はじめに: 人工膵革命

数十年にわたり、完全に機能的な人工膵臓を作成する目標は、糖尿病の研究を前進させました。 1型糖尿病(T1D)は、膵臓がインスリンを生産し、外部インスリンの配信と一定のグルコース監視に依存する患者を離れるオートミューン条件です。 人工膵臓 - リアルタイムグルコースレベルに基づいてインスリンの配信を自動化するクローズドループシステムは、外付けの不利な状態から解放するという約束を完全に排除します。 それらは、最終的な技術に変化するものではありません。 [F]

人工膵臓は、18年以上にわたってトップリサーチの優先順位を上げているJDRF(Juvenile Diabetes Research Foundation)[によると、人工膵臓は10年以上にわたってトップリサーチの優先順位を上げています。米国におけるハイブリッドクローズドループシステムの最初の規制当局は2016年に来ており、その後、いくつかのシステムは、各々が最終改善に参入しました。しかし、すべての現在の商用システムは、外部ポンプ、送信機、およびセンサーに依存しています。そして、その日の来は、すべてのデバイスが、すべての重要な再構成が必要である、その日の粘着眼を完全に維持する必要があります。

人工膵臓とは何ですか?

人工膵臓は、生物学的膵臓のグルコース調整機能を模倣する医療システムです。それは、数分間インタースティックグルコースレベルを測定する連続的なグルコースモニター(CGM)、急速作用インシュリンをサブカットアウトリーに提供するインシュリンポンプ、および制御アルゴリズム]を、CGMデータを解釈し、血糖値の変動を調節すると同時に、血糖値が変化するにつれて、血糖値が変化するにつれて、血糖値が変化するにつれて、血糖値が変化するにつれて、血糖値が低下する。

人工膵臓システムには、いくつかの種類があります。

  • []ハイブリッドクローズドループシステム[ - 食事をアナウンスし、時にはCGMをキャリブレーションする必要があります。 インスリンの配達は、バサルレートと補正ボラスのために自動化されています。 一例には、メドトロニックミニメド780GとタンデムコントロールIQが含まれます。
  • []完全クローズドループシステム - 臨床試験ではまだ、これらのシステムは、食関連のグルコースの排ガスを自動的に処理します。インシュリンアナログまたは二ホルモンアプローチ(インシュリンプラスグルカゴン)を使用して、低血糖を予防します。
  • : 長期使用のための内部コンポーネントで設計されている、外部チューブ、ポンプ、センサーを排除します。 これらは実験的であり、長期研究目標を表しています。

種類に関係なく、すべての人工膵システムは、正確でリアルタイムのグルコースデータと堅牢なアルゴリズムに依存しています。アルゴリズムは]]であるかもしれません。PID(proportional-integral-derivative)、モデル予測制御(MPC)、またはfuzzyロジック。現代のバージョンは、個々の患者のパターンに合わせて、ますますます高度に組み込まれた機械学習を取り入れます。

研究の進化:オープンループからクローズドループまで

大規模な、病院ベースのデバイスで1970年代に自動インシュリンデリバリーシステムの研究が開始されました。 1977年に導入されたBiostatorは、インシュリンとデキストロース注入ポンプを備えた静脈内グルコースセンサーを組み合わせたベッドサイドシステムでした。 それは、家庭の使用のためにcumbersome、侵略的、そして非現実的だったが、それは閉鎖ループ制御の概念を証明しました。 1980年代と1990年代、FDAの最小化と最小限のgmbedシステム(MGM)を承認しました。

初期のホームユースシステムが オープンループ: CGMはグルコース読み取りを提供しましたが、ユーザーはすべてのインシュリン配達決定を行いました。 閉鎖ループ制御への最初の主要なステップは、2000年代に、センサー - 推奨ポンプ(SAP)の開発に着目しました。これは、低血糖が予測されたときにインシュリン配達を中断できます。 MedtronicパラダイムVeoは、2009年に承認された低濃度の自動化(SAP)を中断しました。

