生物的および機械的部品を結合する生物的空間の膵系の可能性

生物的および機械的部品を結合する生物的空間の膵系の可能性

生体関節膵臓システムの開発は、糖尿病の治療に重要な進歩を表しています。 これらの革新的なデバイスは、血液のブドウ糖値を効果的に調整するために、生物学的および機械的成分を統合することにより、膵臓の自然機能を模倣することを目指しています。 数百万の個人が1型糖尿病と生活する人のために、グルコースモニタリングの毎日の負担、インシュリン投与、および低血糖の一定のリスクは、過症的な課題を残します。 生体的膵臓膵臓は、消化管および消化管細胞の増殖を促進し、これらを促進し、これらを促進するだけでなく、多様な細胞の増殖を促進します。

生物的空間の膵臓システムにおける生物学

入口の細胞機能およびグルコースのセンシング

あらゆる生体的膵臓の核心は、グルコース検出とインシュリン分泌の責任を担っている生物学的成分です。天然の膵臓は、ランゲランゲランゲのアイレットと呼ばれる細胞群を介した細胞によってこれを達成します。これは、血糖値の上昇に反応するベータ細胞を含む。バイオアトフィシャルシステムでは、これらの隔離細胞は幹細胞から抽出される細胞が、それらは、細胞の細胞の活性化、培養、そしてそして、そして、そして、それらの細胞が免疫細胞の活性化を促進するために、それらの細胞を促進するために、それらの細胞を促進します。[Foundert]

幹細胞由来インシュリンプロデューサー

この分野の最も有望な開発の1つは、幹細胞由来のベータ細胞の使用です。 cadavericの寄付者イレツは傷つき、拡張可能な細胞の源は広範囲にわたる臨床採用のために必要です。 誘発された分泌系幹細胞(iPSCs)および胚性幹細胞は、生体細胞に密接に類似するインシュリン産生細胞に誘導することができます。 そのようなVertex PharmaceuticalsやViaCasylは、これらの細胞を早期に作用する免疫細胞を阻害する細胞を、より早期に作用する細胞を注入する。

カプセル化戦略

カプセル化層は、生体細胞とホスト免疫システム間の重要なインタフェースです。 いくつかのカプセル化アプローチは、それぞれ異なるトレードオフが存在します。

• [:マクロエンカプセルレーション:[セルは、多くの場合、グルコース、インシュリン、酸素、および免疫細胞や抗体を除外しながら通過する栄養素を可能にする気孔サイズの半透過膜から作られ、より大きなチャンバーやポーチの中に配置されます。例には、ViaCyteとDefymedのベータO2システムからEncaptraデバイスが含まれています。
• [マイクロカプセル化:]個々のアイレットまたは小さなセルクラスターは、通常、アルギン酸塩ベースの薄いハイドロゲル層でコーティングされ、栄養交換のための表面面積を最大化しながら免疫保護を提供します。 マイクロカプセル化されたアイレットは、侵襲的なインプラントルートを提供して、不完全注射することができます。
• ナノコート:]] - セル表面に直接適用される超薄型ポリマー層は、最小限の拡散抵抗と異物体応答を削減します。 層別アセンブリ技術は、細胞の生存性と機能を維持するためのコンフォーマルコーティングを作成することができます。

各戦略は、酸素と栄養素の配信課題に対処しなければなりません。カプセル化された細胞は、周囲の組織からの拡散に依存し、不十分な供給は、中央の壊死と機能の喪失につながる。酸素生成バイオマテリアルおよび血管化デバイス設計の革新は、この制限を克服するために積極的に行われています。

機械工学の考察

連続グルコース監視センサー

生物学的細胞は、イントラジックなグルコースセンシングを提供しますが、バイオアートフィニシャルパンクレアの機械的成分は、多くの場合、冗長性、校正、および安全監視のための連続的なグルコースモニター(CGM)を含みます。 DexcomやAbbottのものなどの現代のCGMシステムは、現在、絶対的な相対的な差(MARD)を10%以下に達成し、その精度は、指棒測定のアプローチを意味します。 制御アルゴリズムを使用してCGMデータを統合することにより、電子制御やディセンシングを有効化し、他のセンサーを制御することができます。

インシュリン配達ポンプおよびマイクロフリッチド

生体動脈膵臓システムのインスリン配達は、2つの主要なルートを介して起こることができます:

• [細胞の分泌を直します:]] カプセル化された細胞解放インシュリンは、直接周囲の組織または血流に、移植された臓器に類似しています。このルートは、最も生理学的肝機能インシュリン勾配を提供しますが、血管の循環と密接な統合を必要とします。
• [電気機械ポンプの拡張:[]]ミニタリ化されたポンプは、細胞出力を補うために外部の貯水器からインスリンを配信します。このアプローチは、正確な基礎と膠灰質配達を可能にし、遅延や不十分な細胞応答のために補償することができます。タンデム糖尿病ケアやインスレットのような企業は、制御アルゴリズムとインターフェイスできるポンプを開発しました。

マイクロ流体技術は、細胞培養室、グルコースセンサー、マイクロポンプを1つのプラットフォームに組み込むラボオンチップ装置の作成を可能にしました。これらの統合マイクロ流体生物空間膵臓システムは、デッドボリュームを減らし、応答時間を改善し、デバイスフットプリントを最小限に抑えます。

アルゴリズムと人工知能の制御

生物学的および機械的コンポーネントを座標とする制御システムは、ハイブリッドデバイスの脳です。初期システムでは、単純な比例性に富んだ(PID)コントローラーを使用しましたが、現代の実装はモデル予測制御(MPC)とファジーロジックアルゴリズムを採用しています。これらの高度なコントローラーは、過去のデータ、食事のアナウンス、およびアクティビティパターンに基づいてグルコースの傾向を予測し、インシュリンの配信を優先的に調整します。このマシン学習モデルは、個々のglucoseをモニタリングする際のパラメータを、各々に調整します。

統合とバイオコンパシビリティの課題

異物体反応と線維症

長期生体関節膵機能への最も好ましい障壁は、異物体反応です。 任意のデバイスが注入されると、免疫システムはインプラントの周りに線維症カプセル形成につながる反応をマウントします。 このコラーゲンバリアは、グルコース、インシュリン、および酸素の拡散を阻害し、最終的にカプセル化された細胞と攻撃デバイス機能を主眼します。 この応答を緩和する戦略は次のとおりです。

• zwitterionic材料またはポリエチレンのグリコールのような防汚ポリマーが付いているコーティング装置の表面
• デバイスマトリックスからローカルで免疫抑制薬または抗炎症薬を解放する
• 表面面積を最小限にし、炎症を引き起こす鋭いエッジを排除するためにデバイスジオメトリの設計
• 血管を組み込んだインプラントを、そのから分離されるのではなく、ホスト組織と統合

酸素化とメタボリックサポート

点入口の細胞は高い新陳代謝の要求、非常に活動的なティッシュに比較できる率の酸素を消費します。 ネイティブの膵臓では、隔離は密接に血管を増殖し、各点は複数の毛細血管から血を受け取る血を受け取ります。 対照的に、カプセル化された細胞は、周囲のティッシュからの受動の拡散に頼りに、それは最も近い毛細血管の150-200ミクロン内の細胞だけを支えることができます。 複数のアプローチはこの酸素の限界を解決するために調査の下にあります:

• [酸素発生バイオマテリアル:[] 酸化カルシウムや過炭酸ナトリウムなどの化合物は、化学分解による装置マトリックス放出酸素に埋め込まれています
• []酸素補給チャンバー:[]]β-O2システムなどの毎日の酸素補充のためのポート付きデバイス、高局の酸素張力を維持
• 光合成酸素:[微藻やシアノバクテリアを組み込んで、デバイスが光に露出したときに光合成を介して酸素を生成
• 血管系デバイス設計:[ 血管内を血管内に誘導する多孔足場の形成

デバイス 生体適合性および耐久性

生体関節膵臓装置で使用される材料は、厳しい生体適合性要件を満たす必要があります。それらは、有害化合物を漂白してはならない、インプラントの長年にわたる劣化に抵抗し、慢性炎症を誘発してはならない。シリコーンエラストマー、ポリエーテルケトン(PEEK)、および拡張されたポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)は、他のインプラント機器で正常に使用され、生体関節膵臓用途に適応されている。 包括的な検査装置[F]と材料の有効性を検査する: [F] および材料の比較: [F] 生物学的特性: [F] 組織の比較] および [F] 生物学的特性: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F] 組織の構成: [F

臨床試験・人文研究

初期段階臨床結果

いくつかの生体的膵臓システムは、臨床検査に進んでいます。ViaCyte(現在のVertexの部分)PEC-DirectおよびPEC-Encapシステムは、フェーズ1/2試験で1型糖尿病患者に注入されています。PEC-Directシステムは、細胞チャンバーの直接血管増殖を可能にし、PEC-Encapシステムは免疫保護を提供します。 Cell Reports[FLT]C-Cell Medicineは、ほとんどのペプチドを検査する - ほとんどの人は、ほとんどのペプチドを検査する - 検査を検査します。

