专利名称：：皮下葡萄糖传感器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于测量皮下组织内的葡萄糖的传感器和皮下葡萄糖测量的方法。
背景技术：
：对I型和2型糖尿病患者的研究成果(TheDiabetesControlandComplicationsTrial、EpidemiologyofDiabetesInterventionsandComplications和UnitedKingdomProspectiveDiabetesStudy)已表明，通过频繁监测以及治疗应用或饮食管理更好地控制葡萄糖会改善患者的结果(减缓眼、肾和神经疾病和降低心脏血管疾病和中风的风险)。然而，使用者反对通过指刺频繁采血，然后通过多种可用的手持式血糖仪测量葡萄糖浓度。对于目前使用的葡萄糖监测技术的另一难点在于它仅提供葡萄糖水平的间歇测量。对于“脆弱的”糖尿病，葡萄糖起伏现象经常猛烈且频繁，并难以置于控制之下，因而作为预防低血糖，连续监测葡萄糖具有显著优点，尤其是在睡眠期间。有时，将不固定的胰岛素输液泵植入糖尿病患者。在此类病人中，需要连续监测葡萄糖以避免疏忽低血糖。家庭类糖尿病患者连续地测量葡萄糖必须通过实际接入部位来进行。接入静脉或动脉放置传感器对于家庭糖尿病患者将会是行不通的。然而，皮下组织已被确定为可行的接入点。已开发了通过皮下组织接入葡萄糖的连续的葡萄糖传感器，通常基于电化学技术和葡萄糖选择性酶，如葡萄糖氧化酶。这些传感器对酶的变性敏感，尤其是在生物环境下对酶的变性敏感。而且，因为它们消耗葡萄糖，且依赖葡萄糖对传感器电极的恒定扩散，所以易受误差和漂移影响。对于“植入”I至5天或更久的传感器，传感器漂移是主要问题。因此，目前可用的技术对于开发在家庭环境内连续监测葡萄糖的可行葡萄糖传感器存在重大阻碍。对于电化学装置的可替代技术为使用光学传感器，例如基于荧光强度测量的那些传感器。例如，已开发了利用荧光团硼酸化学品作为葡萄糖指示剂的可逆非消耗性荧光光学传感器。此类传感器作为测定葡萄糖浓度的单元测量发射的荧光强度上的变化。此类硼酸葡萄糖指示化学试剂具有对葡萄糖可逆、非消耗且比常用于电化学葡萄糖传感器的酶如葡萄糖氧化酶更稳定的优点。它们在水凝胶内还能够容易地固定到光学纤维上。然而，对于此类荧光强度测量装置的具体缺点在于需要校准装置。对于荧光强度测量，发射信号取决于指示剂浓度、路径长度和激发强度。为了提供精确读数，必需校准该装置。对于荧光强度测量的更多难点在于指示剂能承受表现为传感器漂移的光漂白，从而需要定期重新校准。考虑到家庭使用传感器的校准，使用者依从是特殊问题，因而重新校准或实际上完全校准的需要是不令人满意的。因此，尽管已进行大量工作去开发适用于家庭使用的葡萄糖传感器，但仍需要适用于在家庭环境下连续监测葡萄糖的葡萄糖传感器。该传感器应为非侵害的或使用可行的接入点，如皮下组织。而且，传感器应最小化或避免传感器漂移的难点并理想地避免使用者校准的需要。
发明内容本发明提供一种适用于家庭使用，例如糖尿病病人使用的皮下光学传感器，所述皮下光学传感器用来解决这些困难。本发明的传感器利用荧光团的荧光寿命上的变化，通过监测特定类型荧光团的寿命来精确测量皮下组织内的葡萄糖浓度。指示剂的荧光寿命为固有性能，且与光源强度、检测器灵敏度、光学系统(如光学纤维)的光通量、固定的传感厚度和指示剂浓度上的变化无关。此外，在测量荧光强度时转化为信号漂移的荧光团的光漂白(photobleaching)远小于测量荧光寿命时的显著性。这意味着与基于强度的测量相比，在测量荧光寿命时无需补偿这些变量。因而，对于此类装置的终端使用者，这意味着不需要校准或重新校准。因此，皮下葡萄糖的寿命测量在传感器性能、校准和终端使用者易于使用方面具有超出基于强度的测量的显著优势。然而，本领域中对于开发实际有用的寿命测量装置存在相当大的障碍。精确测量荧光寿命所需的仪器目前昂贵且体积庞大。这不适于发展为家庭使用的传感器，家庭使用中最需要小型、便宜且易于操作的仪器。长寿命(>100ns)的荧光金属_配体/硼酸络合物用作葡萄糖光学测量的指示剂能促进小型低成本仪器如用于激发的发光二极管、光电二极管检测器、相位荧光计和查找表(lookuptable)的使用。