ラットマン分光法を用いた非侵襲的血液グルコース検査におけるイノベーション

はじめに:糖尿病管理の新しい時代

糖尿病に住んでいる人々の数百万のために、毎日の血糖モニタリングは避けられないルーチンです。伝統的な指圧検査は、信頼性の高い読書を提供しますが、痛み、不便、および感染の一定のリスクが付属しています。過去10年間に、研究者および医療機器企業は、ホリー・グレールを追ってしてきました。皮膚を壊さずに血糖を測定する非侵襲的なシステム。最も有望なアプローチの中には、ラマン・スペクサー、レーザーベースの分析が、組織の組織の活性化にどのように作用するのか、そして、将来の検査が、将来の検査を変化させる可能性があることを観察します。

ラーマン分光法とは?

ラマン分光法は、モノクロライト(通常レーザー)を試料に照らすことによって分子の振動モードをプローブし、散らばった光を測定する分析法です。フォトンが化学結合と相互作用するとき、それらが小分数が、ラマン効果を生じさせる - 波長の散乱光シフト。これらのシフトのパターンは、各分子のためのユニークな分光指紋を形成します。第一次は、Vramanの物質は、放射線化学および非破壊物質を研究する。

生物学的チスイズで働く方法

人間の皮膚や組織に適用されるとき、近赤外レーザーは皮膚に数ミリメートル貫通します。戻った散乱光は、細胞の分子組成、間接流体、および血液に関する情報を運ぶ。グルコース分子は、特に1065 cm - 1と1125 cm - 1の周りに異なるラマンバンドを持っています。 C-OおよびC-Cストレッチ振動に対応する。高度な分光器と検出器は、これらの信号をキャプチャし、ガチョウの分子は、タンパク質を分解し、他の成分を抽出し、他の成分を抽出します。

他の分光法上の重要な利点

近赤外線(NIR)吸収または赤外線分光法と比較して、Ramanはより明確で、より明確な分光ピークを提供し、干渉物質から重複の危険性を減らす。また、水干渉を不断の技術とよりはるかに優れさせ、それは自然に水溶液ベースの方法とは異なり、Ramanは外因性ラベルや染料を必要としません。それは純粋にラベルフリーです。別の利点は、ラマンは、同じく、同じく、任意の分光度センサーを観察することができます。

血糖モニタリングにラマン分光法を適用

コアのアイデアは簡単です:皮膚に非侵襲的なデバイスを配置し、低電力レーザービームを組織に指示し、ラマン散乱光を収集し、検体モデルを使用して、スペクトルデータをグルコース集中読書に変換します。測定全体は秒かかります、そして患者はレーザーから穏やかな暖かさを超えて何も感じません。サブカットされたセンサーインサートを必要とする連続グルコースモニターとは異なり、ラマンベースのデバイスは本当に非侵襲的な動作を提供しません。生物学的時間と時間を超えることはできません。

実践における測定プロセス

プロトタイプ装置は通常、安定化レーザー(多くの場合、785nmまたは830nm)、分光器、CCDまたはCMOS検出器、および広範な信号処理のためのコンピュータを含むハンドヘルドまたは卓上ユニットを使用します。プローブチップは、指先、外耳、または耳障りな密度に関連しています。 1〜10秒の統合時間は、スペクトルを生成するのに十分な光を収集します。システムには、多様な回帰モデル(grancipal)が適用され、少なくとも、グレッシブは、特定のネットワークを、または複数の回帰路が、または、または、または、または複数の領域の境界線路を変化するような、または、または、または、または複数のレベルのネットワークの境界線を変化する、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、

リアルタイムパフォーマンスデータ

初期臨床研究では、ラマン予測グルコースと参照値の相関性を有望に示しています。 Shao et alによるランドマーク2014の研究。人間の指先のRaman spectroscopyを使用して、15〜20%前後の絶対相対差(MARD)を達成し、クラークエラーグリッドは臨床的に許容されるA + Bゾーンの90%を提示します。 MITの研究者やMik University of Missouriは、Farly の検査結果が、Farly 90%以上を検証し、Farly の欠陥検査を監視する可能性があることを示しています。

