הפוטנציאל של מערכות Pancreas מלאכותיות משלבות חומרים ביולוגיים ומכניים

הפיתוח של מערכות הלבלב מלאכותיות ביו-א-בהירות מייצג התקדמות משמעותית בטיפול בסוכרת.המכשירים החדשניים הללו שואפים לחקות את הפונקציות הטבעיות של הלבלב על ידי שילוב מרכיבים ביולוגיים ומכניים כדי להסדיר את רמות הגלוקוז בדם ביעילות.עבור מיליוני אנשים החיים עם סוכרת מסוג 1, הנטל היומי של ניטור, אינסולין דוסינג, והסיכון הקבוע של hypoglycemia נשאר אתגר מתמשך של פאן-חומר מלאכותי של מערכות גלוקוז-גופיות, הן לא יכולות להיות גמישות יותר, והן להפחתה של תאים כרוניים של רמות של אינסולין אינטנסיביות, והן להפחתה מלאה של רמות גלוקוז.

ביולוגיה מאחורי מערכות Pancreas מלאכותיות

תפקוד תאי האי וגלוקוזה Sensing

במרכזו של כל הלבלב מלאכותי הוא המרכיב הביולוגי האחראי על גילוי גלוקוז ופרשת אינסולין.הלב הטבעי משיג זאת באמצעות אשכולות של תאים הנקראים עונים של לנג'נס, המכיל תאים בטא המשחררים אינסולין בתגובה לרמות גלוקוז בדם גבוהות יותר.במערכות מלאכותיות של גלוקוז, תאים אלה נגזרים מתאים עצביים – מתאים מגזעים, מנרצים, תרבות, ולאחר מכן בתוך מכשיר שהוגדר על מנת לשמור על מנת להגן על רמות הסוכרת הדם.

Stem Cell-Derived Insulin הפקה

אחת ההתפתחויות המבטיחות ביותר בתחום זה היא השימוש בתאי הבטא של תאי גזע-דרדרים. כי שדות התורם של תורנים קטנים, מקורות תאים מדרגיים נדרשים לאימוץ קליני נרחב.לספק תאי גזע בשפע (iPSCs) ותאים גזע עובריים יכולים להיות מופנים כדי להבדיל תאים המייצרים אינסולין שדומים מאוד לתאים דמויי אינסולין.

אסטרטגיות נצלו

שכבת ההתעלות היא הממשק הקריטי בין התאים החיים לבין מערכת החיסון המארחת.קיימות גישות של כמה התעלות, כל אחת עם שינויים נפרדים:

  • (FLT:0) מקרונופסציה: FLT1 Cells ממוקמים בתוך תא גדול יותר או צמיד, לעתים קרובות עשוי מ membranes למחצה עם גדלים נפוחים המאפשרים גלוקוז, אינסולין, חמצן וחומרים מזינים לעבור תוך כדי למעט תאים חיסוניים נוגדנים.
  • (FLT:0Microencapsulation:FLT:1) טיפות בודדות או אשכולות תאים קטנים מכוסים עם שכבת הידרוג'ל דק, בדרך כלל מבוסס אלג'ינאטה, המספקת הגנה חיסונית תוך מיקסום שטח פני השטח עבור החלפת חומרים מזינים.
  • (FLT:0)Nanocoating: 1FLT:1 Ultrathin פולימרים יישומי ישירות על פני השטח תאים מציעים התנגדות דיפוזיה מינימלית ותגובה מופחתת גוף זר טכניקות ייצור שכבות יכול ליצור ציפויים בהתאמה המשמרת את יכולת התא ותפקוד.

כל אסטרטגיה חייבת להתמודד עם אתגר החמצן והתזונה: תאים מלוכדים תלויים בפיזור מרקמות הסובבות, ואספקה לא מספקת מובילה ל-Ncrosis מרכזי ואובדן תפקוד.חדשנות ב-micromaterials שיוצר חמצן ועיצובי מכשירים מוסקולריים נמצאים באופן פעיל כדי להתגבר על הגבלה זו.

