Au cours de la dernière décennie, le traitement du diabète de type 1 a été remodelé par des systèmes d'administration d'insuline en boucle fermée, souvent appelés dispositifs artificiels du pancréas. Ces systèmes combinent un moniteur de glucose continu (CGM) et une pompe à insuline avec un algorithme qui ajuste automatiquement l'apport d'insuline en fonction des lectures de glucose en temps réel. Bien que les dispositifs artificiels actuels du pancréas améliorent considérablement le contrôle glycémique et réduisent le fardeau de l'autogestion constante, ils comptent toujours sur des composants de capteurs qui doivent être remplacés tous les sept à quatorze jours et qui contribuent éventuellement aux déchets médicaux.

Comment fonctionne aujourd'hui les appareils artificiels Pancréas

Un appareil pancréas artificiel, plus précisément appelé système hybride à boucle fermée, se compose de trois composants principaux : une MGC qui mesure les taux de glucose interstitiel toutes les quelques minutes, une pompe à insuline qui délivre de l'insuline à action rapide et un algorithme de contrôle qui utilise les données de la MGC pour commander la pompe à augmenter, diminuer ou suspendre l'administration d'insuline. L'objectif est de maintenir la glycémie dans une plage cible aussi grande que possible, réduisant à la fois l'hyperglycémie et l'hypoglycémie. Les systèmes commerciaux actuels tels que le Medtronic MiniMed 670G, Tandem t:slim X2 avec Control-IQ et l'Omlipod 5 ont démontré des niveaux de HbA1c plus élevés et plus faibles dans les essais cliniques.

Quels sont les capteurs biodégradables?

Les capteurs biodégradables sont des dispositifs implantables ou portables construits à partir de matériaux qui peuvent se décomposer en sous-produits inoffensifs après qu'ils ont servi à leur usage. Dans le contexte des systèmes de pancréas artificiels, un capteur biodégradable fonctionnerait idéalement comme un MCC pendant une période définie, potentiellement des semaines ou des mois, puis se dégraderait en substances que le corps peut métaboliser ou excréter en toute sécurité. Cela élimine la nécessité d'une procédure d'élimination séparée et réduit l'accumulation de déchets non dégradables provenant des capteurs usagés. La recherche en électronique biodégradable s'est accélérée au cours des cinq dernières années, grâce aux progrès de la science des matériaux et de la microfabrication.

Principaux candidats pour les capteurs de glucose biodégradables

La fibroïne de soie est une protéine dérivée de cocons de vers à soie. Elle est biocompatible, mécaniquement robuste et peut être transformée en films ou hydrogels minces qui hébergent des enzymes ou nanoparticules sensibles au glucose. Les capteurs à base de soie peuvent être adaptés pour se dégrader pendant des semaines à des mois en ajustant les conditions de traitement. Magnésium et zinc sont des métaux qui se corrodent rapidement dans des environnements physiologiques. Ils peuvent servir de traces conductrices ou d'électrodes qui se dissolvent après utilisation. PLGA[ et d'autres polymères synthétiques sont couramment utilisés dans les sutures résorbables et les systèmes de distribution de drogues; ils se dégradent en acides lactiques et glycoliques, qui sont naturellement éliminés.

Intégration des capteurs biodégradables dans le pancréas artificiel

Si le matériel du capteur lui-même peut être biodégradable, l'électronique associée – transmetteur, antenne, batterie – doit également être biodégradable ou conçue pour rester à l'extérieur du corps. Une approche à l'étude est un système en deux parties : un capteur sous-cutané biodégradable qui utilise une simple cellule électrochimique alimentée par une cellule biocarburant (également biodégradable) et un dispositif de correction portable qui lit les données via une courte portée sans fil et les transmet à la pompe à insuline et au contrôleur. La cellule biocarburant pourrait récolter de l'énergie à partir du glucose et de l'oxygène dans les tissus, éliminant ainsi le besoin d'une batterie externe.

