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【纽大科研突破】糖尿病无创测试

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【纽大科研突破】糖尿病无创测试

在纽卡斯尔大学,Paul Dastoor教授现正研发的唾液葡萄糖生物传感器将有效解决糖尿病测试中如疼痛、费用或使用率等常见难题,使人们能够自行检测自身健康状况,从根本上改变糖尿病管理的日常。

故事要从某个清晨,Teresa Brauer接到家庭医生的紧急来电开始。她女儿的常规血检结果出来了,血糖指数高达27(mmol/L),远远超过了正常安全值4 - 8的水平 (mmol/L)。


医生在电话里头沉重的话语足以让任何家长感到心寒:“她有生命危险,得赶紧送她去急诊。”Teresa双手颤抖地放下电话,惊慌失措地将女儿送去了医院。


即使过了两年,Teresa回忆起这通电话时仍会心碎:“那通电话之后,我经历了人生中最痛苦的一天。我当时完全不知道将会发生什么,哭地停不下来。”

Teresa的女儿叫Gabrielle,由于之前并未诊断出她患有1型糖尿病,当时只有4岁的她体内已经快没有胰岛素了。没有胰岛素,她的身体就不能处理糖分,这种情况会导致昏迷、器官衰竭,严重者则可能会死亡,给家人带来巨大的伤害。

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送到约翰-亨特医院后,却又另一番新的现实等待着Teresa两母女。


在为其一周的住院治疗中,Gabrielle用尽一个4岁孩子仅有的勇气,接受了每隔1小时便要扎手指的宛如惩罚般的血糖测试。在如此频繁而高强度的测试下,没过多久,她的手指便肿胀疼痛,她的勇气也渐渐殆尽。


她妈妈说:“她只要看见护士来就会哭,喊着‘不要,我不想扎手指了’。她那段时期非常难受。我也只能在旁痛心地看着,心里不禁感叹:‘这就是你以后的生活了’。”

看着女儿扎手指、打针和受苦,Teresa非常难过,而且无法想象自己正是手持针头的那个人。亨特医院的内分泌科在享有世界一流的排名,她在那里接受了糖尿病管理的快速培训,内容包括复杂的碳水化合物计算、胰岛素管理和血液测试,这些都是让女儿活命至今的必要环节。


Teresa说:“明知道会给孩子带来痛苦,有哪个父母还会愿意给孩子扎针和注射胰岛素呢。但作为父母,你总得要做。而对于任何糖尿病患者来说,这是一个痛苦的现实,因为余生的每一天,你都逃不过这些重复的步骤。”

遗憾的是,亨特地区的1型糖尿病发病率属全澳大利亚最高,这里的家长比其他地区更常处于这种苦恼的状态。


正因如此,这里的老师等其他护理人员已经开始自觉学习如何照顾糖尿病患儿。当时对于这样的一位老师和她那位科学家的丈夫来说,自觉做到这件事情只是一个开始,但现在,当初这样一个小小的举措已经发挥了重要的作用。

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Paul Dastoor教授正是通过身为老师的太太,首次了解到糖尿病患者生活的难处。


他说:“我的太太以前在学校帮助学生注射胰岛素。这是一项痛苦的工作,而这种痛苦也会在孩子身上放大。他们每天如此频繁地经历着这些不适,我非常震惊。作为一名科学家,我没有办法不去思考是否还有更好的测试方法。”


早在2000年的时候,Dastoor教授的团队已经在大学的有机电子技术中心(COE)研究另一项技术 - 用于可再生能源发电的超薄、柔软的印刷太阳能电池 - 当时已经取得了不错的成果。他想知道究竟太阳能电池能否也转换为晶体管,这样与生物材料(例如酶)结合时,可以作为唾液的生物传感器发挥作用。简单来说,这是一种“可舔”的传感器,不需要抽血。


在获得澳大利亚研究委员会(Australian Research Council)的资助后,团队即肩负使命,开始研究在人类管理糖尿病过程中无须通过针头来检测血糖的方法。


“大家对科学的普遍印象是当只要有一个极妙的想法涌现时,剩下的步骤就会水到渠成。在我们这里绝对不是这样的。我们的首次尝试一无所获,只是学到了哪些不可为的事情。”

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唾液中的葡萄糖浓度极微,只有血液中的百分之一。如果纯粹是因为缺乏材料的原因,是不会阻扰团队继续前进。真正干扰团队的,是唾液中还存在其他大量的物质,或需要减少的“噪音物质”。


“在那个情况下,我很庆幸自己不是生物学家。如果我现在回想起当初自己多么幼稚,所有的方法都行不通,我就不会勇于尝试了。”


