Table of Contents

Преследването на дълготрайна дълбинска площ от удължени престой на Международната космическа станция (ISS) до предстоящите мисии на Артемида лунна светлина и евентуалното екипажно пътешествие до Марс . Сред най-обещаващите иновации е изкуственият панкреас, затворена система за регулиране на нивата на кръвната захар. Първоначално разработена за управление на диабет тип 1 на Земята, тази технология притежава трансформиращ потенциал за поддържане на здравето на астронавтите в екстремната среда на космоса. Микрогравитацията, радиацията и ограниченията на ресурсите създават уникални предизвикателства, които трябва да бъдат разгледани, но те също така и за управление на иновациите, които биха могли да подобрят диабетната грижа за милиони хора на планетата.

Императивният за автономно управление на глюкозата отвъд ниското ниво на земната орбита

Исторически, космически агенции като НАСА изключва членове на екипажа с инсулин зависим диабет от дълготрайна мисия поради рисковете от хипогликемия и сложността на управлението на инсулина в микрогравитацията. Въпреки това, тъй като търговските космически полети се разширява и мисии растат по-дълго, демографската активност на пътуващите в космоса се променя. Дори недиабетните астронавти изпитват значителни промени в глюкозния метаболизъм по време на космическия полет. Проучванията показват, че микрогравитацията предизвиква промени в инсулиновата чувствителност и глюкозния толеранс, отчасти поради смяна на течностите, които влияят на обема на кръвта и разпределението. Стресовите хормони, променени модели на съня и промените във физическата активност допълнително допринасят за риска от хипергликемия. Автономната система на панкреаса може да осигури прецизен, в реално време глюкозен контрол за всеки член на екипажа, намалявайки риска от остри усложнения и дългосрочни последици за здравето през мисиите с продължителност месеци или години.

Необходимостта става още по-остър за мисия на Марс. Транзитните времена от 6 ... 9 месеца всеки път, в комбинация с престой на повърхността над една година, означава, че членовете на екипажа не могат да разчитат на наземна медицинска подкрепа поради забавяне на комуникацията до 20 минути еднопосочно. Ръчно следене на глюкозата и коригиране на инсулина ще постави неприемливо когнитивно бреме върху астронавтите, които вече управляват множество критични задачи. Напълно автономна система, която работи непрекъснато във фонов режим не е само удобно това е изискване за безопасност.

Основни компоненти на затворена система

Изкуствен панкреас, известен също като система за доставка на инсулин в затворен цикъл, съчетава три основни компонента: непрекъснат глюкозен монитор (CGM), инсулинова помпа и контролен алгоритъм. CGM измерва интерстициалните нива на глюкоза на всеки няколко минути и предава данни безжично на контролер . Алгоритъмът обработва тези данни и команди на помпата да достави точни дози от бързо действащ инсулин, когато е необходимо, с цел поддържане на глюкозата в целеви диапазон. Разширените системи включват и втори хормон, глюкагон, за предотвратяване или коригиране на хипогликемията, създаване на двухормонален изкуствен панкреас. Самите алгоритми са еволюирали от прости пропорционални интегрални (ПИД) контролери до усъвършенстван модел-предразум контрол (MPC) и изкуствени системи, които учат индивидуални модели на глюкозата във времето.

На Земята търговски системи като Medtronic MiniMed 670G и Tandem t: slim X2 с контрол-IQ са показали по-добри резултати в сравнение с традиционната помпена терапия или множество ежедневни инжекции. Въпреки това, адаптирането на тези потребителски устройства за пространство изисква преосмисляне на всеки компонент, за да се устои на вибрациите на изстрелване, радиация, микрогравитация и ограничено захранване.

Физиологични хърби в микрогравитацията

Променена фармакокинетика на подкожно приложение

В микрогравитацията, телесните течности се променят в областта на главата и венозните вени в краката и нарастващия централен обем на кръвта. Това преразпределение променя абсорбцията и клирънса на подкожно приложен инсулин. Параболични експерименти за полет и проучвания на ISS показват, че фармакокинетиката на инсулина може да се промени, с потенциални разлики във времето и продължителността на действие. Например, скоростта на абсорбция може да се ускори или забави в зависимост от мястото на инжектиране и локалната тъкан перфузия. Тази непредсказуемост прави дозиране на отворен цикъл (когато пациентът ръчно изчислява и инжектира инсулин) далеч по- малко надеждна. Алгоритъмът за затворен цикъл трябва да се отчете за тези променени динамика, може би чрез използване на подход за идентификация на системата, който непрекъснато оценява текущия модел на абсорбция от данните за глюкоза и инсулин.

