追求长期空间探索——从在国际空间站(ISS)上长时间停留到即将到来的阿尔忒弥斯月球飞行任务和最终乘员前往火星——需要新一代的医疗技术,其中最有希望的创新是人工胰腺,这是一种旨在自动调节血糖水平的闭眼系统。 这一技术最初是为管理地球上的一型糖尿病而开发的,它具有在空间极端环境中维持宇航员健康的变革潜力。 微重力、辐射和资源限制带来了必须应对的独特挑战,但也推动了能够改善我们星球上数百万人糖尿病护理的创新。

低地轨道以外自发葡萄糖管理的必要性

历史上,美国航天局等空间机构将患胰岛素依赖性糖尿病的船员排除在长期任务之外,其原因是低血糖风险和微重力管理胰岛素的复杂性,然而,随着商业空间飞行的扩展和任务延长,空间旅行者的人口正在变化,即使是非糖尿病宇航员在太空飞行期间也会经历葡萄糖代谢的重大改变,研究表明,微重力导致胰岛素敏感度和葡萄糖耐受性的变化,部分是由于影响血量和血液分布的流体转移、压力激素、改变睡眠模式和体育活动的变化进一步增加了高血糖的风险,一个自主的人工胰岛素系统可以为任何船员提供精确、实时的葡萄糖控制,减少在任务期间出现急性并发症的风险和长期健康后果。

火星飞行任务的需要变得更加迫切。 6-9个月的过渡时间,加上水面停留超过一年,意味着船员不能依靠地面医疗支持,因为单程通讯延迟达20分钟。 人工葡萄糖监测和胰岛素调整将使已经在管理多重关键任务的宇航员承担不可接受的认知负担。 完全自主的系统在背景中持续运作不仅仅是方便的,而是安全要求。

闭环系统的核心组成部分

人工胰腺,又称闭眼胰岛素输送系统,结合了三个核心成分:连续葡萄糖监测器(CGM),胰岛素泵,以及控制算法. CGM每几分钟测量间膜葡萄糖水平,并无线地将数据传输给控制器——通常是智能手机或专用设备. 算法处理这些读取并命令泵在需要时提供精确剂量的快速活性胰岛素,目标是在目标范围内保持葡萄糖. 高级系统还吸收了第二种激素-克卢卡贡,来预防或纠正缺血,形成双激素人工胰腺素. 算法本身已经从简单的成比例-阴性(PID)控制器发展到精密的模型-预测控制(MPC)和人工智能系统,这些系统会学习个人的葡萄糖模式。

地球上,Medtronic MiniMed 670G和Tandem t:slim X2 等商业系统与传统的泵疗法或多日注射相比,已经显示出优异的甘油效果。 然而,为了适应空间需要重新思考每个部件,以承受发射振动、辐射、微重力和有限的再补给。

微重力的生理伤害

皮下胰岛素的改变药用动力学

在微重力方面,体液会转移-向上移动-减少腿部的静脉收缩并增加中枢出血量,这种再分配改变了副体静脉胰岛素的吸收和清除. Parabolic飞行实验和国际空间站研究表明,胰岛素的药用动力学可能会改变,在高峰动作时间和持续时间上可能存在差异.例如,吸收速度可能会因注射地点和当地组织输血而加快或放慢.这种不可预测性使得开闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭闭

微重力下连续葡萄糖监测器精确度

晶体增殖液测量皮下组织间液中的葡萄糖。在微重力作用中,间液动力可能因没有重力驱动对流而改变。这可以改变血糖变化和间液糖读取之间的时间间隔,这是循环性能的关键因素。此外,感官插入可能会受到皮肤张力降低的影响,导致微运动,从而腐蚀读取。关于国际空间站的研究已经开始描述这些影响的特点,但仍需专门实验来验证CGM的校正算法,以便进行长长空飞行。一些研究人员建议使用第二个多余的传感器来交叉验证读取数据并自动拒绝外部数据。

流体相移和葡萄糖分布

除了胰岛素吸收外,葡萄糖的总体分布及其从微重力血变化中清除出来. 中液扩张会改变肝出血流和肾功能,这可能影响葡萄糖的生产和排出. 抗调控激素对低血糖的反应也可能由于自体神经系统功能的改变而钝化. 人工胰腺必须比在地上所遭遇的更强壮到更广泛的代谢状态. 适应性算法学船员个人在一段时间内的反应可能比固定参数系统更有效.