然而，在使用此长寿命荧光团测量葡萄糖上存在问题。长寿命荧光团始终与氧经历荧光碰撞淬灭，该淬灭的程度与未淬灭的寿命成比例。具有长荧光寿命的金属配位络合物常用于氧的检测和测定。因而在这些长寿命指示剂用于监测组织、细胞间液或血液，或一些其它体液内的葡萄糖时，氧可看作干扰(intereferent)。氧干扰对于运输至周围组织的氧可能会折衷和易变且传感器通常位于非常接近组织表面处的糖尿病患者的皮下葡萄糖测量是特殊问题。然而，本发明的传感器通过提供使用小型低成本仪器能够测量低于IOOns寿命的特定装置而解决了这些问题。因而，本发明能在适用于家庭使用的传感器上实现寿命测量的优点，并消除或减少氧敏感性的难点。因此，本发明提供一种用于测量皮下组织内葡萄糖的葡萄糖传感器，所述传感器包括用于皮下插入的探针，所述探针包括指示剂系统，所述指示剂系统包括选择性结合至葡萄糖的受体和与所述受体关联(associated)的荧光团，其中所述荧光团具有低于IOOns的荧光寿命；探测头，所述探测头与所述探针光学连接，并位于身体外；光源；和检测器，所述检测器布置用于接收由所述指示剂系统发射的荧光，其中所述光源和检测器可选地位于所述探测头内；其中，所述传感器布置用于通过监测所述荧光团的荧光寿命来测量皮下组织内的葡萄糖浓度。根据优选的实施方式，所述检测器为单光子雪崩二极管。在第一频率下调制由所述光源发射的光的强度，并在不同于第一频率的第二频率下调制对所述单光子雪崩二极管施加的偏压。所述偏压高于所述单光子雪崩二极管的击穿电压。所述偏压的选择意味着不但保持所述检测器的单光子敏感性，而且具有能使用外差测量法的优点。换言之，来自所述单光子雪崩二极管的值得关注的所得测量信号处于与第一频率和第二频率之差对应的频率。第一频率和第二频率可具有约IMHz或更高的量级，但可以它们之差具有例如约数十kHz量级的方式选择。因此，测量电子元件的运行带宽可远低于第一和第二调制频率，从而可进行更简单的设计并对噪声的敏感性较低。进一步有利的方面为在所述光源的调制信号中引入一系列的附加相位角(或等于相位移的时间延迟)。然后能获得使测量信号的调制深度与所引入的相位角相关的一系列测量。分析这些结果能改进荧光寿命测量的整体精度。本发明还提供了一种用于本发明的葡萄糖传感器中的一次性探针单元，包括(a)用于皮下插入的探针，所述探针包括本发明的指示剂系统；和(b)连接器，所述连接器布置用于可选地将所述探针与探测头连接，所述探测头包括光源和检测器，或探测头自身进一步可选地与光源和检测器连接。本发明还提供了一种适用于连接至分离的探针单元的探测头，其中所述探测头包括检测器，所述检测器为单光子雪崩二极管，所述检测器布置用于接收来自所述探针单元的光，所述探测头适用于监测低于IOOns的荧光寿命。本发明还提供了一种测量皮下组织内的葡萄糖浓度的方法，所述方法包括(a)将本发明的传感器的探针插入皮下组织；(b)由光源对指示剂系统提供入射光；(C)使用检测器接收由所述指示剂系统响应所述光源对所述指示剂系统入射的光而发射的荧光，并产生输出信号；和(d)至少基于所述检测器的输出信号确定与突光团的突光寿命相关的信息。图I示出了本发明的皮下葡萄糖传感器。图2单独示出了构成本发明的传感器的探针和探测头以及读数单元。图3示意性示出了本发明一个实施方式中包含在探测头内的电子设备和包含在读数单元内的电子设备。图4示出了根据优选实施方式的传感器设备。图5为根据本发明优选实施方式的葡萄糖浓度测量方法的流程图。具体实施方式本文中使用的术语亚烷基为包含例如I至15个碳原子诸如CV12亚烷基部分、CV6亚烷基部分或Cy亚烷基部分的直链或支链烷基部分，如亚甲基、亚乙基、正亚丙基、异亚丙基、正亚丁基、异亚丁基和叔亚丁基。为了消除两个亚烷基部分存在于一个基团中的疑虑，各亚烷基部分可相同或不同。亚烷基部分可为未取代的或取代的，例如亚烷基部分可具有一个、两个或三个选自齒素、轻基、氣基、(CV4烧基)氣基、_.((V4烧基)氣基和CV4烧氧基中的取代基。优选地，亚烷基部分为未取代的。本文中使用的术语芳基或亚芳基是指可为单环或多环的C6_14芳基或部分，如苯基、萘基和芴基，优选苯基。