طلوع بیوالکترونیک در سلامت متابولیک

تقاطع الکترونیک و زیست شناسی یک مرز در پزشکی باز کرده است که زمانی مواد علمی تخیلی بود. Bioelectronic Medicine پزشکی، که از سیگنال های الکتریکی برای تنظیم فرآیندهای بیولوژیکی استفاده می کند، به عنوان یک ابزار قدرتمند برای مدیریت اختلالات متابولیک، به ویژه دیابت سیستم عامل، به جای تکیه بر اثرات شیمیایی مانند تزریق انسولین یا هیپوگلیسمی دهان، این رویکرد مدار عصبی بدن را هدف قرار می دهد تا سطح طبیعی قند را بدون تنظیم مواد مغذی در آینده، تنظیم کند:

دیابت بیش از 537 میلیون بزرگسال در سراسر جهان را تحت تاثیر قرار می دهد و شیوع آن همچنان به صعود از درمان های فعلی ادامه می دهد، در حالی که برای بسیاری از آنها موثر است، با محدودیت های قابل توجهی از جمله بار انطباق، خطر هیپوگلیسمی و از دست دادن تدریجی اثربخشی، Bioالکترونیک یک تغییر پارادایم را با پرداختن به اختلالات عصبی ریشه که به عدم تعادل متابولیک کمک می کند، ارائه می دهد.

بنیادهای Bioالکترونیک پزشکی

داروهای الکترونیکی Bio چیست؟

بیوالکترونیک، که به عنوان الکتروانسیزیا نیز اشاره می شود، شامل استفاده از دستگاه های الکترونیکی برای نفوذ بر فعالیت الکتریکی سیستم عصبی برای مزایای درمانی است.این دستگاه ها از محرک های غیر تهاجمی برای به طور کامل میکروچیپ های قابل ایمپلنت که با اعصاب خاص ارتباط برقرار می کنند، اصل اساسی این است که بسیاری از بیماری شامل سیگنال های عصبی یکبر، و با استفاده از محرک های الکتریکی کنترل شده، ما می توانیم عملکرد نرمال را اصلاح یا دستور کار کنیم.

بر خلاف داروهای معمولی که در سراسر بدن گردش می کنند و بر چندین بافت تأثیر می گذارند، دستگاه های بیوشیمیایی زیستی (و یا دستگاه های الکترونیکی زیستی) می توانند دقیقاً به مسیرهای عصبی خاصی هدف قرار گیرند.این انتخاب باعث کاهش اثرات هدف گذاری شده و اجازه می دهد تا برای انجام کارهای شخصی شده بر اساس بازخوردهای فیزیولوژیکی زمان واقعی (۱) برای تنظیم گلوکز، این بدان معنی است که اعصاب مناسب را در شدت مناسب برای افزایش ترشح انسولین، بهبود حساسیت به انسولین، بهبود حساسیت به انسولین، یا تعدیل تولید گلوکز (۱۰) در تحقیقات اخیر در طبیعت نشان داده شده است:

نقش سیستم عصبی در Glucose Homeostasis

بدن سطح گلوکز خون را از طریق یک ترکیب پیچیده از هورمون ها و سیگنال های عصبی حفظ می کند. پانکراس، کبد، بافت adipose و عضله اسکلتی همه ورودی ها را از سیستم عصبی اتونومیک دریافت می کند که شامل شاخه های سمپاتیک و پاراسمپاتیک است. عصب واگپاتی، یک جزء کلیدی از سیستم پارازیسمپاتیک، انتقال سیگنال ها از مغز به افزایش سطح ترشح گلوکز و ترشح قند خون، می تواند سرکوب کننده باشد.

