生物傳感器賦能智慧未來：隨時隨地監控健康

編者按：

隨著慢性疾病人群的不斷擴大，對疾病實時和便捷的監測，顯得尤為重要。因此生物傳感器應運而生，這種能夠快速、簡單地檢測分子信號的小型設備，在逐漸佔領醫療市場。

今天，我們特別關注生物傳感器在家庭監測和實時監測方面的進展與相關的企業，希望本文能夠為相關的產業人士和各位讀者帶來一些啟發與幫助。

什麼是生物傳感器？

國際生物傳感器競賽 SensUs 將生物傳感器定義為一種用於診斷或監測的小型儀器，可以快速和簡單地測定體液（如血液）中的特定分子。通常生物傳感器結構緊湊，通過分子檢測裝置和傳感器獲得可測量的信號。

生物傳感器可以通過對取自機體的樣本進行檢測（體外測試，例如使用血液樣本），也可以通過佩戴在身體上或植入體內發揮作用（用於實時體內感應）。著名的生物傳感器有妊娠檢測儀、血糖儀和膽固醇儀[1]。

生物傳感器擁有許多優勢，它速度快、精度高、使用方便，而且通常價格適中，它可以使檢測和監測的過程更為便捷。

生物傳感器的主要目標是預防和監測。生物傳感器可以用於危險人群的早期檢測，從而預防疾病，還能讓病人能夠輕鬆和定期地監測疾病，以便他們能夠控制自己的生活。

生物傳感器正迅速成為我們日常生活的一部分。隨著技術的進步，我們可能很快就能在家裡實時地、無創地監測我們健康的方方面面。

傳統上僅用於醫療實踐中監測病人狀況的生物傳感器，最近也開始廣泛用於健康和健身應用。這些設備能夠檢測到與健康狀況有關的特定分子，為我們的身體狀況提供一些預警。

生物傳感器市場正在迅速增長。預計到 2020 年，這一數字將達到 318 億美元，而到 2027 年，全球生物傳感器市場有望達到 412.9 億美元[2]。這得益於日新月異的技術，讓患者和消費者都更容易獲得這些設備。

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家庭監測

目前，醫療點應用成為了生物傳感器的主要用途。在這個領域，我們看到一些公司正在進一步的開發與創新，比如瑞士的 Luciole 醫療公司，正在開發一種微創探針，用於測量重症監護患者腦部的血氧水平。

然而，生物傳感器市場增長最快的部分是家庭監測套件，如糖尿病患者使用的葡萄糖監測器。醫學技術公司正在努力開發更小、更便宜、更容易使用的生物傳感器設備，任何人都可以在家裡使用。

利用生物傳感器進行自我監測，可能會影響幾乎所有慢性病的護理，因為它將每月在醫院就診改為每天在家進行監測。這可以幫助預測症狀和預防疾病的進展。

在確保人們遵守醫生給出的治療方案方面，家庭監測也會產生很大的影響。研究表明，約 50%的人不按處方服用治療慢性疾病的藥物，長此以往，可能會導致嚴重併發症，甚至死亡。

這是 HIV 藥物治療的常見情況，藥物治療的依從性受到副作用和愛滋病汙名的影響。Gilead 公司目前正在進行一項臨床試驗，使用一種數字藥片，可以檢測其所含的愛滋病藥物是否被攝入，並通過患者的智慧型手機告知患者。這種數字藥片會被胃酸激活，觸發一個射頻發射器，將信息發送到雲伺服器。

一個類似的概念也被用於監測精神疾病的治療。大冢製藥公司研發的一種用於監測阿立哌唑（用於治療精神分裂症、躁鬱症和抑鬱症）攝入情況的數字藥片，已於 2017 年獲得了美國食品藥品監督管理局的批准。

