人工胰腺系统(APS)也叫闭眼胰岛素分泌系统,代表了1型糖尿病(T1D)管理的转型跃进. 这些设备将连续葡萄糖监测(CGM)与胰岛素泵疗法自动化相结合,使用复杂的算法实时动态地调整胰岛素分泌. 这些系统通过模仿生物胰腺的糖激功能,旨在将血糖水平保持在紧固的生理范围,从而减轻糖尿病患者不断决策的负担并改进长期健康结果.

什么是人工潘克瑞斯?

人工胰腺是一种医疗器械系统,可以自动化胰岛素的提供来达到近生理上对葡萄糖的控制. 与传统的胰岛素泵疗法——需要人工输入来进行血栓和频繁用户调整不同,人工胰腺作为闭环运行. "闭-闭"一词指感应数据在不直接用户干预的情况下不断告知胰岛素剂量的反馈机制.

该系统由三个核心组成部分组成,它们进行无线通信:

  • 连续葡萄糖监测器(CGM)传感器:一个小而皮下传感器,每一至五分钟测量间质葡萄糖水平,将数据传送到控制算法.
  • Insulin Pump:可穿戴设备,通过罐头下切分地传递快活性胰岛素. 泵接收从算法中发出的剂量指令.
  • Control Algorithm :软件运行在专用控制器上,智能手机应用,或处理实时葡萄糖数据和计算出相适应胰岛素输入率的泵本身上. 常见的算法包括PID(比例-内酯-衍生物)和模型预测控制(MPC),经常结合安全限制来防止下血糖.

第一个商业混合闭路系统(如:Medtronic 670G, 780G, Tandem Control-IQ, Omnipod 5)于2010年代末进入市场,随后几代逐渐提高了自动化和使用性,虽然胰腺没有完全被取代——用户仍然需要定期输入餐饮信息和校正传感器——这些系统大大地降低了发生低血压和高血糖事件的频率。

人工胰岛素如何工作?

人工胰腺的操作周期每隔几分钟重复一次,形成连续反馈回路。以下是过程的分步分解:

  1. 葡萄糖感应 :CGM传感器测量葡萄糖浓度于间质液中,并通过无线发射机将读取结果传递给算法.
  2. Data处理[:算法评价了目前的葡萄糖水平,变化率(trend),并经常根据最近的规律预测出未来的葡萄糖水平,它还计算了机上胰岛素(IOB)来避免堆放剂量.
  3. 胰岛素调整:算法计算出最佳的玄武素胰岛素率-当葡萄糖升起或高起时会增加,而当葡萄糖下降或低起时会减少或停止(悬浮). 在高级系统中,它也可以自动提供校正的分泌.
  4. 交付:命令无线发送到胰岛素泵上,后者相应调整其输入率.
  5. 用户输入(可选):大多数目前的系统要求用户通过估计碳水化合物摄入量来宣布进餐,然后算法会发出进餐波卢来覆盖升量. 食用通知仍然是最大的人工组件,尽管"hybrid"系统正在向进餐检测和完全自动化的进餐管理发展.

控制算法的设计有安全限制,例如,如果葡萄糖水平下降过快或达到低阈值,系统会暂停胰岛素的提供,防止严重的低血糖症。 同样,高葡萄糖阈值会促使积极的校正,而不会超过允许的胰岛素限制。

