用于无创实时检测血糖水平的光学装置和方法

专利名称：用于无创实时检测血糖水平的光学装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于无创实时检测糖尿病患者血糖水平的装置和方法。具体来讲，本发明涉及包含接触镜的光学装置，所述接触镜上印有、刻有、涂有或以其它方式布有葡萄糖感测光学图案，或者葡萄糖感测光学图案被并入所述接触镜内部。所述指示图案进ー步包含含有硼酸衍生物的葡萄糖感测涂层，该硼酸衍生物在葡萄糖存在下反应产生可读的图案，该图案随后可与预先測定的或预先校准的血糖水平相关联。偏振光源是可用于读取指示图案的ー种方法。本发明还涉及使用本发明的光学装置定量血糖水平的方法和将葡萄糖感测涂层布置在接触镜材料上或并入接触镜材料中的制造方法。
背景技术：
由于葡萄糖传感器在糖尿病诊疗中的重要性，其长期以来都是研究的课题。国际糖尿病联盟最近报告全世界有超过1. 77亿糖尿病患者，在发展中国家这个数字可能显著増加。此外，肥胖是不断増加的公众健康问题。糖尿病被认为是超重患者的主要医学并发症。糖尿病还是心血管或脑血管疾病的危险因素。因此，糖尿病患者血糖水平的监测牵连许多共存病态。现在糖尿病患者在临床中使用手持式电化学葡萄糖感测装置或血糖仪用于监测血糖水平。这些血糖仪使用包含电极的试纸条，血样放置在上面。电极包含的其中ー种成分是葡萄糖氧化还原酶。葡萄糖检测是基于由葡萄糖氧化还原酶催化的葡萄糖的氧化。当暴露于血样吋，电极即通过同与电极表面结合的电子耦合器(如ニ茂铁)检测在葡萄糖和酶之间的反应中生成的电子。取决于样本中葡萄糖的浓度，生成或多或少的电子。生成的电子数目被換算成葡萄糖浓度的数值读数。血糖仪使用通过对手指或手臂的针扎孔获得的血样提供便利的一次(one-shot) 血糖測量。这些电化学葡萄糖传感器的成功开发和商业化为糖尿病患者提供了用于其慢性疾病状态的监测和自我管理的重要手段。尽管如此，血糖仪并不是没有缺点。许多糖尿病患者抱怨与频繁的监测计划所需要的重复针扎相关的疼痛。大部分常规测量仪在每次购买新的试纸条补充品时都需要校准。此外，试纸条被特定地设计用于其相应的测量仪，仅可使用一次，并且非常昂贵。即使是所谓的“自校准”或“无校准”測量仪，也必须使用特定的试纸条。试纸条的存放期有限， 如果试纸条超过有效期那么测量仪将不会起作用。再一个优点是获得的结果并不总是可靠的并且受采血技术严重影响。这对老年人或残疾人是特別重要的，他们可能不具有操纵试纸条和测量仪或获得适当样本的娴熟手法。本领域认识到需要精确、可靠的最小创伤技术以在取样和读出之间最少的时间来分析血糖而没有上述与血糖仪相关的缺点。“Gluco Watch”基于通过皮肤的体液离子导入萃取，它是ー种已经开发出来用于血糖的最小创伤监测的方法。虽然和使用传统的血糖仪相比不适较少，但是该装置在获得样本和获得血糖浓度读数之间仍有显著的时间延迟。所述方法也存在若干校准缺点。其它策略目前正在研究用于无创葡萄糖监测，包括使用近红外(NIR)光谱和植入式传感器。这些策略的目标是使与传统方法相关的不适和成本最小化并且允许“实时”监测或在取样和读出之间的时间非常短。迄今，这些目标还没有实现。危重患者中的分析物(如葡萄糖)的体内“实时”监测在生物传感器设计和制作中仍然是长期而艰难的目标。尽管进行了大量的研究，适于创伤最小或无创的重复实时检测的长期植入式葡萄糖传感器的开发还没有实现。ー个主要的问题是所述研究迄今还是基于葡萄糖与酶的反应。该途径遇到的主要困难是用干与葡萄糖反应的酶的短半衰期、来自酶辅因子的并发症，和感测界面与身体的生物不相客。制作的高成本和校准的复杂性使得这些植入式传感器的批量生产存在困难。此外，由酶和其它生物材料构成的生物传感器通常与体内应用需要的常用灭菌方法是不相容的。因此在生物流体中的葡萄糖感测和糖分析在生物分析科学中仍然是一座“圣杯”。 糖分子在水溶液中通常显示非常低的光学密度和光谱特征。