团队并没有因此而气馁,而是继续努力。Dastoor教授说这得多亏自己“间歇性打鸡血”。


他说:“研究确实表明这个概念没有理由会不成功的,所以我们就坚持了。偶尔的几次干扰其实为我们提供了一些动力,而通过我们的不懈坚持、一点一点地收获,我们终于完成了自己设定的目标。虽然花的时间比预期要长,但最终我们还是成功了。”


团队的首次重大进展是他们打印出第一个晶体管的时候;当他们成功地将葡萄糖氧化酶 - 一种与葡萄糖发生反应的天然酶 - 加入晶体管时,他们又取得了第二次的胜利。研究的成果是一个体积超薄、只有口香糖大小的检测装置。患者用舌头舔装置时,装置中的葡萄糖氧化酶涂层与唾液中的葡萄糖发生反应,产生一个微小的电流,然后被晶体管放大。


Teresa表示,“这样的改变意义非常重大。糖尿病是一种无情的疾病。任何能够减少疼痛次数并使生活变得“正常”的改变都将对患者产生重大影响。”


大多数人认为,传感器必须通过像许多现代高科技消费设备一样3D打印,但现实情况更为简单,更具有突破性。Dastoor教授的团队采用的是普通的印刷机,就像把家用打印机使用在世界各地的远程工作站一样。在商业规模上,印刷原料装在一个连续的卷筒中,这种印刷技术被称为“轴对轴”或“卷对卷”印刷,能实现报纸、书籍、杂志和包装等的大规模生产。教授的团队同时也使用了高性能专有电子墨水来取代普通墨水,这是他们在实验室中合成并经过多年完善的。传感器的精准度极高,这是通过在不同的油墨上打印数个纳米层来实现。

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这种轴对轴的打印技术可以让一条印刷线每天印刷数公里的材料,从而减少生产成本,将检测装置变成百姓可负担的产品,这非常关键。这股制造业的新浪潮非常振奋人心,因为这种被称为“功能性印刷”的技术将用于打印传统文字和图像的打印机转化成生产未来的印刷电子或“功能性”设备。

该检测装置获得IQ Group Global的商业合作,并于纳斯达克证券交易所上市,且获得澳大利亚政府现代制造业计划630万澳元的资助,现正筹备建造其第一个商业规模的生产设施。这将会带来深远的影响和利益,即制造出首款用于人体测试的糖尿病无创测试装置,并建立地区理想的医疗技术生产能力。该生产设施将设立在纽卡斯尔大学Callaghan(卡拉汉)校区内,校区在STEM方面极具优势。该设施同样通过工学结合(WIL)项目为学生提供接触并深入了解行业的机会以及博士生实习机会。

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团队目前将唾液葡萄糖生物传感装置的技术运用到更广泛的疾病当中。


Dastoor教授表示,“这是一项平台技术,也就意味着能广泛运用在检测指示疾病的不同物质上。我们已经在寻找可以识别癌症、心脏病和过敏原的物质。”


在全球紧缺新冠快速检测剂之际,团队也一直与哈佛大学的怀斯生物启发工程研究所合作,共同研发检测新冠的传感平台。


我们虽然已有PCR和快速抗原两种方法检测新冠,但对于个人和群体健康来说,仍然存在极大的挑战。怀斯研究所已经研发了一种可接洽生物传感器平台的防污涂层,为确诊新冠提供了一个新的检测工具。”


这些传感器测试装置意味着为疾病管理带来根本性的转变,解决健康测试中如疼痛、费用或数量上的障碍,使人们能够自行检测自身身体状况。


对于像Teresa这样的妈妈来说,这是一个改变生活的希望。


她说:“这样的改变意义非常重大。糖尿病是一种无情的疾病。任何能够减少疼痛次数并使生活变得“正常”的改变都将对患者产生重大影响。”

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她还分享道:“Gabrielle刚上幼儿园的头两周,就吸引了不少同班小朋友的注意,因为他们都注意到Gabrielle跟他们有些不一样。然后她说:‘妈妈,我想带着Rufus(医院送给她的教育糖尿病小熊)上课,跟同学们谈谈我的病情。’之后老师把她在全班同学面前抱着Rufus分享的照片发给我。哪怕现在再看这张照片,我也会流泪。她真的很勇敢。”


而对于Dastoor教授来说,这就是他不懈努力的意义所在。

“科学家基本上就是对解决难题和修复事物感兴趣。没有什么比看见自己的努力成果能改善人们的生活和帮助人们更有满足感了。这就是我们一直坚持做好自己本分工作的原因。”


Dastoor教授目前在纽卡斯尔大学能源与资源设施中心工作,获澳大利亚国家制造设施协会支持。

你知道吗?

  • 澳大利亚有超过13万1型糖尿病患者
  • 糖尿病测试的方式从60年代研发后基本没有改变过
  • 全球约有4.63亿糖尿病患者每天都要进行多次血糖测试,可以想象检测装置在未来的需求必定很大