人工胰腺系统的好处

人工胰岛素系统比常规胰岛素疗法(多日注射或标准泵,单独使用CGM)提供了多种临床和生活质量优势。

  • 改进了距离时间(TIR):与传感器增强泵疗法相比,TIR(葡萄糖70-180毫克/日升)平均增加10-15%。 例如,国际iDCL控制-IQ试验显示,6个月后TIR从61%平均增加至71%。
  • 降低伪高血症[:自发胰岛素悬浮和预测低高血糖管理能显著地减少低血糖事件的发生频率和持续时间,特别是夜行性低血糖.
  • 下HbA1c:许多用户在HbA1c中实现0.3–0.5%的减速,而不会出现严重的低血糖症.
  • 糖尿病管理减重负担:指棒更少,胰岛素剂量的日常决定也更少,对过夜葡萄糖水平的焦虑也更减轻. 2022年的系统审查发现APS持续地改善糖尿病特有的生活质量并减少糖尿病困扰.
  • 长期并发症风险降低:通过随着时间的推移保持更好的甘油控制,微血管并发症(肾上腺病,肾上腺病,神经病)的发生率降低,这与里程碑式的DCCT发现一致.
  • 更大的灵活性:用户可以跳过餐,改变餐时,或者运动时对甘油稳定性的干扰较少,因为系统可以动态地调整失能或改变胰岛素动作.

这些好处导致主要糖尿病组织,包括美国糖尿病协会和国际小儿和青少年糖尿病学会,从2岁开始,建议混合闭路疗法作为T1D患者的首选方案.

人工胰腺系统的类型

人工胰腺系统按自动化程度分类。虽然完全自动化(生物)系统仍在开发中,但目前的商业选择是“半封闭式”系统。截至2025年,主要系统如下:

迷你米德780G

780G是670G和770G的后继器,它使用智能守护算法,其可调整目标为100-120 mg/dL。 它每5分钟提供自动校正波乐,每天需要两次传感器校正。 用户仍然需要进餐。 系统在现实世界数据中显示出了强劲的结果,许多用户的TIR超过70%。

Tandem 糖尿病护理控制-智商

控制-IQ运行在 t:slim X2泵平台上,它使用Dexcom G6或G7 CGM,并具有预测性低糖悬浮和自动矫正栓等功能,系统目标为112.5-160毫克/分升,睡眠模式选项目标为112.5-120毫克/分升。 控制-IQ算法在里程碑式的iDCL试验中得到了验证,最近获得了FDA许可,可用于需要胰岛素的2型糖尿病。

保险箱 OMNIPOD 5

OMNipod 5是一个无管的,以补丁-泵为基础的混合闭路系统,它与Dexcom G6/G7. 通信,它使用运行在用户智能手机上的算法(云中或被子舱上的算法模型). OmmNipod 5提供了110–150 mg/dL和自动校正的活字节能调试目标,因其无管设计而流行,对活跃的用户和儿童有吸引力.

CAMAPS FX 自动交换器

CamAPS FX在剑桥大学开发,是使用Dexcom G6和胰岛素泵(Dana Diabecare RS或t:slim X2)的全封闭式启动系统,它使用适应性的MPC算法,学习用户的胰岛素需求随时间推移. 值得注意的是,CamAPS FX不需要餐饮通知——它自动调整供餐,尽管用户输入锻炼或大餐可以提高性能,它从1岁开始被批准使用.

DIY 闭环( OpenAPS, Loop, AndroidAPS) :

自2013年以来,开源的Do-it-自(DIY)社区率先采用闭路技术。 类似Loop(iOS)和AndroidAPS等系统允许用户使用相容的泵(如更古老的Medtronic模型、Omnipod EROS)和CGM(Dexcom, Medtronic)来建立自己的混合或完全闭路技术。 尽管这些系统没有获得FDA的批准,但安全算法和用户满意度都非常高。 全世界有超过20,000人使用闭路技术,通常达到80%以上的TIR。

