Avaruustutkimus, joka on pitkäkestoinen ja joka on suunniteltu säätelemään veren glukoosipitoisuutta automaattisesti. Alun perin kehitetty hallitsemaan tyypin 1 diabetesta Maassa, tämä teknologia tarjoaa muuntavia mahdollisuuksia ylläpitää astronautin terveyttä äärimmäisessä ympäristössä avaruudessa. Mikrogravity, säteily, ja resurssirajoitukset luovat ainutlaatuisia haasteita, jotka on käsiteltävä, mutta ne myös ajaa innovaatioita, jotka voivat parantaa diabeteksen hoitoa miljoonille ihmisille planeetallamme.

Imperative autonomisen glukoosin hallinta jälkeen matalan maan kiertoradalla

Historiallisesti avaruusvirastot, kuten NASA, sulkivat insuliinista riippuvaista diabetesta sairastavat miehistön jäsenet pitkäkestoisista tehtävistä, koska hypoglykemia ja insuliinin hallinnan monimutkaisuus mikropainossa ovat vaarassa. Kuitenkin, kun kaupallinen avaruuslento laajenee ja operaatiot pitenevät, avaruusmatkailijoiden väestö muuttuu. Jopa ei-diabetesastronautit kokevat merkittäviä muutoksia glukoosiaineenvaihduntaan avaruuslentojen aikana. Tutkimukset ovat osoittaneet, että mikrogravitaatio aiheuttaa muutoksia insuliiniherkkyyden ja glukoosinsietokyvyn suhteen, osittain veren määrään ja jakautumiseen vaikuttavien nestemuutosten vuoksi. Stressihormonit, unirytmimuutokset ja fyysisen aktiivisuuden muutokset vaikuttavat edelleen hyperglykemian riskiin. Autonominen keinotekoinen haimajärjestelmä voisi tarjota tarkan, reaaliaikaisen glukoosin valvonnan kaikille miehistön jäsenille, mikä vähentäisi akuutin komplikaatioiden ja pitkän aikavälin terveysseurausten riskiä työmatkojen aikana.

Tarve tulee vielä akuutti Mars-tehtävän. Kulloin 6...9 kuukauden välein, yhdistettynä pinta-pysäköinti yli vuoden, tarkoittaa, että miehistön jäsenet eivät voi luottaa maassa-pohjainen lääketieteellinen tuki, koska viestinnän viiveet jopa 20 minuuttia yksisuuntainen. Manuaalinen glukoosin seuranta ja insuliinin säätö aiheuttaisi sietämätön kognitiivinen taakka astronautit, jotka jo hallita useita kriittisiä tehtäviä. Täysin itsenäinen järjestelmä, joka toimii jatkuvasti taustalla ei ole vain kätevä.

Suljetun silmukkajärjestelmän ydinkomponentit

Keinotekoinen haima, joka tunnetaan myös suljetun insuliininjakelujärjestelmänä, yhdistää kolme ydinkomponenttia: jatkuva glukoosin monitorointi (CGM), insuliinipumppu ja kontrollialgoritmi. CGM mittaa interstitiaalisen glukoosin tasoja muutaman minuutin välein ja siirtää tiedot langattomasti ohjaimelle. Algoritmi käsittelee näitä lukemia ja käskee pumpun toimittaa tarkkoja annoksia nopeavaikutteista insuliinia tarvittaessa, tavoitteena pitää glukoosin tavoitealueella. Edistyneet järjestelmät sisältävät myös toisen hormonin, glukagonin, ehkäistäkseen tai korjatakseen hypoglykemiaa, luodakseen kaksihormonaalisen keinotekoisen haiman. Algoritmeetit ovat kehittyneet yksinkertaisesta suhteutetusta integraalista johdosta (PID) ohjaimiin kehittyneeseen mallin prediktiiviseen hallintaan (MPC) ja keinoälyyn perustuviin järjestelmiin, jotka oppivat yksilön glukoosin malleja ajan mittaan.