初期の2010年代に最初の外来閉鎖ループ試用時間の周りに広く普及した「人工膵臓」という用語。 ホーヴォルカと同僚による2012の研究[]のような地理学]])は、MPCアルゴリズムを使用して、クローズドループ制御が標準療法と比較して時間範囲を改善し、低血症を削減できることを実証しました。 2016年に、FDAは、MPCのハイブリッド車に承認されたが、このシステムに最初に使用した。

以来、競争は加速しました。タンデム糖尿病ケアは2019年にControl-IQのFDAのクリアランスを受け取り、Insuletは2022年に自動インシュリン配達のチューブレスパッチポンプOmEdit5を発売しました。各新世代は、Dexcom G6やG7などの近代的なCGMとより速いインシュリン配達およびよりよい統合を改善しました。

進化は単なる技術的ではありません。規制と商業です。 FDAは専用の人工膵臓の経路を作成し、複数のシステムが承認されているためです。 ] FDAの人工膵臓装置システムWebページ]は、開発者やリスト承認されたデバイスのためのガイダンスを提供します。

現在の技術:今日利用可能なもの

2025年現在、米国、その他多くの国で3つの主要なハイブリッドクローズドループシステムが商用で利用可能

  • [メドトロニックミニメド780G[ - ガーディアン4センサーを使用して、指棒の口径測定なし。 グルコースがターゲットの上にいるときに、すべての5分自動補正ボラスを提供します。 ターゲットは100mg / DLと同じくらい低く設定することができます。
  • [] タンデムt:slim X2 with Control-IQ[ – Dexcom G6/G7で動作します。 自動的にバサルレートを調整し、補正ボラスを提供します。 夜間に制御を締めるスリープアクティビティモードがあります。 システムは、標準ポンプ療法と比較して、1日2〜3時間間隔で時間範囲を増やすことが示されています。
  • [ 入口オムニポッド 5 – 電話アプリと直接通信するチューブレス、防水ポンプ。 Dexcom G6センサー(G7統合保留)を使用します。 アルゴリズムは、別のコントローラーなしで便利な操作を可能にする、Pod自体で実行されます。

これらは、炭水化物カウントを入力するか、食事を示すことによって、ユーザーが食事をアナウンスするために必要とするので、すべての3つのシステムが[hybrid[[]と見なされます。これは、手動注射と比較して重要な利便性ですが、それはまだユーザーに負担を置きます。食事の通知を排除する完全クローズドループシステムは、高度な臨床試験にあります。例えば、iLet Bionic Pancreas(ベータバイロニクス)は、FDAが承認をはるかに完了し、それは「さらに20」と言いました。

インスリン専用システムを超えて、 ] bi-hormonal人工膵臓] アプローチは、低血糖をより効果的に防止するために、インスリンとグルカゴンの両方を使用して使用しています。 オランダで開発されたInreda APは、研究で約束を示し、インシュリンとグルカゴンをデュアルポンプを介して配信しています。 グルコースは急速に上昇し、アルゴリズムが低酸素を予測したときに、安全ネットとして作用する。 しかし、長期的には、市販のシステムが承認されていません。

完全インプラント対応デバイスのクエスト

外部のハイブリッドシステムは、大きな一歩先を行く間、彼らはまだ外部コンポーネントを必要とします:チューブ、ポンプボディ、CGMトランスミッタ、および接着パッチ。 これらの現在の毎日の負担:感染や気管、付着力からの皮膚刺激、予備の供給を運ぶ必要がある、および医療機器が見える心理的影響。 完全インプラントは、これらの問題のほぼすべてを排除します。

注入可能な装置は、次のものから構成される可能性があります。

  • 間接流体のグルコースを計測する、または血液中の直接、数か月または数年で測定された寿命で、移植可能なCGM[。
  • 再充填可能なレザーボワール(皮膚を介して)と、インシュリンを直接、過小形キャビティまたは他のサイトに送達することができる[[]]]]インシュリンポンプ[]。
  • 制御ユニット] アルゴリズム、メモリ、およびユーザー制御とデータアップロードのための無線通信 - 潜在バッテリー再充電されたトランスキュータヌースによって、積極的に動力を与えられた。

