روند نوظهور در تحقیقات پانکوراس مصنوعی: از آزمایشگاه تا بازار

زمینه مدیریت دیابت در حال تغییر عمیق است، که توسط تکامل سریع سیستم های پانکراس مصنوعی هدایت می شود، این فن آوری های پیشرفته، همچنین به عنوان سیستم های تحویل انسولین خودکار (AID) شناخته می شود، هدف از تقلید از عملکرد نمونه اولیه گلوکز در حال ظهور، به طور فزاینده ای از بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 - شرایطی که سیستم ایمنی سلول های بتا تولید کننده انسولین را از بین می برد - آزمایشگاه مصنوعی پیشنهاد می دهد که سرعت بخشیدن به درمان های کنترل طبیعی روزانه و تنظیم مجدد آن ها (تغییرمسیر از طریق کنترل انسولین).

نوآوری های اخیر در تکنولوژی Pancreas مصنوعی

سیستم های پانکراس مصنوعی در طول دهه گذشته به طور چشمگیری تکامل یافته اند. نسخه های اولیه بسیار مهم و ضروری بودند ورودی دستی قابل توجه، اما مدرن ⁇ براق تر، باهوش تر و مستقل تر هستند.

الگوریتم های کنترل پیشرفته

مغز هر سیستم پانکراس مصنوعی الگوریتم آن است.سیستم های اولیه از کنترل کننده های ساده متناسب (PID) استفاده می کنند که تحویل انسولین را بر اساس سطح و روند فعلی گلوکز تنظیم می کنند، در حالی که کنترل کننده های PID با پیش بینی تغییرات سریع، سیستم های اخیر کنترل مدل پیش بینی (MPC)، که از یک مدل ریاضی دینامیک گلوکز-استین برای پیش بینی سطوح دقیق و کنترل دقیق انسولین استفاده می کنند، مانند روش های تحویل سریع، کنترل های دقیق دقیق و غیر دقیق تر از بیمار، استفاده می کنند.

نظارت مداوم Glucose

دقت سنسور بسیار مهم است. مدرن CGMs، مانند Dexcom G7 و ابوت FreeStyle Libre 3، اندازه گیری گلوکز بین رشته ای هر یک به پنج دقیقه با حداقل کالیبراسیون سنسور های جدید با بهره برداری از MARD (یک طیف مطلق از طیف بالینی) ارزش های زیر 8٪، کاهش فرکانس زنگ های کاذب و حوادث هیپوگلیسمی از دست رفته برخی از سیستم های در حال حاضر شامل سنسورهای متعدد یا تشخیص دهنده های اضافی - حتی تصاویر جامع تر از نوروسکوپی (مانند تصاویر غیر آلی، حتی تصاویر دقیق تر از حد و یا دقیق تر از آن، به طور دقیق تر از آن، به طور دقیق تر از حد و یا باقی مانده است.

سیستم های دوگانه-Hormone Systems

اکثر سیستم های تجاری پانکراس تنها انسولین را تحویل می دهند، اما پانکراس همچنین گلوکاگون را برای افزایش گلوکز خون در هنگام نیاز، سیستم های هورمون دوگانه - تحویل انسولین و گلوکاگون - به نظر می رسد به تقلید از این موانع طبیعی ضد میکروبی و ضد میکروبی در مقایسه با این سیستم های هورمون دوگانه، مانند i Let bionic توسعه یافته توسط بتا Bionic، نشان داده اند زمان برتر و ثابت در مقایسه با توسعه فقط در حال توسعه برخی از آنتی بیوتیک ها.

مینیاتورسازی و قابلیت پوشیدنی

سخت افزار به طور قابل توجهی کوچکتر و راحت تر شده است. پمپ های انسولین در حال حاضر دستگاه های بدون لوله، پچ (به عنوان مثال، Omnipod 5) که به طور مستقیم به پوست متصل می شوند، به سختی قابل توجه هستند و می توانند برای 14 روز استفاده شوند، محققان همچنین در حال بررسی سیستم های کاملا قابل کاشت مانند دستگاه Cellnovo هستند که پمپ و سنسور را در یک واحد واحد واحد جداگانه ترکیب می کنند، اگر چه نیاز به سیستم های جراحی محدود دارند و یا سیستم های کوچک تر دارند.

