Table of Contents

Потенціал систем біоартеріальної підшлункової залози, що поєднує біологічні та механічні компоненти

Розвиток системи біоартеріальної підшлункової залози є значним досягненням в лікуванні цукрового діабету. Ці інноваційні пристрої спрямовані на мимічну природну функцію підшлункової залози шляхом інтеграції біологічних і механічних компонентів для ефективного регулювання рівня глюкози крові. Для мільйонів осіб, які живуть з цукровим діабетом типу 1, щоденне навантаження глюкози, інсулінорезистентність, постійний ризик гіпоглікемії залишається стійким проблемою. Біоморфологічні системи підшлункової залози пропонують шлях до більш фізіологічного контролю глюкози, зменшення як гострих небезпек важкої гіпоглікемії, так і довгострокових ускладнень цих біологічних датчиків.

Біологія за біоартеріальними панкреасними системами

Функція клітинки і глукоза Sensing

На основі будь-яких біоартеріальних підшлункової залози лежить біологічна складова, яка відповідає за виявлення глюкози та секретність інсуліну. Натуральна підшлункова залоза забезпечує це через кластери клітин, які називаються оленьами Лангханів, які містять бета-клітини, які випускають інсулін у відповідь на зростання рівня глюкози крові. У біоартифікаційних системах ці клітинки - або клітинки, отримані з стовбурових клітин, - збираються, культуровані, а потім оздоблені в пристрої, які оберігають їх від імунної атаки. Клітини повинні зберігати свою здатність до однорідних змін у концентрації глюкози та секрети інсуліну за допомогою [xml[Fbetia]

Стемні клітини-заслужені інсулінні продюсери

Одним з найбільш перспективних розробок в цій галузі є використання стовбурових клітинок, що дерують бета-клітини. Оскільки кадверичні донори є рубцевими, масштабовані джерела клітин потрібні для загального клінічного прийняття. Усуджені люритуентні стовбурові клітини (iPSC) і ембріональні стовбурові клітини можуть бути спрямовані на диференціацію в інсуліногенеруючі клітини, які тісно нагадують рідні бета-клітинки. Такі підприємства, як Vertex Pharmaceuticals і ViaCyte, передові ці клітинки, що вимагають імунодепресії, які вимагають додаткового біологічного енкінгу.

Стратегія акапульації

Принципи інкапсуляції є критичним інтерфейсом між живими клітинами та імунною системою хосту. Кілька підходів до акапсуляції існують, кожен з різних торгових точок:

  • Макроенкапсуляція: Клітини розміщені в більшій камері або підсумку, часто виготовляються з напівпроникних мембран з пори розмірами, які дозволяють глюкози, інсуліну, кисню та поживних речовин, щоб пройти, в той час як виключення імунних клітин і антитіл. Приклади включають в себе пристрій Encaptra від ViaCyte і системи Beta-O2 від Defymed.
  • Microencapsulation: Індивідуальні але або невеликі кластери клітинок покривають тонким шаром гідрогела, як правило, альгінат, що забезпечує захист імунітет при максимальній поверхневій зоні для обміну речовин. Мікроенкапсульовані алети можуть бути інтраперітоновані, пропонуючи менш інвазивний маршрут імплантації.
  • Нано покриття: Ультратонкі полімерні шари наносять безпосередньо на клітинні поверхні, пропонують мінімальний дифузійний опір і знижений зовнішній відповідь тіла. Технології збирання шарів можуть створювати конформальні покриття, які зберігають в'язкість клітин і функцію.

Кожна стратегія повинна звернутися до кисневого та поживного виклику: акпсульовані клітини залежать від дифузії від навколишньої тканини, а недекватного постачання призводить до центрального некрозу та втрати функції. Інновації в киснево-генеруючих біоматеріалів та судинних конструкціях пристроїв активно ведуться до подолання цього обмеження.

Механічні інженерні рішення

Датчики безперервного контролю глюкози

Хоча біологічні клітини забезпечують внутрішньоінтезивне сенсування глюкози, механічні компоненти біоартеріальної підшлункової залози часто включають безперервні монітори глюкози (CGM) для надмірності, калібрування та моніторингу безпеки. Сучасні системи CGM, такі як Dexcom і Abbott, тепер досягають абсолютних відносних відмінностей (MARD) нижче 10%, що означає їх точність підходів, які вимірювань пальцевої палички. Інтеграція даних CGM з алгоритмом управління дозволяє система виявлення датчиків дрифт або клітинної дисфункції і регулювати наданий інсулін відповідно. Поєднання біологічних та електронних сенсорів створює небезпечну архітектуру: якщо одна модність може підтримувати інші

Насоси для доставки інсуліну та мікрофлейти

Доставку в біоартеріальні системи підшлункової залози може відбуватися через два основні маршрути:

  • Пряме клітинне секретування:. Випускають енапульовані клітини інсуліну безпосередньо в навколишню тканину або кровоплину, аналогом трансплантованого органу. Цей маршрут забезпечує найбільш фізико-гепатичний градієнтовний градієнтовний, але вимагає тісної інтеграції з судиноукул.
  • Електромеханічні насоси аугментації: Мініатурізовані насоси забезпечують інсулін з зовнішнього резервуара для додання клітинного виходу. Цей підхід дозволяє точного базування та постачання болуса та може компенсувати прокладки або недостатнє клітинне реагування. Компанії, такі як Tandem Diabetes Care та Insulet, мають розвинені насоси, які можуть інтерфейсуватися з алгоритмами управління.

