Sztuczna trzustka

Sztuczna trzustka jest technologią, aby pomóc ludziom z cukrzycą automatycznie kontrolować poziom cukru we krwi , dostarczając funkcjonalność zastępczego hormonalny porównywalną do zdrowej trzustce.

Trzustka pełni dwie ważne funkcje: funkcję zewnątrzwydzielniczą, która wydziela enzymy trawienne oraz funkcję endokrynologiczną lub hormonalną. Główną motywacją do opracowania substytutu niewydolnej trzustki jest brak wytwarzania insuliny. Obecne terapie polegają na ręcznym kontrolowaniu poziomu cukru we krwi za pomocą insuliny. Ta kontrola jest trudna, bolesna i niewystarczająca.

Celem sztucznej trzustki jest udoskonalenie insulinoterapii zastępczej do czasu, gdy kontrola poziomu cukru we krwi będzie praktycznie normalna, poprzez uniknięcie powikłań hiperglikemii, ale także ułatwienie leczenia uzależnienia od niej insuliny.

Rozważane różne podejścia obejmują:

od sprzętu medycznego za pomocą pompy insulinowej kontrolowane pętli zamkniętej na podstawie danych w czasie rzeczywistym, z ciągłym czujnikiem glukozy we krwi
Bio inżynierii - rozwoju trzustki biologicznej syntetyczne, składające się z arkuszy biokompatybilnych komórek beta kapsułkach. Wszczepiony chirurgicznie liść Langerhansa zachowuje się jak endokrynna trzustka i jest żywotny przez lata
terapii genowej - terapeutyczne infekcji osoby z cukrzycą przez genetycznie zmodyfikowanego wirusa do wywoływania zmiany komórek jelitowych DNA stają się komórki produkujące insulinę

Podejścia

Bioinżynieria

Bioinżynieryjne podejście do wytwarzania sztucznej trzustki obejmuje wszczepianie syntetycznych tkanek zawierających komórki wysp Langerhansa , które wydzielają ilość insuliny, amyliny i glukagonu potrzebną w odpowiedzi na szybkość mierzonej glukozy.

Po przeszczepieniu komórek wysp trzustkowych zgodnie z protokołem Edmonton, produkcja insuliny (i kontrola glikemii) zostaje przywrócona kosztem terapii immunosupresyjnej . Jednak od tamtej pory opracowano nowe techniki zamykania komórek wysp trzustkowych w ochronnej powłoce, które umożliwiają blokowanie odpowiedzi immunologicznej przeciwko przeszczepionym komórkom. Te nowe metody pomagają odciążyć pacjentów od ciężaru immunosupresji i wydłużyć żywotność przeszczepu.

Prototyp bio-sztucznej trzustki opracowywany w Cerco Medical wykorzystuje kapsułkowane komórki wysp trzustkowych do budowy liścia wysepek Langerhansa, który można wszczepić chirurgicznie i działa jak sztuczna trzustka.

Ten arkusz komórek wysepek Langerhansa zawiera:

wewnętrzną siatkę włókien zapewniającą wytrzymałość mechaniczną;
komórki wysp trzustkowych przylegające do włókien siatki i otoczone kapsułkami, aby uniknąć wywołania niekontrolowanej odpowiedzi immunologicznej;
półprzepuszczalna warstwa ochronna wokół liścia, umożliwiająca dyfuzję składników odżywczych i wydzielanych hormonów;
powłokę ochronną, aby zapobiec reakcji zapalnej na ciała obce, która mogłaby skutkować reakcją zwłóknieniową otaczającą arkusz w złogach kolagenu, co ostatecznie spowodowałoby uszkodzenie komórek wysp trzustkowych.

Badania nad arkuszem komórek wysp Langerhansa w 2006 r. Przewidują przeprowadzenie badań klinicznych na ludziach w ciągu najbliższych kilku lat.

Terapia genetyczna

Technologie terapii genowej szybko się rozwijają, dlatego bada się wiele nowych ścieżek przywracania funkcji endokrynologicznych z potencjałem całkowitego i trwałego wyleczenia cukrzycy.

Terapia genowa może być stosowana do bezpośredniego wytwarzania insuliny: doustny lek, składający się z wektorów wirusowych zawierających sekwencję DNA odpowiadającą insulinie, jest spożywany i przekazuje swoje geny do komórek jelita cienkiego przez infekcję wirusową. Te komórki jelitowe zachowują się następnie jak każda komórka zakażona wirusem i zaczynają wytwarzać wirusowe białko insuliny. Wirus może być kontrolowany tak, aby infekował tylko te komórki, które reagują na obecność glukozy, tak że insulina jest wytwarzana tylko przy wysokim poziomie glukozy. Ze względu na ograniczoną liczbę dostarczonych wektorów, bardzo niewiele komórek jelitowych byłoby faktycznie zakażonych, a funkcja hormonalna zanikłaby w sposób naturalny w ciągu kilku dni. Dlatego też, zmieniając ilość stosowanego doustnego leku, ilość insuliny wytworzonej podczas terapii genowej można w razie potrzeby zwiększyć lub zmniejszyć. W miarę zanikania komórek jelitowych wytwarzających insulinę można je zastąpić przyjmowaniem dodatkowych leków doustnych.
Terapia genowa mogłaby być potencjalnie wykorzystana do wyleczenia przyczyny niszczenia komórek beta, tym samym wyleczenia pacjenta z cukrzycą, zanim zniszczenie komórek beta będzie całkowite i nieodwracalne.
Terapia genowa może być stosowana do przekształcania komórek dwunastnicy i dorosłych komórek macierzystych dwunastnicy w komórki beta, które w naturalny sposób wytwarzają insulinę i amylinę. Dostarczając DNA komórek beta do komórek jelitowych dwunastnicy, niektóre komórki jelitowe zamieniają się w komórki beta, a następnie dorosłe komórki macierzyste rozwiną się w komórki beta. To sprawia, że zapasy komórek beta w dwunastnicy samoczynnie się uzupełniają. Komórki beta wytwarzają następnie insulinę proporcjonalnie do spożytych węglowodanów.