שיקולים הנדסיים

חיישן מעקב מתמשך

בעוד התאים הביולוגיים מספקים חישה גלוקוז אינטרינרי, הרכיבים המכניים של pancreas ביוא מלאכותיים כוללים לעתים קרובות צג גלוקוז מתמשך (CGMs) עבור אדמוניות, קלורציה, ניטור בטיחות.מערכות CGM המודרנית, כגון אלה מ Dexcom ו- Abbott, עכשיו להשיג הבדלים יחסיים מוחלטים (MARD) מתחת ל 10%, כלומר גישות הדיוק שלהם של זה יוצר שילוב אלקטרוני של חיישנים.

Insulin Delivery Pumps ו- Microfluidics

משלוח אינסולין במערכות הלבלב מלאכותיות יכול להתרחש דרך שני מסלולים עיקריים:

  • (FLT:0) סודיות תאית ישירה: 1FLT:1 התאים המבודדים משחררים אינסולין ישירות לתוך הרקמה שמסביב או זרם הדם, אנלוגי לאיבר מושתל.תוואי זה מספק את האינסולין הפטריולוגי ביותר של אינסולין hepatic-portal ⁇ אבל דורש שילוב הדוק עם השקע.
  • (FLT:0) הגדלת משאבה אלקטרו-מכנית: ההרחבה 1 (A miniaturized Pump) מספקת אינסולין ממאגרי חיצוני לתוספת פלט סלולרי. גישה זו מאפשרת משלוח בישולי ו-Blulus מדויק ויכולה לפצות על תגובה מגרדת או לא מספקת של תאים.חברות כמו Tandem Diabetes Care ו-Insulet פיתחה משאבות שיכולות עם אלגוריתמים.

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיה מיקרו-שפעתית אפשרה יצירת מכשירים מעבדה-על-a-chip המשלבים תאי תרבות תאים, חיישני גלוקוז ומיקרו-מפטים על פלטפורמה אחת.מערכות ביו-חומריות משולבות אלה מקטין את נפח מת, לשפר את זמני התגובה, ומפחיתות את טביעת הרגל של המכשיר.

שליטה באלגוריתמים ובאינטליגנציה מלאכותית

מערכת הבקרה המתאמת רכיבים ביולוגיים ומכניים היא המוח של המכשיר ההיברידי.מערכות מוקדמות השתמשו בגרסאות פשוטות של אינפורמטיבי-integral-integral-derivative (PID) בקרים, אך יישומים מודרניים משתמשים בשליטה במודלים של שליטה חיזוי טבע (MPC) ואלגוריתמים לוגיים מטבוליים מתקדמים אלה יכולים לצפות במגמות גלוקוז המבוססות על נתונים היסטוריים, הודעות מזון, ותבניות פעילות, ולאחר מכן להתאים את אינסולין לפני אימון אלקטרונים ל-HDF) ל-C.

אתגרים של אינטגרציה והתאמה

תגובה של גוף זר ופיברוזה

המחסום המעמיק ביותר לתפקוד ביו-א מלאכותי לטווח ארוך הוא תגובת הגוף הזרה.כאשר כל מכשיר מושתל, המערכת החיסונית עולה תגובה שמובילה להיווצרות קפסולת פיברוס סביב השתל. מחסום זה מכשול מחלחל דיפוזיה של גלוקוז, אינסולין וחמצן, בסופו של דבר רעב את התאים המבודדים ואת תפקוד ממריץ זה כדי לצמצם את התגובה הזו:

  • משטחים של מכשירים עם פולימרים אנטי-פוחיות כגון חומרים zwitterionic או פוליאתילן גליקול
  • להפסיק תרופות נוגדות אימונוטיפיות או נגד דלקתיות מקומית מהמכשיר
  • עיצוב גיאומטריה המכשיר למזער את פני השטח ולהסיר קצוות חדים המעוררים דלקת
  • יצירת שתלים vascularized המשלבים עם רקמת מארחת ולא להיות מבודד ממנה

