综述：去中心化的糖尿病管理：用于检测胰岛素和C肽的电化学及光学生物传感器

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Decentralized diabetes management: electrochemical and optical biosensors for insulin and C-peptide detection

　　**摘要**
糖尿病是一种全球性的健康挑战，伴随着较高的发病率和死亡率。然而，疾病监测仍然主要集中在葡萄糖测量上，而忽视了胰岛素和C-肽提供的互补临床信息。传统的分析方法具有很高的灵敏度，但仅限于中央实验室，限制了其在实时分散化管理中的应用。在这种情况下，生物传感器作为床旁检测和持续监测糖尿病的技术受到了极大关注。本综述批判性地探讨了用于胰岛素和C-肽检测的电化学、光学和混合生物传感器的进展，强调了生物识别策略和纳米制造技术的演变。此外，本文还将探讨生物识别、纳米制造和设备工程方面的进展，这些进展促进了可穿戴和多功能系统的开发，从而能够提供全面的代谢信息。尽管在临床验证和长期稳定性方面仍存在重大挑战，但先进传感技术与数字健康平台的融合预计将加速向分散式糖尿病管理的转变。

**引言**
糖尿病（DM）迅速成为21世纪最严重的全球健康危机之一，其特征是由于胰岛素分泌缺陷、胰岛素作用缺陷或两者共同作用导致的慢性高血糖 [1] [2] [3] [4]。根据国际糖尿病联合会的数据，2021年全球糖尿病患者数量估计达到5.37亿，预计在未来十年内这一数字将增加1亿 [5]。这种流行病的临床影响深远，2019年糖尿病已成为全球第八大死亡原因，仅2021年就有约670万人因该疾病及其并发症死亡 [6] [7]。这些死亡主要由慢性血管并发症引起，包括糖尿病肾病、神经病变、视网膜病变和早发性动脉粥样硬化，这些都是糖尿病患者的主要死亡因素。尽管葡萄糖监测技术已经普及，但与糖尿病相关的死亡率持续上升，表明目前主要依赖血糖水平的干预策略可能不足以实现最佳的疾病管理。

糖尿病的管理与胰岛素的调节密不可分，胰岛素是由胰腺β细胞分泌的一种关键激素，用于调节血浆中的葡萄糖、氨基酸和脂质水平 [8]。胰岛素的生物合成是一个复杂的过程，始于前胰岛素的生成，随后前胰岛素被转运到内质网，在那里通过切割信号序列形成胰岛素原。胰岛素原由A链和B链组成，两者通过一条称为连接肽（C-肽）的31个氨基酸链相连。当胰岛素原被包装进入高尔基体中的分泌颗粒时，C-肽链通过酶作用被去除，留下A链和B链通过二硫键连接形成最终的胰岛素分子 [9]。由于胰岛素和C-肽来源于相同的前胰岛素前体，它们以等摩尔量进入血液。然而，一旦进入循环系统，它们的代谢命运就大不相同。由于胰岛素迅速与受体结合并在肝脏中降解，其半衰期非常短，大约为5到10分钟。相比之下，肝脏不会显著降解C-肽；相反，C-肽主要通过肾脏清除，其半衰期约为30到35分钟 [10]。因此，血液中的C-肽浓度通常高于胰岛素，并且更稳定，这使得C-肽成为评估内源性细胞功能的重要临床生物标志物，尤其是在接受外源性胰岛素治疗的患者中，因为体内产生的胰岛素和注射的胰岛素难以区分。此外，准确量化胰岛素和C-肽对于各种类型糖尿病的鉴别诊断和个性化治疗至关重要。在1型糖尿病（T1DM）中，由于β细胞的自身免疫破坏，C-肽水平通常无法检测或极低；而在2型糖尿病（T2DM）中，由于胰岛素抵抗，C-肽水平可能最初升高，因为身体试图补偿胰岛素敏感性的下降 [11]。监测这些水平有助于医生评估β细胞功能障碍的进展，并确定患者何时需要从口服药物转向外源性胰岛素。此外，胰岛素和C-肽水平还作为传统糖尿病分类之外的诊断标志物 [12] [13] [14]。高水平的C-肽可能表明存在胰岛素瘤（一种产生胰岛素的肿瘤）[15] 或肾脏功能障碍，而低水平的C-肽伴随高水平的胰岛素可能提示由于外源性胰岛素过量输注引起的人为性低血糖 [16]。此外，评估空腹胰岛素水平对于计算稳态模型胰岛素抵抗评估（HOMA-IR）至关重要，这是一种广泛接受的用于临床预测胰岛素敏感性的数学方法。虽然测量胰岛素抵抗的“金标准”是高胰岛素血症正常血糖钳技术，但其复杂性和成本使其不适用于日常使用，这突显了需要更简单、可靠的胰岛素测量工具 [17] [18]。

