導入:自動糖尿病ケアの次のフロンティア

人工膵臓は、閉鎖ループインシュリンデリバリーシステムとも呼ばれ、ターゲット範囲内の血糖値を維持するための複雑な作業を自動化することにより、タイプ1糖尿病の管理を変革しました。これらのシステムは、連続グルコースモニター(CGM)、インシュリンポンプ、および一定のユーザー介入なしにインスリンコアを計算し、配信する制御アルゴリズムを組み合わせています。現世代の人工膵臓は、その性能を低下させ、その限界を克服する重要な改善を実証しています。

この記事では、人工膵イノベーションの次の波を運転している新興材料と先進センサーを探索しています。 私たちは、新しいハイドロゲル、ナノマテリアル、スマートポリマーがどのように生体適合性と応答性を高めているかを調べます。次世代の酵素と非酵素センサーは、精度と安定性の境界を押します。 また、これらのデバイスを個々の患者様のニーズに合わせて調整する完全閉鎖型ループシステムとパーソナライズされた医療の役割を果たしなければならない統合の課題についても議論します。 これらは、より優れた患者様や患者様のニーズに応じて、より優れた理解を深め、より優れた患者様のニーズを理解することができます。

人工膵技術における新興材料

人工膵部品で使用される材料 - センサー膜、インシュリン貯水池、カテーテル、インプラントインターフェース - デバイス長寿、バイオコンパチビリティ、医薬品の納期精度を直接影響します。 伝統的な材料は、多くの場合、センサードリフト、カプセル化、および時間の経過とともに性能を削減する異物体応答をトリガーします。 新興材料は、改善された化学および構造設計を通じて、これらの課題に対処します。

ハイドロゲル:バイオコンパシブルカプセル化と制御解除

Hydrogelsは構造の完全性を維持している間、大量の水を保持できる三次元、架橋されたポリマー ネットワークです。 それらの高い水内容および調整可能な機械的特性はそれらにそれらに構造的な整合性を維持しているグルコースセンサーおよびインシュリンのターミナルをカプセル化するために理想的にします。 天然組織を模倣することによって、hydrogelsは普通繊維症およびセンサーの失敗をもたらす免疫応答を減らします。 例えば、研究者は蛋白質の吸着および付着を抵抗するポリエチレンのグリコール(PEG) ベースのハイドロゲルを発達させました[Felt]は、および寿命を延長することを可能にします[Felt]:[F]

近年、インサイドを配合した注射可能なハイドロゲル(insushi)、外科的外傷の最小化、および強化された感度のためのナノ粒子を組み込むハイブリッドハイドロゲルを含みます。 これらの材料は、長期安定性と最小免疫力が不可欠である完全インプラントシステムで使用するために調査されています。 一部のハイドロゲル製剤も、このような抗炎症剤を組み込むように、異物反応を抑制する働きを抑制します。 副作用が、異物反応を抑制するなどの機能的反応を抑制します。

ナノ材料: 感度と耐久性をブースト

ナノマテリアル(カーボンナノチューブ、グラフェン、金属ナノ粒子、ナノワイヤーを含む)は、優れた表面から粒子までの比と、センサー性能を飛躍的に向上させるユニークな電気化学的特性をoffer。 グルコースセンサーでは、ナノマテリアルは、酵素と電極間の電子伝達を高め、感度を高め、より低いグルコース濃度で検出を可能にします。 たとえば、グラフェン電極に堆積したプラチナナノ粒子は、従来のLTFに比べ10倍の電極を増加させました[F]

ナノマテリアルはまた、センサーコーティングの機械的堅牢性を向上させます。ナノコンポジット膜は、ポリマーとカーボンナノチューブまたはシリカナノ粒子を組み合わせ、連続使用数週間にわたってセンサーの校正を安定させる強化された耐涙性および膨張性を低下させます。さらに、ナノワイヤー配列は、複数のアナリテを同時に検出するために設計することができます。グルコース、乳酸、ケトン - より完全な代謝画像を提供し、粘度測定器の早期検出を可能にし、そのような化合物の発生を分析するなどの一般的な分析を、このような反応性物質に低減します。

