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はじめに:糖尿病の新時代
糖尿病は、特に1型糖尿病(T1D)をタイプし、血糖モニタリング、インスリンドッキング、危険な高値と低値に対する一定の警戒の寛大な毎日負担を課します。 10年間、患者は手動指棒テストと複数の毎日の注射やインスリンポンプを通してこの状態を管理し、ほぼ連続した意思決定を必要とします。 しかし、医療技術の最近の進歩は、この風景を再構築しています。 パーソナライズされたデバイス(gemis-final-consulin)は、個人をシフトするシステムに移行するだけでなく、個人を識別するシステムに移行するなど、個人を最適化します。
これらのシステムは、単一のデバイスではなく、連続グルコースモニター(CGM)、インシュリンポンプ、制御アルゴリズムを組み合わせた統合プラットフォームです。リアルタイムグルコース読み取りに基づいてインシュリンの配信を自動化することにより、人工膵臓システムは、健康な膵臓の生理学的フィードバックループを模倣します。 この記事では、現在の証拠と規制当局の承認を見直し、残りの課題について議論し、これらのシステムは、偽りなくパーソナライズされた糖尿病の薬を個人化する方法を調べます。
人工膵臓システムとは何ですか?
人工的な膵臓システム(APS)は連続的なブドウ糖のモニタリング データに応答して、自動的に基礎インシュリン率を調節する閉鎖ループ インシュリン配達システムです。 目標は、ターゲット範囲(典型的に70-180 mg/dL)内の血糖値を維持することであると同時に、低血糖と高血糖を最小限にすることである。 ユーザーが手動でポンプを閉塞するように指示するオープンループシステムとは異なり、自動調整を行う。
コアコンポーネントには、以下が含まれます。
- 連続グルコースモニター(CGM):[]]1〜5分間隔のグルコースレベルを測定するサブカテナスセンサー、データをワイヤレスでコントローラーに送信します。
- インシュリンポンプ:]] 注入セットを介して、急速作動インシュリンサブカットをサブカットするウェアラブルデバイス。 ポンプはアルゴリズムからコマンドを受信し、手動ボラスに使用することができます。
- コントロールアルゴリズム:[システムの「真鍮」、通常、スマートフォン、専用コントローラ、またはポンプ自体でホストされます。 アルゴリズムは、グルコースキネティックスとインスリンアクションの数学モデルを使用して、最適なインスリン配送速度を計算します。
一般的なアルゴリズムタイプには、モデル予測制御(MPC)、比例一体型(PID)コントローラ、およびファジーロジックシステムが含まれます。各アプローチは、応答性、安定性、および食事障害および運動を処理する能力の面でトレードオフを持っています。
ハイブリッドクローズドループシステム(例、Medtronic 670G、780G)は、部分的にバサルレートを自動化しますが、ユーザーの開始された食事のボラスを必要としています。 より高度なシステム(例えば、タンデムコントロールIQ、オムニポッド 5)は、自動補正ボラスとより良い一晩制御を提供します。 食事の通知の必要性を排除する完全クローズドループシステム、アクティブな研究の領域のまま。
人工膵臓はどのように機能しますか?
