光明实验室智慧医疗团队最新研究成果：“Wearable Vertical Graphene-Based Microneedle Biosensor for Real Time Ketogenic Diet Management”（用于实时生酮饮食管理的可穿戴微针生物传感器）已发表在中科院一区top期刊、nature index收录期刊Analytical Chemistry上。通讯作者为光明实验室刘轻舟副研究员和深圳大学许太林、张学记教授。

摘要

生酮饮食在治疗慢性疾病方面引起了人们极大的兴趣，但长期的生酮饮食也存在健康风险。尽管现代医学在诊断和治疗方法上取得了进步，但在这种饮食策略的个性化健康管理方面仍存在巨大差距。因此，本研究提出了一种用于实时监测酮体和葡萄糖的可穿戴微针生物传感器。这种微针阵列具有出色的机械性能，可对间质生物标记物进行持续取样，同时减少皮肤穿刺带来的疼痛。垂直石墨烯具有出色的导电性，使传感器具有 234.18 μA mM-1 cm-2 的高灵敏度和 1.21 μM 的低检测限。将这种完全集成的生物传感器用于人体志愿者时，它在跟踪动态代谢物水平方面显示出了极具吸引力的分析能力。此外，评估结果与商业血液测量结果具有显著的相关性。总之，这种经济高效的传感平台可以加速生酮饮食在个人营养和健康管理中的应用。

关键词：生酮饮食 酮体 微针生物传感器 间质生物标记物 垂直石墨烯

主要内容

过去几十年来，随着全球肥胖人口的增加，低碳水化合物饮食应运而生。生酮饮食（KD）因其作为癫痫饮食疗法的成功而大受欢迎。它是一种高脂肪、低碳水化合物饮食，当人体在极低糖状态下无法通过消耗葡萄糖产生能量时，就会产生酮体。酮体是脂肪氧化代谢过程中的中间代谢产物，包括乙酰乙酸、β-羟基丁酸（HB）和丙酮。其中，HB 是生酮饮食中内源性产生的主要能量底物，目前已被广泛用于治疗各种健康指征，如癫痫发作、糖尿病、肥胖症、阿尔茨海默病、 及其他疾病。用于治疗癫痫和阿尔茨海默病的生酮饮食可能会导致低血糖症。对于糖尿病患者来说，酮体的过度积累可能会导致糖尿病酮症酸中毒，而这被定义为一种可能危及生命的疾病。

目前，测量酮体和葡萄糖水平的方法主要依靠穿刺手指反复定期采血，这会给患者带来心理和生理上的痛苦。无创酮体监测技术非常有吸引力，但大多数研究在建立与血液采样的可靠相关性方面面临挑战。间质液（ISF）是血液流动过程中经毛细血管交换形成的一种体液，它与血清和血浆样本具有多种生物标志物。可以使用多种方法收集和分析 ISF，包括离子电泳法、声波电泳法、微透析法、微针法。在这些方法中，微针阵列提供了一种直接访问ISF的无痛方法。虽然一些研究已经证明了使用微针监测间质酮体水平的可行性，但大多数研究只证明了体外研究。

迄今为止，电化学传感器因其灵敏度高、成本低、使用方便等优点被广泛应用于生物标记物的监测和检测。最近，石墨烯因其比表面积大、导电率高、化学稳定性好等优异特性而被广泛应用于传感器的构建中。垂直生长在基底上的石墨烯具有独特的特征，如非团聚的三维网状形态、大量开放的超薄边缘和可控结构。这些特征使得垂直石墨烯具有高电化学活性和导电率等惊人特性。

因此，在这里，我们报告了一种基于微针的生物传感器，它能够实时监测间质酮和葡萄糖，可用于对保持生酮饮食的人进行主动健康管理。这种生物传感器由3D打印的微针和垂直石墨烯电极构成，可实现间质液标志物的双重检测。当微针按压并刺入皮肤后，空心微针阵列可持续收集 ISF，双分析电极则可对其进行检测。此外，本研究还集成了一个最小的电化学分析仪，可通过无线数据传输与智能设备同步。这种完全集成的生物传感设备在促进生酮饮食在肥胖症、癫痫、糖尿病和阿尔茨海默病等疾病治疗中的应用。

垂直石墨烯具有三维六角蜂窝晶格结构，因此具有比表面积大、导电性好和化学稳定性好等优异特性，一直是可穿戴传感器研究人员的兴趣所在。在本研究中，我们选择垂直石墨烯作为电极材料，以提高生物传感器的电化学传感性能。

微针是一种很有前途的装置，它可以穿透角质层，增强透皮提取或药物输送。重要的是，它们要足够坚固，能够承受插入和穿透时的力在可穿戴应用中，基于微针的设备引起的疼痛是日常健康管理中的一个关键问题。

先前的研究表明，当长度超过1000 μm时，微针引起的疼痛明显增加。在这项研究中，微针的高度被优化为1000微米，以最大限度地减少应用于人体皮肤时的疼痛。金字塔结构基于偏心通道设计，通过在中心保持坚固的肋骨来增强它们对皮肤渗透的抵抗力微针的其他几何参数如图3所示。利用先进的3D打印技术，微针阵列的尺寸为15.75 mm×15.75 mm。

通过跟踪ISF中人体代谢物水平的变化，评估了这种基于微针的健康监测传感器的有效性。用户佩戴配有电化学微工作站的微针传感器，并记录每30分钟(30、60、90和120分钟)摄入酮和葡萄糖补充剂之前(0分钟)和之后的电流响应。同时，将微针传感器测量的结果与市售血酮/血糖仪测量的数据进行比较，以建立生物传感器用于皮下检测的可靠性。结果表明，ISF样本与血液样本之间酮类分析和葡萄糖分析呈现较高的相关性。

总结

本研究提供了一种用于ISF双重检测的微创传感装置。作为传感器的关键部件，3d打印微针阵列具有优异的机械性能，不仅可以连续提取ISF标志物，还可以确保皮肤穿刺时的安全性。此外，电极的材料、几何形状和试剂配置都经过精心优化，以最大限度地提高生物传感器的分析性能。在这两种成分的协同作用下，生物传感器表现出优异的分析性能。在身体监测期间，我们记录受试者服用酮或葡萄糖补充剂前后的HB/葡萄糖水平，并将结果与血酮或葡萄糖水平进行比较。与血液测量的强相关性表明，我们的传感器有潜力作为测定代谢物水平的替代方法。通过集成电化学工作站，电化学传感器的信号可以通过无线传输技术发送到移动设备，这对于以患者为中心的远程监测具有重要意义。

综上所述，本研究证明了开发用于生酮管理的微针生物传感器的可行性，促进了生酮饮食在个人医疗保健中的推广和发展。

END

素 材 丨 光明实验室智慧医疗团队

编 辑 丨 李沛昱