年首先由美國(guó)艾姆斯(Ames)公司的湯姆 克萊曼斯(Tom?Clemens)開發(fā)出第一臺(tái)血糖儀。
使用的試紙是由分別含有葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和顯色劑的兩片試紙構(gòu)成。測(cè)定時(shí)將血滴到測(cè)試區(qū)上,將試紙平放,反應(yīng)一分鐘后用水沖洗試紙以去除血細(xì)胞,然后將試紙插入機(jī)器讀取結(jié)果。由于采用的是透光比色,誤差大。隨后將其改進(jìn)為反射測(cè)光,將反射光送到光電管上,轉(zhuǎn)化成電流,通過儀表指針讀出數(shù)據(jù)。1971年,獲得了美國(guó)第一個(gè)血糖儀專利,這種第一代血糖儀長(zhǎng)約25厘米,需要連接電源,也僅能在醫(yī)院使用。
圖67.美國(guó)艾姆斯公司和德國(guó)寶靈曼公司的第一代血糖儀(引自網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn))
1980年,艾姆斯公司推出了第二代血糖儀,與第一代的區(qū)別是不需要沖洗,直接輕輕擦去試紙上的紅細(xì)胞就可以讀數(shù)了。雖然第二代血糖儀體積變小而且比較方便病人使用,但是仍然需要采集大約10-15微升的血樣,并需要大約1分鐘反應(yīng)時(shí)間才能得到結(jié)果。之后第三代血糖儀采用比色法,不需要擦血,直接使用比色法即可。
上個(gè)世紀(jì)中期隨著生物技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展和融合,生物傳感器誕生,為開辟全新的血糖測(cè)定技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
早在1962年克拉克(Clark)等提出把酶與電極結(jié)合起來測(cè)定酶催化反應(yīng)底物的想法,1967年,Updike和Hike最早設(shè)計(jì)制作了第一個(gè)葡萄糖氧化酶電極,是將聚丙烯酰胺凝膠包埋的葡萄糖氧化酶膜包裹在pH電極上,通過葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸,使得溶液pH發(fā)生變化,從pH電極檢測(cè)到pH的變化計(jì)算出葡萄糖含量。由于這種傳感器體積大,酶容易從包埋的聚丙烯酰胺凝膠中滲漏出來,使得酶電極使用壽命有限,測(cè)定的準(zhǔn)確性和精確性受到影響。之后人們進(jìn)行了改進(jìn),利用化學(xué)反應(yīng)方法將葡萄糖氧化酶固定化在高分子薄膜上,然后將其包裹在白金氧電極上,構(gòu)成傳感器。當(dāng)將其放入待測(cè)溶液中時(shí),溶液內(nèi)的溶解氧和待測(cè)葡萄糖同時(shí)滲人傳感器酶膜,在葡萄糖氧化酶的催化作用下,葡萄糖被氧化成葡萄糖酸,消耗的氧生成過氧化氫,此時(shí)白金氧電極即能檢測(cè)出溶液中氧濃度的下降,從下降的幅度即可求出葡萄糖的濃度。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)出早期可以在實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院使用的測(cè)糖儀。
圖68.用于測(cè)定葡萄糖的葡萄糖氧化酶電極結(jié)構(gòu)示意圖
圖69.早期的實(shí)驗(yàn)室使用的測(cè)糖儀(引自網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn))
在此之后,人們?yōu)榱颂岣邷y(cè)糖儀測(cè)定的準(zhǔn)確性和精確度,以及為患者個(gè)人使用提供體積小血糖儀,在不斷的努力改進(jìn)、完善設(shè)計(jì),使之小型化、微型化。通過將包裹在電極外層的膜材料改變成具有很好選擇通透性的材料,使傳感器的線性范圍擴(kuò)大,減少被測(cè)液體中的干擾物對(duì)電極的影響;改進(jìn)酶的固定化方法,減少酶的流失和被測(cè)血液中的蛋白酶對(duì)葡萄糖氧化酶的的降解破壞,提高傳感器的穩(wěn)定性;添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì),改進(jìn)電極的靈敏度和穩(wěn)定性。也可以用葡萄糖脫氫酶代替葡萄糖氧化酶,提高穩(wěn)定性,延長(zhǎng)使用期。特別是隨著電子技術(shù)和半導(dǎo)體加工技術(shù)的不斷發(fā)展,使其不斷的小型化和微型化成為可能。
圖70.血糖儀試紙條結(jié)構(gòu)示意圖
1981年誕生了利用這種電化學(xué)法測(cè)定血糖的第四代血糖儀,1986上市。前三代血糖儀基本都采用光反射法實(shí)現(xiàn)血糖濃度測(cè)定,第四和之后的第五代血糖儀主要依靠電化學(xué)法。它標(biāo)示著血糖儀取得突破性的發(fā)展,為廣大的糖尿病患者能夠及時(shí)了解血糖水平,采取控糖措施帶來方便。現(xiàn)在大多數(shù)糖尿病患者使用的血糖儀多是第五代,第五代和第四代相比,在微量采血、多部位采血等細(xì)節(jié)方面進(jìn)行了一些改進(jìn)。