従来のテスト上の利点

無操作:]] 何も、壊れた皮膚なし - 針恐怖症または頻繁な試験要件を持つ患者のための批判。
ゼロ消耗品:[]]テストストリップ、ランサー、またはセンサーのインサートキットを購入して、長期コストと環境廃棄物を削減する。
]感染リスクの排除:[: 圧迫から創傷を開くことは、糖尿病性皮膚感染症のリーディング原因です。非侵襲的なテストは、このリスクを完全に取り除きます。
]連続監視のPotential: は、ラマンが高速で反復可能なため、将来のデバイスは、ユーザー介入なしで数秒ごとに読み取ることができ、真に継続的な追跡を可能にします。
[マルチアナリント機能:]同じスペクトルは、潜在的に乳酸、尿素、ケトン、およびその他のバイオマーカーに関する情報を提供し、包括的な代謝モニタリングにドアを開けます。
センサードリフトやバイオファリングなし:[ ティッシュリアクションにより週に精度を失うインプラントCGMとは異なり、光学センサーは、光学がきれいである限り安定しています。

ワイドスプレッド採用の妨げとなるチャレンジ

明確な利点にもかかわらず、ラマン分光法ベースのグルコース監視は、ほぼ実験的ままです。これらのデバイスが大量市場に到達する前に、いくつかの考えられる技術的および実用的な障害は克服する必要があります。

信号干渉と変化

数 1 つの挑戦は皮膚からの圧倒的な背景信号です。. 水, コラーゲン, メラニン, ヘモグロビン, と他の分子は、強烈なラマンとブドウ糖ピークを下回る蛍光信号を生成します。. 皮膚の厚さの個々の変化, 水分補給, 温度, 色素沈着, 皮膚に対するプローブの圧力は、スペクトルベースラインを大幅に変更することができます。. グルコース信号自体は、非常に弱点 - 全体の質量分析結果の割合よりも少ない - 1% ナノレベルの質量分析測定器測定器や、多岐点の分析装置 (より) よりより、より、、、、ナノ粒子の、より、、、、、ナノ粒子の、、、、、、、、、、、、、、、または、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

校正およびパーソナライズされたモデル

ほとんどの成功したラマングルコース研究は、被験者固有の校正に依存しています。デバイスは、数時間以上、または数日間に単一の個人から数百のサンプルで訓練されています。すべての皮膚タイプ、年齢、および代謝状態を横断するユニバーサルキャリブレーションを作成することは、解決できない問題が残っています。それなしで、患者は初期のキャリブレーション手順が必要になります。これは、限られた状況を損なうものです。研究者は、さまざまな臨床検査モデルを継続的に更新する適応アルゴリズムを探求していますが、これらの製品は、既存のモデルを自動学習するだけでなく、さまざまな臨床検査装置に適応します。

最小化と電力要件

高品質のラマン分光器は、安定したレーザーソース、冷却された検出器、および精密な光学を必要とする多重で敏感な機器です。それらを、信号にノイズ比を犠牲にすることなく、ウェアラブルなフォームファクターに収縮することは、巨大なエンジニアリング課題です。現在のプロトタイプは、ベンチトップシステムまたは大きなハンドヘルドユニットです。光ニック集積回路とマイクロファブリケート分光計の進歩は、最終的にチップサイズのラマンセンサーを収穫することができますが、商用製品は、ラマンレーザーとほぼ同じくないデバイスを構成する可能性があります。レイマトは、ラマツは、ラマツは、これらをターゲットにするために、レーザーを低減します。

研究開発の努力

複数の学術グループ、スタートアップ、医療機器会社を設立し、ラマンベースの非侵襲的なグルコースモニターに積極的に取り組んでいます。彼らのアプローチは、設計と戦略で広く異なります。

主要研究グループと貢献

カリフォルニア大学Davis博士の研究室では、R. P.ヴァン・デュイネ博士は、ナノ構造の金属表面を使用して、106以上の要因によってグルコース信号を増幅するためにナノ構造の金属表面を使用する表面強化ラマン・散布(SERS)を先駆してきました。 SERSは、潜在的に弱信号問題を克服することができますが、ナノ粒子を注入するか、ナノ粒子が安全と規制上の質問を増加させる必要があります。オランダのTwente大学の研究者は、直接、レイルトロールされたプローブを検査する可能性が低いです。