Непрекъснатост на Glyco Monitor Точност при микрогравитация

CGM-ите измерват глюкозата в нетрезво-нежната течност на подкожната тъкан. В микрогравитацията, динамиката на нетрезво състояние на течността може да се промени, защото гравитацията-задвижваното конвекция липсва. Това може да промени времето на забавяне между кръвната глюкоза и интерстициалните глюкозни четения, което е критичен фактор за ефективността на цикъла. Освен това, сензорното вливане може да бъде засегнато от намалено напрежение на кожата, което води до микро-движения, които корумпирани четения. Изследванията на ISS са започнали да характеризират тези ефекти, но все още са необходими специални експерименти за валидиране на алгоритмите за калибриране на CGM за дълго-двойна космичната орбита. Някои изследователи предлагат използването на втори, излишен сензор за кръстосани-валидни чете и автоматично отхвърлят по-оптични данни.

Разпределителни движения на течностите и глюкоза

Отвъд абсорбцията на инсулина, цялостното разпределение на глюкозата и клирънса ѝ от кръвната промяна в микрогравитацията. Централното разширение на течността променя чернодробния поток и бъбречната функция, което може да повлияе на производството и екскрецията на глюкозата. Противорегулиращият хормоналн отговор към хипогликемията може да бъде притъпен и поради променената функция на автономната нервна система. Следователно изкуственият панкреас трябва да бъде здрав до по-широк обхват от метаболитните състояния, отколкото се срещат на Земята. Адаптивни алгоритми, които научават индивидуалния отговор на члена на екипажа с течение на времето, вероятно ще бъдат далеч по-ефективни от стационарните параметри.

Инженерни предизвикателства за сигурността в дълбокия космос

Радиационни ефекти върху електрониката и биологията

Космическата среда, която е свързана с радиацията, е композитна от галактически космически лъчи, събития на слънчеви частици и запечатани радиационни огради, представлява двойна заплаха. За електрониката високоенергийните частици могат да причинят едностъпални смущения, заключвания и постепенно деградация на компонентите. CGM и инсулиновите помпи трябва да бъдат проектирани с радиационно закалена електроника или да използват екрани и ненаблюдаеми. Търговията на разположение на потребителските устройства не са закалени с радиация; те вероятно ще се провалят в рамките на седмици или месеци в дълбокия космос. CGMs и инсулиновите помпи трябва да бъдат проектирани с персонализираните интегрални схеми (ASICs) или полеви програмируеми масиви от порти (FPG) с погрешка-коригираща памет и тримодуларна .

Поради това, за биологични тъкани, радиация увеличава оксидативния стрес и може да увреди панкреаса бета клетки, потенциално влошаване на диабета с течение на времето. Изкуствен панкреас, използвани в пространството трябва да бъде здрав срещу хардуерна недостатъчност и в състояние да компенсира за прогресивна загуба на ендогенна инсулинова продукция. Някои изследователи предвиждат предмисия радиопротективни лечения или вградени резерви на глюкагон за хеджиране срещу влошаване на гликемичен контрол.

Ресурсна ефективност и миниатюризация

Всеки килограм полезен товар на дълбоко-пространствена мисия е ценен. Изкуствената панкреасна система трябва да бъде компактна, олекотена и енергийно ефективна. Токовите потребителски CGMs и инсулинови помпи са относително малки, но интегриране им в едно устройство с надежден източник на енергия год. Вероятно презареждане чрез слънчеви масиви или горивни клетки се поддържа инженерно предизвикателство. Консумативи като инсулин, глюкагон, сензорни електроди, и батерии клетки трябва да бъдат съхранявани в продължение на месеци или години с минимална деградация. Презареждането не е опция на мисия на Марс, така че системата трябва да работи с ограничен набор от ресурси.