生物傳感器還可以幫助監測癌症治療，癌症的治療範圍往往很狹窄，劑量稍低一點可能會導致治療失敗，而過高的劑量會導致嚴重的副作用。

瑞士洛桑聯邦理工學院衍生的 Lucentix 公司正在開發一種低成本的生物傳感器，這種傳感器可以測量血液或唾液中藥物的濃度。這項技術的基礎是，某種分子在靶藥物存在時，會產生螢光。據該公司介紹，它可以適應在患者身上監測多種不同的藥物，包括抗癌藥物。

實時監測

「我們診斷疾病的很多方法都是基於瞬間的檢測，但可穿戴傳感器的前景是實時健康監測，你可以監測到更複雜的身體狀況。單是這一點，就會催生出針對一系列疾病的更多診斷技術。」開發汗液生物傳感器的美國公司 Eccrine Systems 的研究員 Andrew Jajack 如是說。

最近，美國 Profusa 公司的一種設備獲得了歐洲的批准，該設備可以連續實時監測組織中的氧氣。該生物傳感器在外周動脈疾病、慢性傷口（如糖尿病潰瘍）、睡眠呼吸暫停、慢性阻塞性肺疾病和重建手術中均有應用。

該公司還在開發一種連續血糖監測生物傳感器。在糖尿病患者上實時監測，可以顯著地幫助患者預防或延遲併發症的出現，如神經病變或糖尿病潰瘍。在這一領域，多家公司正在開發葡萄糖生物傳感器，使得測定血糖不再依賴於針頭——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 連續血糖監測技術的基礎上，為運動員推出了一款葡萄糖生物傳感器，該傳感器最初是為糖尿病患者開發的[3]。

該設備名為「Libre Sense 葡萄糖運動生物傳感器」，可以連續測量血糖，幫助運動員更好地了解他們的血糖水平與成績之間的關係。這款非處方產品獲得了 CE 認證，可以通過行動應用程式提供血糖監測。

該公司指出，參與自行車、跑步和遊泳等運動的 16 歲及以上的運動員，可以使用它來了解他們在訓練和比賽中所選擇的營養的有效性。

跟蹤和了解葡萄糖水平可以讓運動員做出必要的營養選擇，避免低血糖帶來的疲勞。

Abbott 糖尿病護理部門的高級副總裁 Jared Watkin 說：「FreeStyle Libre 改變了數百萬人控制糖尿病的方式，讓他們變得更健康，現在我們有了 Libre Sense，把同樣經過驗證的技術帶給運動員，幫助他們達到運動成績目標。」

「這僅僅是個開始——我們突破性的傳感技術有潛力突破糖尿病領域，為了解人體的運作提供一個透鏡，可以了解其他身體狀況、治療方法，並為最終改善健康狀況提供有意義的見解。」

運動員必須將這個圓形生物傳感器佩戴在上臂外側，然後 Libre Sense 葡萄糖運動生物傳感器才可以獲取實時血糖讀數，佩戴時間可長達 14 天。

Abbott 公司首先在奧地利、法國、德國、愛爾蘭、義大利、盧森堡、瑞士和英國推出該產品。很快，人們就可以在亞特蘭大體育科技公司 Supersapiens 的官方網站上見到它。

在未來，實時監測的能力將通過同時測量多個指標得到增強。法國 Chronolife 公司正在與 Servier 公司合作，開發一款帶有多個傳感器的智能T恤，它可以測量 6 個生理參數，並通過手機應用程式來監測慢性病患者的狀態。

總部位於瑞士的初創公司 Biofourmis 目前正在開發一種可穿戴監測平臺，可同時測量多達 22 個健康參數。

非傳統的生物傳感器

隨著科技的進步，科學家們想出了一些聰明但不尋常的主意來監控我們的健康。例如，2018 年，麻省理工學院的一個團隊展示了一種含有基因工程菌的可食用傳感器，它可以診斷出血等胃腸道問題。