スタートアップ・試作機器

一部のスタートアップは、非侵襲的なRamanグルコースモニターで登場しました。デンマークのRSP Systemsは、200の糖尿病患者と2022の臨床試験で有望な結果を示したデスクトップサイズのデバイスを開発しました。クラークエラーグリッドゾーンAとBの読書の95%を報告しています。同社は、2025年に規制試験に入ることを期待しているハンドヘルドバージョンで働いています。別の会社であるHollucは、RamanとFallyrmalismを組み合わせています。

将来の方向:ウェアラブル、AI、および統合

究極のビジョンは、リストバンド、スマートウォッチ、またはリングに統合されたラマンベースのセンサーで、ユーザー努力なしで連続したグルコースデータを提供します。これを実現することで、複数の領域でブレークスルーが必要になります。

光学・検出器の小型化

マイクロ電光機械システム(MEMS)スキャンミラーとチップベースの分光器(チップの分光器)は急速に進んでいます。 DLP(デジタル光処理)のような企業は、バルク回折格子を交換できるプログラム可能な分光フィルタを開発しています。 1 cm2のチップに完全なRomaシステムは、5〜10年以内に実現可能になる可能性があります。これは、センサーが、従来のLuxerを事前に使用するために十分な消費電力で埋め込むことができることを許可します。シリコンラボは、次のチップをレーザーとシリコンラボを交換するだけでなく、シリコンをレーザーに変えることもできます。

堅牢な校正のための機械学習

ディープラーニングモデル、特にコンボニューラルネットワーク(CNN)とトランスフォーマーは、複雑な可変的な背景から弱いグルコース信号を抽出する際に従来の回帰方法よりもはるかに有利なものとなる。これらのモデルは、個々の皮膚の差異、モーションアーティファクト、温度変動を無視する学習することができます。十分な大規模で多様なデータセットで訓練されたら、ユニバーサルキャリブレーションを実行することで、デバイスがあらゆるユーザーに対して、あらゆるユーザーに対して、あらゆるユーザーモデルを試すことができます。また、MARDモデルが、一般的なモデルを調べるときには、MARDモデルを調べる必要があります。

人工膵システムとの統合

本当に非侵襲的CGMは、インシュリンポンプと直接通信することは、完全にクローズドループ人工膵臓を有効にします。現在のシステムは、頻繁なセンサーのインサートと校正を必要とし、採用を制限します。交換を必要としないラマンベースのセンサー、皮膚の反応を引き起こしず、インスタント読書は人工膵臓技術がよりアクセス可能になる可能性があります。早期の発症性研究は、自動インシュリンへのラコースを統合し、従来の血液検査装置に分離できるかどうかを調べるには、Rarman-predictedグルコースを、従来の血液検査装置を70%以上維持することができます。

規制経路と臨床検証

商用化の前に、ラマングルコースモニターは、FDAがクリアした侵襲性CGM(MARD < 10%)に相当する精度を実証しなければなりません。 FDAはまだ非侵襲的な光学グルコースモニターのための特定のガイダンスを発行していませんが、企業は規制当局と積極的に関与しています。最初の製品は、クラスIIデバイスとして明らかになり、述語デバイスを承認する可能性があります。欧州連合の医療機器は、既存の診断薬を摂取する際の検査結果に合わせています。 GMは、既存の患者に相当する検査結果が、その検査結果が、その検査結果が最大であることを確認します。

コンテンツ

ラーマン分光法は、非侵襲的な血液グルコーステストのフロンティアに立ち、分子の特異性、ラベルなしの操作、および水性の生物学的組織との互換性のユニークな組み合わせを提供します。現在の課題は、信号、皮膚の変動、および小型化を弱める一方で、フォトニクス、人工知能、科学の急速な進歩は、実験室のプロトタイプと臨床的現実間のギャップを着実に閉じています。痛みのない、長期にわたる研究は、常に変化する糖尿病および長期にわたる研究の成功を促進し、その結果、最も有能な研究の達成を促進します。