人工膵システムの動作サイクルは、3つの連続フェーズに分解することができます:センシング、コンピューティング、および作動。
センシングフェーズ
皮膚の下に置いたCGMセンサー(腹部または上腕に)は、間接流体のグルコース濃度を測定します。 5〜15分までに血ブドウ糖の背後にある間、現代のアルゴリズムは予測フィルタを使用して補正するように設計されている。 校正要件はメーカーによって異なります。 いくつかのシステム(例、Dexcom G6)は工場校正、一方、他の(例、古いMedtronic)は、定期的な校正が必要です。
計算フェーズ
グルコースの読み込みは、1〜5分ごとにアルゴリズムに送られ、専用のコントローラーやスマートフォンアプリで実行されます。アルゴリズムは、トレンド、最近のインシュリンの配信(「インシュリンオンボード」)を分析し、将来のグルコースレベルを予測します。数学モデルを使用して、次の5〜30分に最適なインシュリン注入率を計算します。高度なアルゴリズムは、インシュリンの配送の停止などの安全制約を組み込んでいるため、グルコースの投入時に、またはハイストラクターが急速に降下が降したときに、インシュリンの輸送を中断します。
アクチュエータフェーズ
計算されたインシュリンの線量はマイクロ ボルスとしてポンプによってまたは基礎率を調節することによって渡されます。多くのシステムはまた、グルコースが閾値を超えたとき自動補正のbolusesを提供します。ユーザーは食事、練習、またはセンサーの間違いのためのシステムを手動で上書きする能力を保ちます。あるシステム(例えば、Control-IQ)は、グルコースがターゲットを上回ることを予測されるとき自動的に基礎インシュリンを高めます。
手動調整の負担を大幅に削減し、24時間365日連続フィードバックループ。ハイブリッドクローズドループシステムの使用により、約60%から70～80%のタイムインレンジ(TIR、70～180mg/dL)がセンサー測定ポンプ単独で増加するという臨床試験が実施されています。
人工膵システムの利点を文書化
人工膵システムをサポートする証拠ベースは、数多くのランダム化制御試験と、地球の研究で、血糖結果と生活の質において有意な改善を実証しています。
- []タイムインランゲ:]の改良された40件の研究では、ハイブリッドクローズドループシステムが平均12〜15パーセントポイント(〜60%〜〜〜〜75%)でTIRを増加させることがわかりました。 これは、ターゲット範囲で過ごした日あたりの約3〜4時間の追加時間に変換します。
- 誘発性血糖:[ 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、重度の低血糖の発生率を大幅に削減しました。 タンデム基核IQ(予測サスペンション)やControl-IQなどのシステムが、低血糖イベントの50%削減を実証しました。
- []より低いHbA1c:[] 多くのユーザーは0.3〜0.8%のHbA1c(〜8.5%〜〜〜7.5%)の減少、長期マイクロ血管合併症の減少リスクに関連する改善を達成します。
- [] 日刊管理バーデン:[ 調査では、治療の決定を下す時間を減らし、糖尿病の苦痛を経験し、満足度の高いスコアを報告することを示しています。精神的救済は、特に夜間に発音され、システムがグルコース安定性を自律的に維持することができます。
- [より長期的外来の目的:[]]を平坦化し、高血症と低血糖症を減少させることにより、閉ループシステムは、糖尿病性網膜症、腎症、神経症、および長期にわたる心臓病のリスクを低下させる可能性があります。
こうした利点は、成人、青年、子供を2歳ほど若きものとして、そして1型糖尿病(特に挑戦的なグループ)を持つ妊婦たちなど、多様な人口に及ぼすものとなっています。
臨床証拠および規制の承認
規制機関は、FDAおよびCEマーキング承認を受けた複数のデバイスで、人工膵システムの可能性を認識しています。 第一次ハイブリッドクローズドループシステム、メドトロニックのMiniMed 670Gは、2016年に承認されました。 サブシーケントシステムは、ユーザビリティとパフォーマンスを向上させました。
- [メドトロニックミニメド780G[(FDA承認2023):自動補正ボラス、調整可能なグルコースターゲット(100〜120mg / DL)、および単純化されたモバイルアプリインターフェイスを追加します。 臨床試験では、ユーザーはTIR >80%を達成しました。