طراحی و قابلیت همکاری کاربر-Centric Design and Interoperability

سیستم های مصنوعی مدرن پانکراس بر تجربه کاربر تأکید می کنند، برنامه های تلفن هوشمند جایگزین کنترل های اختصاصی، ارائه داشبورد شهودی، هشدار های قابل تنظیم و ویژگی های اشتراک گذاری اجتماعی. استانداردهای Interoperability، مانند طرح حلقه Tide و استاندارد دستگاه سلامت شخصی IEEE 11073، اجازه می دهد بیماران به مخلوط و مطابقت اجزای از سازندگان مختلف.

کلید رانندگی تحقیقات و توسعه

چندین روند ماکرو سرعت توسعه و پذیرش فن آوری های پانکراس مصنوعی را افزایش می دهد. درک این نیروها برای پزشکان، محققان و سیاستگذاران ضروری است.

سیستم های بسته بندی شده: از هیبریدی تا کاملا خودکار

سیستم های حلقه بسته به طور خودکار تحویل انسولین را بر اساس داده های CGM بدون دخالت کاربر تنظیم می کنند.اولین نسل سیستم های هیبریدی بسته حلقه (به عنوان مثال Medtronic 670G) هنوز کاربران را ملزم به اعلام غذا و به صورت دستی تایید سیستم های هیبریدی جدید، مانند Medtronic 780G و Tandem Control-IQ، مطالعات به طور کامل با استفاده از الگوریتم های خودکار و خاموش کردن زمان ثابت شده است.

ادغام با بستر های بهداشت دیجیتال

سیستم های پانکراس مصنوعی به طور فزاینده ای به اکوسیستم های بهداشت دیجیتال گسترده تر متصل می شوند.داده ها از CGM، پمپ ها و ردیاب های فعالیت به سیستم عامل های مبتنی بر ابر جریان می یابند (به عنوان مثال، Glooko، Diasend)، که در آن بیماران و پزشکان می توانند روند، تنظیمات را بررسی کنند و بینش های خودکار دریافت کنند. Telehealth نظارت از راه دور و بازدید های مجازی را کاهش می دهد، کاهش بار در قرار ملاقات های بالینی یادگیری ماشین های یادگیری فعال برای جلوگیری از دسترس کاربران و هشدار دادن اطلاعات و هشدار دهنده.

الگوریتم های شخصی با استفاده از هوش مصنوعی

الگوریتم های استاتیک در حال ارائه راه به مدل های سازگار و شخصی سازی شده است. تکنیک های یادگیری ماشین تجزیه و تحلیل داده های گلوکز تاریخی، الگوهای غذایی، ورود به ورزش و حتی چرخه خواب برای سفارشی کردن تحویل انسولین هستند.به ویژه، می تواند استراتژی های تطبیق با شبیه سازی هزاران نتیجه احتمالی و انتخاب بهترین عمل در الگوریتم های شخصی واقعی را بهینه سازی کند.

رویکردهای بی حسی فراتر از انسولین و گلواگون

تحقیقات در حال گسترش است تا هورمون های اضافی را شامل شود. Pramlintide، آنالوگ از amylin، تخلیه معده و کاهش قند پس زمینه ای.سیستم های ترکیبی انسولین-pramlintide وعده داده اند در مطالعات اولیه، به طور مشابه، گیرنده های گلی-1، که معمولا در نوع 2 دیابت استفاده می شود، برای بهبود وزن خود و بهبود خطر ابتلا به آن به یک عامل یکپارچه سازی جامع، بررسی می شوند.

نظارت از راه دور و ادغام مراقبت های بهداشتی

بسیاری از بیماران، به ویژه کودکان، به مراقبان برای نظارت متکی هستند، سیستم های پانکراس مصنوعی مدرن شامل ویژگی های پیگیری من هستند: اعضای خانواده یا پرستاران مدرسه می توانند داده های گلوکز را مشاهده کنند و هشدارهایی را در گوشی های هوشمند خود دریافت کنند، این اتصال اضطراب را کاهش می دهد و مداخله سریع را در صورت لزوم انجام می دهد.

قابلیت همکاری و سیستم های منبع باز

جنبش انتظار نمی رود که سیستم های پانکراس مصنوعی منبع باز را مانند OpenAPS، AndroidAPS و Ring، به طور منظم تجزیه و تحلیل کند، این سیستم های ساخته شده توسط جامعه به افراد با تکنولوژی اجازه می دهند تا تنظیمات بسته شده را با استفاده از CGMs و پمپ های تجاری ایجاد کنند، در حالی که سیستم های تایید شده FDA، سیستم های منبع باز یک پایگاه بزرگ کاربر را تشکیل داده اند و اجزای امنیتی قابل اعتماد را برای سازمان های امنیتی توسعه داده اند.