اختلال در این مسیر های عصبی به هر دو نوع 1 و دیابت نوع 2 کمک می کند. [برای مثال، اختلال در تن واژ با کاهش ترشح انسولین و افزایش تولید گلوکز کبدی مرتبط است.] بیو پزشکی الکترونیکی با هدف بازگرداندن این تعادل عصبی با ارائه تحریک الکتریکی خارجی برای جبران سیگنال های کم خطر، تحقیقات اولیه نشان می دهد که افزایش فعالیت واژگال می تواند کنترل گلوکز مستقل را بهبود بخشد.[۱۰]

هدف قرار دادن مسیر های تنظیم Glucose با تحریک الکتریکی

تحریک و عملکرد پانکراتیک و Vagal Nerve

عصب واگ اولین مجرای سیگنال های پاراسمپاتیک به پانکراس است، هنگامی که فعال می شود، سلول های بتا را تحریک می کند تا سلول های انسولین و آلفا را آزاد کند تا ترشح گلوکاگون را تعدیل کند. تحریک عصب Vagal (VNS) به طور گسترده ای برای صرع و افسردگی مورد مطالعه قرار گرفته است، اما اثرات متابولیک آن در حال حاضر توجه قابل توجهی را به مدل های پیش از دبستان جلب می کند، VNS نشان داده است که در پاسخ تحمل گلوکز و واکنش به افزایش می دهد.

یک رویکرد شامل کاشت الکترود کوچک در اطراف عصب واگ گردن رحم است که به یک ژنراتور پالس که تحت پوست قرار می گیرد متصل می شود. این دستگاه انفجارهای الکتریکی برنامه ریزی شده را ارائه می دهد که به پانکراس سفر می کنند و پاسخ طبیعی آن به آزمایش های بالینی گلوکز را افزایش می دهد تا پارامترهای تحریک بهینه را تعیین کند و ایمنی درازمدت را ارزیابی کند.

ایجاد مسیر های تولید Hepatic Glucose

کبد نقش مهمی در استostasis گلوکز ایفا می کند، تولید گلوکز در هنگام نیاز و ذخیره آن پس از وعده های غذایی، این فرایند توسط سیستم عصبی سمپاتیک از طریق اعصاب splanchnic تنظیم شده است، که کبد و سیگنال برای انتشار گلوکز در طول روزه یا استرس را تحریک می کند.در دیابت، تولید گلوکز بیش از حد اوپاتیک به ناشتای بیش از حد کمک می کند.

محققان الکترود های Ultra-miniature کاف را توسعه داده اند که در اطراف بسته های عصبی فردی قرار می گیرند (که اجازه فعال سازی انتخابی یا مهار انواع فیبر خاص را می دهد) با مسدود کردن ورودی سمپاتیک به کبد در طول دوره های هیپرگلیسمی، این دستگاه ها می توانند به کاهش قند خون ناشتا بدون تاثیر بر سایر اندام ها کمک کنند، این امر بسیار مهم است زیرا همان اعصاب همچنین فشار خون و عملکرد دستگاه گوارش را تنظیم می کنند.

کنترل سنسور و بسته - Loop Control

بیوالکترونیک محدود به تحریک موتور یا خروجی autonomic نیست؛ همچنین می تواند سیگنال های حسی ورودی را ضبط کند. عصب vagus حاوی فیبرهای دارای یک فیبرهای همراه است که اطلاعات مربوط به سطح گلوکز، distension روده و ترکیب مواد مغذی از دستگاه گوارش به مغز را حمل می کند.با ضبط این سیگنال ها، دستگاه ها می توانند تشخیص دهند که گلوکز در حال افزایش یا کاهش است و تنظیم تحریک بر اساس این یک سیستم بازخورد بدن بسته ایجاد می کند.

چنین دستگاه های دو جهتی نشان دهنده لبه برش از این زمینه هستند.آنها نیاز به پردازش سیگنال های پیچیده برای تشخیص سیگنال های عصبی از سر و صدا و رمزگشایی الگوهای پیچیده ای دارند که به طور موثر به عنوان سیستم یادگیری ماشین آموزش داده می شوند تا این الگوها را شناسایی کرده و پاسخ های الکتریکی مناسب را در زمان واقعی ارائه دهند.این نتیجه می تواند یک مدار عصبی مصنوعی باشد که گلوکز را به عنوان سیستم بومی تنظیم می کند و با اضافه کردن مزایای برنامه نظارت از راه دور.