ベータO2システム

Defymedによって開発されたベータO2システムは、統合された酸素チャンバーとのマクロカプセル化アプローチを表します。 ヒトの試験では、5人の患者がヒトのアイレットを含むインプラントを受け取り、デバイスは皮下された港を通して毎日酸素で補充されました。 5人の患者の4つはC-ペプチド陽性を達成し、外因性インシュリンの要件の減少が観察されました。 デバイスは、その酸素濃度測定および細胞の分析のために6-12ヶ月後に分解され、その装置は、その酸素濃度の分析が認められました。

臨床翻訳の課題

早期の結果を出すにもかかわらず、生体的膵臓システムが標準療法になる前に重要なハードルは残っています。

• 長期細胞の生存能力は1年以上も達成が困難
• デバイス注入と移植手順は、手術リスクを運ぶ
• 免疫反応における患者間接的変動性は、結果に影響を及ぼします
• 細胞生産・装置製造の商品コストが高
• 組み合わせ製品(セル+デバイス)の規制経路は複雑です

未来の展望と新興技術

Gene Editing の強み

CRISPR-Cas9 および他の遺伝子の編集ツールは、免疫検出を完全に回避する普遍的なドーナ細胞を作成する可能性を提供します。研究者は、主要なヒトコパチビリティ複合体(MHC)クラスの I 分子を欠いているエンジニアリング幹細胞由来のアイレット細胞であり、それらが T 細胞に見えないようにし、免疫検査タンパク質を発現して、NK 細胞の殺害を防ぐことができます。これらの免疫細胞は、カプセル化や免疫抑制なしで注入することができ、遺伝子組み換えは、遺伝子組み換え細胞を抑制するような免疫細胞を抑制するような細胞を抑制することができません。

3Dバイオプリンティングとオルガノイド

立体バイオプリンティングは、細胞、細胞の微細な空間組織、細胞のマトリックス、および血管チャネルの精密な空間組織と組織の構成の製作を可能にします。バイオアートの膵臓アプリケーションのために、研究者は、印刷アイレットのオルガノイドです。細胞組成と自然隔離のアーキテクチャをカプセル化するミニチュア組織。これらの有機体は、機械的サポートとガイドの血管拡張機能を提供する印刷水力学の足場内に埋め込むことができます。バイオコンプリケーションと形成可能なバイオコンプリートは、生体構造体構造体および生体構造体構造体構造体構造体構造体構造体を構成する。

無線力およびデータ伝送

将来の生体関節膵システムは、感染リスクをポーズするトランスカットされた接続を排除するために、ワイヤレス電力転送とデータテレメトリーを組み込む可能性が高いでしょう。誘導カップリングまたは近接通信は、グルコースデータとデバイスの状態を外部コントローラやスマートフォンアプリケーションに送信しながら、インプラントセンサーとポンプを電力を供給することができます。注入されたマイクロプロセッサで実行されているクローズドループ制御アルゴリズムは、外部介入なしでリアルタイム調整を行うことができ、患者は外部ハードウェアを運ぶことなく自由に移動することができます。

人工知能と予測分析の統合

連続監視システムによって生成されたデータの富 - グルコースレベル、インシュリン配送速度、アクティビティ追跡、食事パターン - 人工知能による分析に最適です。 機械学習モデルは、事前に低糖値および高血糖値イベント時間を予測することができ、生体的膵臓が予防的な調整を行うことを可能にします。 時間が経つにつれて、システムは、循環型変動、運動感度、およびホルモン性低下などの患者生理学を学習し、早期に適応症を防止するAIシステムが開始します。

コンテンツ

生物的および機械的成分を結合する生体的膵臓システムは、細胞生物学、材料科学、マイクロエレクトロニクス、および計算制御の収斂を表しています。 指の棒、注射、または一定の忍耐強い関心を必要とすることなく、生理学的グルコース規則を提供する完全インプラント機器のビジョンは、理論から達成可能なまで移動します。 これらは、これらの疾患の長期にわたる疾患の長期的改善、免疫保護、酸素化、およびデバイス耐久性に関する問題が、これらの疾患の増殖能力を増加させることは、これらの疾患の増大要因を増加させることにつながります。