目前的糖尿病管理实践主要侧重于维持最佳的血糖控制，通常通过设定空腹血糖、餐后血糖和糖化血红蛋白的目标范围来实现 [19]。然而，实现这些目标仍然是一个重大挑战，因为仅依赖葡萄糖监测往往不足以准确估计所需的胰岛素剂量。仅依靠葡萄糖水平可能导致血糖控制不佳和严重的低血糖高发，这种情况尤其与强化胰岛素治疗相关 [20] [21]。将实时胰岛素和C-肽测量整合到日常管理中可以通过直接评估患者的代谢状态来实现“突破”，而不仅仅依赖基于葡萄糖的预测 [22] [23]。

尽管这些生物标志物具有明显的临床价值，但其测量目前仍限于中央实验室环境。传统的检测方法，如酶联免疫吸附测定（ELISA）、放射免疫测定（RIA）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），具有高准确性和灵敏度 [16] [24]。然而，这些技术需要昂贵的设备、复杂的程序和高度熟练的人员。此外，这些检测方法耗时较长，不适合床旁检测（POC）或持续监测，而这些都是指导即时治疗调整所必需的。然而，在临床实验室中，传统的免疫测定仍被广泛用于胰岛素和C-肽的常规监测，尽管与合成类似物的交叉反应可能会影响其特异性和选择性。为应对这些挑战，迫切需要开发便携、经济且快速的诊断工具。生物传感器作为一种有前景的解决方案出现，它们利用生化反应检测特定分析物，并通过传感器将这些相互作用转化为可读信号，从而实现远程POC监测和分散式医疗。此外，它们与智能手机和可穿戴设备的集成促进了远程医生监测和数据驱动的个性化治疗，使糖尿病护理更加可及、经济和主动 [25] [26] [27] [28] [29]。

本综述旨在全面概述近年来电化学和光学生物传感器在胰岛素和C-肽检测方面的设计和开发进展（图1）。首先，我们将讨论这两种分子在全球糖尿病流行病背景下的诊断重要性。随后，根据传感机制的不同，将过去十年开发的生物传感器分类为电化学、光学和混合类型，并探讨生物传感平台的组成部分，对其在胰岛素和C-肽检测方面的性能进行比较分析。生物传感器还可以根据所使用的生物分子识别元件进一步划分，如抗体、适配体和分子印迹聚合物（MIPs），分别将其分类为免疫传感器、适配体传感器和基于MIPs的传感器。最后，我们将讨论当前面临的挑战和未来发展方向，包括可穿戴和多功能传感器，以推动这些技术从研究实验室走向商业化、实时监测系统，从而改变糖尿病护理的格局。

**胰岛素和C-肽传感设备的历史演变**
Vecchio等人在2018年的综述中详细描述了胰岛素开发的历史 [30]。图2（蓝线）展示了胰岛素的发展历程，从最初的发现到几十年后出现的第一批床旁监测设备。1921年，Fredrick G. Banting爵士发现了胰岛素，这是20世纪最重要的科学成就之一，他因此获得了诺贝尔奖。

**基于适配体的生物传感器**
2017年，电化学生物传感器在胰岛素检测方面的第一个趋势主要依赖于基于适配体的识别策略，使用Yoshida等人最初开发的富含鸟嘌呤的胰岛素结合适配体（IGA3）[42]。由于其高亲和力和特异性，这种适配体在几年内迅速成为最广泛采用的生物识别元件。Hao等人报道了最早的例子之一 [43]。

**C-肽生物传感器**
与胰岛素不同，C-肽不仅是前胰岛素处理的副产品，还是具有独特生理、临床和分析特性的独立生物标志物（如第2.2段所述）。C-肽的血浆半衰期显著更长，使其成为更可靠的内源性β细胞分泌活性和糖尿病分类指标。

**电化学、光学和混合生物传感器技术**
如表3和表4所示，在过去的十年中，基于电化学、光学和混合转换模式的生物传感器得到了发展，其比例约为3:2:1。就电化学平台而言，它们展示了最低的检测限（LOD），其中夹心型免疫传感器的LOD低至0.043 fM [56] 和 0.059 fM [60]，远低于生理相关的空腹胰岛素浓度（约35–145 pM）[31]，并且也成功应用于C-肽的检测。

**结论与未来展望**
胰岛素和C-肽检测的分析领域需要超灵敏的设备，因为它们在生物流体中的浓度仅为皮摩尔级别。本综述批判性地评估了电化学、光学和混合生物传感平台在这些糖尿病生物标志物定量方面的最新进展。尽管ELISA和CLIA仍是临床的金标准，但它们存在固有的局限性，如需要实验室环境、操作复杂等。

**作者贡献声明**
Francesca Polli：撰写——原始草稿、调查研究、数据分析、概念化。
Cristina Tortolini：可视化、验证、软件开发、方法学研究。
Riccarda Antiochia：撰写——审核与编辑、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**数据可用性**
本文所述研究未使用任何数据。

**致谢**
作者感谢PRIN 2022 -202285HFZY项目的财政支持。

Francesca Polli | Cristina Tortolini | Riccarda Antiochia
罗马智慧大学实验医学系，V.le Regina Elena 324，00166，意大利