Architecture de système potentielle

  • Pillet de capteur biodégradable sous-cutané:[ Un petit dispositif de protection souple placé sous la peau contenant plusieurs éléments de détection du glucose, chacun ayant un temps de dégradation légèrement différent pour assurer une couverture continue.
  • Cellule biocarburant : Convertit le glucose et l'oxygène en électricité pour alimenter le capteur et un minuscule émetteur. La pile à combustible se dégrade également après que sa production d'énergie diminue.
  • Étiquette sans fil transitoire:[ Un circuit en magnésium et soie qui transmet les données de glucose à un récepteur externe. L'étiquette peut être conçue pour se dissoudre lorsqu'elle est mouillée ou après une période déterminée.
  • Relais et contrôleur externe:[ Un dispositif portable (p. ex. une montre intelligente ou une pompe) qui reçoit les données du capteur, exécute l'algorithme en boucle fermée et commande la pompe à insuline.

Avantages cliniques et environnementaux

Les capteurs biodégradables offrent plusieurs avantages par rapport aux capteurs permanents ou remplacés à plusieurs reprises :

  • Élimination des procédures de détection des capteurs. Comme le capteur se dissout, il n'est pas nécessaire de procéder à une seconde intervention chirurgicale pour l'éliminer, réduisant ainsi le risque d'infection et les cicatrices.
  • Déchets médicaux réduits Chaque capteur de MMC non dégradable contribue aux déchets tranchants et aux déchets électroniques. Un capteur biodégradable qui se transforme en CO2, eau et minéraux réduit considérablement cette charge environnementale. L'Organisation mondiale de la Santé a mis en évidence le problème croissant des déchets médicaux et l'électronique biodégradable s'harmonise avec les objectifs de durabilité.
  • Amélioration du confort et de la conformité du patient Un capteur à longue durée de vie qui ne nécessite pas d'insertion hebdomadaire peut réduire la douleur, les inconvénients et l'irritation cutanée associés aux changements fréquents de capteur.Certains patients développent des réactions allergiques aux plaques adhésives; un capteur biodégradable peut utiliser un bioadhésif dérivé du chitosan ou de l'alginate moins irritant.
  • Potentiel pour une surveillance plus profonde des tissus. Comme le capteur n'a pas besoin d'être enlevé, il pourrait être implanté dans des tissus qui ne sont pas facilement accessibles pour un remplacement fréquent, permettant la mesure du glucose à d'autres endroits (p. ex. intramusculaire ou dans la cavité péritonéale).
  • Cout de soins à long terme moins élevé. Bien que la recherche et la fabrication initiales soient coûteuses, un seul capteur biodégradable implantable qui dure plusieurs mois pourrait être moins cher que des dizaines de capteurs jetables au cours de la même période, surtout lorsqu'il est question de réduire les visites cliniques pour la formation à l'insertion des capteurs.

Défis actuels et obstacles techniques

Malgré cette promesse, plusieurs obstacles importants doivent être surmontés avant que des capteurs biodégradables puissent être utilisés dans les appareils artificiels du pancréas:

Stabilité et exactitude des capteurs au cours de la vie

Le principal défi consiste à maintenir des relevés précis du glucose pendant toute la période fonctionnelle, surtout au moment où le capteur commence à se dégrader. Lorsque le matériau se corrode ou se décompose, les propriétés électrochimiques changent, ce qui entraîne une dérive dans l'étalonnage. Les MCC actuelles nécessitent un calibrage toutes les quelques heures ou jours à l'aide de relevés de glucose sanguin par doigt; un capteur biodégradable aurait besoin soit d'un mécanisme d'auto-étalonnage, soit d'une longue période stable pour être cliniquement acceptable.Les chercheurs étudient l'utilisation de détectionner la rationétrie[ – mesurer le rapport de deux signaux, dont l'un est une référence qui se dégrade également – pour corriger la dérive.

Biocompatibilité et réponse du corps étranger

Même les matériaux biodégradables peuvent déclencher une réponse immunitaire. Le corps peut encapsuler le capteur dans une capsule fibreuse, l'isoler du fluide interstitiel et causer une perte de signal. Les chercheurs sont des capteurs de revêtement avec des revêtements immunomodulateurs (par exemple, avec PLGA dexaméthasone-relaiement) pour supprimer la réaction du corps étranger. Les sous-produits de dégradation eux-mêmes doivent également être non toxiques et ne pas causer d'inflammation locale.

Communication électrique et sans fil

Les cellules à biocarburant qui récoltent du glucose ont une puissance de sortie limitée (de l'ordre de microwatts par centimètre carré), ce qui peut ne pas suffire pour une transmission sans fil continue.Les chercheurs étudient le stockage d'énergie à l'aide de supercondensateurs biodégradables fabriqués à partir de nanotubes de carbone et de cellulose, qui pourraient stocker de l'énergie pour permettre des éclatements intermittents de la transmission.