スマートポリマー:適応インシュリン配達

スマートなポリマーは、刺激性反応ポリマーとして知られ、pH、温度、ブドウ糖の集中、または酵素の活動のような特定の環境の制動機に反応して、身体的または化学的特性のリバーシブルな変化を経ます。人工的な膵臓のコンテキストでは、グルコースレスポンシブの敏感なスマートなポリマーは特に有望です。これらのシステムは、通常、グルコース酸化物またはフェニロン酸基を組み込んでいます。グルコースの上昇時、ポリマーは、ポリマーの分解、または再調整を合わせます。

研究者は、ポンプやカテーテル()を必要とせずに、皮膚を介して痛みのない痛みのない痛みのない皮膚を介してインスリンを届けるスマートポリマーで作られたグルコースレス反応マイクロニードルパッチを開発しました(Ye et al., 2020)[]。 これらのパッチは、拡張期間に着用し、従来の注入セットの機械的複雑さを排除することができます。 他のスマートポリマーシステムは、インプラント制御のために設計されているが、それらは、それらが、ナノグラムの反応を単純に作用する場合には、ナノグラムの反応を促進します。

センサー技術への応用

連続したグルコースモニターは、すべての人工膵臓の感覚的な背骨です。 センサーの精度、レイテンシ、ドリフト、寿命は直接、グリセム制御の品質を決定します。 新興センサー技術は、新しいトランスダクション方法、改良された酵素安定化、および新しい材料を通じて、これらのパラメータに対処します。

酵素のグルコース センサー:高められた安定性および正確さ

グルコース酸化酵素またはグルコース脱水素酵素を採用する酵素センサーは、その高い特異性のために業界標準を維持します。最近の革新は、長期にわたって酵素活性を維持する固定技術に焦点を当てています。例えば、粘度シリカまたは金属組織フレームワーク(MOF)内の酵素カプセル化は、変性および剥離から保護します。 1つの研究では、グルコース酸化酵素は、LTF(30)の連続動作の80%以上保持されたことを報告しました。 [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]] [F]] [F]] [F] [F]] [F]] [F]] [F]] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]]]] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]]]]] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [

さらに、新しいセンサーアーキテクチャは、閉ループアルゴリズムの重要な要素である、間接的なグルコースの変更と血糖変化の間の遅延を削減します。マイクロ流体設計により、酵素層との迅速な接触に間接流体を招くことは、従来の10〜15分と比較して、遅延時間を達成することができます。いくつかのプロトタイプは、従来のCGMの典型的な10〜15分と比較して、直接小胞流体を試料に統合し、さらにラグラグを減らすことができます。これらは、低酸素症のリスクを低減し、より迅速に改善を促します。

新規トレンドは、熱安定性と阻害剤に対する耐性を向上させる、エンジニアリンググルコース酸化酵素の変形の使用です。 直接進化技術は、従来のセンサーの主な故障モードの1つに対処し、体温で活性を維持し、数か月間活性を維持した酵素を生成しました。

非酵素センサー: 過剰な酵素の限界

酵素は、より効果的に、固有の制限に苦しむ一方で、正確なpHと温度条件を必要とする、そして生産する高価なタンパク質です。非酵素は、グルコースの直接電気化学的酸化のためのセンサーナノ材料を活用します。例えば、銅酸化ナノワイヤー、ニッケル水酸化ナノフラワー、およびプラチナ金合金ナノ構造は、酵素分解なしでグルコースの高感度と安定性を示す。

非酵素センサーは、保存性の向上、校正の低減、およびコストの低減、および改善を提供する可能性があります。しかし、問題は、尿酸およびアスコルビン酸などの干渉種に対する選択性を達成するままです。分子的に刻印されたポリマーまたは選択可能な膜を使用して、最近の作業は、選択性において重要な改善を実証しました。多孔質ニッケルコバルト酸化物に基づく非酵素センサーは、0.2 μMグルコースの検出限界を報告し、LT[1]以上で保存状態に保つ[1][[1] [[1]] [20] [1] [1] [1]] [1] [1] [1] [1] [1] [1]] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [

もう一つの革新的なアプローチは、グルコース結合分子で機能するグラフェンチャネルでフィールド効果トランジスタ(FET)センサーを使用します。これらのセンサーは、任意の赤色反応なしで動作し、参照電極の必要性を排除し、製造を簡素化します。 FETベースの非酵素センサーは、サブ秒応答時間と唾液および涙のグルコースを測定する能力を実証し、非侵襲的な監視の可能性を開く。

ウェアラブルでインプラント対応センサー:小型侵襲設計

ユーザーの快適性とコンプライアンスは、人工膵臓の採用の主要な要因です。ウェアラブルセンサーは、大きな、閉塞装置から、腕、腹部、または接触レンズに着用できる小さなパッチに進化しました。マイクロファブリケーション技術により、電極、マイクロフラウディド、およびフレキシブル基板上のワイヤレス通信の統合が可能になります。これらのセンサーは、バイオコンパクティブル接着剤と低プロファイルの電子機器を組み込んでおり、皮膚刺激と不快感を最小限に抑えます。

植え付け可能なセンサーは、本当にハンズフリーな操作のための潜在的なを提供します。 交換なしで数か月間動作できるサブカテナスインは、同様の材料と酵素の安定化アプローチを使用して、開発中である。 注入可能なセンサーのための1つの課題は、電力管理です。 ワイヤレスエネルギー転送と低電力電子機器は、アクティブな研究分野です。 最近のバイオ燃料電池の進行 - 体内のグルコースと酸素から電力を生成する - 最終的には、電力インプラント用センサーと、さらにはインシュリンポンプは、電池なしで[FET] [FET] [F] [FET] [F] [F] [FET] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [FET] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F

マイクロネドルベースのセンサーは、ウェアラブルとインプラントブルの中間の地面を表しています。それらは、交差流体にアクセスするための最も外側の皮膚層(層角)だけを貫通し、患者様によって簡単に交換することができます。電気化学センサーと統合される中空マイクロネドルに関する最近の作業は、ユーザーが報告したゼロ痛みで商業CGMに匹敵する精度を示しています。

統合課題とソリューション

実験を商業用人工膵システムに分散させるには、信号処理、アルゴリズムの互換性、システムレベルの信頼性に関する統合課題を解決する必要があります。その信号が騒音によって破損しているか、制御アルゴリズムが新しいデータフォーマットを処理することができない場合に、最も正確なセンサーが役に立ちます。

信号処理とデータ融合

センサー、特に非酵素およびナノ材料ベースのセンサーは、より非線形であるか、複雑な口径測定のカーブを必要とする信号を頻繁に作り出します。Kalmanのフィルターおよび機械学習のdenoisingアルゴリズムのような高度のデジタル信号処理の技術は、真のブドウ糖信号を抽出するために配られます。例えば、深い学習モデルはセンサーの適度な行動を学習し、実際の時間の出力を訂正することによってセンサーの漂流のために償うことができます。

複数のセンサー入力(例、グルコースと乳酸または心拍数)を組み合わせたデータ融合が、さらに精度を向上させることができます。異なるトランスデュース機構(例えば、酵素および非酵素)のセンサーの冗長配列を使用して、ベイジアンメソッドを介して出力を融合することで、センサーが故障したり、漂流しても、強力なグルコース推定を提供できます。

高度センサーのためのアルゴリズムの適応

PID(proportional-Integraal-derivative)コントローラーなどの従来の制御アルゴリズムは、予測可能なセンサー応答を想定しています。新しいセンサーの動的(高速応答、異なるドリフトパターン)は、変更やまったく新しい制御戦略を必要とします。モデル予測制御(MPC)アルゴリズムは、グルコースインシュリンダイナミクスの患者固有のモデルを組み込むことで、これらの変化を処理するのに適しています。研究者は、個々の特性や特性を適応させることができる強化アルゴリズムの学習も検討しています。

デュアルホルモンシステムでは、アルゴリズムは、インシュリンとグルカゴン注入を同時に制御し、より複雑なコスト機能と安全制約を必要とする必要があります。食事パターンと運動ルーチンを学ぶ高度なアルゴリズムは、臨床研究でテストされ、ユーザーの入力の必要性を減らし、完全に閉鎖ループ操作に近づく。

