编者按：
随着慢性疾病人群的不断扩大，对疾病实时和便捷的监测，显得尤为重要。因此生物传感器应运而生，这种能够快速、简单地检测分子信号的小型设备，在逐渐占领医疗市场。
今天，我们特别关注生物传感器在家庭监测和实时监测方面的进展与相关的企业，希望本文能够为相关的产业人士和各位读者带来一些启发与帮助。
① 什么是生物传感器？
国际生物传感器竞赛 SensUs 将生物传感器定义为一种用于诊断或监测的小型仪器，可以快速和简单地测定体液（如血液）中的特定分子。通常生物传感器结构紧凑，通过分子检测装置和传感器获得可测量的信号。
生物传感器可以通过对取自机体的样本进行检测（体外测试，例如使用血液样本），也可以通过佩戴在身体上或植入体内发挥作用（用于实时体内感应）。著名的生物传感器有妊娠检测仪、血糖仪和胆固醇仪[1]。
生物传感器拥有许多优势，它速度快、精度高、使用方便，而且通常价格适中，它可以使检测和监测的过程更为便捷。
生物传感器的主要目标是预防和监测。生物传感器可以用于危险人群的早期检测，从而预防疾病，还能让病人能够轻松和定期地监测疾病，以便他们能够控制自己的生活。
生物传感器正迅速成为我们日常生活的一部分。随着技术的进步，我们可能很快就能在家里实时地、无创地监测我们健康的方方面面。
传统上仅用于医疗实践中监测病人状况的生物传感器，最近也开始广泛用于健康和健身应用。这些设备能够检测到与健康状况有关的特定分子，为我们的身体状况提供一些预警。
生物传感器市场正在迅速增长。预计到 2020 年，这一数字将达到 318 亿美元，而到 2027 年，全球生物传感器市场有望达到 412.9 亿美元[2]。这得益于日新月异的技术，让患者和消费者都更容易获得这些设备。
② 家庭监测
目前，医疗点应用成为了生物传感器的主要用途。在这个领域，我们看到一些公司正在进一步的开发与创新，比如瑞士的 Luciole 医疗公司，正在开发一种微创探针，用于测量重症监护患者脑部的血氧水平。
然而，生物传感器市场增长最快的部分是家庭监测套件，如糖尿病患者使用的葡萄糖监测器。医学技术公司正在努力开发更小、更便宜、更容易使用的生物传感器设备，任何人都可以在家里使用。
利用生物传感器进行自我监测，可能会影响几乎所有慢性病的护理，因为它将每月在医院就诊改为每天在家进行监测。这可以帮助预测症状和预防疾病的进展。
在确保人们遵守医生给出的治疗方案方面，家庭监测也会产生很大的影响。研究表明，约 50%的人不按处方服用治疗慢性疾病的药物，长此以往，可能会导致严重并发症，甚至死亡。
这是 HIV 药物治疗的常见情况，药物治疗的依从性受到副作用和艾滋病污名的影响。Gilead 公司目前正在进行一项临床试验，使用一种数字药片，可以检测其所含的艾滋病药物是否被摄入，并通过患者的智能手机告知患者。这种数字药片会被胃酸激活，触发一个射频发射器，将信息发送到云服务器。
一个类似的概念也被用于监测精神疾病的治疗。大冢制药公司研发的一种用于监测阿立哌唑（用于治疗精神分裂症、躁郁症和抑郁症）摄入情况的数字药片，已于 2017 年获得了美国食品药品监督管理局的批准。
生物传感器还可以帮助监测癌症治疗，癌症的治疗范围往往很狭窄，剂量稍低一点可能会导致治疗失败，而过高的剂量会导致严重的副作用。
瑞士洛桑联邦理工学院衍生的 Lucentix 公司正在开发一种低成本的生物传感器，这种传感器可以测量血液或唾液中药物的浓度。这项技术的基础是，某种分子在靶药物存在时，会产生荧光。据该公司介绍，它可以适应在患者身上监测多种不同的药物，包括抗癌药物。
③ 实时监测
“我们诊断疾病的很多方法都是基于瞬间的检测，但可穿戴传感器的前景是实时健康监测，你可以监测到更复杂的身体状况。单是这一点，就会催生出针对一系列疾病的更多诊断技术。”开发汗液生物传感器的美国公司 Eccrine Systems 的研究员 Andrew Jajack 如是说。
