مقدمه: انقلاب پانکوراس مصنوعی

برای دهه ها، هدف ایجاد یک پانکراس مصنوعی کاملاً کاربردی، تحقیقات دیابت را به جلو هدایت کرده است.[۳] دیابت نوع ۱ (T1D) یک بیماری خود ایمنی است که در آن پانکراس تولید انسولین را متوقف می کند، و بیماران وابسته به تحویل انسولین خارجی و نظارت مداوم گلوکز را به طور کامل مورد نیاز قرار می دهد: یک سیستم پانکراس بسته که تحویل انسولین را بر اساس سطوح گلوکز واقعی خودکار می کند – بهبود می یابد تا افراد آزاد با استفاده از مواد مصنوعی پایدار (هیچ کدام از پیشرفت قابل توجه مصنوعی را دارند.

طبق گفته ی JDRF (بنیاد تحقیقات دیابت یکپارچه) ، پانکراس مصنوعی برای بیش از یک دهه اولویت تحقیق برتر بوده است.اولین تایید قانونی یک سیستم دید بسته ی هیبریدی در ایالات متحده در سال 2016 به وجود آمد و از آن زمان چندین سیستم وارد بازار شده اند و هر کدام به طور کامل در سیستم های جایگزین فعلی، نیاز به یک سیستم های ذخیره سازی پوست و نگهداری بدون سیم دارند که هنوز به دستگاه های خارجی متصل هستند، و دستگاه های خارجی متصل هستند، و بسته شده اند.

Pancreas مصنوعی چیست؟

یک پانکراس مصنوعی یک سیستم پزشکی است که عملکرد تنظیم گلوکز را از یک پانکراس بیولوژیکی تقلید می کند.این سه جزء اصلی را ادغام می کند: یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM) که هر چند دقیقه سطح گلوکز بین گلوکز را اندازه گیری می کند، یک پمپ انسولین که به طور سریع عمل می کند و یک الگوریتم کنترل کننده (FLT: 1) که سطح گلوکز را در حالی که یک سیستم تحویل فیبر را تنظیم می کند، تنظیم می کند.

انواع مختلفی از سیستم های پانکراس مصنوعی وجود دارد:

  • سیستم های حلقه بسته [FLT 1] - نیاز به کاربر برای اعلام غذا و گاهی کالیبره تحویل انسولین برای نرخ های پایه و اصلاح بولوسها خودکار است.
  • سیستم های حلقه بسته کامل - هنوز در کارآزمایی های بالینی، این سیستم ها به طور خودکار گشت و گذار گلوکز مربوط به وعده غذایی را انجام می دهند، با استفاده از آنالوگ سریع انسولین یا روش های دو قلو (insulin plus glucagon) برای جلوگیری از هیپوگلیسمی.
  • سیستم های گیاهی - طراحی شده با اجزای داخلی برای استفاده طولانی مدت، از بین بردن وان، پمپ ها و سنسورها تجربی باقی می ماند اما نشان دهنده هدف تحقیقات بلند مدت است.

صرف نظر از نوع، هر سیستم پانکراس مصنوعی به داده های گلوکز دقیق و زمان واقعی و یک الگوریتم قوی متکی است. الگوریتم ممکن است ]PID (proportional-integral-derive-deriveiveive) ، کنترل پیش بینی مدل (MPC)، یا منطق فازی؛ نسخه های مدرن به طور فزاینده ای شامل یادگیری ماشین برای انطباق الگوهای فردی بیماران است.

تکامل تحقیقات: از حلقه باز تا حلقه بسته

تحقیقات در سیستم تحویل انسولین خودکار در دهه 1970 با دستگاه های بزرگ و مبتنی بر بیمارستان آغاز شد. Biostator که در سال 1977 معرفی شد، یک سیستم جانبی بود که یک سنسور گلوکز داخل وریدی را با انسولین و دکستروز تزریق ترکیب کرد - این سیستم های پرماتیک، تهاجمی و غیر عملی برای استفاده از خانه بود، اما مفهوم کنترل بسته شده توسط سنسورهای اولیه (به حداقل رساندن سرعت، و به حداقل رساندن سرعت در سال 1999) و سیستم های مداوم گلوکز را اثبات کرد.