挑战和限制

尽管这些系统很有效,但人工胰腺系统并非没有挑战。 消除这些障碍对于更广泛的采用和更好的结果至关重要。

  • 成本和无障碍[:混合闭路系统的前期成本可能超过5,000-8,000美元(泵、传感器、用品),同时每月持续支付CGM传感器、泵用消耗品和胰岛素的费用。 保险的覆盖范围大相径庭,许多地区缺乏补偿。 成本仍然是阻碍合格患者使用APS的首个障碍。
  • 用户培训和参与:用户必须接受系统功能培训,包括进餐、校准和处理提示。 陡峭的学习曲线会导致挫折和中止,特别是青少年和年轻人。 技术知识和对故障排除设备错误的意愿是必要的先决条件。
  • 传感器精确度:混合闭路的性能严重依赖于CGM的准确度. 间歇与血糖,压缩低和传感器的出错之间延迟会导致误用剂量. 虽然现代传感器(Dexcom G7,Libre 3)高度准确,但偶尔仍然会出现故障.
  • 处理食物:用户必须宣布用餐并准确估计碳水化合物含量. 低估或过高会导致后期高血糖或低血糖. 完全自动系统可以检测和覆盖未经用户输入的用餐,尽管早期试验(如剑桥的用餐检测模块)仍然在开发中,但显示有希望.
  • 锻炼管理:物理活性引起复杂的葡萄糖出行:由克内丘洛胺引起的初始高血糖性贫血,再由胰岛素敏感度的提高而延迟下行. 没有任何算法可以完全管理没有用户输入的活性(如临时目标增加,中止胰岛素). 多数系统提供"活性"或"活性"模式,但需要用户参与.
  • Device集成和互通性:目前的系统一般与特定的泵和CGM相接. 封闭-开放生态系统的锁定限制了消费者的选择. 向互通设备(如将运行在任何泵和CGM上的Tidepool Loop)的移动旨在突破这个障碍,但监管和商业障碍依然存在.

未来方向

下一个十年将迅速发展人工胰腺技术。

  • Fully Automatic (Closed-Loop without Meal Introduction) [FLT: 1]: 几个研究小组正在精炼用糖升速识别餐的餐点检测算法,而不需要用户输入. CamAPS FX完全闭环研究等早期临床试验显示,TIR中位数超过70%,没有宣布膳食.
  • Bi-Hormonal Systems:在闭路口(双荷酮)上添加克卢卡贡可以更有力地抵御低血糖。 使用稳定的克卢卡贡模拟(如新西兰药典的dasiglucagon)进行双荷酮系统的试验已经实现了近乎正常的克卢克贡水平,最低的克卢克所缺血。 iLet Bionic Pancreas(Beta Bionics)最近作为双荷尔蒙设备获得了FDA许可,在单一泵中施放胰岛素和肽(amylin模拟) 。
  • 可植入系统:正在开发可植入的全能CGM和泵来增强方便并减少地表感染. Eversense可植入CGM(Senseonics)已经提供了180天的感应寿命;结合被植入的泵(如Roche's Diaport),这可以导致一个最小的入侵性闭环.
  • 人工智能和机器学习[:算术越来越适应性,利用机器学习来预测与膳食,锻炼,压力,月经周期相关的规律. 个性化模型可以学习个人胰岛素敏感性,减少人工调理的需要.
  • 与数字健康平台结合:以云为主的远程监测(如Dexcom Clarity,Tidepool)允许护理人员和临床医生实时查看葡萄糖数据和装置性能,与电子健康记录和远程医疗平台的结合将改善临床决策支持.
  • 第2类糖尿病和医院使用:闭路系统正在测试2型糖尿病(T2D)使用者和重症患者的发作管理. 2023年,FDA为T2D清除了控制-IQ,医院的闭路算法(如STAR系统)显示ICU的收效有所改善.
  • 降低成本和破坏创新:降低CGM传感器和泵成本的努力正在进行中,例如FDA的"超CGM"(Dexcom Stelo, Libre Sense)和低成本补丁泵的开发,可能会使中低收入国家的封闭式脱脂价格可以承受.

结论

人工胰腺系统已经从研究科学领域转移到现实世界临床实践领域,为糖尿病患者的甘油控制和质量提供了变革性改善。 通过将胰岛素的提供自动化并对葡萄糖的动态变化作出智能反应,这些系统减少了低血糖和高血糖、低血糖和低血糖,使用户摆脱了糖尿病管理中不断的认知负荷。 尽管围绕成本、可用性和充分自动化的挑战依然存在,但创新的轨迹是明确的:向更适应性、个性化和易取的闭锁-开关技术发展。 对于考虑糖尿病管理下一步的医护人员和病人来说,混合闭锁疗法已不再是一种实验性选择 — — 这是护理的标准。

参考和进一步阅读