最近，美国 Profusa 公司的一种设备获得了欧洲的批准，该设备可以连续实时监测组织中的氧气。该生物传感器在外周动脉疾病、慢性伤口（如糖尿病溃疡）、睡眠呼吸暂停、慢性阻塞性肺疾病和重建手术中均有应用。
该公司还在开发一种连续血糖监测生物传感器。在糖尿病患者上实时监测，可以显著地帮助患者预防或延迟并发症的出现，如神经病变或糖尿病溃疡。在这一领域，多家公司正在开发葡萄糖生物传感器，使得测定血糖不再依赖于针头——糖尿病患者血糖控制不佳的主要原因之一。
除了糖尿病患者之外，Abbott 公司在其 FreeStyle Libre 连续血糖监测技术的基础上，为运动员推出了一款葡萄糖生物传感器，该传感器最初是为糖尿病患者开发的[3]。
该设备名为“Libre Sense 葡萄糖运动生物传感器”，可以连续测量血糖，帮助运动员更好地了解他们的血糖水平与成绩之间的关系。这款非处方产品获得了 CE 认证，可以通过移动应用程序提供血糖监测。
该公司指出，参与自行车、跑步和游泳等运动的 16 岁及以上的运动员，可以使用它来了解他们在训练和比赛中所选择的营养的有效性。
跟踪和了解葡萄糖水平可以让运动员做出必要的营养选择，避免低血糖带来的疲劳。
Abbott 糖尿病护理部门的高级副总裁 Jared Watkin 说：“FreeStyle Libre 改变了数百万人控制糖尿病的方式，让他们变得更健康，现在我们有了 Libre Sense，把同样经过验证的技术带给运动员，帮助他们达到运动成绩目标。”
“这仅仅是个开始——我们突破性的传感技术有潜力突破糖尿病领域，为了解人体的运作提供一个透镜，可以了解其他身体状况、治疗方法，并为最终改善健康状况提供有意义的见解。”
运动员必须将这个圆形生物传感器佩戴在上臂外侧，然后 Libre Sense 葡萄糖运动生物传感器才可以获取实时血糖读数，佩戴时间可长达 14 天。
Abbott 公司首先在奥地利、法国、德国、爱尔兰、意大利、卢森堡、瑞士和英国推出该产品。很快，人们就可以在亚特兰大体育科技公司 Supersapiens 的官方网站上见到它。
在未来，实时监测的能力将通过同时测量多个指标得到增强。法国 Chronolife 公司正在与 Servier 公司合作，开发一款带有多个传感器的智能T恤，它可以测量 6 个生理参数，并通过手机应用程序来监测慢性病患者的状态。
总部位于瑞士的初创公司 Biofourmis 目前正在开发一种可穿戴监测平台，可同时测量多达 22 个健康参数。
④ 非传统的生物传感器
随着科技的进步，科学家们想出了一些聪明但不寻常的主意来监控我们的健康。例如，2018 年，麻省理工学院的一个团队展示了一种含有基因工程菌的可食用传感器，它可以诊断出血等胃肠道问题。
科学家们改造了一种大肠杆菌菌株，使其在接触血液时发光。这种技术将活细胞与低功率的电子产品结合起来，将光转换成可被智能手机读取的无线信号。
纹身生物传感器是另一个有前景的新兴领域。哈佛大学和麻省理工学院的研究人员开发出了一种变色纹身，这种纹身能对皮肤细胞间液体中的葡萄糖或钠浓度做出反应。因此，纹身的颜色可以用于鉴定佩戴者是否患有高血糖或脱水。
另一个例子来自美国和中国科学家的合作，他们正在开发一种可以持续几天的石墨烯临时纹身，可以用来测量皮肤温度和水合程度，还可以进行心电图和脑电图。
除了已有的生物传感器外，创新传感器技术 IST AG 公司还提供生物传感器设计服务，可以根据不同应用和客户的要求来设计生物传感器，以测量葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺和谷氨酸在水介质中的浓度。它们依靠固定化酶对目标物进行检测，具有较高的特异性和可靠性[4]。