圖71.便攜式血糖儀
圖72.便攜式血糖儀的發(fā)展史
血糖儀從工作原理上有兩種分別,一種是光電型,比如第一到第三代血糖儀,另一種是電極型,比如第四代到第五代血糖儀。光電血糖儀有一個(gè)光電頭,它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較便宜,缺點(diǎn)是探測(cè)頭暴露在空氣里,很容易受到污染,影響測(cè)試結(jié)果,誤差范圍在正負(fù)0.8左右,使用壽命比較短,一般在兩年之內(nèi)是比較準(zhǔn)確的,兩年后需到維修站做校準(zhǔn)。電極型的測(cè)試原理更科學(xué),電極口內(nèi)藏,可以避免污染,誤差范圍一般在正負(fù)0.5左右,精度高,正常使用的情況下,不需要校準(zhǔn),壽命長(zhǎng)。
血糖儀從采血方式上有兩種,一是抹血式,一是吸血式。抹血的機(jī)器一般采血量比較大,患者比較痛苦。如果采血偏多,還會(huì)影響測(cè)試結(jié)果,血量不足,操作就會(huì)失敗,浪費(fèi)試紙,這種血糖儀多為光電式的。吸血式的血糖儀,是依據(jù)酶電極的基本工作原理,進(jìn)行改進(jìn),微型化實(shí)現(xiàn)的。試紙自己可控制血樣量,不會(huì)因?yàn)檠康膯栴}使得測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)偏差,操作方便,用試紙點(diǎn)一下血滴就可以了。
不管是上面的哪一種血糖儀,不論測(cè)定時(shí)采血樣量多少,都必須采血。首先要對(duì)皮膚用酒精消毒,然后用針刺破皮膚,流出一定量的血再采樣。采血樣造成皮膚傷害,而糖尿病患者創(chuàng)傷恢復(fù)較慢,如果消毒不徹底會(huì)造成感染,給患者造成痛苦和隱患。另外,皮膚消毒時(shí)如果有殘留的酒精與血樣混合,會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果造成干擾。
為解決這些問題,一些公司的科研團(tuán)隊(duì)都在進(jìn)行無創(chuàng)血糖儀的研發(fā),以克服當(dāng)前血糖檢測(cè)時(shí)采血出現(xiàn)的問題。無創(chuàng)血糖儀主要是通過間接監(jiān)測(cè)人體唾液、淚液、汗液和組織液等的葡萄糖濃度,通過復(fù)雜的換算來測(cè)試血糖。如角膜鏡血糖儀,感受器放在角膜鏡中,患者可用通過照鏡子觀察角膜鏡和圖表上感光材料的顏色,確定血糖水平。綠色正常,紅色輕度增高,紫色明顯增高。淚糖測(cè)定儀,眼淚中的糖分和血液中的糖分含量非常接近,人體血糖變化時(shí),淚糖也會(huì)隨之變化,以此開發(fā)的淚糖測(cè)定儀簡(jiǎn)便,低廉很受歡迎。唾液血糖儀是根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)研究數(shù)據(jù)設(shè)計(jì),血糖濃度與唾液中所含的淀粉酶成正比,所以通過測(cè)量人體口腔中唾液含淀粉酶的多少能夠間接地知道被測(cè)體血糖濃度的高低。
手表血糖儀,像手表一樣戴在手腕上,可以連續(xù)的監(jiān)測(cè)血糖。在手表血糖儀的背面有一凝膠墊與皮膚密切接觸,凝膠中的兩個(gè)電極產(chǎn)生的微電流通過人的皮膚,皮膚中的帶電離子在電流作用下分別向正負(fù)電級(jí)運(yùn)動(dòng),而組織液中的葡萄糖被帶電的離子“裹夾”一起進(jìn)入凝膠,通過凝膠中葡萄糖氧化酶催化的反應(yīng)程度,就可以計(jì)算出當(dāng)前的血糖水平,測(cè)量結(jié)果在“手表”屏幕上顯示出來,它可以提供13個(gè)小時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)。與間斷性的指血血糖數(shù)據(jù)相比較,在反映血糖變化趨勢(shì)和軌跡模式上更有優(yōu)勢(shì)。手表血糖儀當(dāng)測(cè)得的血糖低于0.85毫克/毫升就會(huì)發(fā)出警報(bào),可安全有效的發(fā)現(xiàn)低血糖。缺點(diǎn)是皮膚出汗、溫度過高或過低、靜電干擾、短路等都會(huì)影響其測(cè)定結(jié)果,引起誤差,甚至導(dǎo)致儀器關(guān)閉。有些患者的局部皮膚出現(xiàn)一定的刺激癥狀,在皮膚上留下一塊紅印、有刺癢感等等,但從總體上看較輕微,多可在一周內(nèi)消失。此外,手表式血糖儀測(cè)定的是組織間液葡萄糖值,因此要略滯后于指血血糖值。
圖73.手表血糖儀(引自網(wǎng)絡(luò))
與手表血糖儀類似的還有一款無創(chuàng)血糖儀,包括主機(jī)和耳夾,使用方法簡(jiǎn)單,只需將耳夾夾在耳垂上,主機(jī)就可以顯示出血糖值。它運(yùn)用超聲波、電磁波和熱容量三種不同技術(shù),而非光譜技術(shù),確保了測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性,可以在大約一分鐘的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行血糖的檢測(cè)。2014年底已在我國(guó)上市。