חמצן ותמיכה מטאבולית

לתאי האי יש ביקוש מטבולי גבוה, צריכת חמצן במחירים דומים רקמות פעילות מאוד.ב pancreas הילידים, islets הם vasculared, עם כל אחד מקבל דם מכמה capillaries. Encapsulated תאים, לעומת זאת, להסתמך על דיפוזיה פסיבית מרקמות הסובבות, אשר יכול רק לתמוך תאים בתוך 150-200 מיקרון של הגישות הקרובות ביותר הם תחת מגבלות חמצן:

  • (FLT:0) אוקסיגן-יוצר ביו-חומרים: ההרחבה 1 (Comounds: סידן peroxide או sodium percarbonate מוטבעת במכשיר ממטריקס משחרר חמצן באמצעות פיזור כימי
  • (FLT:0) אוקסיגן-רידול תאים:FLT 1 מכשירים עם נמלים עבור חיי חמצן יומיים, כגון מערכת Beta-O2, לשמור על מתח חמצן מקומי גבוה
  • (FLT:0) photosynthetic חמצן: FLT:1 שילוב מיקרואלגה או cyanobacteria לייצר חמצן באמצעות פוטוסינתזה כאשר המכשיר נחשף לאור
  • (FLT:0) עיצובי מכשיר מהונדסים: FLT:1 , יצירת הפיגמומים ממושכים את כלי הדם לתוך התא

תאימות ביולוגית ויציבות

החומרים המשמשים ביו-א מלאכותיים pancreas חייב לעמוד בדרישות ביו-תחרותיות מחמירות.הם לא חייבים לטבול תרכובות רעילות, חייבים להתנגד להשפלה לאורך שנים של השתלה, ולא לגרום דלקת כרונית.סיליקון elastomers, פוליאסטרון פולית (PEEK), ולהרחיב את פוליטרה-fluoroethylenelenelene (eFE) שימשו בהצלחה בתקני השתלה אחרים והם מותאמים לרקמות ביו-חומריות:

ניסויים קליניים ומחקרים אנושיים

תוצאות קליניות בשלב מוקדם

כמה מערכות לבלב מלאכותיות התקדמו לבדיקות קליניות.ה-ViaCyte (כיום חלק מ- Vertex) PEC-Direct ו- PEC-Encap מערכות הושתלו בחולים עם סוכרת מסוג 1 בשלב 1/2 ניסויים.מערכת PEC-Direct מאפשרת vascularization ישיר של התא אבל דורש דיכוי חיסוני, בעוד מערכת PEC-Encap מספקת 24 תוצאות אבטחה מוכחות של תרופות: CLTCept-FD.

מערכת Beta-O2

מערכת Beta-O2, שפותחה על ידי Defymed, מייצגת גישה מקרו-קטיפה עם תא חמצן משולב.בניסוי ראשון-אנושי, חמישה חולים קיבלו שתלים המכילים אליטות אנושיות, והמכשיר נהפך עם חמצן מדי יום דרך נמל תת-קרקעי.ארבע מתוך חמשת החולים השיגו נפיחות של C-peptide, והפחתה בביקושים לאינסולין-הת-הת- 6 חודשים לאחר הניתוחים שלו הוא הראה את דרישות אבטחה.

אתגרים בתרגום קליני

למרות תוצאות מוקדמות מבטיחות, מכשולים משמעותיים נשארים לפני מערכות הלבלב מלאכותיות הפכו לטיפול סטנדרטי:

  • יכולת התא לטווח ארוך מעבר לשנה אחת, קשה להשיג
  • הליכי השתלת מכשירים והשתלות נושאים סיכונים כירורגיים
  • נכות למטופל בתגובת החיסון משפיעה על התוצאות
  • עלויות ייצור תאים וייצור מכשירים הוא גבוה
  • מסלולים רגולטוריים עבור מוצרים שילוביים (תאים + מכשיר) הם מורכבים