⑤ 检测COVID-19的生物传感器
一种新型的使用纳米管电化学的 COVID-19 快速检测生物传感器，可在大约 30 秒内检测出 SARS-CoV-2 病毒。
美国内华达大学雷诺分校的工程师和病毒学家合作开发了一种 COVID-19 检测方法，该方法基于过去用于检测结核病和结直肠癌以及检测食品安全的生物标记的类似技术[5]。
研究人员利用他们的专业知识，开发出一种不需要血液样本，仅需鼻拭子或呼出的气息，就可以检测 SARS-CoV-2 病毒的生物传感器。通过确定适当的金属元素使纳米管功能化，该生物传感器还具有诊断其他呼吸道病毒性疾病的潜力。
研究人员首先在实验室合成并制备了 SARS-CoV-2 病毒的抗原蛋白，即 SARS-CoV-2 病毒受体结合域蛋白，对纳米管生物传感器进行了初步测试和灵敏度测定。
团队现计划利用保存于拭子病毒运输液的 COVID-19 患者的鼻拭子，进行下一步的传感器验证，并申请资金来开发一个特定的、廉价的医疗点传感器，用于快速检测 COVID-19 病毒感染者的唾液或呼吸。
“这是用于评估 COVID-19 暴露程度的医疗点测试。我们不需要优良的实验室环境或训练有素的卫生保健人员，来执行这项测试。电化学生物传感器在传感方面具有优势，因为它们敏感、准确和简单。”该大学工程化学和材料学院的 Misra 教授说。
⑥ 生物传感器的未来
生物医学技术发展迅速，生物传感器的未来可能是无限的。也许不久之后，生物传感器就会成为医生诊断和监测病人的标准方法。随着个性化医疗的出现，生物传感器将可能很快成为大势所趋。
通过使用小型手持生物传感器，医疗保健变得更加私人化，甚至可以在家里进行。下一步是使生物传感器小到可以戴在身上或体内，以简单的方式获取实时的、连续的数据。
尽管如此，在生物传感器被常规用于监测我们健康的每一个特征之前，还有很长的路要走。此外，这项技术还带来了数据隐私方面的担忧，因为许多生物传感器都被远程监控，并与互联网相连，这使得它们有可能遭到黑客攻击。
其中一些创新产品已经投放市场好几年了。尽管该领域发展迅速，但到目前为止，我们只有少数突破性设备的例子。这项技术仍处于早期阶段，因此还需要数年时间才能发挥更大的潜力。
一个可以在任何地方使用的快速检测工具，或者一个你可以佩戴并监测你健康状况的小型生物传感器，这种曾经听起来像是科幻小说中才有的东西，现在将比以往任何时候都更接近现实。
参考资料：
1.https://www.sensus.org/about/biosensing
2.https://www.globenewswire.com/news-release/2020/09/29/2100236/0/en/Global-Biosensors-Market-Is-Expected-to-Reach-USD-41-29-billion-by-2027-Fior-Markets.html
3.https://www.medicaldevice-network.com/news/abbott-glucose-sport-biosensor-for-athletes/
4.https://www.ist-ag.com/en/products-services/biosensors
5.https://www.hospimedica.com/covid-19/articles/294785070/new-covid-19-test-uses-nanotube-based-electrochemical-biosensor-for-rapid-detection-of-sars-cov-2-virus-in-30-seconds.html
作者｜赵婧
审校｜617
