人工膵臓システム(APS)は、閉鎖ループインシュリン送出システムとしても知られ、タイプ1糖尿病(T1D)の管理における変換飛躍を表しています。これらの装置は、連続グルコース監視(CGM)を自動化インシュリンポンプ治療と統合し、洗練されたアルゴリズムを使用して、インシュリン送出をリアルタイムに動的に調整します。 生物学的膵臓のグルコース反応機能を模倣することにより、これらのシステムは、長期間の健康状態を改善するために血液グルコースを維持することを目指しています。

人工膵臓とは何ですか?

人工膵臓は、近くの生理学的グルコース制御を達成するために、インシュリン配達を自動化する医療機器システムです。 従来のインシュリンポンプ療法とは異なり、それは、ボルズと頻繁なユーザー調整のための手動入力を必要とする、人工膵臓は、クローズドループとして動作します。 「クローズドループ」という用語は、センサーデータは直接ユーザー介入なしでインシュリン投与を継続的に通知するフィードバックメカニズムを指します。

無線通信の3つのコアコンポーネントで構成されるシステム:

  • [連続グルコースモニター(CGM) センサー[: 制御アルゴリズムにデータを送信する、断層グルコースレベルを測定する小型でサブカテナスセンサー。
  • インシュリンポンプ]:cannulaを介して潜水的に急速作動インシュリンを提供するウェアラブルデバイス。ポンプはアルゴリズムからドッキングコマンドを受け取ります。
  • [ コントロールアルゴリズム:専用コントローラ、スマートフォンアプリ、またはリアルタイムのグルコースデータを処理し、適切なインシュリン注入率を計算するポンプ自体で実行するソフトウェア。 一般的なアルゴリズムには、PID(proportional-integral-derivative)とモデル予測制御(MPC)が含まれており、低血糖を防止するために、安全制約と組み合わされます。

商用ハイブリッドクローズドループシステム(例えば、Medtronic 670G、780G、タンデムコントロールIQ、オムニポッド 5)は2010年代後半に市場に参入し、その後の世代は、進歩的に自動化とユーザビリティを向上させました。パンクレアは完全に交換されていないが、ユーザーは食事情報を入力する必要があり、定期的にキャリブレーションセンサーを入力する必要があります。これらのシステムは、低速および高血糖イベントの頻度を大幅に削減します。

人工膵臓はどのように機能しますか?

人工的な膵臓の操作サイクルは、連続フィードバックループを作成するために、毎分繰り返されます。 プロセスのステップバイステップの分解は次のとおりです。

  1. グルコースセンシング:CGMセンサーは、交差流体のグルコース濃度を測定し、無線送信機を介してアルゴリズムへの読み取りを送信します。
  2. [データ処理]:アルゴリズムは、現在のグルコースレベル、変化率(トレンド)を評価し、多くの場合、最近のパターンに基づいて将来のグルコースレベルを予測します。 また、用量を積み重ねることを避けるために、ボード上のインスリン(IOB)のアカウントもアカウントします。
  3. [インシュリンアジャメント:アルゴリズムは、グルコースが上昇または高くなるとき、それを増加し、グルコースが落下または低くなるとき、最適なバスリン率を計算します。高度なシステムでは、自動的に補正ボラスを届けることができます。
  4. Delivery]: コマンドは、インシュリンポンプにワイヤレスで送信され、それに応じて注入速度を調整します。
  5. [ユーザ入力(オプション)]:ほとんどの現在のシステムは、炭水化物の摂取量を推定することにより、食事をアナウンスするためにユーザーを必要とします。アルゴリズムは、上昇をカバーするために食事の支柱を提供します。食事の通知は、食事の検出と完全自動化された食事管理に進化しているが、最大の手動成分のままです。

制御アルゴリズムは安全制約で設計されています。例えば、グルコースレベルが低下しすぎたり、低しきい値に達すると、重度の低血糖を予防するなどのシステムがインシュリン配達を中断します。同様に、高グルコースのしきい値は、許可されたインシュリン制限を超えていない急激な補正を促します。

人工膵システムの利点

人工膵システムは、従来のインシュリン療法(複数の毎日の注射または別々のCGMと標準ポンプ)よりも複数の臨床および品質の寿命の利点を提供します。 大規模なランダム化制御試験と現実的な研究は一貫して実証します。