科學家們改造了一種大腸桿菌菌株，使其在接觸血液時發光。這種技術將活細胞與低功率的電子產品結合起來，將光轉換成可被智慧型手機讀取的無線信號。

紋身生物傳感器是另一個有前景的新興領域。哈佛大學和麻省理工學院的研究人員開發出了一種變色紋身，這種紋身能對皮膚細胞間液體中的葡萄糖或鈉濃度做出反應。因此，紋身的顏色可以用於鑑定佩戴者是否患有高血糖或脫水。

另一個例子來自美國和中國科學家的合作，他們正在開發一種可以持續幾天的石墨烯臨時紋身，可以用來測量皮膚溫度和水合程度，還可以進行心電圖和腦電圖。

除了已有的生物傳感器外，創新傳感器技術 IST AG 公司還提供生物傳感器設計服務，可以根據不同應用和客戶的要求來設計生物傳感器，以測量葡萄糖、乳酸、穀氨醯胺和穀氨酸在水介質中的濃度。它們依靠固定化酶對目標物進行檢測，具有較高的特異性和可靠性[4]。

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檢測COVID-19的生物傳感器

一種新型的使用納米管電化學的 COVID-19 快速檢測生物傳感器，可在大約 30 秒內檢測出 SARS-CoV-2 病毒。

美國內華達大學雷諾分校的工程師和病毒學家合作開發了一種 COVID-19 檢測方法，該方法基於過去用於檢測結核病和結直腸癌以及檢測食品安全的生物標記的類似技術[5]。

研究人員利用他們的專業知識，開發出一種不需要血液樣本，僅需鼻拭子或呼出的氣息，就可以檢測 SARS-CoV-2 病毒的生物傳感器。通過確定適當的金屬元素使納米管功能化，該生物傳感器還具有診斷其他呼吸道病毒性疾病的潛力。

研究人員首先在實驗室合成並製備了 SARS-CoV-2 病毒的抗原蛋白，即 SARS-CoV-2 病毒受體結合域蛋白，對納米管生物傳感器進行了初步測試和靈敏度測定。

團隊現計劃利用保存於拭子病毒運輸液的 COVID-19 患者的鼻拭子，進行下一步的傳感器驗證，並申請資金來開發一個特定的、廉價的醫療點傳感器，用於快速檢測 COVID-19 病毒感染者的唾液或呼吸。

「這是用於評估 COVID-19 暴露程度的醫療點測試。我們不需要優良的實驗室環境或訓練有素的衛生保健人員，來執行這項測試。電化學生物傳感器在傳感方面具有優勢，因為它們敏感、準確和簡單。」該大學工程化學和材料學院的 Misra 教授說。

生物傳感器的未來

生物醫學技術發展迅速，生物傳感器的未來可能是無限的。也許不久之後，生物傳感器就會成為醫生診斷和監測病人的標準方法。隨著個性化醫療的出現，生物傳感器將可能很快成為大勢所趨。

通過使用小型手持生物傳感器，醫療保健變得更加私人化，甚至可以在家裡進行。下一步是使生物傳感器小到可以戴在身上或體內，以簡單的方式獲取實時的、連續的數據。

儘管如此，在生物傳感器被常規用於監測我們健康的每一個特徵之前，還有很長的路要走。此外，這項技術還帶來了數據隱私方面的擔憂，因為許多生物傳感器都被遠程監控，並與網際網路相連，這使得它們有可能遭到黑客攻擊。

其中一些創新產品已經投放市場好幾年了。儘管該領域發展迅速，但到目前為止，我們只有少數突破性設備的例子。這項技術仍處於早期階段，因此還需要數年時間才能發揮更大的潛力。

一個可以在任何地方使用的快速檢測工具，或者一個你可以佩戴並監測你健康狀況的小型生物傳感器，這種曾經聽起來像是科幻小說中才有的東西，現在將比以往任何時候都更接近現實。

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參考資料：

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｜趙婧

審校｜617