基于微流控芯片和细胞血糖代谢机理的胰岛素检测及其在糖尿病分型中的应用

Insulin detection is very significant for early typing diagnosis and illness analysis of diabetes. However, the present insulin detection methods have been reported in clinical and scientific research can only enable simple quantification, where additional use of complicated detections of blood sugar and many other targets is required to offer accurate clinical diagnosis. Microfluidic chips, with the advantages of being portable, fast and easy to use, sensitive and of low cost, has become an important to-be-developed tool for the research of novel portable biomedical detection. In this proposal, we are about to, based on the insulin detection results achieved in the applicant’s previous studies using microfluidic chip, optimize and improve this detection method to realize simultaneous detection of insulin level and its effect on cell glucose metabolism, in a bid to facilitate fast typing diagnosis of diabetes. We’ll build the microfluidic chip based research platform, aiming to employ the protocol of solid-phase immune-fluorescence to detect insulin content in samples using immuno-microbeads as solid carriers, as well as to determine, based on glucose metabolism in cells, the binding level of insulin in relation to cells using live cells as solid carriers and estimate its effect on cell glucose metabolism. Finally, an attempt will be made to provide a basis for rapid typing diagnosis of type 1 and type 2 diabetes according to the detection results. This research will bring a brand-new concept and technique to the research with regard to diabetes typing diagnosis and pathogenesis.

胰岛素检测对糖尿病早期分型诊断和病因病情分析具有重要意义。目前临床和科学研究中出现的胰岛素检测方法只能实现单纯定量，且必须配合过程繁琐的血糖检测和其他多项指标测定结果才能做出准确的临床诊断。微流控芯片以其简单便携、快速灵敏、成本低廉等优势，已成为新型便携式生物医学检测工具的重要发展方向。申请人前期基于微流控芯片已实现了微量胰岛素定量检测，本项目拟优化改进该检测方法，实现胰岛素含量和胰岛素在细胞血糖代谢中作用程度的同时检测，以期应用于糖尿病快速分型诊断。本课题将构建微流控芯片研究平台，采用固相免疫荧光测定流程，以免疫微珠为载体测定样品中的胰岛素含量；同时依据细胞的血糖代谢机理，以活体细胞为载体，测定细胞与胰岛素的结合水平，进而判定其在细胞血糖代谢中的作用；最终结合上述检测结果，尝试给出1型和2型糖尿病的快速分型诊断依据，为糖尿病分型和病理研究提供新思路、新技术。

糖尿病是一组代谢紊乱综合征，临床以高血糖为主要特征，血糖检测是目前糖尿病诊断和分型的主要标准，但血糖并非糖尿病的早期诊断指标。胰岛素水平反映了人体胰岛细胞的功能，是糖尿病早期就能发现异常的指标之一。胰岛素和葡萄糖联合检测，对于糖尿病早期分型诊断和病因病情分析具有重要意义。本课题研究了一种能够同时检测混合溶液中胰岛素和葡萄糖浓度的微型电化学检测器件，主要完成了以下工作：. （1）构建了三电极电化学检测系统，建立了胰岛素和葡萄糖的电化学检测模型，采用氢氧化镍对工作电极进行电化学修饰，评价了修饰的有效性。. （2）分别完成胰岛素溶液、葡萄糖溶液、胰岛素-葡萄糖混合溶液的循环伏安电化学扫描实验，采用循环伏安法和时间-电流法记录实验数据，改变扫描速率，获取胰岛素和葡萄糖的反应动力学过程。. （3）对于胰岛素-葡萄糖混合溶液检测得到的循环伏安曲线，采用机器学习中的多元逻辑回归、支持向量机、随机森林等方法，构建模型对胰岛素与葡萄糖混合溶液的循环伏安特性曲线进行解析，以预测方式获取胰岛素和葡萄糖在混合溶液中的浓度信息。. （4）基于大量实验数据，对葡萄糖和胰岛素浓度进行联合分析、判断和预测，给出了糖尿病初步诊断及分型的依据。. 研究结果表明，本课题提出的胰岛素-葡萄糖微量检测方案和平台，成本低，操作方便，可靠性高，不仅能够完成样品中胰岛素或葡萄糖单一物质检测，还能实现二者的同时测定，效率更高。通过胰岛素和葡萄糖的同时测定，能够更好地评价胰岛素在机体血糖代谢中的作用程度。最后，利用机器学习方法，通过大量实验数据构建预测模型，结合患者个体特征，提出了1型和2型糖尿病分型依据，这项研究成果对糖尿病早期诊断和初步分型具有重要意义。