Maan päällä kaupalliset järjestelmät, kuten Medtronic MiniMed 670G ja Tandem t:slim X2 Control-IQ ovat osoittaneet parempia glykeemisiä tuloksia verrattuna perinteiseen pumpun hoito tai useita päivittäisiä injektioita. Kuitenkin, näiden kuluttajien laitteiden mukauttaminen tilaan vaatii miettiä uudelleen jokainen komponentti kestää laukaisu tärinä, säteily, mikropainovoima, ja rajallinen tarjonta.

Fysiologiset sairaudet mikropainossa

Ihonalaisen insuliinin farmakokinetiikka

Mikropainossa kehon nesteet siirtävät aivojen palloa kohti jalan laskimoaukon hidastuminen ja veren keskitilavuuden kasvu. Tämä uudelleenjakautuminen muuttaa ihon alle annetun insuliinin imeytymistä ja puhdistumaa. Paraboliset lentokokeet ja ISS-tutkimukset ovat osoittaneet, että insuliinin farmakokinetiikka voi muuttua, ja mahdolliset erot huippuaktiivisuudessa ja sen kestossa. Esimerkiksi imeytymisnopeus voi kiihtyä tai hidastua pistoskohdan ja paikallisen kudosperfuusion mukaan. Tämä ennakoimattomuus tekee avoimesta annostelusta (jossa potilas laskee ja pistää insuliinia manuaalisesti) paljon vähemmän luotettavaa. Suljetun algoritmin on otettava huomioon nämä muutokset, ehkä käyttämällä järjestelmän tunnistamismenetelmää, joka jatkuvasti arvioi nykyisen imeytymismallin glukoosista ja insuliinista.

Jatkuva glukoosin monitori Tarkkuus mikropainovoima

CGM mittaa glukoosia ihonalaisen kudoksen interstitiaalinesteessä. Mikropainovoimassa interstitiaalinen nestedynamiikka voi muuttua, koska painovoimaan perustuva konvektio ei ole läsnä. Tämä voi muuttaa viivettä veren glukoosimuutosten ja interstitiaalisen glukoosin lukemien . Lisäksi anturin insertioon saattaa vaikuttaa ihon heikentynyt jännitys, mikä johtaa mikroliikkeisiin, jotka turmeltuvat lukemat. ISS:n tutkimus on alkanut luonnehtia näitä vaikutuksia, mutta erityisiä kokeita tarvitaan vielä validoimaan CGM-kalibrointialgoritmit pitkäkestoista avaruuslentoa varten. Jotkut tutkijat ehdottavat toisen, tarpeettoman anturin käyttöä ristiinvalidointiin ja automaattisesti hylkäämään outlief-datan.

Nesteenvaihdunnan ja glukoosin jakautuminen

Insuliinin imeytymisen lisäksi glukoosin kokonaisjakauma ja sen puhdistuma veren mikropainokyvyn muutoksesta. Keskusnesteen laajeneminen muuttaa maksan veren virtausta ja munuaisten toimintaa, mikä voi vaikuttaa glukoosin tuotantoon ja erittymiseen. Hypoglykemian vastasääntelyn hormonivaste voi myös olla tylpämpi autonomisen hermoston toiminnan muuttumisen vuoksi. Keinotekoisen haiman on siis oltava vahva suuremmalle aineenvaihduntatilan alueelle kuin mitä Maassa on havaittu. Sopeutuvia algoritmeja, jotka oppivat miehistön jäsenen yksilöllisen vasteen ajan myötä, ovat todennäköisesti paljon tehokkaampia kuin kiinteä-parametrijärjestelmät.

Tekniikan haasteet syvän tilan luotettavuudelle

Säteilyvaikutukset elektroniikkaan ja biologiseen aineistoon

Avaruussäteilyympäristö .Koostuu galaktisista kosmisista säteistä, aurinkohiukkasista ja loukkuun jääneistä säteilyvyöstä. Elektroniikassa korkean energian hiukkaset voivat aiheuttaa yhden tapahtuman häiriöitä, salpoja ja komponenttien asteittaista hajoamista. CGM- ja insuliinipumput on suunniteltava säteilykarkaistuilla elektroniikalla tai niissä on käytettävä suojausta ja katkoksia. Kaupallisesti käytettävissä olevat kulutuslaitteet eivät ole säteilykarkaistuja; ne todennäköisesti epäonnistuvat viikkojen tai kuukausien kuluessa syvässä tilassa. Avaruusluokitetut versiot edellyttäisivät mukautettuja sovelluskohtaisia integroituja piirejä (ASC-) tai kenttäohjelmoituja porttirakenteita (FPGA-laitteita), joissa on virhekorjaava muisti ja kolmimodulaarinen reservi.