深空可靠性工程挑战

辐射对电子和生物的影响

空间辐射环境——由银河宇宙射线、太阳粒子事件和被困辐射带所构成——有双重威胁。 对于电子来说,高能粒子可能造成单事件、链条和组件的逐渐退化。 CGM和胰岛素泵必须用辐射加固电子设计,或采用屏蔽和冗余。商业上可用的消费装置没有辐射加固;它们可能在几周或几个月内在深空失效。 空间级版本需要定制的应用专用集成电路(ASICs)或具有校正内存和三模态冗余的场站阵列。

对于生物组织来说,辐射会增加氧化应激,并会损害胰腺β细胞,从而随着时间的推移可能恶化糖尿病。 因此,在空间使用人工胰腺必须强力防硬件故障,并能够补偿内生胰岛素生产的逐渐损失。 一些研究人员设想在任务前进行辐射防护或建立腺素储备,以对抗日益恶化的甘油控制。

资源效率和微型化

深空任务中的每一公斤有效载荷都非常珍贵。人工胰腺系统必须精密、轻量和高效能。目前的消费用CGM和胰岛素泵相对较小,但将它们整合到一个有可靠电源的单个装置中 — — 可以通过太阳能阵列或燃料电池进行回充 — — 仍然是工程挑战。胰岛素、克卢卡贡、感应电极和电池等消耗性设备必须储存数月或数年,而且降解程度最小。再供应不是火星任务的一个选项,因此系统必须使用有限的资源。使用三维印刷传感器组件或根据要求合成前体胰岛素的系统是长期的可能性,但目前尚不可行。

微重力机械完整性

泵和阀门等机械部件在微重力方面表现不同。胰岛素库中的泡泡会干扰流动,因为气囊不会像地球上那样上升并分离出液体。移动部件的滑动会因润滑油缺乏引力而改变。流体粘接到表面会影响剂量的准确性。传感器插入-穿入皮肤的小针头或丝状-由于皮肤张力的降低,可能无法适当坐上。工程解决方案必须考虑到这些现象,或许可以通过主动的压力管理、疏水涂层、弹簧入装置或水库内的分解膜。

自治和过失容忍

宇航员在医疗故障排除和获取零件方面的时间有限。人工胰腺必须非常可靠,有防止低血糖或严重高血糖的故障安全模式。传感器和泵的冗余至关重要。系统必须具有自主性:它必须使用最低限度的人类干预,自动校准、自我测试和必要时才发出警报。地球和火星之间长达20分钟的通信延迟排除了实时遥控,因此算法“脑”必须完全有能力在没有地面支持的情况下作出决定。这需要“故障操作”架构。例如,如果一个双泵设计有一个单一算法控制器,一个泵就可以接管另一个泵。红通CGM传感器可以提供投票逻辑,拒绝错误读取。该系统还可以通过偶尔对照建构的糖参考解决方案自动调整传感器。 这些设计原则符合对在地球偏远地区、自然灾害期间或军事医院中可靠工作的医疗设备的需求。

通过空间驱动创新推动突破

高级传感器技术

空间要求正在推动更小、更准确和更持久的CGM的发展。 研究人员正在探索使用光学或电磁方法的非侵入式传感器,这些传感器可以消除对相位探测器的需求。 比如,以荧光为基的传感器不太容易受辐射损害,可以被植入到子宫以长期使用。另一种方法是使用近红外光谱测量皮肤中的葡萄糖。 这种传感器将有利于需要较长磨损时间和更少校准的地球患者 — — 可能甚至可以永久植入的传感器,寿命为几年。

适应和学习算法

人工胰腺的算法必须适应随着时间的推移而变化的生理学。 在空间,由于肌肉萎缩、流体转移或辐射照射,胰岛素敏感度可能缓慢地漂移,机器学习模型可以不断对所接入的数据进行再培训。强化学习方法可以优化胰岛素剂量,而不需要明确的生理变化模型。 这些适应性算法可以应用于基于地球的系统,针对那些因疾病、运动或压力而需要改变胰岛素的患者。 例如,一个根据膳食组成和时间来预测后葡萄糖游览的系统可以大幅降低伪化事件。