生体適合性・長期信頼性

ハイドロゲルとスマートポリマーの進歩にもかかわらず、人工膵成分の長期注入は、線維症カプセル封入と炎症の問題に直面しています。 組み合わせは、抗炎症薬を解放するか、規制免疫細胞をリクルートするアプローチがテストされています。 ホスト組織によって徐々に置換される生分解性材料は、外部の体反応を減らす一方で、機能的な寿命を延ばす可能性があります。

マイクロ電位機械系(MEMS)技術は、インプラントの組織損傷を最小限に抑える超小型センサーとポンプを製造するために今使用されています。 例えば、MEMSベースのインシュリンポンプは、1 cm3未満の容量で精密なナノリットルの線量を提供でき、組織反応を誘発する大型カテーテルの必要性を減らすことができます。

将来の方向とパーソナライズされた糖尿病管理

人工膵研究の究極の目標は、インスリンの配信を自動化するだけでなく、個々のユニークな生理学とライフスタイルに適応するシステムを作成することです。 新興材料とセンサーはこのパーソナライズされたアプローチのための基礎を置きます。

完全クローズドループシステム

ほとんどの現在の人工的な膵臓システムは雑種閉鎖ループです、従ってそれらはまだユーザーの開始された食事のbolusesを要求することを意味します。手動栓を除去する十分に閉鎖ループ システムは次のフロンティアです。これはより速い機能のインシュリン、より敏感なセンサーおよび食事の吸収および練習の効果を予測できるアルゴリズムを必要とします。別の貯水池およびセンサーを使用して二重ホルモン システム(インシュリンプラス グルカゴン)は開発され、また材料です;それはアゴットの調整がこのために可能であるために不安定化します。

最近閉鎖ループシステムの臨床試験では、食事の発表なしに、時間範囲を超えて70%以上の有望な結果が示されています。 これらのシステムは、多くの場合、高度な機械学習を使用して、歴史パターンに基づいて食事時間とサイズを予測し、リアルタイムセンサーデータと組み合わせています。

スマートインシュリンと自動配信

素材の統合を超えて、研究者は、体内で循環し、グルコースが高くなるときだけアクティブになる「スマートインシュリン」製剤を開発しています。これらのグルコース反応インシュリンは、ポンプや制御アルゴリズムの負担を軽減するために、センサーと組み合わせて使用することができます。グルコースに応じてインシュリンを解放するスマートなポリマーは、最終的に従来のポンプを不要なものにすることができます。

有望なコンセプトは、グルコースレベルが上昇するまで、インシュリンを征服するグルコースレスポンポンポンポンと長時間作用するインシュリンアナログを組み合わせ、ローカルで解放します。そのような処方は、継続的に注入するよりも、毎週の注射として投与することができ、劇的に治療を簡素化します。

規制およびアクセスの検討

新規材料やセンサーが臨床試験に入るにつれて、規制経路を定義する必要があります。 FDAは人工的な膵臓システムのためのガイドラインを確立し、新しいセンサータイプに対応するためにそれらを更新しています。 これらの先進デバイスがアクセス可能であり、すべての患者に手頃な価格であることを保証することは重要な課題を残します。 アカデミー、業界、および患者の擁護団体間のコラボレーションは、翻訳を加速するために不可欠です。

経済分析は、長期合併症を削減しても、十分に閉鎖ループシステムが費用効果が大きい可能性があることを示唆していますが、先行コストは障壁のままです。 影響は、患者が異なるメーカーからコンポーネントを混合し、一致させることを可能にするモジュラー、相互運用可能なシステムを開発するうえで、競争と互換性基準によるコストを削減するものです。

コンテンツ

人工膵臓は、すでに糖尿病患者の命を改善してきましたが、その可能性は実現する遠くにあります。 新興材料 - ハイドロゲル、ナノマテリアル、スマートポリマー - 生体適合性、センサーの精度、および配信精度を強化しています。 センサー技術を活用し、酵素と非酵素の両方を進歩させることで、安定性、スピード、およびユーザーの快適さの境界線をプッシュしています。 これらのコンポーネントの統合は、信頼性が高く、完全にクローズドループシステムに依然として、複雑な技術が進歩し、次の世代の技術を加速し、より詳細な技術が向上し、より詳細な技術が期待されています。