直接的光谱测量也因在水溶液中的强氢键和构象变化所造成的峰增宽而变得复杂。“实吋”分析尚没有实现。葡萄糖分析的替代研究正在进行中。在过去的十年，基于苄基氨基硼酸，对用于葡萄糖分析的电子转移荧光猝灭传感器投入了大量的研究。该方法有两个化学结构难点。第一，发射荧光团的能量必须与用于电子转移荧光猝灭的氨基的非键电子相匹配。这需要激发光处于生物分子也吸收和发荧光的UV波长。第二，苄基硼酸通常在pH8以上与葡萄糖结合。在生理pH，氨基上的质子化与用于结合葡萄糖的硼配位竞争发生，因此使得该途径不可行。作为上述基于酶反应的感测方法的另ー个替代方案，使用合成“受体”作为光谱转换器单元的亲和カ感测(或结合)被认为是有前途的“植入式”途径。如同在受体-配体或抗体-抗原的相互作用中，与这种类型的感测机理相关的分子识别过程不涉及化学反应， 并且在定量酶辅因子对反应速率的影响中的困难因此被消除。亲和カ结合也是允许相对容易地与光学和电子检测方法耦合的传感器设计的最广泛适用的机理之一。在开发基于亲和力的葡萄糖传感器中，具有可行的精确的分子识别技术是重要的。苯基硼酸和ニ醇之间的可逆的共价络合是已经得到广泛研究(特別是对于葡萄糖传感器)的一种此类技木。(其它常用的分子识别技术如氢键相互作用在这些条件下通常是无效的。)葡萄糖存在两种基本结构一直链和环。环结构在超过99%的环境中占优势。环结构有两种形式α-葡萄糖和β-葡萄糖。这两种形式相互转化并且当葡萄糖溶于水时存在平衡。具体来讲，在水溶液中，葡萄糖相互转化成若干结构形式，包括α-D-吡喃葡萄糖、 β-D-吡喃葡萄糖、α-D-呋喃葡萄糖和β-D-呋喃葡萄糖。这些结构具有可与硼酸形成可逆的共价键/络合物从而形成硼酸酷的1，2- ニ醇结合位点。因为葡萄糖的迅速的结构相互转化和葡萄糖/硼酸络合物的可逆性，葡萄糖、硼酸盐、硼酸酷和其它酸-碱物种在水溶液中形成复杂的平衡。据发现，在正常生理pH和血糖浓度的条件下，大部分葡萄糖分子和硼酸不结合， 因为它们的双分子缔合常数过小(即使用如甲醇的有机溶剂作为助溶剤，仍小于15)。因此， 使用硼酸用于葡萄糖感测应用的可能性被这些典型的低双分子结合等温线阻碍。简而言之，结合强度不足以经得起对生理感测有用的化学(如PH)和物理(如温度)条件的小的波动。为了实现对于用于糖尿病患者护理的葡萄糖感测应用的必要的选择性和特异性， 具有与多克隆抗体类似的结合亲和力的硼酸是有必要的。已经找到具有高葡萄糖结合亲和力的硼酸。大部分研究工作致カ于使用双和多硼酸骨架(分子结构)实现底物如葡萄糖的识别和需要的螯合结合。在报道的有利案例中，由于ニ齿和多齿结合的螯合效应，在适合的骨架上适当地隔开的硼酸的固有选择性和敏感性与基于酶的感测方法相匹敌。基于聚合物的硼酸酯也被开发用于糖络合，显示类似的結果。在阿克伦大学，首先发现当将氮原子直接并入带有硼的芳香族环时芳香族硼酸的葡萄糖的双分子结合显著地更多。在生理PH，该氮原子在水溶液中被质子化，这引起硼酸位点被三醇结合从而与葡萄糖形成更稳定的两性离子络合物。具体来讲，发现3-吡啶基硼酸(两性离子芳基硼酸)在葡萄糖的3、5、6_三醇处结合葡萄糖，这迫使葡萄糖主要采取 α-D-呋喃葡萄糖形式。这允许α-D-呋喃葡萄糖的1，2_ ニ醇为直立的(axial)，便干与相当的结合等温线的另一种此类硼酸的特异性紧密结合。因此，3-吡啶基硼酸通常在生理条件下与葡萄糖(mM浓度)形成2:1络合物。这个发现是值得注意的并且对于开发对本文中描述的接触镜葡萄糖传感器有用的新材料是重要的。结合微小的非酶植入式传感器使用用于糖尿病患者葡萄糖监测的基于芳基硼酸的分子传感器的设计和实现实验(可被光学读取并且包含聚合物包封的吡啶基硼酸和衍生物)描述于W02006/050164，该专利以引用方式并入本文。简单地说，植入式聚合物胶囊被设计成在人体中生物相容或生物可降解。所植入传感器的可逆的结合反应的无创比色和拉曼光谱读出被证实。