- [タンデム糖尿病ケアコントロールIQ(FDA承認2019):デックスコムG6 CGMを使用して、タンデムt:スリムX2ポンプで動作します。システムは、自動的にバサルを調整し、自動補正ボラスを提供します。 海賊試験では、TIRは61%から71%に増加しました。
- [Omnipod 5](FDA承認2022):Dexcom G6と統合されるチューブレス、防水パッチポンプ。 61%から74%までのTIRの改善を実証し、高いユーザー満足度。
- []iLet Bionic Pancreas(FDA承認2023):ユーザーの体重と食事の通知(朝食、昼食、夕食)のみを始動させると、異なるアプローチを取る。 それは個々のパターンを学ぶ適応アルゴリズムを使用しています。 研究は、標準ケアよりも大きいが、低血糖値で時間が少し高いことが示されている。
詳細は、【】FDAの自動インシュリン配送システム情報と[]]]を参照してください。 人工膵臓技術[のAmerican Diabetes Associationの概略。
チャレンジと機会
驚くべき進歩にもかかわらず、人工膵臓システムは、ユニバーサルにアクセスし、有効にするために、いくつかの障害を対処しなければなりません。
費用と保険の補償
CGM、インシュリンポンプ、およびコントローラーの併用コストは、保険であっても年間10,000ドルを超えることができます。 多くの健康計画では、ステップセラピーまたは事前の承認が必要です。 低所得国における個人にとって、これらのシステムは不当に保たれます。 革新的な価格設定モデル、ジェネリック競合、およびポリシーの変更は、株式を改善するために必要な。
ユーザビリティとトレーニング
複雑さは障壁を残します。ユーザーは、センサーのインサート、ポンプ補充、注入セットの変更、およびシステムエラーや障害(例えば、センサーの損失、閉塞)を処理する方法を理解しなければなりません。トレーニングプログラムと直観的なユーザーインターフェイスは、学習曲線を減らすために不可欠です。スマートフォンベースのコントロール(例えば、オムニポッド 5)の出現は、利便性が向上しました。
多様な人口の相互の信頼性
アルゴリズムは、すべての顔、民族、または年齢グループを表すことができない臨床試験からのデータを使用して調整されることが多いです。 グルコースダイナミクスは年齢、身体組成、腎機能、および活動レベルと異なる。 システムは、より広範な人口で検証されなければならない、およびアルゴリズムのパーソナライゼーション(例えば、インスリン感度変動の調整)は、アクティブな研究領域のままです。
センサーの正確さおよび潜伏
CGMの正確さは一般に優秀なです(現代センサーのためのMARD 8–10%)、急速なブドウ糖の変更(例えば、食事か練習の後で)の間にエラーは起こります。 間接流体測定のラグナットは、インシュリン配達のオーバーシュートかアンダーシュートにつながることができます。 二重ホルモンシステム(グルカゴンと)は、低血糖リスクを軽減するために調査中であるが、ホルモンの安定性の問題による市場に達していない。
サイバーセキュリティとデータプライバシー
ポンプ、センサー、スマートフォン間の無線通信は脆弱性をもたらします。 安全な暗号化と堅牢なソフトウェアの更新は、患者の安全とデータを保護する必要があります。 規制機関は、接続された医療機器のサイバーセキュリティ要件にますます重点を置いています。
患者自律性と心理的受容性
一部のユーザーは、手動制御を維持することを好むし、自動化を不信する可能性があります。 透明なアルゴリズム、カスタマイズ可能な設定、および段階的な導入戦略は助けることができます。 縦方向の調査では、閉鎖ループ療法を開始したユーザーの大半がそれを使用するようになり、快適さが確立されると満足度が高い提案を示しています。
継続的な研究の包括的なレビューは、 ]] 人工膵臓試験のPubMedリポジトリ にあります。
パーソナライズされた糖尿病医療の未来
人工膵システムは、パーソナライズされた糖尿病ケアの角質ですが、ビジョンは、現在のハイブリッドクローズドループ技術を超えて遠くまで拡張します。
人工知能と予測のパーソナライゼーション