芳基可为未取代的或在任何位置取代。通常，它可具有0、1、2或3个取代基。芳基上优选的取代基包括卤素、C1^15烷基、C2_15烯基、-C(O)R(其中R为氢或Ch5烷基)、-CO2R(其中R为氢或CV15烷基)、羟基、CV15烷氧基，且其中上述取代基自身都是未取代的。本文中使用的杂芳基通常为包含选自0、S和N的至少一个杂原子如1、2或3个杂原子的5至14元芳族环,如5至10元环,更优选5至6元环。实例包括噻吩基(thiophenyl)、呋喃基、吡咯基和吡啶基。杂芳基可为未取代的或在任何位置取代。除非另作陈述，杂芳基具有0、1、2或3个取代基。杂芳基上优选的取代基包括上述关于芳基所列的那些取代基。本发明提供用于测量皮下组织内的葡萄糖浓度的传感器和测量技术。将包括指示剂系统的探针插入皮肤下的皮下组织内。提供一个或多个孔以能使周围组织内的葡萄糖进入探针并与指示剂系统中包括的受体结合。通常，探针与皮下组织和皮肤下的细胞间液接触。因而，来自细胞间液的葡萄糖进入探针，从而传感器反映该细胞间液内的葡萄糖浓度。指示剂系统包括在探针内，因而在传感器的使用期间位于皮肤下。因此，进入探针的葡萄糖迅速接触指示剂系统。因而，本发明避免了与在接触指示剂之前运输葡萄糖至传感器装置的体外部分的装置相关的时间延迟。在葡萄糖与指示剂系统的接触时，受体与葡萄糖分子之间发生结合。结合至受体的葡萄糖分子存在会引起指示剂系统的荧光寿命发生变化。由此，指示剂系统内的荧光团寿命的监测提供了结合至受体的葡萄糖量的示数。通过监测寿命衰减来测量葡萄糖浓度之前已由Lakowicz在分析生物化学(AnalyticalBiochemistry294,154-160(2001))中说明。本文中说明了通过相位调制进行的测量，但相位调制和单光子计数技术都适用于本发明。优选相位调制。指示剂系统包括至少一个与葡萄糖选择性结合的受体，和与该受体关联的荧光团。荧光团的荧光延迟的寿命在葡萄糖结合至受体时改变，从而允许通过监测荧光团的寿命来检测葡萄糖。在一个实施方式中，受体与荧光团彼此共价结合。用于葡萄糖的适宜受体为酶类和包含一个或多个、优选两个硼酸基的化合物。在具体的实施方式中，受体为通式(I)的基团权利要求1.一种用于测量皮下组织内葡萄糖的葡萄糖传感器，所述传感器包括用于皮下插入的探针，所述探针包括指示剂系统，所述指示剂系统包括选择性结合至葡萄糖的受体和与所述受体关联的荧光团，其中所述荧光团具有低于IOOns的荧光寿命；探测头，所述探测头与所述探针光学连接，并位于身体外；光源；和检测器，所述检测器布置用于接收由所述指示剂系统发射的荧光，其中所述光源和检测器可选地位于所述探测头内；其中，所述传感器布置用于通过监测所述荧光团的所述荧光寿命来测量皮下组织内的葡萄糖浓度。2.根据权利要求I所述的传感器，其中，所述检测器为单光子雪崩二极管。3.根据权利要求2所述的传感器，进一步包括驱动器，所述驱动器布置用于在第一频率下调制光源强度；偏压源，所述偏压源布置用于对所述单光子雪崩二极管施加偏压，其中在不同于所述第一频率的第二频率下调制所述偏压，且其中所述偏压高于所述单光子雪崩二极管的击穿电压；和信号处理器，所述信号处理器布置用于至少基于所述单光子雪崩二极管的输出信号来确定与所述荧光团的荧光寿命相关的信息。4.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述受体为酶或包含一个或多个硼酸基的化合物。5.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述荧光团具有30ns或更短的荧光寿命。6.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述荧光团具有20ns或更长的荧光寿命。7.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述荧光团为非金属荧光团。8.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述指示剂系统包括结合至水凝胶的荧光团-受体结构体。