这允许在使用拉曼光谱/光谱显微术的体内感测和分子成像中使用化学增强剂。虽然证实取得显著的进步，这些植入式传感器从日常的监测观点来看是不实用的。拉曼光谱和其它光学读出方法在大多数环境中不便使用。植入的传感器本身可能受到排斥，引起ー些刺激，或有功能失常的倾向。总之，植入式传感器和拉曼光谱是非常昂贵的。 因此，仍对负担得起的、使用方便的、可靠的和精确的血糖检测方法有需要，该方法也是无创的并近似“实时”值。对于糖尿病患者而言，坚持葡萄糖监测的例行计划和自我管理是重要的。血糖的严格控制与糖尿病患者的共存病态的发生率降低相关。此外，如果病状的检测可以更早和更容易并且如果血糖可被以最少的患者不适和成本在日常基础上监測，那么患有糖尿病和其并发症的患者的预后可得到实质性改善。如果有无创和负担得起的方法可用，那么可获得显著的优势，以便可以更频繁地监测患者的血糖并且严格地随时间控制，理想地是通过 “实吋”监测方法，而没有上述其它方法伴随的缺点。近来的研究显示人眼泪中含有约10-15%的血糖(血浆葡萄糖)，与血液值有约20 分钟的延迟。眼泪是间质液。通过扩散极限平衡，间质液中的葡萄糖浓度通常追随特定生理条件下血浆中的葡萄糖浓度并与之良好地相关。泪腺的定义明确的扩散曲线和眼睛周围的丰富的微循环导致在血浆和眼泪之间的葡萄糖浓度的可靠相关性而几乎无延迟时间。因此，用无创采样技术从眼泪间接地监测血糖(血浆葡萄糖)是可行的。从临床观点来看，可使用眼泪中的葡萄糖浓度，以与常规的血糖监测相同的效果来监测糖尿病患者的血糖，常规的血糖监测直接从手指或手臂的新的针扎孔取血。本发明描述ー种使用可佩带在患者眼睛中的光学装置监测眼泪中的葡萄糖的新技木。一个实施方案是软性接触镜，并有以图案形式压在、印在、刻在或者以其它方式施加或布置在接触镜表面、或者嵌入或衬在或以其它方式并入接触镜内部的葡萄糖感测涂层材料。当暴露于葡萄糖吋，涂层材料分子即通过介晶重取向改变其光学性质，图案变得可通过 ー种或多种方法读取。在一种此类方法中，血液中的葡萄糖浓度水平可通过患者使用简单的技术(如偏振光源)实时地观察到。葡萄糖感测涂层材料被设计成能实现高选择性和精确性。该途径提供ー种用于感测和监测糖尿病患者的血糖的新的完全无创装置和方法。校准可通过改变涂层材料中的葡萄糖感测分子的浓度实现。虽然校准不是必要的，但如果关于基于患者特异因素(如解剖组织、循环问题、眼泪体积等)的可靠性有任何疑问，患者可通过使用常规的针扎血浆糖取样技术和相关的电子血糖仪校准或核对装置。不过，令人痛苦的针扎程序的次数可大大減少， 而不会损失感测精确性，并且因此实现了患者对严格的监测方案的高顺应性。本发明还涉及使用成型技术将本发明的葡萄糖感测涂层并入典型的水凝胶接触镜材料的制造方法。虽然本发明有助于直接通过糖尿病患者使用简单的偏振光装置进行无创监测血糖，但是本发明的光学装置还可与成像装置(如照相机)一起使用，所述成像装置在感测响应葡萄糖的光学图案中的改变时可提供对监测葡萄糖水平有用的自动化的数值读数。这些读数不仅可用于例行监测，而且如果血糖水平变得过高或过低还可用于警告。它们还可用作用于装置如人工胰腺或胰岛素泵(它有助于调节胰岛素释放并且因此调节血糖在正常生理限度内)的闭环传感器。

发明内容
本发明涉及能够在眼中使用的葡萄糖感测光学涂层的设计和制造，此类涂层在葡萄糖感测接触镜(或其它眼部插入剂)的设计中的应用，和用于监测和定量基于眼泪的无创实时血糖浓度监测方法的结果以及临床实施的方法。在一个实施方案中，本发明涉及包含3-吡啶基硼酸、取代的吡啶基硼酸衍生物或其混合物并组合聚合物材料(包括但不限于具有各种形态的聚合物)或溶致液晶材料的葡萄糖感测涂层。在另ー个实施方案中，本发明涉及表面上布置有，透镜内部嵌有或接触镜材料中村有由葡萄糖感测涂层形成的图案的接触镜。在又一个实施方案中，本发明涉及监测血糖的方法，其中布置在接触镜上的涂层与血糖相互作用产生图案，该图案随后使用偏振光源读取。在又一个实施方案中，描述了将葡萄糖感测光学涂层并入接触镜材料的制造方法。最后，除了使用偏振光源的读数之外，本发明还可与其它装置一起使用，如成像摄像机，它可以提供自动化的数值读数，这又可用作调控其它装置的反馈。