  • [ 範囲(TIR)の改良された時間: TIR(グルコース70〜180mg / DL)は、センサー - 推奨ポンプ療法と比較して閉鎖ループシステムと平均で10〜15%増加します。 例えば、Control-IQの国際iDCL試験は6ヶ月後に61%から71%の平均TIR増加を示した。
  • ]低血糖値減少症:自動インシュリンサスペンションと予測低グルコース管理が大幅に低血糖値の発生頻度と持続時間を大幅に削減し、特に鼻下血症。
  • []より低いHbA1c:多くのユーザーは、重度の低血糖値の増加なしでHbA1cで0.3〜0.5%の減少を達成します。
  • [糖尿病管理の苦難:フェーテルフィンガースティック、インスリン投与に関する日常的な決定が少なく、夜間グルコースレベルに関する不安が軽減されます。 APSは、一貫して糖尿病固有の生活の質を向上させ、糖尿病の苦痛を減少させることが判明しました。
  • [長期合併症のリスクを低減:時間をかけてより良い糖鎖制御を維持することにより、マイクロ血管合併症(網膜症、神経障害)の発生率が低下し、ランドマークDCCTの調査結果と一致しています。
  • [] より優れた柔軟性]: ユーザーは食事をスキップしたり、食事のタイミングを変更したり、血糖安定性の低下を抑えたり、システムが逃されたり、インスリンアクションを変更したりするために動的に調整することができるので、食事をスキップしたり、食事のタイミングを変更したり、運動をすることができます。

これらの利点は、米国糖尿病協会と小児および青年糖尿病の国際協会を含む主要な糖尿病組織を主導しています。この利点は、T1Dの人々のための優先オプションとしてハイブリッドクローズループ療法を推薦するために、早期に2歳から始まります。

人工膵システムの種類

人工膵システムは、自動化のレベルによって分類されます。 完全に自動化(生体認証)システムが開発に残りますが、現在の商用オプションは「ハイブリッドクローズドループ」システムです。 以下は、2025の主要システムです。

Medtronic MiniMed 780Gの特長

670Gと770Gの成功を収めた780Gは、100～120mg/dLの調整可能なターゲットでSmartGuardアルゴリズムを使用しています。5分ごとに自動補正機能を搭載し、毎日2回センサー校正が必要です。ユーザーは食事を入力する必要があります。このシステムは、多くのユーザーがTIRを70%以上で実世界のデータで強力な結果を示しています。

タンデム糖尿病ケアコントロールIQ

制御IQは、t:slim X2ポンププラットフォーム上で実行します。 これは、Dexcom G6またはG7 CGMを使用して、予測低グルコースの中断と自動補正ボラスを備えています。 システムターゲット112.5〜160 mg / DL、112.5〜120 mg / DLでターゲティングスリープモードオプション。 コントロールIQアルゴリズムは、ランドマークiDCL試験で検証され、最近、タイプ2で使用するためのFDAクリアランスを受けた。

吸入口オムニポッド 5

Omnipod 5は、Dexcom G6/G7と通信するチューブレス、パッチポンプベースのハイブリッドクローズドループシステムです。 ユーザーのスマートフォン(クラウドまたはポッドのアルゴリズムモデル)で実行されるアルゴリズムを使用します。 Omnipod 5は、110〜150 mg / DLおよび自動補正ボラスから調整可能なターゲットを提供しています。 それは、アクティブなユーザーや子供にアピールするチューブレス設計に人気があります。

カムアPS FX

ケンブリッジ大学で開発, カムAPS FXは、Dexcom G6とインシュリンポンプを使用して、完全にクローズドループシステムです (Dana Diabecare RS または t:slim X2). これは、ユーザーのインシュリンが時間をかけて必要とすることを学習する適応型MPCアルゴリズムを使用しています. 注目すべき, カムAPS FXは、食事の発表を必要としません - それは自動的に食事のために調整します, 運動や大きな食事の入力は、パフォーマンスを向上させることができますが、. これは、年齢から使用するために承認されています 1.

DIYクローズドループ(OpenAPS、ループ、AndroidAPS)

オープンソースのdo-it-yourself(DIY)コミュニティは2013年以来閉鎖ループ技術を開拓しました。 Loop(iOS)やAndroidAPSなどのシステムでは、ユーザーは、互換性のあるポンプ(例えば、古いMedtronicモデル、Omnipod EROS)とCGM(Dexcom、Medtronic)を使用して、独自のハイブリッドまたは完全にクローズドループを構築することができます。 FDA承認されていない間、これらのシステムは、厳しい安全アルゴリズムと、非常に高いユーザー満足度を持っています。 80%以上が閉じた人々がDIYを閉じた。