Останні досягнення в мікрофлюїдній технології дозволили створення лабораторій-на-чипсових пристроїв, які включають в себе клітинні культури камери, датчики глюкози та мікро-памки на одній платформі. Ці інтегровані мікрофлюїдні системи біоартуцііальної підшлункової залози зменшують кількість мертвих, покращують час реагування та знизжують пристрій.

Контрольні алгоритми та штучна розвідувальна діяльність

Система контролю, яка координує біологічні та механічні компоненти, є мозку гібридного пристрою. Ранні системи використовуються прості пропорційно-інтегральні-досихальні контролери (PID), але сучасні впровадження використовують модель прогнозування контролю (MPC) та нечітких логічних алгоритмів. Ці передові контролери можуть очікувати гликози тенденції на основі історичних даних, прийомів їжі та схем активності, потім корегувати надбавку інсуліну. Моделі машинного навчання, що навчаються на великих даних безперервного моніторингу глюкози та інсуліну, записи доставки інтегровані для персоналізації параметрів контролю для окремих пацієнтів. Дослідження з алгоритму

Інтеграційні та біокомпанезонтичні виклики

Іноземний відгук тіла та фіброз

Найбільш стійкий бар’єр для тривалого функціонування біоартеріального підшлункової залози є реагуванням на іноземне тіло. Коли будь-який пристрій імплантований, імунітет кріпить реакцію, яка призводить до утворення фіброзу навколо імпланта. Цей колагенний бар’єр перешкоджає дифузії глюкози, інсуліну, кисню, в кінцевому підсумку з'являється ковпачання і аброгування функції пристрою. Стратегії, щоб пом'якшити цю відповідь включають:

  • Покриття поверхонь пристрою з анти-фольгоювальними полімерами, такими як цвітеіонні матеріали або поліетиленглікол
  • Зняти імуносупресивні або протизапальні препарати локально від матриці пристрою
  • Проектування геометрії пристрою для мінімізації площі поверхні і усунення гострих країв, які провокують запалення
  • Створення імплантованих імплантатів, які інтегруються з тканиною хосту, а не ізольовані від неї

Кислення та метаболічна підтримка

Стероїди мають високий попит метаболізму, споживаючи кисневе при ставках, порівняні з високою активністю тканин. У рідній підшлункової залози, є тромбоцити щільні, з кожним видаленням, що отримує кров від декількох капілярів. Енcapsulated клітин, на відміну, спирається на пасивну дифузію з навколишньої тканини, яка може підтримувати клітини в межах 150-200 мікронів найближчого капіляра. Кілька підходів слід вивчити, щоб вирішити цей кисневий обмеження:

  • Oxygen-генеруючий біоматеріали: сполуки, такі як кальцій пероксид або перкарбонат натрію, вбудований в пристрій матрицю, випуск кисню через хімічне декомпозиція
  • Oxygen-replenishing камери: Пристрої з портами для щоденних кисневих заправок, таких як система Beta-O2, підтримує високий локальний кисневий натяг
  • Фотосинтетична кисневация: // Введення мікроальгае або cinobacteria для виробництва кисню через фотосинтез, коли пристрій піддається світлому
  • Васкулярні конструкції пристроїв: Створення пористих скафольців, які стимулюють залягання судин в клітинну камеру

Пристрої біокомпаності та довговічності

Матеріали, що використовуються в біоартиціальній підшлункової залози, повинні відповідати суворим вимогам біокомпаності. Вони не повинні ходити токсичні сполуки, повинні протистояти деградації протягом багатьох років імплантації, і не повинні викликати хронічне запалення. Силіконові еластомери, поліефірекетон (PEEK), і розширені політетрафторетилен (ePTFE) успішно використовуються в інших імплантованих пристроях і адаптовані до застосування біоартифічних підшлуночків. Комплексний огляд біоматеріалів для клітинної арматури, доступний з Biomaterials Journal]], висвітлює важливість механічної обробки тканини, що мають значення

Клінічні дослідження та дослідження людини

Ранні клінічні результати

Кілька систем біоартеріальної підшлункової залози прогресували до клінічного тестування. Система ViaCyte (нині частини Vertex) PEC-Direct та PEC-Encap імплантовані у хворих з діабетом Type 1 у фазі 1/2. Система PEC-Direct дозволяє безпосередньої судинизації клітинної камери, але вимагає імуносупресії, при цьому система PEC-Encap забезпечує імунний захист. Результати, опубліковані в Cell Reports Medicine показали, що імпланти PEC-Direct, отримані виявлені рівні людського C-пептиду — маркер інсуліну секретності — протягом 24 місяців у більшості пацієнтів.