پروژه های فعلی تحقیقات و توسعه ای Milestones

مطالعات مقدماتی و مدل های حیوانی

پایه و اساس تنظیم گلوکز الکترونیکی در مطالعات حیوانی قرار گرفته است.دنت و مدل های فلورین نشان داده اند که تحریک الکتریکی عصب وگوس تحمل گلوکز را 15 وndash بهبود می بخشد؛ 25٪ در مقایسه با کنترل های سایه دار، محققان فیبرهای عصبی خاصی را که مسئول اثرات پانکراس هستند، نقشه برداری کرده اند، شناسایی می کنند که تحریک کم فرکانس ترجیح می دهد به طور منظم پاراسمپاتی را فعال کند در حالی که از سرعت قلب جلوگیری می کند یا میزان تنفس را کاهش دهد.

یک مطالعه قابل توجه از اپی ژنتیک در ترکیب با تحریک الکتریکی برای مشخص کردن مدارهای عصبی دقیق درگیر استفاده کرد.[۱] با بیان پروتئین های حساس به نور در الیاف وگل، دانشمندان می توانند به طور انتخابی یا زیرمجموعه های عصبی را فعال یا ساکت کنند و تغییرات حاصل در ترشح انسولین را مشاهده کنند: این کار نشان داد که جمعیت کوچکی از وگان های effertgal برای آزاد کردن انسولین قوی کافی است. [۳]

کارآزمایی های بالینی انسانی و نتایج اولیه

چندین کارآزمایی بالینی در حال حاضر در حال ارزیابی دستگاه های بیوشیمیایی زیستی برای دیابت در انسان هستند. کارآزمایی SETPOINT، به عنوان مثال، تست یک استیماتور عصب وگلی قابل ایمپلنت در بیماران مبتلا به دیابت نوع 2 است.اطلاعات Interim از 30 شرکت کننده نشان داد که کاهش متوسط در HbA1٪ از 0.8٪ پس از شش ماه، با بهبود گلوکز ناشتا و پس از آن، بیماران پس از آن، گزارش شده است.

یک کارآزمایی دیگر در حال بررسی یک رویکرد غیر تهاجمی با استفاده از تحریک عصب واژی گذرا (تاVNS) است که یک وسیله ای که در پشت گوش قرار دارد، پالس های الکتریکی را به شاخه ای از عصب واگ ارائه می دهد که پیش بینی می کند تا به مغزLT بررسی شود.

نوآوری های دستگاه و Miniaturization

سخت افزار پشت پزشکی الکترونیک به سرعت در حال پیشرفت است، دستگاه های اولیه نیاز به ژنراتورهای پالسی بزرگ و پیکربندی های پیچیده سرب، اما طرح های مدرن به اندازه یک دانه برنج کوچک می شوند. محققان در حال توسعه واحدهای خود را که ترکیبی از الکترودها، منابع برق و ارتباطات بی سیم در یک بسته تک ایمپلنت هستند، برخی از نمونه های اولیه انرژی را از حرکات بدن یا گرادیان حرارتی، از بین بردن نیاز به جایگزینی و جایگزینی باتری ها.

انتقال برق بی سیم و انتقال داده نیز بهبود می یابد. ارتباطات نزدیک به میدان و بلوتوث پروتکل های کم انرژی اجازه می دهد دستگاه ها با کنترل کننده های خارجی یا تلفن های هوشمند ارتباط برقرار کنند. بیماران می توانند پارامترهای تحریک را تنظیم کنند، وضعیت باتری را نظارت کنند و هشدار ها را از طریق یک برنامه در تلفن خود دریافت کنند.این اتصال دسترسی مراقبت از راه دور و بهینه سازی داده محور را فعال می کند، که الگوریتم ها الگوهای گلوکز را تجزیه و تحلیل می کنند و تعدیل تحریک بدون نیاز به کلینیک بازدید.