Biologisten kudosten säteily lisää hapettumisrasitusta ja voi vahingoittaa haiman beetasoluja, mahdollisesti paheneva diabetes ajan myötä. Avaruudessa käytettävän keinotekoisen haiman on siis oltava vahva laitteiston vikaa vastaan ja pystyttävä kompensoimaan endogeenisen insuliinin tuotannon asteittaista menetystä. Jotkut tutkijat kuvittelevat ennalta radiosuojattavia hoitoja tai sisäänrakennettuja glukagonin varannot suojautua pahenemiselta glykeeminen hallinta.

Resurssitehokkuus ja pienin mahdollinen resurssien käyttö

Jokainen kilo hyötykuormaa on arvokas. Keinotekoinen haimajärjestelmä on kompakti, kevyt ja tehotehokas. Nykyiset kulutuskuluttajien CGM ja insuliinipumput ovat suhteellisen pieniä, mutta niiden integrointi yhteen laitteeseen, jossa on luotettava virtalähde. Mahdollista ladattavaa aurinkopaneelien tai polttoainekennojen kautta.Maksukyky on edelleen tekninen haaste. Konsumabit kuten insuliini, glukagoni, sensorielektrodit ja akkukennot on säilytettävä kuukausia tai vuosia mahdollisimman vähän hajoavana. Resepti ei ole vaihtoehto Mars-tehtävässä, joten järjestelmän on toimittava rajallisella resurssipaketilla. In situ valmistus, jossa käytetään 3D-painatusta anturikomponentteja tai esiasteista saatavaa insuliinisynteesiä, on pidempiaikainen mahdollisuus, mutta ei vielä mahdollista.

Mekaaninen eheys mikropainovoimassa

Mekaaniset komponentit, kuten pumput ja venttiilit, toimivat mikropainoltaan eri tavoin. Insuliinisäiliöiden kuplien muodostuminen voi häiritä virtausta, koska kaasutaskut eivät nouse ja erota nesteestä kuten maapallolla. Liikkuvien osien kitka voi muuttua, koska voiteluaineisiin ei ole painovoimaa. Nesteen tarttuminen pintoihin voi vaikuttaa annostelutarkkuuteen. Anturi ei saa istua kunnolla ihon läpi olevien pienten neulasten tai filamenttien takia. Teknisten ratkaisujen on otettava huomioon nämä ilmiöt, ehkä aktiivisen paineenhallinnan, hydrofobinen pinnoitteiden, jousia kuormittavien insertointimekanismien tai kaasunpoistokalvojen avulla.

Autonominen ja viansietokyky

Astronauteilla on rajoitettu aika lääketieteelliseen vianhakuun ja rajoitettu pääsy varaosiin. Keinotekoisen haiman on oltava erittäin luotettava, ja sen on oltava turvassa, jotta se voi estää joko hypoglykemian tai vakavan hyperglykemian. Anturien ja pumppujen punnituksen on oltava välttämätöntä. Järjestelmän on oltava itsenäinen: sen on toimittava mahdollisimman pienellä ihmisen väliintulolla, automaattisesti kalibroimalla, itsetestaus ja hälyttämällä vain silloin kun se on tarpeen. Viestintäviiveet Maan ja Marsin välillä on jopa 20 minuuttia, joten algoritmisen ...brain... CGM-anturit voisivat tarjota äänestyslogiikan, jotta ne hylkäisivät virheelliset lukemat. Järjestelmä voisi myös automaattisesti tarkistaa ajoittain, milloin se on tarkoitettu käytettäväksi glukoosin referenssiratkaisua vastaan. Nämä suunnitteluperiaatteet vastaavat erittäin hyvin herkkiä sairaaloiden tarpeita.