Механична почтеност в микрогравитацията

Механичните компоненти като помпи и клапани се държат различно в микрогравитацията. Образуването на мехурчета в инсулиновите резервоари може да наруши потока, защото газовите джобове не се издигат и отделят от течността, както правят на Земята. Фрикцията в движещите се части може да се промени поради липсата на гравитационни сили върху смазочни материали. Потискането на течността към повърхностите може да повлияе на точността на дозиране. Сензорни вложки . Не могат да се нанесат правилно в кожата поради намалено напрежение на кожата. Инженерните решения трябва да отговарят за тези явления, може би чрез активно управление на налягането, хидрофобни покрития, пружинно заварени механизми за натискане, или дегазиращи мембрани в резервоара.

Автономност и отклонение от грешка

Астронавтите имат ограничено време за медицински отстраняване на проблеми и ограничен достъп до резервни части. Изкуственият панкреас трябва да бъде много надежден, с несигурен режим, който да предотврати хипогликемия или тежка хипергликемия. Възстановяване на сензорите и помпите е от съществено значение. Системата трябва да бъде автономна: тя трябва да работи с минимална човешка намеса, автоматично калибриране, самоназначване, и предупреждаване само когато е необходимо. Комуникации забавяния до 20 минути между Земята и Марс изключва реално време дистанционно управление, така че алгоритмичната голота трябва да бъде напълно в състояние да взема решения без наземни подкрепа. Това изисква гол-архитектура. Системата може също автоматично да се прекалибрира сензорите чрез проверка срещу вградена система за контрол на качеството на един алгоритъм, която може да поеме, ако другата не.

Провеждане на пробиви през космическата иновация

Разширени сензорни технологии

Космическите изисквания са шофиране развитието на CGMs, които са по-малки, по-точни и по-трайни. Изследователите проучват неинвазивни сензори, използвайки оптични или електромагнитни методи, които биха могли да премахнат необходимостта от транскожни сонди. флуоресцентни сензори, например, са по-малко податливи на радиация увреждане и могат да бъдат имплантирани подкожно за продължителна употреба. Друг подход използва почти инфрачервена спектроскопия за измерване на глюкозата през кожата. Такива сензори ще се възползват от Земята пациенти, които се нуждаят от по-дълго време на износване и по-малко от нула време дори постоянни имплантируеми сензори с животи от няколко години.

Адаптивни и обучителни алгоритми

Алгоритъмите, които управляват изкуствения панкреас, трябва да се адаптират към променящата се физиология с течение на времето. В пространството, където инсулиновата чувствителност може да се носи бавно поради мускулна атрофия, смяна на течностите или облъчване, моделите на машинно обучение могат непрекъснато да се преквалифицират върху входящи данни. Подходите на обучение за усилване могат да оптимизират дозата на инсулина, без да изискват изрични модели на физиологични промени. Същите адаптивни алгоритми могат да се прилагат към системите на Земята за пациенти, чиито инсулинови нужди се променят поради заболяване, упражнения или стрес. Например, система, която се учи да предсказва пост-мазните глюкозни екскурзии, базирани на състава на хранене и времето, могат да намалят драстично хипогликемичните събития.

Архитектура на реконструкцията и нефункционалността

Търсенето на висока автономия в космоса налага развитието на управлението на разломните дефекти. Слоят за наблюдение на здравето може непрекъснато да оценява здравето на сензорите, ефективността на помпата и стабилността на алгоритмите. Ако компонентът се разпадне, системата автоматично се пренастройва, например, преминавайки към резервна помпа или намалявайки доставката на инсулин чрез фактор на безопасност, докато чака човешка намеса. Алгоритъмите за гласуване, които сравняват два или три независими глюкозни четения, могат да отхвърлят неуспешния сензор. Тези архитектури могат да бъдат приети за критични медицински устройства на Земята, особено за пациенти с хипогликемиемия, които се нуждаят от най-висока надеждност.