いくつかの研究グループと企業はこのビジョンで働いています。 []βIONプロジェクト(以前は、カリフォルニア大学、サンタバーバラ、南カリフォルニア大学が主導する「移植可能な人工膵臓」)は、動物モデルにインプラント可能なポンプとCGMを実証しました。 同様に、 ]Elias "Aphrodite"[FlucLT:3](欧州研究コンソートリウムインサート)は、動物モデルのインプラント可能なポンプとCGMを実証していますと[FLT:]は、それが、長期インプラント用センサー[F]と[F]:[F]:[F]と[F]は、および[F]は、および[F]は、または[FAT:[F]の4回、または[F]を、または[F]を、または[F]、または[F]を、または[F]、または[F][F]は、または[F]は、または[F[F]は、または[F]は、または[F]は、または[FAT

しかし、完全なインプラント可能な人工膵への道は重要な課題で舗装されます。

植林の技術的課題

バイオコンパチビリティとバイオファリング

任意のデバイスは、外体反応をトリガーします。: タンパク質は、その表面に吸着剤を吸着し、免疫細胞の集約、およびインプラントの周りの線維症カプセルの形態を吸収します。 このカプセルは、断層流体からセンサーを分離することができます。 同様に、インシュリン配達は、組織反応によって損なうことができます。 研究者は、 biocompatible Coatings] - ハイドロゲル、リンコリクリン、多孔質体膜および多層膜症の年数を減少させます。

センサーの正確さおよび口径測定

植え替え可能なCGMは、外部のものと同じ課題に直面していますが、より高いステークで。 センサーは、少なくとも6ヶ月間安定していなければなりません。 理想的な年、再較正なしで。 ほとんどの現在のインプラント可能なセンサー(Eversenseのような)は、毎日2回指紋で校正する必要があります。 完全インプラント可能なシステムは、代替メトリック(例えば、イントラベニアスセンサーからのデータ、または独立型測定器内の連続グルコーストから分離されたチャンバーを使用することができます。)

電源供給

インプラントポンプと制御ユニットは、電力を必要とします。 ワイヤレスで充電できる電池(例、誘導カップリングを介して)は実現可能ですが、患者は「毎日または毎週インプラントを充電」することを忘れないでください。 調査中の代替電源には、]] - biofuelセル - 体内のグルコースや酸素から電力を生成するか、または] - 運動エネルギー収穫機[FLT::3:3:4:XNUMX] - ほとんどの寿命を変換します。 ほとんどの寿命は、ほとんどの交換期間は、ほとんどのオプションで使用できます。

無線通信とセキュリティ

外部コントローラー(スマートフォン、専用ハンドセットなど)とデータ監視やユーザのオーバーライドをやりとりしなければなりません。このワイヤレスリンクは、干渉に対して耐性があり、不正なアクセス(インシュリンデリバリーの悪意のある制御を防ぐため)、低電力で保護する必要があります。医療インプラントコミュニケーションサービス(MICS)バンドおよびBluetooth Low Energy(BLE)は、この目的のために適応され、患者の安全を保護するための暗号化プロトコルが使用されます。

インシュリン配達サイトと安定性

インプラントポンプの理想的な配送場所は、インシュリン吸収がより良いミクロムス膵分泌(ポータル静脈に間接)になるため、蠕動性キャビティです。 しかし、イントラペリアルデリバリーは、閉塞または感染する可能性があるカテーテルが必要です。 ポンプ貯水池内のインシュリン製剤の長期安定性は別の問題です。 インシュリンは体温で集約または劣化することができます。 新しいポリマーベースの断熱またはアナログの調剤は、またはアナログの代替品として使用できます。