سیستم های اولیه استفاده از خانه (FLT:0 باز حلقه بودند: CGM خواندن گلوکز را ارائه داد، اما کاربر تمام تصمیمات تحویل انسولین را اتخاذ کرد.اولین گام عمده به سمت کنترل حلقه بسته در دهه ۲۰۰۰ با توسعه پمپ های سنسور-a افزوده (SAPs)، که می تواند انسولین را زمانی که هیپوگلیسمی پیش بینی می کرد، انتقال دهد.

اصطلاح "الزاماتیک" در اطراف زمان اولین کارآزمایی های بسته به سرپایی در اوایل سال 2010 استفاده گسترده ای از جمله مطالعات ] [2012 توسط Hovorka و همکارانش [FLT 1 با استفاده از الگوریتم MPC، نشان داد که کنترل حلقه بسته می تواند زمان و هیپوگلیسمی را بهبود بخشد در مقایسه با تحویل اتوماتیک سیستم، MedM1 بسته شده است.

از آن زمان، رقابت تسریع شده است. Tandem دیابت مراقبت از FDA برای کنترل IQ در سال 2019 دریافت کرده است و Insulet Omnipod 5 را راه اندازی کرد، یک پمپ پچ بدون لوله با تحویل انسولین خودکار، در سال 2022، هر نسل جدید الگوریتم های بهبود یافته، تحویل سریع انسولین و ادغام بهتر با CGM های مدرن مانند Dexcom G6 و G7.

تکامل فقط فنی نیست؛ بلکه تنظیم کننده و تجاری است. FDA یک مسیر اختصاصی پانکراس مصنوعی ایجاد کرده و از آن زمان سیستم های متعدد را تایید کرده است. FDA] صفحه وب سیستم دستگاه Pancreas. راهنمایی برای توسعه دهندگان و لیست دستگاه های تایید شده را فراهم می کند.

تکنولوژی های فعلی: آنچه امروز در دسترس است

از سال 2025، سه سیستم بزرگ بسته به حلقه بسته به هیبریدی در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای دیگر در دسترس هستند:

  • مینیونیک 780G [FLT 1] - از سنسور نگهبان 4 بدون کالیبراسیون انگشت استفاده می کند.پیشنهاد می کند اصلاح خودکار هر پنج دقیقه زمانی که گلوکز بالاتر از هدف است.
  • t:slim X2 با Control-IQ - کار با Dexcom G / G7 به طور خودکار تنظیم نرخ های پایه و اصلاح بولوسات. دارای حالت فعالیت خواب است که کنترل شبانه را سخت می کند. سیستم نشان داده شده است که افزایش زمان-inrange توسط 2-3 ساعت در روز در مقایسه با استاندارد پمپ درمانی.
  • Insulet Omnipod 5 - یک پمپ ضد لوله و ضد آب که به طور مستقیم با یک برنامه تلفن ارتباط برقرار می کند، از سنسور Dexcom G6 (برجام G7 در انتظار) استفاده می کند. الگوریتم بر روی خود پد اجرا می شود، اجازه می دهد برای عملیات راحت بدون کنترل کننده جداگانه.

هر سه سیستم (FLT:0)hybrid در نظر گرفته می شوند، زیرا آنها نیاز به کاربر برای اعلام غذا دارند - یا با وارد کردن یک شمارش کربوهیدرات یا نشان دادن یک وعده غذایی در مورد مصرف مواد غذایی ساده تر است، در حالی که این یک راحتی قابل توجه در مقایسه با تزریق های دستی است، هنوز هم یک بار در سیستم های کاملا بسته است که اعلام غذا پیشرفته است (به عنوان مثال، به عنوان "بیوویر" (به عنوان مثال، اجازه می دهد که هنوز هم داده شده است.

فراتر از سیستم های تنها انسولین، پانکراس مصنوعی Inreda AP، که در هلند توسعه یافته است، در مطالعات نشان داده شده است، انسولین و گلوکاگون از طریق پمپ های دوگانه استفاده می شود. Glucagon به سرعت گلوکز خون را افزایش می دهد، با این حال ایمنی خالص را پیش بینی می کند، اما هیچ سیستم gluc و تجاری را پیش بینی نمی کند.