Avaruus-Driven-innovaatioiden läpiajo

Kehittyneet anturiteknologiat

Avaruusvaatimukset ohjaavat kehitystä CGM, jotka ovat pienempiä, tarkempia, ja kestävämpiä. Tutkijat ovat tutkimassa ei-invasiivisia anturit käyttäen optisia tai sähkömagneettisia menetelmiä, jotka voisivat poistaa tarpeen transkutaanisten luotaimet. Fluoresenssi-pohjaiset anturit, esimerkiksi, ovat vähemmän alttiita säteilyvaurioita ja voidaan istuttaa ihon alle pitkäaikaiseen käyttöön. Toinen lähestymistapa käyttää lähes infrapunaspektroskopia mittaamaan glukoosia ihon läpi. Tällaiset anturit hyödyttäisivät Maata potilaita, jotka tarvitsevat pidempiä käyttöaikoja ja vähemmän kalibrointia. Mahdollisesti jopa pysyviä implantoitavia antureita, joiden elinikä on useita vuosia.

Adaptiivinen ja oppiminen algoritmeja

Algoritmeja, jotka ohjaavat keinotekoista haimaa on sopeuduttava muuttuvaan fysiologiaan ajan myötä. Avaruudessa, jossa insuliiniherkkyys voi ajelehtia hitaasti lihasatrofian, nestesiirtojen tai säteilyaltistuksen vuoksi, koneoppimismallit voivat jatkuvasti uudelleenistua saapuviin tietoihin. Vahvistusoppimismallit voisivat optimoida insuliinin annostuksen ilman nimenomaisia fysiologisia muutoksia. Nämä samat adaptiiviset algoritmit voitaisiin soveltaa maapalloon perustuviin järjestelmiin potilaille, joiden insuliini tarvitsee muutosta sairauden, liikunnan tai stressin vuoksi. Esimerkiksi järjestelmä, joka oppii ennustamaan ateriakoostumuksen ja ajoituksen perusteella aterianjälkeisiä glukoosiretkiä, voisivat vähentää dramaattisesti hypoglykemiatapahtumia.

Lunastukset ja vika-asetukset

Kysyntä korkea autonomia avaruudessa on työntää kehitystä hierarkkinen vikahallinta. Terveyden seuranta kerros voisi jatkuvasti arvioida sensorien terveyttä, pumpun suorituskykyä ja algoritmi vakautta. Jos komponentti hajoaa, järjestelmä rekonfiguroi automaattisesti . Esimerkiksi vaihtamalla varapumppu tai vähentää insuliinin toimitusta turvallisuustekijän odottaessa ihmisen interventio. Äänestysalgoritmit, jotka vertaavat kaksi tai kolme riippumatonta glukoosia lukemat voi hylätä epäonnistuneen anturin. Nämä arkkitehtuurit voitaisiin hyväksyä kriittisiä lääkinnällisiä laitteita maapallolla, erityisesti potilaille, joilla on hypoglykemia tietämättömyys, jotka tarvitsevat mahdollisimman luotettavia.

Maaperän spillover-edut

Monet aluksi kehitettyjä tekniikoita ovat löytäneet maa-pohjainen sovelluksia.Miniatuoitu elektroniikka, telelääketiede, ja kaukoseuranta ovat ensisijaisia esimerkkejä. Keinotekoiset haimajärjestelmät jalostettu tilaa lähes varmasti johtaa vankempi, kompakti, ja autonomisia laitteita ihmisille diabetes kaikkialla. Järjestelmä, joka voi selviytyä käynnistää tärinä ja syvänmeren säteily on todennäköisesti kestävämpi kuin nykyiset kuluttajat laitteet. Kaksisuuntainen tiedonjako avaruus virastojen ja lääketieteellisten laitteiden yritykset nopeuttaa innovointia molemmilla aloilla. Esimerkiksi CGM suunniteltu toimimaan kaksi vuotta ilman korvaa avaruudessa voisi muuttaa diabetes hoito potilaille, jotka tällä hetkellä korvaavat anturit joka 7.-14 päivää.