آینده Outlook برای مقررات Bio Glucose

ادغام با نظارت مداوم Glucose

گام منطقی بعدی ادغام عایق های الکترونیکی زیستی با سیستم های نظارت مستمر گلوکز (CGM) است. سنسورهای CGM برای بسیاری از بیماران دیابتی استاندارد شده اند، ارائه خواندن گلوکز واقعی هر پنج دقیقه با ترکیب یک CGM با یک استیماتور عصبی، یک سیستم حلقه بسته می تواند به طور خودکار تحریک را بر اساس سطح گلوکز فعلی تنظیم کند.این شبیه به پمپ های تولید انسولین بسته است، به جای آن، انتقال یک سیستم مراقبت از انسولین، اما یک سیستم مراقبت از انسولین، یک نوع انسولین، یک نوع انسولین را به جای آن، انتقال می دهد.

چنین سیستم می تواند به ویژه برای بیماران مبتلا به دیابت نوع 2 که هنوز عملکرد سلول بتا باقی مانده است، با تقویت پاسخ طبیعی انسولین، دستگاه می تواند نیاز به تزریق انسولین غیرسرطانی را کاهش دهد یا از بین ببرد، همچنین می تواند به جلوگیری از افزایش گلوکز پس از تحویل یک انفجار تحریک قبل از افزایش سطح گلوکز کمک کند.

پزشکی شخصی از طریق Phenotyping

همه بیماران مبتلا به دیابت دارای اختلال عصبی مشابه نیستند، برخی ممکن است تن وفور را کاهش دهند، برخی دیگر ممکن است فعالیت بیش از حد همدلی داشته باشند، و هنوز دیگران ممکن است عملکرد عصبی طبیعی داشته باشند، اما واکنش های سلول های بتا را مختل می کنند. دستگاه های بیوشیمی می توانند به طور متفاوتی برای هر بیمار بر اساس پروفایل عصبی فردی خود برنامه ریزی شوند.

پیشرفت در مدل سازی محاسباتی این امکان را فراهم می کند. محققان در مراکز دانشگاهی در حال توسعه دوقلوهای دیجیتال از سیستم عصبی خودکار هستند که شبیه سازی چگونگی پاسخ بیمار به تحریک را شبیه سازی می کنند. این مدل ها شامل اطلاعات ضبط عصبی، تست های متابولیک و تصویربرداری برای پیش بینی نتایج و تنظیمات دستگاه است.به عنوان داده های اعتبار، چنین مدل ها می توانند به ابزارهای استاندارد برای شروع و بهینه سازی درمان های زیستی تبدیل شوند.

گسترش فراتر از دیابت

اصول تنظیم گلوکز الکترونیکی ممکن است به سایر اختلالات متابولیک گسترش یابد. چاقی، به عنوان مثال، شامل مدارهای عصبی است که اشتها، سیری و هزینه های انرژی را کنترل می کنند.وفورهای Vagal از کل سیگنال معده به مغز، و تحریک این فیبرها می توانند مصرف مواد غذایی را کاهش دهند. دستگاه های ترکیبی که هر دو تنظیم گلوکز و وزن را به ویژه می توانند برای درمان سندرم متابولیک، که در آن، دیابت، و اغلب همزیستی وجود دارد، قدرتمند باشند.

شرایط تورمی هدف دیگری است. عصب واگ نیز دارای اثرات ضد التهابی از طریق مسیر ضد التهابی cholinergic است که باعث کاهش تولید سیتوکین می شود. التهاب کم درجه مزمن نشانه ای از دیابت نوع 2 است و به تحریک عصب واگ کمک می کند. ، دستگاه های بیوشیمی به طور همزمان می توانند کنترل گلوکز و التهاب سیستمیک را بهبود بخشند و دو جزء اصلی را به طور همزمان بررسی می کنند.