Ползи от свръхестествените отпадъци

Много технологии, първоначално разработени за космоса са открили Earth-базирани приложения .миниатюризирана електроника, телемедицина, и дистанционно наблюдение са основни примери. Изкуствените панкреас системи, рафинирани за пространство почти сигурно ще доведе до по-здрави, компактни, и автономни устройства за хора с диабет навсякъде. Система, която може да оцелее на стартиране вибрации и дълбоко-пространствено излъчване е вероятно да бъде по-издръжливо от настоящите потребителски устройства. Двупосочен обмен на знания между космически агенции и медицински устройства компании ускорява иновациите и за двата сектора. Например, CGM, предназначени да работят в продължение на две години без подмяна в космоса, може да трансформира диабет грижи за пациенти, които в момента заместват сензорите на всеки седем до четиринадесет дни.

Текущи инициативи и съвместни пътеки

Няколко изследователски инициативи вече са в ход. Програмата за човешки изследвания на НАСА финансира проучвания на МКС за изследване на промените в метаболизма на глюкозата и за тестване на ранни прототипи на доставка на инсулин в затворени врати (NASA Human Research Program). Японската агенция за изследване на въздушното пространство (JAXA) също провежда експерименти за усвояване на инсулин по време на параболични полети. Сътрудници между космически агенции и организации като [[FLT: 2]JDRF са насърчавали партньорства, които обединяват ендокринолози, инженери на космическите съоръжения и разработчици на алгоритми. През 2023 г. екип от Университета на Вирджиния и НАСА публикува проучване, което показва, че настоящите изкуствени алгоритми на панкреаса могат да бъдат адаптирани, за да се отчитат промените на течностите само с малки модификации.

Частните компании, включително тези, които развиват търговски космически станции и космически кораби, също инвестират в автоматизирано управление на здравето. Цирковият дракон на SpaceX е пренасял медицинско оборудване за мониторинг на МКС, а бъдещите търговски местообитания могат да включват специализирани медицински заливи, които могат да подкрепят изкуствената операция на панкреаса. Организацията с нестопанска цел JDRF[ продължава да финансира изследванията в съвременни системи за затворен цикъл, които биха могли да бъдат адаптирани за екстремни среди. Международната космическа станция Национална лаборатория също така предлага предложения за технологични демонстрации, които биха могли да се възползват от проучване на космоса и от наземни здравни грижи.

Пътна карта до Марс: интегриране на изкуствените панкреати в системите на екипажа

Комбинацията от удължена микрогравитация, висока радиация, и ограничени пренареждания прави ръчно управление на глюкозата непрактично. Напълно автономни, толерантни и ефективно използване на ресурсите изкуствени панкреас може да служи като крайъгълен камък на по-широка система за медицинска поддръжка. Някои концепции предвиждат имплантируеми версии, които могат да продължат цялата мисия без подмяна, докато други предлагат набор от износими и консумативи, предназначени за лесно заместване по време на пътуването. Бъдещите системи могат да включват множество хормони .Провидим, глюкагон и може би амилин аналози, за да се постигне още по-строг контрол и да се намали рискът от хипер- и хипогликемия.

Психологическият стрес и когнитивният товар трябва да бъдат сведени до минимум; устройство, което работи мълчаливо на заден план, издаващо само важни сигнали, ще помогне за поддържането на морала и ефективността на екипажа. Тъй като хетерогенните екипи от астронавти, включително търговски и международни партньори, трябва да бъдат проектирани за различни типове тела, възрасти и метаболитни профили. Системата трябва да се свърже и с централната мрежа за наблюдение на здравето на космическия кораб, предоставяйки данни на медицинския офицер на екипажа за анализ на тенденциите и дългосрочно планиране на здравето.

Заключение

Развитието на изкуствен панкреас за използване в космически мисии не е просто ниша инженерно предизвикателство това е катализатор за пробивни медицински технологии, които ще се възползват човечеството като цяло. Преодоляване на препятствията на микрогравитацията, радиацията и ограничения на ресурсите ще произвежда устройства, които са по-здрави, автономни и адаптивни от всичко на разположение днес. Сътрудничеството между космически агенции, академични изследователи и компании за медицинско устройство е от съществено значение, за да превърне тази визия в реалност. Тъй като ние се подготвяме да изпратим хората по-дълбоко в Слънчевата система, изкуственият панкреас стои като основен пример за това как предизвикателства на космическия пътен двигател иновации, които подобряват живота на Земята.