Fabrication et scalabilité des coûts

La production de capteurs biodégradables aux propriétés cohérentes à l'échelle commerciale est difficile. Bon nombre de matériaux (p. ex., fibrome de soie) proviennent de produits naturels avec une variabilité de lots par lots. Les procédés de fabrication en chambre propre doivent être adaptés pour manipuler des composants biodégradables sans les dégrader pendant le montage. La faisabilité économique des capteurs biodégradables par rapport aux capteurs jetables établis dépend du coût des matériaux biocompatibles et du rendement des dispositifs fiables.

Les obstacles réglementaires

Les produits combinés qui comportent à la fois un médicament (p. ex., un revêtement anti-inflammatoire) et un dispositif nécessitent des présentations plus complexes. Les produits de dégradation doivent être prouvés sûrs à long terme, et les performances du capteur doivent être équivalentes ou supérieures à celles des MGC existantes. Des essais cliniques en phase initiale sont en cours en Europe pour des capteurs biodégradables pour d'autres applications (p. ex., la surveillance de la pression intracrânienne), ce qui pourrait ouvrir la voie aux dispositifs antidiabétiques.

Orientations futures et recherche continue

Plusieurs lignes de recherche intéressantes pourraient accélérer la transition vers des capteurs biodégradables pour les systèmes artificiels du pancréas :

  • Des capteurs multiplexes qui mesurent le glucose avec d'autres biomarqueurs (p. ex., cétones, lactate) pourraient fournir une image métabolique plus complète.
  • Les hydrogels intelligents qui gonflent ou changent de couleur en réponse au glucose peuvent agir comme capteurs optiques qui ne nécessitent pas d'électricité. Ils peuvent être lus par une source lumineuse externe proche infrarouge, éliminant ainsi la nécessité d'une électronique implantée.
  • L'implantation de plusieurs capteurs est échelonnée, ce qui assure une couverture continue à mesure que l'on se dégrade et que l'autre devient actif.
  • Les algorithmes d'apprentissage de la machine qui peuvent interpréter les données d'un capteur dégradant et compenser la dérive du signal pourraient prolonger la durée de vie utile du capteur même lorsqu'il commence à se décomposer.
  • L'intégration avec des patchs micronéoraux qui se dissolvent complètement – cela permettrait une insertion sans douleur et puis disparaissent, ne laissant aucune trace.

La voie de l'adoption clinique

Bien que la vision d'un capteur de pancréas artificiel entièrement biodégradable soit encore loin d'être atteinte, des progrès supplémentaires sont réalisés. L'application à court terme la plus probable est une MMC biodégradable qui dure de 2 à 4 semaines et remplace les capteurs jetables actuels, tout en étant toujours raccordés sans fil à un émetteur externe. Cela permettrait de réduire la fréquence des déchets et des insertions. La prochaine étape serait un système biodégradable entièrement implantable avec une cellule de biocarburant, fonctionnant pendant 3 à 6 mois. Les essais cliniques pour ces dispositifs pourraient commencer dans les 5 à 7 ans, en supposant une résolution réussie des défis de puissance et de précision.

  1. Démonstration d'une détection de glucose stable pendant au moins 30 jours dans un modèle animal de grande taille.
  2. Mise au point d'un lien de données sans fil et biodégradable qui répond aux normes de communication de qualité médicale (p. ex., Service de communication des implants médicaux).
  3. Essais humains de phase I pour confirmer la biocompatibilité et aucun effet négatif de dégradation.
  4. Essais pivots comparant le système de pancréas artificiel biodégradable à un système standard en boucle fermée en termes de durée et de sécurité.

Conclusion

En éliminant les enlèvements chirurgicaux, en réduisant les déchets et en permettant une implantation à plus long terme, ils pourraient améliorer la qualité de vie de millions de personnes atteintes de diabète de type 1. Les défis sont importants, mais la convergence des matériaux, la bioélectronique et le contrôle algorithmique rapprochent cette possibilité de la réalité. Au fur et à mesure que la recherche se poursuit et que les échelles de fabrication se poursuivent, le pancréas artificiel de la prochaine génération peut non seulement réguler automatiquement le glucose, mais aussi ne laisser aucune trace derrière.