چالش ها و مسیرهای آینده

علی رغم پیشرفت قابل توجه، موانع قابل توجه باقی مانده است. پرداختن به این چالش ها برای دستیابی به پذیرش گسترده و دسترسی عادلانه بسیار مهم است.

ایمنی و پیشگیری از هیپوگلیسمی

هیپوگلیسمی همچنان ترسناک ترین عارضه درمان انسولین است، در حالی که سیستم های پانکراس مصنوعی فرکانس هیپوگلیسمی شدید را کاهش می دهند، آنها نمی توانند آن را به طور کامل از بین ببرند، سنسور، انحصار پمپ، یا سوء تغذیه الگوریتم هنوز هم می تواند منجر به کاهش شدید سیستم های پیش بینی کننده شود که شامل تنوع ضربان قلب، رفتار پوست، و سایر سیگنال های فیزیولوژیکی برای پیش بینی دقیق آن است که نیاز به سیستم های ایمنی محصول دارند، اما ارائه می دهد.

قابلیت اطمینان دستگاه و کاربر Burden

سیستم های پانکراس مصنوعی پیچیده هستند، شامل اجزای متعدد است که می توانند شکست بخورند.آشکار سیگنال سنسور، انسداد انسولین، و مسائل اتصال به کاربران نیاز به عیب یابی به طور منظم دارند، حتی بهترین سیستم ها نیاز به تعمیر و نگهداری دارند: تغییر مجموعه تزریق، سنسورهای کالیبراسیون (برای مدل های قدیمی تر)، و شارژ باتری ها می تواند منجر به دستگاه، به ویژه در نوجوانان و نوجوانان شود که تولید کنندگان جوان مدت طولانی تر به سمت سنسورهای استاندارد سازی فعال می شوند، هشدار دهندگان هشدار می دهند و هشدار دهنده های قابل اعتماد تر، و هشدار دهنده های تولید کننده ها را کاهش دهد.

تنظیم مقررات و بازگشت هردلس

آوردن یک پانکراس مصنوعی به بازار نیازمند هدایت مناظر پیچیده نظارتی است.در ایالات متحده، FDA این سیستم ها را به عنوان دستگاه های پزشکی کلاس III طبقه بندی می کند، نیاز به کارآزمایی های بالینی نشان دادن ایمنی و اثربخشی حلقه برای ویژگی های خاص است.

هزینه و دسترسی

هزینه بالای سیستم های پانکراس مصنوعی دسترسی را محدود می کند.یک سیستم معمولی می تواند هزینه ای بالغ بر 10000 دلار برای سخت افزار به علاوه جریان های قابل اجرا (حساس، مجموعه های تزریق، انسولین) در کشورهای کم درآمد و متوسط داشته باشد، حتی انسولین اساسی اغلب مقرون به صرفه نیست، و فناوری پیشرفته یک هدف غیر انتفاعی مانند JDRF و زندگی برای بهبود دسترسی کودک، اما نیاز به توسعه سیستم های فنی موجود دارد، به عنوان "سیستم های باز، اجازه نمی دهد تا همه آنها را کاهش دهند و سیستم های فنی "به عنوان یک سیستم های فنی باز، و سیستم های نرم افزار پیشرفته" را کاهش دهند.

حریم خصوصی داده ها و امنیت

داده های مداوم گلوکز به ابر نگرانی های حریم خصوصی را افزایش می دهد. بیماران باید اطمینان حاصل کنند که اطلاعات بهداشتی آنها از نقض و سوء استفاده محافظت می شود.تولید کنندگان در معرض HIPAA (در ایالات متحده) و GDPR (در اروپا) هستند، اما آسیب پذیری ها همچنان باقی مانده است. محققان امنیت سایبری نشان داده اند که پمپ های انسولین می توانند از راه دور هک شوند، به طور بالقوه دوزهای خطرناک را ارائه دهند. FDA راهنمایی در مورد دستگاه های پزشکی، نیاز به تولید کنندگان رمزگذاری قوی و مکانیسم های امنیتی را انتخاب می کند.