Система бета-О2

Система Бета-О2, розроблена методом Defymed, являє собою макросульпаційний підхід з інтегрованою кисневою камерою. У першому-людному дослідженні було подано імпланти, що містять людські талети, а пристрій поповнено киснем щодня через підшкірний порт. Посеред п’яти пацієнтів досягається позитивність C-пептиду, а також зменшено у екзогенних інсулінових вимог. Пристрій був виведений після 6-12 місяців для оцінки безпеки, а гітологічне дослідження показали в’язні клітинки в кисневих областях камери.

Виклики в клінічному перекладі

Незважаючи на перспективні ранні результати, значні глухі залишаються перед біоартеріальними панкреазними системами:

  • Довготривала життєздатність клітин за один рік залишається важко досягти
  • Пристрої імплантації та експлантації здійснюють хірургічні ризики
  • Пацієнтам-стаціонарним варіабельністю в імунній відповіді впливає на результати
  • Вартість продукції для виробництва та виготовлення целюлозних пристроїв висока
  • Комплексні шляхи для комбінованих продуктів (клітини + пристрій)

Майбутні технології Outlook та Emerging

Поспішні досягнення в генному редагуванні

Інструмент для редагування генів CRISPR-Cas9 пропонує потенціал для створення універсальних донорних клітин, які повністю виявляються імунним виявленням. Дослідники - це інжинірингові стовбурові клітинки, які не мають великого гістокомпатентного комплексу (MHC) класу I молекул, що робить їх невидимими до клітин T, і які експрес-не контрольні пункти протеїнів для запобігання впадання клітин NK. Ці гіпоімуногенні клітини можуть бути імплантовані без акапсуляції або імуносупресії, різко спрощуючи дизайн пристрою. Дослідження з Інституту Сальк показали, що ген-редметизовані стовбурові клітини, що реверсивні клітини, що перекриваються без імунного діабету, ніж будь-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-де-

3D Біопринтер і органоїди

Тривимірне біопринтування дозволяє виготовлення тканинних конструкцій з точною просторовою організацією клітин, позаклітинної матриці та судинних каналів. Для біоартифікаційних підшлункової залози дослідники є друком органоїдних — мініатуровані тканини підшлункової залози, які реабілітулюють клітинний склад та архітектура природних ізолотів. Ці органоїди можуть бути вбудовувані в межах друкованого гідрогела, що забезпечує механічну підтримку та гігієнічне судинування. Як біопринтеризація покращує та передові рецептури, може стати можливим друкувати повну, судинізовану біоартифікацію з інтегрованими датчиками та компонентами насоса.

Бездротова передача даних та даних

Система біоартеріальної підшлункової залози майбутнього швидше за все, буде включати бездротову передачу живлення та телеметрію даних для усунення транскутних з'єднань, які становлять ризик зараження. Індуктивна муфта або ближнього полі зв'язку може живлення датчиків імплантації та насосів при передачі даних глюкози та стану пристрою до зовнішнього контролера або смартфона. Закриті алгоритми керування на імплантованих мікропроцесорах можуть здійснювати в режимі реального часу без зовнішнього втручання, що дозволяє пацієнтам вільно переміщатися без носіння зовнішнього обладнання.

Інтеграція з штучною розвідувальною та предикційною Аналітикою

Замороження даних, що створюються системами безперервного моніторингу — рівень глюкози, рівень доставки інсуліну, відстеження активності, схеми їжі — ідеально підходить для аналізу штучним інтелектом. Моделі машинного навчання можуть прогнозувати гіпоглікемічні та гіперглікемічні події, що дозволяють біоартифікувати підшлункової залози зробити проактивні коригування. Згодом система вивчає індивідуальну фізіологію пацієнта, включаючи циркадські варіації, чутливість до фізичного навантаження та гормональні цикли, створюючи воістину персоналізовану терапевтичну платформу. Ранній роботі з Університету Вірджинія Центру діабету технологія показала, що AI-інтенгезовані закриті системи, можуть запобігти гіпогліктіо-дедукованій гіпогіпоксидної крапліції

Висновок

Біоартуційні системи підшлункової залози, які поєднують біологічні та механічні компоненти, представляють собою згуртованість біології клітин, матеріалів, мікроелектроніки та обчислювального контролю. бачення повністю імплантованого пристрою, що забезпечує фізіологічне регулювання глюкози без використання пальцевих паличок, ін'єкцій або постійної уваги пацієнта переміщається з теоретичної до збудливості. Під час викликів, пов'язаних з тривалістю клітин, імунітетом, киснем та довговічністю пристрою, темпи прогресування у декількох дисциплінах, передбачає, що ці перешкоди є надзвичайно необхідними. Наступний декап'ят обіцяє доставити клінічні рішення, але, що означає зменшити навантаження на цукровий діабет, і поліпшити результат для життя.