基于微针生物传感器的β-羟基丁酸与葡萄糖双重监测技术及其在个性化营养管理中的应用研究

《Biosensors and Bioelectronics: X》：Dual-monitoring of β-hydroxybutyrate and glucose via a microneedles-based biosensor for personalized nutrition

本研究针对个性化营养管理中缺乏实时、动态监测关键代谢标志物的技术瓶颈，开发了一种基于微针阵列的双功能电化学生物传感器，实现了对间质液（ISF）中β-羟基丁酸（β-HB）和葡萄糖的同步检测。该传感器通过聚亚甲蓝（poly-MB）电聚合修饰金微针电极，分别固定β-羟基丁酸脱氢酶（3-HBDH）/NAD+/壳聚糖纳米颗粒（ChitNPs）和FAD-葡萄糖脱氢酶（FADGDH），在人工ISF、仿生皮肤模型及人体试验中均表现出高灵敏度、宽线性范围（β-HB: 0.2–8 mM，葡萄糖: 0.1–8 mM）和优异选择性，为糖尿病酮症酸中毒（DKA）早期预警和精准营养干预提供了创新工具。

　　

随着精准医疗理念的深入，个性化营养作为预防和管理慢性疾病的重要手段，正受到越来越多关注。然而，个体对饮食反应的异质性极大，传统营养指导依赖群体平均值，缺乏实时、动态的分子水平监测数据支撑。尤其在糖尿病管理中，血糖（glucose）和酮体（如β-羟基丁酸，β-HB）的波动直接反映代谢状态，但现有检测方法如尿液试纸或指尖采血存在侵入性强、仅提供单点数据、无法连续追踪等局限。间质液（ISF）作为皮肤真皮层中的生物流体，其小分子成分与血浆高度相关，为无创或微创监测提供了理想介质。微针（microneedles）技术凭借其长度不足1毫米、仅穿透角质层的特点，能以最小不适感访问ISF，成为穿戴式生物传感器的理想平台。尽管已有研究尝试开发多指标检测传感器，但如何实现β-HB和葡萄糖的高效同步监测、避免信号串扰、并验证其在人体中的实用性，仍是当前研究的难点。

为突破上述技术瓶颈，意大利罗马大学研究团队在《Biosensors and Bioelectronics: X》上发表论文，报道了一种基于金微针阵列的穿戴式电化学生物传感器，首次实现了人体ISF中β-HB和葡萄糖的双重实时监测。该研究通过优化酶固定化策略和信号传导机制，解决了NAD⁺依赖型酶系统稳定性差、检测电位高等挑战，为个性化营养和糖尿病管理提供了全新解决方案。

研究采用的关键技术方法包括：1）通过电化学聚合在金微针电极表面修饰聚亚甲蓝（poly-MB）作为电子媒介体；2）分别在工作电极1（W.E.1）和工作电极2（W.E.2）上固定FADGDH酶和3-HBDH酶/NAD⁺/壳聚糖纳米颗粒（ChitNPs）复合物，并通过聚氯乙烯（PVC）扩散限制膜保护修饰层；3）利用循环伏安法（CV）和计时电流法评估传感器电化学性能；4）在人工ISF、壳聚糖-琼脂糖凝胶皮肤模型及3名健康志愿者（试验经伦理委员会批准）中进行验证，并与商用酮体/血糖仪进行对比。

电化学表征与传感器性能

研究团队首先通过循环伏安法验证了poly-MB/Au微针电极的吸附控制特性，其在扫描速率10–300 mV/s范围内呈现线性响应。β-HB传感器在加入3 mM β-HB后表现出显著电催化效应，起始电位为-0.25 V，最终选择-0.2 V作为检测电位。校准曲线显示其线性范围为0.2–8 mM，检测限（LOD）为0.08 mM，灵敏度达138 μA mM^-1cm^-2，符合Michaelis-Menten动力学模型（K_M^app= 6.06 mM）。葡萄糖传感器在0.3 V电位下对0.1–8 mM葡萄糖呈现线性响应，LOD为0.01 mM，灵敏度为150 μA mM^-1cm^-2（K_M^app= 6.47 mM）。两者均无交叉干扰，且对抗坏血酸（AA）、乳酸（LAC）等常见干扰物具有高选择性。

稳定性与生物相容性

传感器在30天内进行每日10次测量，β-HB和葡萄糖检测信号分别保留85%和90%的初始活性。细胞毒性试验表明，修饰前后的微针平台对THP-1巨噬细胞存活率无显著影响（>95%）。皮肤穿刺试验显示微针移除后30分钟内痕迹完全消失，证实其微创性和快速皮肤恢复能力。

仿生模型与人体试验验证

在凝胶皮肤模型中，传感器对β-HB和葡萄糖的检测灵敏度略低于液态ISF（分别为130 μA mM^-1cm^-2和137 μA mM^-1cm^-2），但仍保持宽线性范围。人体试验中，志愿者在摄入酮体和葡萄糖饮料后，传感器成功追踪到ISF中两者浓度的动态变化。数据显示，葡萄糖浓度在15分钟内与毛细血管血检测值一致，而β-HB需30分钟才达到一致，反映出β-HB从血液到ISF的转运存在更长时滞（约15–20分钟），这可能与其带负电特性及毛细血管内皮糖萼的静电排斥作用有关。

该研究首次实现了微针传感器在人体ISF中对β-HB和葡萄糖的同步连续监测，解决了传统方法无法动态反映代谢变化的痛点。传感器通过poly-MB与ChitNPs的协同作用，实现了低电位检测、高稳定性和抗干扰能力，为个性化营养、DKA早期诊断及糖尿病管理提供了可靠工具。未来工作将聚焦于扩大临床试验规模、优化信号校准算法以补偿ISF时滞，并拓展至乳酸、酒精等多指标检测，进一步推动精准营养领域的应用转化。