از آزمایشگاه تا بازار: مسیر تجارت

سفر از یک مفهوم علمی به یک محصول به طور گسترده در دسترس دشوار است. درک این مسیر کمک می کند تا چشم انداز فعلی و امکانات آینده را به صورت متنی بیان کند.

اعتبار اولیه بالینی و اولیه بالینی

قبل از آزمایش انسان، الگوریتم های پانکراس مصنوعی و سخت افزار شبیه سازی های کامپیوتری گسترده ای را انجام می دهند.دانشگاه ویرجینیا / پدووا یک ابزار به طور گسترده ای مورد استفاده ایالات متحده FDA-پذیرش برای ارزیابی الگوریتم های کنترل در sil phaseico پس از آن پیشرفت به مطالعات بالینی کوچک - اغلب در تنظیمات بیمارستان با نظارت دقیق - برای تست ایمنی، تحمل، و مطالعات اولیه اثربخشی معمولا شامل 10 ساعت - اطلاع رسانی از این موارد کوتاه مدت - 30 -

اجرای برنامه های آموزشی و تنظیم مقررات

کارآزمایی های اولیه موفق منجر به کارآزمایی های چند مرکز (مرحله 3) می شوند، نمونه ها شامل کارآزمایی بالینی سیستم کنترل-IQ (که در ژورنال پزشکی جدید انگلستان منتشر شده است، 2019) و آزمون ایمنی و اثربخشی Medtronic 780G 2019 می شوند، این کارآزمایی ها صدها نفر از شرکت کنندگان را در بیش از 3 تا 6 ماه ثبت نام می کنند، مقایسه نتایج مانند زمان-in-range، Hb1، کاهش و هیپوگلیسونیک در زمان بسته های نظارتی محصول تایید شده است.

شواهد واقعی جهانی و بهینه سازی پس از بازار

تایید پایان نیست.مطالعات بازار پس از بازار شواهد واقعی در مورد ایمنی، اثربخشی و تجربه کاربر جمع آوری می کند.این داده ها برای اصلاح الگوریتم ها، نرم افزار به روز رسانی و پزشکان آموزش استفاده می شود.به عنوان مثال، سیستم کنترل Tandem Control-IQ به روز رسانی هایی که اصلاح خودکار را بهبود می بخشد و زمان صرف شده در هیپوگلیسمی بر اساس داده های کاربر، اغلب تشویق می شود تا در تحقیقات طولانی مانند T1D به کمک کند.

همکاری بین سهامداران

هیچ سازمان واحدی نمی تواند یک پانکراس مصنوعی را به تنهایی به بازار برساند، تجاری سازی موفق نیازمند مشارکت بین تولید کنندگان دستگاه (Medtronic، Tandem، Insulet، Ypsomed)، شرکت های سنسور (Dexcom، ابوت)، توسعه دهندگان الگوریتم (گروه های تحقیقاتی علمی مانند دانشگاه کمبریج، استنفورد و دانشگاه بوستون)، و گروه های حامی (JDRF، کارآزمایی های تحقیقاتی بالینی) هستند؛ مشاوران خدمات درمانی و خدمات درمانی را به عنوان راه های خدمات درمانی بهینه سازی شده هدایت می کنند؛ و خدمات درمانی.

بازار چشم انداز فعلی

از سال 2025، چندین سیستم پانکراس مصنوعی در سراسر جهان در دسترس هستند. سیستم Medtronic MiniMed 780G، با تکنولوژی SmartGuard خود، دارای بزرگترین سهم بازار است.Tandem دیابت کنترل-IQ، یکپارچه با Dexcom G / G7، به طور گسترده ای در ایالات متحده و اروپا استفاده می شود.sulets Omnipod 5، اولین بار از روغن های آلوده به طور کامل در سیستم های ورودی غیر طبیعی تایید شده است، به ویژه بیماران Biop جوان، به طور کامل مورد استفاده قرار می دهد.

مسیر های آینده: برای تحقیقات پانکوراس مصنوعی چه چیزی است؟

با نگاهی به آینده، موج بعدی نوآوری بر بستن شکاف های باقی مانده و گسترش دسترسی تکنولوژی تمرکز خواهد کرد.

