糖尿病是一种慢性代谢紊乱疾病，其特征是血糖水平升高，会导致严重的并发症，例如心血管疾病、血管损伤、糖尿病视网膜病变、肾功能衰竭和神经病变等。尽管目前的医疗方法无法治愈糖尿病，但血糖监测有助于识别模式变化，达到目标范围，并最终改善健康结果。它使患者能够了解睡眠、饮食、运动和药物等因素如何影响他们的血糖水平。鉴于这些需求，血糖监测的趋势正在从传统的一次性设备转向非侵入性的连续监测系统。
据麦姆斯咨询报道，近日，纽约州立大学宾汉姆顿分校（State University of New York at Binghamton）的研究人员介绍了一种开创性的新型血糖监测换能机制概念验证，标志着孢子形成（spore-forming）微生物全细胞传感平台的首次演示。该方法利用枯草芽孢杆菌孢子对富含钾的体液（如汗液）中的葡萄糖的选择性和敏感性萌发（germination）。这项初步研究表明，孢子形成微生物全细胞传感策略在有效糖尿病管理方面有着巨大的潜力，可以扩展到无创可穿戴监测，克服当前技术的关键挑战，为先进的生物传感应用铺平道路。相关研究成果以“Revolutionary self-powered transducing mechanism for long-lasting and stable glucose monitoring: achieving selective and sensitive bacterial endospore germination in microengineered paper-based platforms”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
为血糖监测开发的纸基孢子形成微生物全细胞传感系统
在这项工作中，研究人员基于既定的原理，假设认为枯草芽孢杆菌孢子具有一种传感机制，可以选择性地检测富含钾的体液（例如汗液）中的葡萄糖。为了验证他们的假设，研究人员在小瓶中制备了枯草芽孢杆菌内生孢子，并用富含钾的人工汗液（含或不含葡萄糖）处理它们。测量结果显示，含葡萄糖的人工汗液样品具有显著的电化学活性。
在富钾人工汗液中响应葡萄糖的孢子萌发
在微生物燃料电池（MFC）平台中，萌发细胞会在阳极和阴极之间产生与葡萄糖浓度直接相关的电化学电位差。微生物燃料电池由三个基本组件构成：一个含有孢子形成细菌的阳极、一个离子交换膜、一个涂有催化剂的阴极。在这项研究中，研究人员介绍了一种新型的基于自供电微生物燃料电池的传感器，其制作在单层纸上，有助于实现高效批量制造。这种创新性的微生物燃料电池设计可作为葡萄糖检测的新型自供电传感器，无需化学萌发剂即可运行。
纸基微生物燃料电池葡萄糖传感器的制造、配置和运行
微生物燃料电池对0.2至10 mM范围内的葡萄糖浓度表现出2.246 µW·(log mM)⁻¹·cm⁻²的灵敏度，检测限约为0.07 mM。该传感器表现出优异的选择性，即使在各种干扰存在的情况下也能准确检测葡萄糖。对比分析表明，与随着时间的推移性能显著下降的传统酶促生物传感器不同，基于孢子的微生物燃料电池能在较长时间内保持稳定，并且在需要时能迅速恢复功能。
微生物燃料电池支持的自供电葡萄糖监测
研究人员成功地将基于微生物燃料电池的葡萄糖传感器集成到一个紧凑的可穿戴读出接口中，旨在为葡萄糖监测提供实时视觉警报。这标志着无创血糖监测技术的重大进步。通过利用微生物燃料电池技术，系统的设计显著简化，消除了对复杂信号换能的需求。这种简化降低了系统的复杂性并提高了其可靠性。
基于微生物燃料电池的葡萄糖传感器与便携式读出接口的集成，用于潜在的可穿戴应用
总而言之，研究人员开发了一种创新的孢子形成微生物全细胞传感系统，用于葡萄糖检测。利用枯草芽孢杆菌孢子在富钾环境中对葡萄糖的萌发反应，该系统启动代谢活动，在纸基微生物燃料电池中产生可测量的电信号。这种方法通过休眠孢子状态延长了保质期，并通过细菌在萌发时的自我复制特性确保了稳健性。MFC对0.2至10 mM范围内的葡萄糖浓度表现出高灵敏度和选择性，检测限约为0.07 mM。与紧凑的可穿戴读出接口的集成展示了该系统在非侵入性连续血糖监测（CGM）应用中的潜力。从商业和应用的角度来看，所提出的方法有可能通过实现持久耐用、低维护需求和长保质期的设备来彻底改变可穿戴葡萄糖传感器。尽管存在萌发缓慢和钾浓度对其实际使用的影响等挑战，但所提出的孢子形成微生物全细胞传感策略为葡萄糖监测开发了一种经济高效、稳定且可持续的替代方案。该方法不仅解决了现有技术的关键限制，还为先进的生物传感应用奠定了基础，为该领域的未来创新提供了巨大的潜力。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00836-9