چالش ها و ملاحظات در جاده برای اتخاذ

ایمنی طولانی مدت و قابلیت دور بودن

دستگاه های ایمپلنت خطرات ذاتی را شامل می شوند، از جمله عفونت، مهاجرت دستگاه، شکستگی سرب و واکنش بافت.برای تنظیم گلوکز الکترونیکی زیستی برای گسترده شدن، این خطرات باید به حداقل برسد. محققان مواد سازگار زیستی را که مقاومت در برابر مهار و حفظ کمبود پایین در طول سال های استفاده در نظر گرفته می شود، دارند.

مطالعات طولانی مدت در انسان برای ایجاد پروفایل ایمنی در طول دهه ها مورد نیاز است.اطلاعات اولیه از VNS برای صرع نشان می دهد که دستگاه ها می توانند به طور قابل اعتماد برای 10 سال یا بیشتر عمل کنند، اما برنامه های متابولیک ممکن است نیاز به تنظیمات مختلف و چرخه های وظیفه بالاتر داشته باشند. Pathway نظارتی برای این دستگاه ها هنوز در حال تکامل است، با FDA راهنمایی برای الکتروانسی که نیاز به ایمنی و داده های قوی برای ساخت شواهد نظارتی و فاز IV دارند.

روش های غیر تهاجمی و پیش داوری بیمار

در حالی که دستگاه های ایمپلنتی مستقیم ترین رابط عصبی را ارائه می دهند، بسیاری از بیماران گزینه های غیر تهاجمی را ترجیح می دهند. تحریک مغناطیسی، و سونوگرافی متمرکز همه به عنوان جایگزین مورد بررسی قرار می گیرند، این روش ها از خطرات جراحی جلوگیری می کنند و برای پذیرش اولیه قابل دسترس تر هستند، اما ممکن است کمتر موثر باشند زیرا میدان الکتریکی باید از طریق پوست و بافت عبور کند، که در نتیجه بهینه سازی سیگنال و بهینه سازی پارامترهای سرعت پردازش سیگنال است.

رویکردهای پوشیدنی همچنین با چالش های سازگاری مواجه هستند، زیرا حرکت، عرق کردن و هیدراتاسیون پوست می تواند بر تحویل سیگنال تأثیر بگذارد.پیشرفت در الکترونیک انعطاف پذیر و الگوریتم های تطبیقی به این مسائل مربوط می شود. برخی از شرکت ها در حال توسعه الکترودهای خشک هستند که بدون ژل تماس برقرار می کنند و دستگاه هایی که به طور خودکار خروجی را بر اساس اندازه گیری های ایمنی پوست تنظیم می کنند. هدف این است که بیماران قابل اعتماد درمانی را فراهم کنند که می کنند بدون اینکه فعالیت های عادی خود را مختل کنند.

تنظیم مقررات و بازگشت هردلس

دستگاه های الکترونیکی زیستی باید یک چشم انداز تنظیم کننده پیچیده را که در منطقه متفاوت است، در ایالات متحده، FDA این دستگاه ها را بر اساس خطر طبقه بندی می کند، با استیمولاتورهای قابل ایمپلنت که معمولا نیاز به تایید پیش از بازار با داده های بالینی دارند، مسیر می تواند سال ها و هزینه های دهها میلیون دلار برای ساده کردن این فرآیند، FDA برنامه دستگاه های پیشرفت را ایجاد کرده است که سرعت بررسی فن آوری های تنظیم شده در مورد استفاده از این روش های قابل توجه است.

بازپرداخت یکی دیگر از موانع شرکت های بیمه و سیستم های بهداشت ملی نیاز به شواهدی از مقرون به صرفه بودن هزینه، از جمله کاهش عوارض، بستری شدن بیمارستان و استفاده از داروهای اولیه مدل های اقتصادی نشان می دهد که دستگاه های الکترونیکی زیستی می توانند مقرون به صرفه باشند اگر آنها حداقل 0.5% را کاهش دهند و اثرات بیش از پنج سال حفظ کنند.