規制と臨床的ハルドレス

市場に参入するインプラント可能な人工膵臓は、長年にわたって安全と有効性を証明するために広範な臨床試験が必要になります。 FDAは、インプラント可能なデバイスのための特定のフレームワークを持っていますが、複数のアクティブコンポーネント(センサー、ポンプ、アルゴリズム)の組み合わせは、単一のインプラントで複雑性を追加します。 開発者は、インプラントが体の生化学的環境を生き延ばすことができることを実証する必要があります。それは確実に補充または交換することができ、そしてそれが感染や障害などの深刻なイベントの低率を持っていること、または、または、デバイス上の欠陥を過剰に過剰に無効にすることができます。

さらに、コストと払い戻しは大きな要因になります。 現在の外部システムでは、年間数千ドルの費用がかかります。 数年続くインプラントブルデバイスは費用対効果が大きいかもしれませんが、健康システムからの投資を先行する必要があります。 製造業者は、カバレッジを確実にするために、賃金で作業する必要があります。

未来の方向:ナノテクノロジー、AI、および生物的統合

純粋に機械的装置を越える、研究者は、エンジニアリング材料と生物学的細胞を結合する[]のバイオアートフィニシャル膵臓]を作成する方法を探しています。カプセル化されたアイレット細胞 - インシュリンおよびグルカゴンを生成する膵細胞 - 免疫抑制なしで注入されると、効果的に体自身のグルコース規則を回復する。 VLT] - 注射器は、Vetrad[F] - およびVelectroater[F] - 細胞を生成する - およびVe - 細胞[F] - は、Ve - 細胞を、Ve - または、Ve - - - 細胞を、Ve - 、Ve - または、Ve - 細胞を、または、Ve - または、Ve - または、Ve - または、Ve - または、Ve - 、Ve - 細胞 - 細胞を、Ve - 、Ve - または、Ve - 、Ve - 、Ve - 、Ve - 、V

マイクロ電子計算機システム(MEMS)または電気化学センサーと組み合わせた場合、そのような生体的膵臓は本当に自律的である可能性があります。一方、 ナノテクノロジー]は、グルコースレベルが上昇するまで、不活性なグルコース反応インスリンの可能性を提供し、ポンプとセンサーを完全に排除します。スマートインスリンパッチは、臨床試験の初期に残っていますが、長期目標は完全に残っています。

最後に、【]の人工知能とビッグデータが制御アルゴリズムを改善しています。 大規模なデータセットで訓練された機械学習モデルは、演習、ストレス、月経周期の要因、および人間の介入なしでパラメータをパーソナライズすることができます。 注入可能なセンサーがより正確になるように、これらのアルゴリズムは、すべてのユーザーが入力を必要としない「忘れられない」人工膵臓を有効にします。

結論: 道の頭

完全にインプラント可能な人工膵臓の探求は、私たちの時間の最も野心的な工学的および医療的課題の1つです。 外部ハイブリッドクローズドループシステムは、すでに数千人の人々のための糖尿病管理を変えてきましたが、究極のソリューション - 体内で生きるデバイスは、最小限のメンテナンスを必要とし、患者の寿命に自動的に適応します。 バイオコンパシブル材料、ワイヤレス電力、センサーの正確さ、およびアルゴリズムインテリジェンスの進歩は、加速しています。 これらは、JFORDS(J)およびこれらを監視し、これらを継続します。 [F] および [F] 国民の調査システム] [F] および [F] 国民の調査] [F] ] および [F] 国民のモニタリング] および [F] 国民のモニタリング (J] [F] 保健システム] と [F] を継続します。 [F] 。 [F] 保健システム] と [FOR 保健システム] 、 [F] 、 [F] 、 [FOR 、 [F] 、 [FOR 、 [F] 、 [FOR 、 [F] [F] 、 [

今後10年の間に、私たちは人間の完全インプラント可能な人工膵臓の臨床的実現可能性調査を初めて見ているかもしれません。細胞治療、スマート材料、AIの統合は、注入だけでなく、再生だけでなく、生物的膵臓の失われた機能を本当に置き換える人工臓器であるデバイスにつながる可能性があります。 1型糖尿病と生きた数百万の人々のために、この技術の利点を享受する無数の他の人のために、旅は気功な注意と再資源化を促進し、再資源化を最適化します。