課題と限界

それらの効力にもかかわらず、人工膵システムは課題なしではいません。 これらの障壁に対処することは、より広範な採用とより良い結果に不可欠です。

  • [Cost and Accessibility:ハイブリッドクローズドループシステムの先行コストは、CGMセンサー、ポンプ消耗品、インスリンの継続的な月間費用で5,000〜8,000ドルを超えることができます。 保険補償は広く変化し、多くの地域では払い戻しが欠如します。 料金は、APSを使用して対象の患者を防ぐ1つの障壁が残っています。
  • []ユーザートレーニングとエンゲージメント[: ユーザーは、食事のエントリ、口径測定、およびアラートの処理を含む、システム機能で訓練する必要があります。 急な学習曲線は、特に青年と若い大人のために、不満と中止につながることができます。 トラブルシューティングデバイスエラーに対する技術的なリテラシーと意欲は、必要な前提条件です。
  • センサーの精度:ハイブリッドクローズドループのパフォーマンスは、CGMの精度に大きく依存します。 断層と血糖、圧縮低音、センサードロップアウトの間の遅延は、誤った投薬を引き起こす可能性があります。 現代のセンサー(Dexcom G7、Libre 3)は、非常に正確で、時折故障が起こります。
  • [] 食事の通知と炭水化物のコンテンツを正確に推定する必要があります。 市販の高血糖または低血糖値の過小評価リード。 ユーザーの入力なしで食事を検出し、カバーできる完全自動化されたシステムは、早期の試用(例えば、ケンブリッジの食事検出モジュール)が約束します。
  • []運動管理]:身体活動は、複雑なグルコースの遠足を引き起こします:カテコルアミンによる初期の高血糖、そして増加するインスリン感度から低血糖を遅らせました。アルゴリズムは、ユーザー入力なしで運動を完全に管理できません(例えば、一時的なターゲットの増加、インスリンを中断)。ほとんどのシステムは、'活動'または'運動'モードを提供しますが、ユーザー関与が必要です。
  • [デバイス統合と相互運用性: 現在のシステムは、一般的に特定のポンプとCGMに縛られます。 「閉鎖ループエコシステム」ロックインは、消費者の選択を制限します。 相互運用可能なデバイス(例えば、Tidepool Loop、どのポンプやCGM上で実行される)に対する動作は、この障壁を破ることを目的としていますが、規制および商用ハードルは、持続します。

今後の方向性

次世代の人工膵技術が急速に進化するという10年が約束します。開発の重要な分野は次のとおりです。

  • []フルーリ自動(食事なしで閉じられたループ入力)[]:複数の研究グループは、ユーザーが入力を必要としないでグルコース上昇の割合で食事を認識する食事検知アルゴリズムを精製しています。 早期臨床試験、CamAPS FXの完全クローズドループ研究などの、発表された食事なしで70%以上メディアンTIRを示しました。
  • [Bi-Hormonal Systems:クローズドループ(デュアルホルモン)にグルカゴンを追加することで、より積極的に低血糖値低下症を対抗できます。 安定したグルカゴンアナログ(例えば、ニュージーランドファーマのダシガゴン)を使用してデュアルホルモンシステムの試用は、低血糖値でほぼ正常なグルコースレベルを達成しました。 私はBiLet Birronic Pancreascon(FDA)は、最近、アナログとアナログを受け取りました。 アナログと、アナライザは、アナライザは、アナライザは、またはアナライザを、またはアナライザとして、またはアナライザを、またはアナライザします。
  • [: 移植可能なシステム: 完全インプラント可能なCGMとポンプは、便宜性を高め、表面感染症を減らすために開発されています。 非常に強いインプラント可能なCGM(Senseonics)は、すでに180日間のセンサー寿命を提供しています。 インプラントポンプ(例えば、RocheのDiaPort)と組み合わせて、これは最小限に侵略的なクローズループにつながる可能性があります。
  • 人工知能と機械学習:アルゴリズムは、食事、運動、ストレス、月経周期に関連するパターンを予測するために機械学習を使用して、より適応的になっています。 パーソナライズされたモデルは、手動調整の必要性を減らす、個々のインスリン感度を学ぶことができます。
  • デジタルヘルスプラットフォームとの統合:クラウドベースのリモートモニタリング(例えば、デックスコムの明快さ、Tidepool)は、介護者や臨床医がリアルタイムでグルコースデータとデバイス性能を見ることができる。 電子健康記録とテレメディシンプラットフォームとの統合は、臨床決定サポートを改善します。
  • [タイプ2糖尿病と病院用:クローズドループシステムは、タイプ2糖尿病(T2D)ユーザーと批判的に病気の患者における血糖管理のためにテストされています。 2023年に、FDAはT2Dの制御IQをクリアし、病院ベースのクローズドループアルゴリズム(例えば、STARシステム)は、ICUで改善された結果を示しています。
  • []低コストおよび破壊的な革新[:CGMセンサーとポンプのコストを削減する努力は、とにかく下にあります。 例えば、FDAの過量CGM(Dexcom Stelo、Libre Sense)と低コストのパッチポンプの開発は、低・中所得国で手頃な価格のクローズループを作ることができます。

コンテンツ

人工膵システムは、研究科学の領域から現実的な臨床実践に移り、糖尿病患者に対する血糖制御と生活の質の変化を変化させ、変化を生み出せるようになりました。インシュリンのデリバリーを自動化し、グルコースの動的変化にインテリジェントに反応させることにより、これらのシステムは低刺激性および高血糖値低下、低HbA1c、糖尿病管理の定常認知負荷から無料のユーザーを削減します。コスト、ユーザビリティ、フルオートメーションの課題は、次のステップを閉じる、より明確に適応する医療サービスプロバイダは、より明確に制限されています。

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