Nykyiset aloitteet ja yhteistyöpolut

NASA:n Human Research Program on rahoittanut tutkimuksia, jotka koskevat ISS:n glukoosiaineenvaihdunnan muutoksia ja kokeilla varhaisen prototyypin suljettujen insuliinien toimitusta mikropainossa [NASA Human Research Program][[]]. Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) on myös tehnyt kokeita insuliinin imeytymisestä parabolisten lentojen aikana. Avaruustoimistojen ja organisaatioiden, kuten , väliset yhteistyöt JDRF[:n, ovat edistäneet kumppanuuksia, jotka tuovat yhteen endokrinologit, ilmailuinsinöörit ja algoritmien kehittäjät. Vuonna 2023 Virginian yliopiston ja NASAn tiimi julkaisi toteutettavuustutkimuksen, jossa osoitettiin, että nykyiset keinotekoiset haimaalgoritmit voitaisiin mukauttaa nestesiirtymien huomioon vain pienin muutoksin.

Yksityiset yritykset, mukaan lukien liikeavaruusasemien ja avaruusalusten kehittäjät, investoivat myös automaattiseen terveydenhuollon hallintaan. SpaceX:n miehistölohikäärme on kuljettanut lääketieteellisiä seurantalaitteita ISS:lle, ja tuleviin kaupallisiin elinympäristöihin voi sisältyä omistettuja lääketieteellisiä lahtia, jotka voivat tukea teko haiman toimintaa. Nontrofijärjestö JDRF jatkaa sellaisten kehittyneiden suljettujen järjestelmien tutkimusta, joita voitaisiin mukauttaa äärimmäisiin ympäristöihin. Kansainvälinen avaruusasema National Laboratory pyytää myös ehdotuksia teknologiademonstraatioista, jotka voisivat hyödyttää sekä avaruustutkimusta että maahoitoa.

Marsin etenemissuunnitelma: Tekohaurioiden integrointi miehistöjen terveysjärjestelmiin

Marsiin suuntautuvien miehitettyjen operaatioiden osalta keino haimasta tulee lähes välttämätön. Pitkittyneen mikropainovoiman, korkean säteilyn ja rajallisen saannin yhdistelmä tekee manuaalisesta glukoosinhallinnasta epäkäytännöllistä. Täysin itsenäinen, vika-sietokykyinen ja resurssitehokas keino haima voisi toimia laajemman lääketieteellisen tukijärjestelmän kulmakivenä. Jotkut käsitteet voivat kuvitella implantoitavia versioita, jotka kestävät koko tehtävän ilman korvaavaa tehtävää, kun taas toiset ehdottavat puettavien ja kuluvien komponenttien sarjaa, joka on suunniteltu helposti vaihdettavaksi matkan aikana. Tulevaisuuden järjestelmät voivat sisältää useita hormoneja.Insuliini, glukagoni ja ehkä amyliinin analogit.

Ihmisillä on myös rooli. Psykologinen stressi ja kognitiivinen kuormitus on minimoitava; laite, joka toimii hiljaa taustalla, vain tärkeitä hälytyksiä, auttaa ylläpitämään miehistön moraalia ja suorituskykyä. Heterogeeniset astronauttien joukkueet . Myös kaupalliset ja kansainväliset kumppanit.Tervetuloa yleisempi, keino haima on suunniteltava eri kehon tyyppejä, ikä, ja aineenvaihduntaprofiilit. Järjestelmän pitäisi myös liittää aluksen keskeinen terveysseurantaverkosto, joka antaa tietoja miehistön lääkintäupseerille trendianalyysi ja pitkän aikavälin terveyssuunnittelu.

Päätelmä

Avaruustehtävissä käytettävän keinotekoisen haiman kehittäminen ei ole vain kapean teknologian haaste. Se on katalysaattori läpimurtoon lääketieteellisen teknologian hyväksi, joka hyödyttää koko ihmiskuntaa. Mikropainovoiman, säteilyn ja resurssien rajoitusten ylittäminen tuottaa laitteita, jotka ovat vahvempia, itsenäisempiä ja mukautuvampia kuin mikään tänään käytettävissä oleva. Yhteistyö avaruustoimistojen, akateemisten tutkijoiden ja lääkinnällisten laitteiden yritysten välillä on välttämätöntä tämän vision muuttamiseksi todellisuudeksi. Valmistaudumme lähettämään ihmisiä syvemmälle aurinkokuntaan, keinotekoinen haima on ensisijainen esimerkki siitä, miten avaruuden matkustusmoottorien jäykkyydet parantavat elämää Maassa.