تلاش برای دستگاه های کاملاً ایمپلنت

در حالی که سیستم های هیبریدی خارجی یک گام بزرگ به جلو هستند، آنها هنوز به اجزای خارجی نیاز دارند: لوله کشی، پمپ، فرستنده های CGM و پچ های چسبی که امروزه بار هستند: خطر عفونت یا تجزیه و تحلیل، تحریک پوست از چسب، نیاز به حمل لوازم یدکی، و تاثیر روانشناختی داشتن دستگاه های پزشکی قابل مشاهده.یک پانکراس مصنوعی کاملا مصنوعی تقریبا تمام این مسائل را از بین می برد.

یک دستگاه ایمپلنت احتمالا شامل:

  • (FLT:0) پمپ انسولین کاشته شده [FLT 1] با یک مخزن که می تواند به صورت روزانه (از طریق پوست) دوباره پر شود و انسولین را به طور مستقیم به حفره Peritoneal یا سایت دیگری منتقل کند.
  • یک واحد کنترل کننده (FLT:0) با یک الگوریتم، حافظه و ارتباطات بی سیم برای کنترل کاربر و بارگذاری داده ها - به طور بالقوه توسط یک باتری قابل ایمپلنت که به صورت خودکار شارژ می شود، استفاده می شود.

چندین گروه تحقیقاتی و شرکت ها بر روی این دیدگاه کار می کنند. [FLT] ] پروژه [FLT1] (که قبلاً " پانکراس مصنوعی قابل کاشت" توسط دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا و دانشگاه کالیفرنیای جنوبی است) دو پمپ قابل کاشت و CGM در مدل های حیوانی را نشان داده است، به طور مشابه [F:2Elia] کنسرسیوم "Fense [F] توسعه یافته است.

با این حال، مسیر یک پانکراس مصنوعی کامل با چالش های قابل توجه هموار شده است.

چالش های فنی کاشت

قابلیت های زیستی و Bio-cit

هر دستگاه ایمپلنت کننده یک پاسخ بدن خارجی را تحریک می کند: تبلیغات پروتئین بر سطح آن، سلول های ایمنی و یک کپسول فیبروس در اطراف ایمپلنت ایجاد می کند.این کپسول می تواند سنسور را از مایع بین المللی جدا کند، که منجر به از دست دادن دقت می شود، به طور مشابه، تحویل غشایی می تواند توسط واکنش های بافت مختل شود.

دقت سنسور و کالیبراسیون

CGM های ایمپلنت شده با چالش های مشابه به عنوان خارجی اما با سهام بالاتر، سنسور باید حداقل شش ماه، به طور ایده آل سال، بدون کالیبراسیون، اکثر سنسورهای موجود فعلی ایمپلنت (مانند Eversense) نیاز به کالیبراسیون داخل وریدی با انگشتان استیک بار در هر اندازه گیری روزانه.

تأمین برق

یک پمپ ایمپلنت و واحد کنترل نیاز به باتری های قدرت دارند که می توانند به صورت بی سیم شارژ شوند (به عنوان مثال، از طریق اتصال گیرنده) امکان پذیر است، اما بیمار باید به یاد داشته باشد که هر روز یا هفتگی، منابع جایگزین انرژی تحت تحقیقات شامل (FLT:0 - 10 سلول های سوخت بیوفی (F:1) که برق را از گلوکز و اکسیژن تولید می کنند یا جایگزین بدن (F3) که در حال حاضر برای اکثر حرکات قابل شارژ باقی مانده است.

ارتباطات بی سیم و امنیت

دستگاه های ایمپلنت باید با کنترل کننده های خارجی (به عنوان مثال، یک گوشی هوشمند یا اختصاصی) برای نظارت بر داده ها و کاربران ارتباط برقرار کنند، این پیوند بی سیم باید در برابر مداخله مقاومت کند، امن در برابر دسترسی غیر مجاز (برای جلوگیری از کنترل مخرب تحویل انسولین)، و خدمات ارتباطات پزشکی کم انرژی (MICS) و بلوتوث کم انرژی (BLE) برای این هدف سازگار است، برای محافظت از پروتکل های ایمنی بیمار.

سایت تحویل انسولین و ثبات

محل تحویل ایده آل برای پمپ ایمپلنت حفره Peritoneal است زیرا جذب انسولین ترشحات پانکراس را بهتر می کند (به طور مستقیم به داخل ورید پورتال) اما تحویل intraperitoneal نیاز به کاتتری دارد که می تواند به صورت جداگانه یا آلوده شود. ثبات طولانی مدت فرمول های انسولین داخل مخزن پمپ مسئله دیگری است؛ انسولین متمرکز شده یا می تواند به شکل گیری های مشابه یا غیر قابل دسترسی باشد.