עתיד Outlook וטכנולוגיות מתפתחות

התקדמות ב- Gene Editing

CRISPR-Cas9 וכלים אחרים בעריכה גנים מציעים את הפוטנציאל ליצור תאים תורמים אוניברסליים כי הם להתחמק גילוי חיסוני לחלוטין. החוקרים הם תאי גזע-מוכרים תאי גזע שחסרים לו קומפלקס גדול שלו-יכולות (MHC) תאים I, מה שהופך אותם לבלתי נראים לתאי Tder, וכי ביטוי חלבונים ממחסום החיסון כדי למנוע הרג תאים hypoחיסונים אלה יכול להיות מושתלים ללא משככי או חיסון, כלומר, מנקה תאים פגומים יותר ממעבדים של תאים פגומים של תאים פגומים של תאים פגומים יותר ממעבדים, ממעבדים את הסוכרתיקים, ממעבדים, כלומר, כלומר, ממעבדים את הסוכרת תאים חיסוניים ממעבדים ממעבדים מ-S, הוא מנקה באופן דרמטי יותר ממעבדים את תאי חיסון-חוספסים מ-Sam-חוספסים מנקה, כלומר, מנקה, כלומר, כלומר, כלומר, ממעבדים מנקה מחדש של תאים חיסוניים ממעבדים ממעבדים המוחקים מחדש של תאים חיסוניים המוח, מנקה מחדש של תאים חיסוניים מנקה מחדש של תאים חיסוניים, מ-חוספסת תאים חיסוניים מנקה מחדש של תאים חיסוניים ממעבדים, מנקה מחדש של תאים חיסוניים מנקה מחדש של

3D Bioprinting and Organoids

bioprinting תלת-ממדי מאפשר ייצור של רקמות לבנות עם ארגון מרחבי מדויק של תאים, ממטריקס סלולרי, וערוצים פולשניים. עבור יישומי pancreas מלאכותיים, החוקרים הם הדפסת הוא איברים זעירים - מינירטוט מטבוליים מטבוליים מטבוליים כי recapitating את ההרכב התאי ואת הארכיטקטורה של פורמולות טבעיות.

חשמל אלחוטי ועברת נתונים

מערכות ביו-איברטיביות עתידיות של פאן-קרות יכילו להעביר חשמל אלחוטיים וטלמטורי נתונים כדי לחסל קשרים transcutaneous שמציבים סיכון לזיהום. תקשורת הפיכה אינדוקטיבית או ליד שדה יכול להפוך חיישנים מושתלים ומשאבים תוך העברת נתונים גלוקוז ומעמד המכשיר לבקר חיצוני או יישום סמארטפונים. אלגוריתמי בקרה סגורה המופעלים על מעבדים מיקרו-מעבדים מושתלים יכולים לבצע התאמות בזמן אמת ללא התערבות חיצונית, ומאפשרים ללא התערבות חיצונית, ומאפשרים לנוע באופן חופשי כדי תנועה חיצונית.

שילוב עם בינה מלאכותית ו- Predictive Analytics

העושר של נתונים שנוצרו על ידי מערכות ניטור רציפות - רמות גלוקוז, שיעורי משלוח אינסולין, מעקב פעילות, דפוסי ארוחה - מתאים אידיאלי לניתוח על ידי בינה מלאכותית.מודלים למידה מכונה יכול לחזות אירועים hypoglycemic ו hyperglycemic מוקדם מראש, ומאפשר ל pancreas מלאכותית bioa כדי לבצע התאמות יזום.Over הזמן, המערכת לומדת פיזיולוגיה של המטופל יחיד, כולל וריאציות סביב, פעילות גופנית, ויצירת, הורמונלית, למנוע מחזורי ריפוי באמת של אינסולין מוקדם של פעילות גופנית מופעלת מוקדם של סוכרתית מוקדם של פעילות גופנית מופעלת לפני השינה.

מסקנה

מערכות הלבלב המלאכותיות המשלבות רכיבים ביולוגיים ומכניים מייצגים התכנסות של ביולוגיה תאים, חומרים מדע, מיקרואלקטרוניקה, בקרה חישובית.חזון של מכשיר מושתל לחלוטין המספק רגולציה גלוקוז פיספולוגית ללא צורך מקלות אצבע, זריקות, או תשומת לב קבועה של המטופל נע בין היתר תיאורטית להשגה.