圖74.耳夾式無創(chuàng)血糖儀(引自網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn))
無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)因會(huì)受到外界環(huán)境因素及人體生理生化條件影響,測(cè)定的時(shí)間延遲較大,同時(shí)也需要經(jīng)常檢測(cè)血糖值進(jìn)行校正。因這些及技術(shù)復(fù)雜,還未能很好地解決體外測(cè)試指標(biāo)與血糖關(guān)聯(lián)性較弱的這個(gè)難點(diǎn),到目前為還不是完全成熟的產(chǎn)品。
人們也在研發(fā)介于無創(chuàng)與有創(chuàng)之間的微創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù),比如應(yīng)用皮膚透析方式采集皮下組織液的連續(xù)監(jiān)測(cè)血糖的方法。其基本原理是使用一個(gè)電動(dòng)磨頭處理皮膚表面,將角質(zhì)層磨去,達(dá)到接近真皮的程度,利用帶有電化學(xué)傳感器的吸取頭將組織液持續(xù)吸出,測(cè)定其中的葡萄糖濃度,得到的數(shù)據(jù)用無線方式傳輸?shù)诫娔X或手機(jī)上。
臂膀植入血糖儀是由植入皮下的感應(yīng)器和外部的測(cè)量?jī)x兩部分組成,感應(yīng)器的直徑6毫米,厚如普通紙,無需電源驅(qū)動(dòng),當(dāng)患者在測(cè)量?jī)x前互動(dòng)帶有感應(yīng)器的臂膀時(shí),測(cè)量?jī)x就能借助脈沖的方式讀出患者的血糖值??梢赃B續(xù)采集動(dòng)態(tài)血糖數(shù)據(jù),每個(gè)傳感器可以使用24小時(shí),用于監(jiān)測(cè)患者的持續(xù)血糖變化。
還有利用半導(dǎo)體芯片加工技術(shù),將酶電極和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)射系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,通過手術(shù)置于患者皮下,定時(shí)測(cè)定將數(shù)據(jù)傳送到接收器,可以及時(shí)了解血糖水平。
以上無創(chuàng)和微創(chuàng)血糖測(cè)定技術(shù)多數(shù)還處于臨床試驗(yàn)階段,還存在不足,需要進(jìn)一步完善,但是可以確定的是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,老的的技術(shù)和方法早晚會(huì)被新技術(shù)、新方法取代,科學(xué)技術(shù)進(jìn)步無止境?,F(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)為人們打開了無限遐想的空間,為人類征服疾病提供了無限可能。
25.糖尿病治療的未來
上個(gè)世紀(jì)五十年代,美國(guó)沃爾特 鮑瑞斯(Walter Pories)醫(yī)生意外發(fā)現(xiàn)合并肥胖癥的糖尿病患者接受減重手術(shù)后,糖尿病病情明顯好轉(zhuǎn)。后來越來越多的證據(jù)表明,減肥手術(shù)能夠顯著降低糖尿病患者的高血糖,其效果優(yōu)于傳統(tǒng)藥物治療,甚至部分患者可以達(dá)到完全緩解。還可以使患者的體重、血脂和血壓等指標(biāo)亦得到明顯改善。
2009年,美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)發(fā)表的糖尿病診療指南首次將減重手術(shù)作為糖尿病治療措施之一,并建議符合手術(shù)條件的患者及早考慮接受手術(shù)治療。2014年《中國(guó) 型糖尿病防治指南》中也將糖尿病患者的減重手術(shù)列入治療措施之一。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,減重手術(shù)已成為一種比較成熟、療效良好的糖尿病治療方法。目前采用的減重手術(shù)主要有縮胃手術(shù)、胃旁路手術(shù)、胃束帶手術(shù)、胃內(nèi)水球療法,其中胃旁路手術(shù)和縮胃手術(shù)是目前減重手術(shù)的首選。胃旁路手術(shù)是將患者的胃分成上下兩部分,在小胃上切口處開一條“岔路”,接上截取的一段小腸,重新排列小腸的位置,達(dá)到改變食物在消化道的途徑,減緩胃排空速度,縮短小腸,降低吸收,從而達(dá)到減肥的目的。胃旁路手術(shù)應(yīng)用廣泛,除減重效果顯著外,對(duì)糖代謝及其他代謝指標(biāo)改善程度較高。
由于減重手術(shù)治療糖尿病起步較晚,公眾了解程度低,手術(shù)費(fèi)用相對(duì)較高等原因,目前減重手術(shù)治療糖尿病的推廣面臨一定難度。
圖75.胃旁路