具体实施方式
已经开发出使用基于亲和力的葡萄糖感测机制而非基于酶的感测机制的葡萄糖感测光学涂层。这些涂层基于3-吡啶基硼酸和相关的结构或取代的吡啶基硼酸和衍生物， 其随后可与现有的软性接触镜材料組合(布置在上面或并入内部或其中)。所述涂层使用具有各种形态的聚合物和/或液晶，其中包括直链、支链、星形、梳形、树枝状和纳米粒子结构。这些新的工程涂层材料可自组装成片状、柱状和其它超分子部件，以功能化金属(金)纳米粒子和纳米棒。它们可以是大分子或小分子。它们必须是与接触镜材料相客的。可以使用聚合物如水凝胶、树枝状聚合物或纳米粒子組合上述硼酸设计的涂层的结构实例如下所示。
权利要求
1.ー种布置在接触镜或眼部插入剂上或者并入接触镜或眼部插入剂内的葡萄糖感测涂层，其包含3-吡啶基硼酸、取代的吡啶基硼酸衍生物或其混合物；和聚合物或液晶，其中所述聚合物或液晶与常规的接触镜材料是相容的。
2.根据权利要求1所述的涂层，其中所述聚合物包含直链、支链、星形、梳形或树枝状聚合物；或自组装纳米粒子；或其混合物。
3.根据权利要求1所述的涂层，其中所述聚合物包含聚异氰酸酷、聚酰胺、硅基聚合物、梳形聚合物液晶或盘状液晶或其混合物。
4.根据权利要求2所述的涂层，其中所述纳米粒子是金属的并且包含银或金或其混合物。
5.一种用于測定血糖水平的装置，其包含接触镜，其表面布有葡萄糖感测涂层，或其内部嵌有或村有葡萄糖感测涂层，所述葡萄糖感测涂层包含；3-吡啶基硼酸、取代的吡啶基硼酸衍生物或其混合物与聚合物或液晶材料組合； 其中所述涂层以光学图案形式布置在所述接触镜的表面或者嵌入或衬在所述接触镜的内部；其中所述图案响应存在于眼泪中的葡萄糖而变化；以及其中所述图案可通过使用易得的偏振光源来读取。
6.一种测定血糖的方法，其包括将接触镜放入眼中，所述接触镜具有以图案形式布置在所述接触镜的表面或者嵌入或衬在所述镜片内部的葡萄糖感测涂层，其中所述涂层包含3-吡啶基硼酸、取代的吡啶基硼酸衍生物或其混合物，与聚合物或液晶材料組合； 提供偏振光源；以及读取由眼泪中的葡萄糖与所述葡萄糖感测涂层之间的相互作用产生的图案；以及使所述图案与预先校准的葡萄糖水平相关联。
7.—种制造葡萄糖感测光学装置的方法，其包括以下步骤 向模具中提供接触镜材料；使所述材料部分固化以形成第一层；使用葡萄糖感测光学涂层在所述第一层上形成光学图案；在所述光学图案上方向所述模具中注入第二层接触镜材料；以及固化。
8.ー种用于监测血糖水平的方法，其包括提供光学装置，所述光学装置上面以图案形式布置有葡萄糖感测光学涂层； 使用成像装置读取所述光学涂层图案响应葡萄糖水平的变化；以及使来自所述成像装置的读数与预先測定的葡萄糖水平相关联。
9.根据权利要求8所述的方法，其进ー步包括使用来自所述成像装置的所述读数作为用于其它装置如胰岛素泵或人工胰腺的闭环传感器。
全文摘要
一种用于无创实时检测糖尿病患者的血糖水平的装置和方法。具体来讲，本发明涉及包含接触镜的光学装置，所述接触镜上印有、刻有、涂有或以其它方式布有葡萄糖感测光学图案，或者葡萄糖感测光学图案被并入所述接触镜内部。所述指示图案进一步包含含有硼酸衍生物的葡萄糖感测涂层，该硼酸衍生物在葡萄糖存在下反应产生可读的图案，该图案随后可与预先测定的或预先校准的血糖水平相关联。偏振光源是可用于读取所述指示图案的一种方法。本发明还涉及使用本发明的光学装置定量血糖水平的方法和将葡萄糖感测涂层布置在接触镜材料上或并入接触镜材料中的制造方法。
文档编号C12Q1/54GK102596013SQ201080050192
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月18日
发明者J·J·胡 申请人:阿克伦大学