تنظیم مقررات و بالینی Hurdles

آوردن یک پانکراس مصنوعی ایمپلنت برای بازار نیازمند آزمایش های بالینی گسترده برای اثبات ایمنی و اثربخشی در طول سال ها است. FDA دارای یک چارچوب خاص برای دستگاه های قابل ایمپلنت است، اما ترکیب چندین جزء فعال (حسگر، پمپ، الگوریتم) در یک پیچیدگی ایمپلنت منفرد، توسعه دهندگان باید نشان دهند که ایمپلنت می تواند از محیط زیست بیوشیمیایی بدن زنده بماند، که می تواند به طور قابل اطمینان یا خرابی را جایگزین کند، و یا به عنوان یک دستگاه آلوده به عنوان یک بیماری شدید، مانند حوادث جانبی، جایگزین کند.

علاوه بر این، هزینه و بازپرداخت عوامل عمده ای خواهد بود.سیستم های خارجی فعلی هزینه ده ها هزار دلار در سال را دارند؛ یک دستگاه قابل ایمپلنت که چندین سال طول می کشد می تواند مقرون به صرفه باشد اما نیاز به سرمایه گذاری در سیستم های بهداشتی دارد.

مسیرهای آینده: نانوتکنولوژی، AI و ادغام بیولوژیکی

با نگاهی فراتر از دستگاه های مکانیکی، محققان در حال بررسی راه هایی برای ایجاد یک پانکراس (FLT:0bioartificialial پانکراس هستند که سلول های بیولوژیکی را با مواد مهندسی شده ترکیب می کند. Encapsulated سلول های پیوند مشتق شده (در حال حاضر سلول های سوختی که انسولین و گلوکاگون تولید می کنند) می توانند بدون ایمنی بدن (FVx) به طور موثر ترمیم شوند.

اگر همراه با یک سیستم الکترومکانیکی میکرو (MEMS) یا یک سنسور الکتروشیمیایی، چنین پانکراس زیستی می تواند واقعاً مستقل باشد، در همین حال، nano Technology پتانسیل انسولین پاسخگو به گلوکز را ارائه می دهد -insulin که تا زمانی که سطح گلوکز غیرفعال است، حذف نیاز به پمپ و سنسور به طور کامل آزمایش های بالینی، اما یک نسخه کامل قابل اجرا می باشد.

در نهایت، هوش مصنوعی و داده های بزرگ الگوریتم های کنترل را بهبود می بخشد. مدل های یادگیری ماشین آموزش دیده در مجموعه داده های بزرگ می توانند ساعت های گلوکز را پیش بینی کنند، عامل در ورزش، استرس و چرخه های قاعدگی، و پارامترهای شخصی سازی بدون دخالت انسان، به عنوان سنسورهای قابل کاشت اطلاعات غنی تر، این الگوریتم ها حتی دقیق تر می شوند، به طور بالقوه یک "برای دریافت همه کاربر مصنوعی" را قادر می سازد - نیازی به هیچ ورودی مصنوعی ندارد.

نتیجه گیری: جاده Ahead

تلاش برای یک پانکراس مصنوعی کاملاً ایمپلنت یکی از بلند پروازانه ترین مهندسی و چالش های پزشکی زمان ما است، در حالی که سیستم های بسته هیبریدی خارجی در حال حاضر مدیریت دیابت را برای صدها هزار نفر از مردم، راه حل نهایی - یک ابزار که در داخل بدن زندگی می کند، نیاز به نگهداری حداقل دارد و به طور خودکار به زندگی بیمار - در افق پیشرفت در مواد بی سیم، سرعت پردازش اطلاعات عمومی، و توسعه آن است.

در دهه آینده، ما ممکن است اولین مطالعات بالینی از یک پانکراس مصنوعی کاملاً قابل کاشت در انسان را ببینیم. ادغام درمان سلولی، مواد هوشمند و AI می تواند منجر به دستگاهی شود که نه تنها کاشته شده بلکه دوباره مولد کننده است – یک ارگان مصنوعی که به طور واقعی جایگزین عملکرد از دست رفته از پانکراس بیولوژیکی است.