マシン学習モデルは、歴史あるグルコースデータ、食事のタイミング、運動パターン、さらにはストレスインジケータ(例えば、心拍数、睡眠の質)を分析して、血糖値の予測を予測することができます。将来のシステムは、時間をかけて適応する個別化されたグルコース予測モデルを作成するために、深い学習を組み込むことができます。例えば、システムでは、ユーザーの午後のグルコースのスパイクは、通常より大きく、平均よりも早く、食事のボルスは、主に前向きに調整することがわかります。
マルチホルムンシステム
グルコゴン(血糖を上げる)とおそらくアマイリンまたはプラムリンチド(胃の空に遅い)の添加は、バイまたはマルチホルモン人工膵臓を作成することができます。 デュアルホルモンのプロトタイプは、小さな研究で制御を改善しましたが、グルコゴンのソリューションの不安定性は、限られた商業開発を持っています。 両方のインスリンとグルコゴンを組み込む閉鎖ループシステムは、より密接に自然膵臓を模倣し、低血糖値低下させる可能性があります。
ウェアラブルセンサーと健康アプリとの統合
スマートウォッチ(心拍数、アクティビティ、睡眠)、スマートスケール(体重)、食事ロギングアプリからのデータが、CGMとインシュリンデータと組み合わせて、包括的なデジタルフェノタイプを作成できます。このマルチモーダルデータは、インシュリンデリバリーアルゴリズムをリアルタイムで調整するために使用できます。例えば、フィットネストラッカーを介して実行を検出すると、基礎インシュリンの一時的な削減がトリガーできます。Tidepool[FLT][FLT][FLT][FLT][FLT][FLT][FLT][F][F]][F]][F]]][F]]]][F]]][F]]][[F]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[F]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[
リモート監視とテレヘルス
ヘルスケアプロバイダーは、リアルタイムのグルコースデータ、システムアラート、および使用パターンにアクセスして、設定をリモートで調整し、正式なコーチングを提供できます。このモデルは、パンデミックと農村地域の患者のために特に価値があります。テレヘルスプラットフォームを備えた人工膵臓システムの統合は、反応ケアではなく、積極的な対応を可能にすることができます。
拡張型1糖尿病を超えて
ほとんどの人工膵臓の研究は、T1Dに焦点を当てていますが、技術は、特に集中的なインシュリン療法の患者で、タイプ2糖尿病のために探求されています。 自動インシュリン配達は、低血糖値低下を抑え、複雑なインシュリン療法を必要とする2型糖尿病を持つ個人のための管理を簡素化することができます。 早期の実現性研究は、改善されたTIRと低血症なしでHbA1cの有望な結果を示しました。
アルゴリズムの透明性とオープンソースのイノベーション
OpenAPSやLoopなどのコミュニティ主導のプロジェクトは、意欲的なユーザーが独自のクローズドループシステムを構築し、運用できることを実証しています。多くの場合、商用システムと比較してもたらします。これらの取り組みは、イノベーションを加速し、よりオープンな基準を採用するためのプレッシャードメーカーと規制当局を備えています。将来的には、相互運用可能なコンポーネント(相互運用可能なCGM、ポンプ、アルゴリズム)が含まれているため、ユーザーはさまざまなメーカーからデバイスを混合し、一致させることを可能にします。
オープンソースの人工膵システムに関する詳細な見方については、【]]OpenAPSリファレンスデザインを参照してください。
コンテンツ
人工膵システムは、実験的なプロトタイプから臨床的に検証された市販のツールに動かされ、糖尿病患者の生活を有意に改善しました。インスリンの配信を自動化することにより、これらのシステムは、一定のグルコース監視と意思決定の負担を軽減し、グリセム制御を改善し、糖尿病管理が本当にパーソナライズされた未来に一目瞭然を提供します。 アルゴリズム設計、センサーの精度、マルチホルモンの配信、およびこれらを最適化し、これらのニーズをさらに明確にするために、これらのニーズを優先する、これらのニーズに適応させる必要があります。 これらは、個々のニーズに適応させる必要があり、個々のニーズが明確に、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、または必要に応じて、