9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述水凝胶为具有至少30%w/w的水含量的液体水凝胶。10.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述指示剂系统以水溶液提供。11.根据前述任一项权利要求所述的传感器，包括(a)非一次性探测头和(b)—次性探针单元，所述一次性探针单元包括所述探针和连接器，所述连接器布置用于将所述探针与所述探测头连接。12.根据前述任一项权利要求所述的传感器，进一步包括读数单元，所述读数单元用于连接至所述探测头或接收来自所述探测头的数据，其中所述光源和检测器可选地位于所述读数单元内。13.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述探测头包括所述光源和检测器，且另外包括电源和传输器，所述传输器布置用于将与所述检测器的输出相关的数据无线传输给接收器，且其中所述读数单元包括布置用于接收由所述传输器传输的数据的接收器。14.根据前述任一项权利要求所述的传感器，进一步包括微处理器和存储器，所述微处理器布置用于控制所述传感器以规定的间隔提供两次或更多次的葡萄糖浓度测量，所述存储器布置用于存储关于荧光寿命数据或葡萄糖浓度的信息。15.一种在权利要求I至14中任一项所述的葡萄糖传感器中使用的一次性探针单元，包括(a)用于皮下插入的探针，所述探针包括权利要求I或4至10中任一项所述的指示剂系统；和(b)连接器，所述连接器布置用于可选地将所述探针与探测头连接，所述探测头包括光源和检测器，或所述探测头自身进一步可选地与光源和检测器连接。16.一种适用于与分离的探针单元连接的探测头，其中所述探测头包括检测器，所述检测器为单光子雪崩二极管，所述检测器布置用于接收来自所述探针单元的光，所述探测头适用于监测低于IOOns的荧光寿命。17.根据权利要求16所述的探测头，其中，所述探测头适用于监测20ns或更长的荧光寿命。18.—种测量皮下组织内的葡萄糖浓度的方法，所述方法包括(a)将权利要求I至11中任一项所述的传感器的探针插入皮下组织；(b)由光源对指示剂系统提供入射光；(c)使用检测器接收由所述指示剂系统响应所述光源对所述指示剂系统入射的光而发射的突光，并产生输出信号；和(d)至少基于所述检测器的输出信号来确定与所述荧光团的荧光寿命相关的信息。19.根据权利要求18所述的方法，所述方法进一步包括(e)将与所述检测器的输出信号相关的数据或与所述荧光团的所述荧光寿命相关的数据无线传输给位于读数单元内的接收器，其中步骤(e)可在步骤(d)之前或之后进行。20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述检测器为单光子雪崩二极管，且所述方法进一步包括以下步骤(f)在第一频率下调制光源强度；和(g)对所述单光子雪崩二极管施加偏压，其中在不同于所述第一频率的第二频率下调制所述偏压，且其中所述偏压高于所述单光子雪崩二极管的击穿电压。21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，通过以规定的间隔至少进行步骤(b)、(C)和(d)两次或更多次并将所得的信息存储在存储器中来连续监测葡萄糖浓度。全文摘要一种用于测量皮下组织内葡萄糖的葡萄糖传感器，所述传感器包括用于皮下插入的探针，所述探针包括指示剂系统，所述指示剂系统包括与葡萄糖选择性结合的受体，和与所述受体关联的荧光团，其中所述荧光团具有低于100ns的荧光寿命；探测头，所述探测头与所述探针光学连接，并位于身体外；光源；和检测器，所述检测器布置用于接收由所述指示剂系统发射的荧光，其中所述光源和检测器可选地位于所述探测头内；其中，所述传感器布置用于通过监测所述荧光团的所述荧光寿命来测量皮下组织内的葡萄糖浓度。文档编号A61B5/145GK102939539SQ201180016465公开日2013年2月20日申请日期2011年2月15日优先权日2010年2月19日发明者巴里·科林·克兰,阿拉斯代尔·艾伦·麦肯兹,尼尔·凯恩斯,约翰·吉尔克里斯特申请人:灯船医药有限公司