ملاحظات اخلاقی و عدالت

همانند هر تکنولوژی پیشرفته پزشکی، پزشکی الکترونیک زیستی سوالاتی در مورد دسترسی و عدالت مطرح می کند.دستگاه های اولیه احتمالا گران خواهند بود، به طور بالقوه یک سیستم دو لایه ایجاد می کنند که تنها بیماران ثروتمند می توانند از آنها بهره مند شوند. اطمینان از دسترسی جهانی نیازمند تولید مقیاس پذیر، طرح های ساده و مدل های قیمت گذاری شده است.

ملاحظات اخلاقی همچنین شامل حریم خصوصی داده ها، به ویژه برای دستگاه هایی که داده های فیزیولوژیکی را به صورت بی سیم انتقال می دهند، باید در مورد اینکه چه داده ها جمع آوری می شوند، چگونه مورد استفاده قرار می گیرد و چه کسی دسترسی به فرآیندهای رضایت شفاف و رمزگذاری امن دارند، علاوه بر این، پتانسیل اثرات ناخواسته بر خلق، شناخت یا سایر عملکردهای عصبی باید نظارت شود.

جاده Ahead: چشم انداز برای مراقبت های یکپارچه متابولیک

در انتظار جلو، همگرایی پزشکی الکترونیک زیستی، نظارت مستمر گلوکز، هوش مصنوعی و پزشکی شخصی یک تصویر قانع کننده را نقاشی می کند. تصور کنید بیمار با دیابت نوع 2 که یک پچ کوچک از سنسور در شکم خود را می پوشد که به طور بی سیم با یک استراتور عصب استریپ قابل کاشت ارتباط برقرار می کند، هنگامی که سنسور یک سطح گلوکز رو به رشد را بعد از صبحانه تشخیص می دهد، است، stimimator دقیقا یک تلاش برای کاهش سیگنال های تولید فیبروئید، و بدون آسیب رساندن سیگنال های آشکار به انسولین، و بدون هیچ گونه سیگنال های آشکار کننده.

در نسخه های پیشرفته تر، سیستم الگوهای روزانه بیمار را یاد می گیرد – زمان بندی، ورزش، استرس و خواب – و پیش بینی می کند که متابولیسم نیاز به ساعت ها در پیش دارد. سطح تحریک پایه را در طول شب تنظیم می کند تا از پدیده صبحگاهی جلوگیری کند و تشخیص دهد که بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار بیمار است و پاسخ عصبی را برای جلوگیری از هیپرگلیسمی در طول عفونت تنظیم می کند.

این دیدگاه غیرواقعی نیست، هر جزء – CGM، تحریک بیوشیمیایی، یادگیری ماشینی – آماده سازی در برخی از فرم ها وجود دارد.چالش آنها را به یک سیستم یکپارچه، قابل اعتماد و ایمن که برای جمعیت های مختلف تحت تاثیر دیابت کار می کند، یکپارچه آزمایش های بالینی چنین سیستم های یکپارچه در سه تا پنج سال آینده انتظار می رود.

نتیجه گیری

Bioالکترونیک نشان دهنده یک تغییر اساسی در رویکرد ما به تنظیم مسیر های تنظیم گلوکز است.با استفاده از معماری عصبی بدن، این فن آوری ها پتانسیل دقیق، انطباق و کنترل متابولیک حداقل تهاجمی را ارائه می دهند، در حالی که چالش های قابل توجهی باقی می مانند - ایمنی طولانی مدت، دستیابی به تایید قانونی و ارائه دسترسی عادلانه - مسیر آینده روشن است که احتمالا بسیاری از دستگاه های استاندارد برای درمان های دارویی یا نهایی را می بینند.

آینده مراقبت از دیابت فقط در مورد انسولین بهتر یا پمپ های هوشمند نیست، بلکه در مورد بازگرداندن گفتگوی طبیعی بین اعصاب و اندام هایی است که سلامت متابولیک را حفظ می کنند.بی.بی.بی.بی.بی.بی.بی.ی پزشکی الکترونیکی کلید باز کردن آن گفتگو است و این سفر تازه شروع شده است.