重复和失败的运行架构

空间高度自主性的需求正在推动分级错点管理的发展。 健康监测层可以持续评估传感器健康、泵性能和算法稳定性。 如果一个组件退化,系统会自动重组 — — 例如,在等待人类干预时,转换到备用泵或用安全因素来减少胰岛素的提供。 比较两到三个独立的葡萄糖读数的投票算法可以拒绝失败的传感器。 这些结构可以用于地球上的关键医疗设备,特别是那些需要尽可能高可靠性的低血糖缺乏意识的患者。

陆地溢出物福利

最初为空间开发的许多技术都发现了一些地球应用——微型电子、远程医疗和远程监测是主要的例子。 精炼的人工胰腺系统几乎肯定会导致各地糖尿病患者的强健、紧凑和自主装置。 一个能够活过发射振动和深空辐射的系统可能比目前的消费装置更耐用。 空间机构和医疗设备公司之间的双向知识共享加速了这两个部门的创新。 例如,设计为两年运行而无需空间更换的CGM可以改变目前每七至十四天更换传感器的病人的糖尿病护理。

当前举措与合作途径

已经开展了几项研究举措,美国航天局的人类研究方案资助了国际空间站的研究,以审查葡萄糖代谢改变,测试微重力中封闭式胰岛素的早期原型((美国航天局人类研究方案)),日本宇宙航空研究开发机构(日本宇宙航空研究开发机构)还进行了关于抛物飞行中胰岛素吸收的实验,像JDRF[这样的空间机构与组织之间的合作正在培养伙伴关系,使内分泌学家、航空航天工程师和算法开发者聚集在一起,2023年,弗吉尼亚大学和美国航天局的一个小组发表了一项可行性研究,表明目前的人工胰岛算法可以适应流体转移,但仅作微小的修改,同时,欧洲空间局的“主动医疗适用”方案等项目正在探索可穿戴的医学系统,将多传感器包括葡萄糖监测器(欧空局主动医疗适用)。

私营公司,包括开发商业空间站和航天器的公司,也在投资自动化健康管理. SpaceX的"飞船"号机组人员向国际空间站运送了医疗监测设备,未来的商业栖息地可能包括能够支持人工胰脏操作的专用医疗湾. SpaceX的"飞船"号机组人员"号机组人员"继续资助对可被改造用于极端环境的先进闭路系统的研究. SpaceX国家实验室还征求了能够同时为空间探索和地面医疗带来益处的技术演示建议.

火星路线图:将人工活体Pancreas纳入船员保健系统

展望到火星的乘员任务,人工胰腺变得几乎不可或缺。 长期微重力、高辐射和有限的再补给相结合,使得人工糖管理不切实际。 一个完全自主、能耐断层和资源高效的人工胰腺可以作为更广泛的医疗支持系统的基石。 一些概念设想植入式的版本可以持续整个任务而无需替换,而另一些概念则提出一套可穿戴和可消耗的组件,设计在旅途中便于替换。 未来的系统可以包含多种激素 — — 胰岛素、克兰克贡和可能还有亚美林类 — — 以达到更严格的控制并降低高血症和低血症的风险。

人类因素也发挥着作用。必须尽量减少心理压力和认知负荷;一种在背景中默默工作、仅发出重要警报的装置将有助于维持船员的士气和性能。 由于包括商业和国际合作伙伴在内的各类宇航员队伍越来越普遍,人工胰腺必须针对不同的身体类型、年龄和新陈代谢特征设计。 该系统还应与航天船的中央健康监测网络相接,向船员提供数据,以便进行趋势分析和长期健康规划。

结论

开发用于空间飞行任务的人工胰腺不仅仅是一个特殊工程挑战,它是一个突破性医疗技术的催化剂,将造福于全人类。 克服微重力、辐射和资源限制等障碍,将产生比今天任何现有设备更强大、自主和适应性的装置。 空间机构、学术研究人员和医疗设备公司之间的合作对于将这一愿景转化为现实至关重要。 在我们准备将人类送入太阳系时,人工胰腺腺是改善地球生命的空间行走创新的坚固性的首要例子。