سیستم های کاملا بسته بدون اعلام غذا

"احمقانه" تحقیقات پانکراس مصنوعی یک سیستم است که نیازی به ورودی کاربر ندارد - هیچ شمارش کربوهیدرات، هیچ اعلان غذا، هیچ تصحیح ورزشی، مطالعات اخیر با استفاده از انسولین های فوق العاده سریع و سریع (به عنوان مثال، با سرعت عمل به انسولین، انسولین استنشاق) همراه با الگوریتم های پیشرفته نشان داده اند که سیستم های کاملا خودکار می توانند سطوح قابل قبول را در برابر این هدف دوگانه حفظ کنند.

درخواست دیابت نوع 2

در حالی که از نظر تاریخی بر روی دیابت نوع 1 متمرکز شده اند، محققان در حال حاضر در حال بررسی استفاده از پانکراس مصنوعی در دیابت نوع 2 هستند، به ویژه برای بیمارانی که نیاز به درمان شدید انسولین دارند. مطالعات خلبان بهبود در کنترل گلیسمیک بدون افزایش هیپوگلیسمی را نشان داده اند. استفاده از Broader نیاز به پرداختن به الگوهای مختلف مقاومت به انسولین، شاخص توده بدن بالاتر و سرعت رشد برنامه های نوع 2 دارد.

تجهیزات قابل حمل و نقل طولانی مدت

سیستم های مصنوعی ایمپلنت شده می توانند نیاز به پمپ های خارجی و سنسورها را از بین ببرند.CGM قابل ایمپلنت Eversense (که تا 6 ماه تایید شده است) و پمپ ایمپلنت Cellnovo نمونه های اولیه هستند.سیستم های حلقه بسته کاملاً قابل کاشت در تحقیقات اولیه مرحله ای هستند، ترکیب پمپ داخلی، سنسور و باتری با ارتباطات بی سیم به یک کنترل کننده خارجی.

هوش مصنوعی و طب پیش بینی کننده

مدل های یادگیری ماشین آموزش دیده در مجموعه داده های بزرگ (از جمله CGM، ضربان قلب مداوم، فعالیت و بسته های غذایی) می توانند سطح گلوکز آینده را تا 60 دقیقه پیش بینی کنند با دقت بالا، چنین پیش بینی هایی تنظیمات انسولین پیشگیرانه و کاهش شبکه های یادگیری عمیق کاربر را فراهم می کند، از جمله حافظه کوتاه مدت (LSTM) مدل ها، یکپارچه به الگوریتم های تجاری توضیح داده شده و به بیماران بسیار حساس کمک می کنند.

ترکیب داروهای هوشمند و

نسل بعدی سیستم های پانکراس مصنوعی ممکن است فرمول های انسولین هوشمند را که تنها زمانی فعال می شوند که گلوکز افزایش می یابد، کاهش نیاز به مداخله الگوریتمی. انسولین پاسخگو (GRI) پلیمر، انسولین متصل به مولکول های تزریق گلوکز، و فرمول های اسید پلیمری در توسعه پیش بالینی هستند.

عدالت و دسترسی جهانی

شاید بزرگترین چالش آینده این است که اطمینان حاصل شود که فن آوری پانکراس مصنوعی به جمعیت های فقیر می رسد.سیستم های ارزان قیمت و ساده طراحی شده برای تنظیمات منابع محدود، همراه با پشتیبانی قوی از تله سلامت، می تواند شکاف را نزدیک کند. ابتکارات مانند صندوق جی.جی.RF T1D و بنیاد گیتس در فن آوری مقرون به صرفه سرمایه گذاری می کنند، مدل های منبع باز یک پل اما همچنین نیاز به زیرساخت (هوشمند، پزشکان آموزش داده شده) دارند که قیمت گذاری های عمده ای را در دسترس نمی کنند، و تغییرات عمده ای در دسترس نیست.

نتیجه گیری

تحقیقات پانکراس مصنوعی در نقطه عطفی است.[۳] آنچه به عنوان یک مفهوم نظری [۳] در دهه ۱۹۷۰ شروع شد، به واقعیت تغییر زندگی برای ده ها هزار نفر از مردم در سراسر جهان تبدیل شده است. [۳] روند نوظهور - الگوریتم های پیشرفته، ادغام دیجیتال، شخصی سازی، روش های تحویل دهی بالینی و اکوسیستم باز - مرزهای آنچه که ممکن است باقی بماند: ایمنی، اطمینان و بهره برداری از آن باید به صورت کامل از طریق فرم های پیشرفته، به دست آمده باشد.