Sprzęt medyczny

Ciągłe monitorowanie stężenia glukozy we krwi

Istnieją technologie umożliwiające ciągłe monitorowanie poziomu cukru we krwi. Urządzenia te regulują pracę sztucznej trzustki poprzez:

automatyczne dostarczanie odczytu stężenia glukozy we krwi co minutę, np. bez konieczności interwencji pacjenta,
monitorowanie trendów wzrostu i spadku poziomu cukru we krwi, co jest przydatne w przewidywaniu poziomu cukru we krwi w najbliższej przyszłości,
poproszenie użytkownika o natychmiastową korektę poziomu insuliny podstawowej w przypadku wysokiego poziomu cukru oraz w przypadku niskiego poziomu z prośbą o obniżenie poziomu insuliny podstawowej lub o zjedzenie czegoś

Pomiary poziomu cukru we krwi mogą być używane bezpośrednio w zamkniętej pętli do sterowania pompą insulinową.

Jednak niektóre wady wymagają poprawy przed rozważeniem zastosowania prawdziwej sztucznej trzustki:

Czujniki ciągłe wymagają kalibracji kilka razy dziennie, wykonując ręczny test poziomu glukozy we krwi na palcu, a następnie wprowadzając dane stężenia glukozy do systemu w celu korekty czujnika,
Czujniki mierzą śródmiąższową glukozę, więc istnieje opóźnienie między danymi z czujnika a rzeczywistym poziomem cukru we krwi,
Sterowanie automatyczne ma tendencję do usuwania monitorowania użytkownika, co niemniej jednak może stanowić dodatkowe zabezpieczenie, ponieważ pomiary mogą być podatne na błędy.

Wraz z postępem technologii monitorowania poziomu cukru we krwi możliwość wykonania sztucznej trzustki staje się coraz bardziej realistyczna.

Sztuczna trzustka o zamkniętym obiegu, regulująca glukozę za pomocą algorytmów i koordynowania dostaw glukozy i insuliny, jest produkowana w Japonii przez japońską firmę Nikkiso.

Podstawowa kontrola insuliny

Insulina podstawowa pomaga kontrolować poziom cukru we krwi w ciągu dnia. W przypadku sztucznej trzustki sterującej automatycznie pompą insulinową w oparciu o ciągły czujnik poziomu glukozy we krwi, pierwszym krokiem jest kontrola poziomu podstawowego pompy insulinowej. Jeśli bolus nie był ostatnio wykonywany, pompa może regulować poziom cukru we krwi, dostosowując poziom podstawowy w razie potrzeby:

gdy wzrasta poziom cukru we krwi, można automatycznie podać mały bolus korekcyjny i ustawić wyższy poziom podstawowy;
gdy spada poziom cukru we krwi, poziom podstawowy może zostać zatrzymany, aby wstrzymać ilość insuliny potrzebnej do obniżenia poziomu cukru we krwi, aż poziom podstawowy powróci do nowego, niższego poziomu;
Dzięki algorytmicznym technikom filtrowania adaptacyjnego pompa może „nauczyć się” unikalnych podstawowych poziomów pacjenta w oparciu o porę dnia.

Kontrolując samą dawkę podstawową w zamkniętej pętli, możliwe jest skorygowanie po posiłku zbyt dużego lub małego bolusa w porównaniu z dietą spożywaną przez:

rozpoznanie braku równowagi pomiędzy bolusem insuliny „instrukcja” a poziomem glukozy we krwi,
automatyczne podanie bolusa korekcyjnego w celu skompensowania braku insuliny,
automatyczne przerywanie dawki podstawowej w celu skorygowania obfitości insuliny,
nauczyć się poprzez adaptacyjne techniki filtrowania proporcje węglowodanów i insuliny w każdym posiłku.

Pierwsze badania kliniczne

We Francji pierwsze badanie kliniczne sztucznej trzustki na ludziach miało miejsce w 2004 r. System był w pełni zautomatyzowany i łączył czujnik glukozy Medtronic MiniMed oraz wszczepialną pompę insulinową. Projekt przedstawia możliwości i pewne ograniczenia:

wszczepialny czujnik jest wprowadzany do żyły na szyi prowadzącej do serca;
czujnik jest połączony przewodem elektrycznym pod skórą z wszczepialną pompą insulinową: gdy poziom cukru we krwi waha się, sygnał informuje pompę, ile insuliny należy podać;
czujnik dokładnie mierzy poziom glukozy przez 95% czasu w porównaniu z wartościami kontrolnymi uzyskanymi z palców;
poziom glukozy we krwi utrzymuje się w normalnym zakresie przez ponad 50% czasu u pacjentów korzystających z pompy podłączonej do czujnika;
częstotliwość epizodów hipoglikemii spadła do mniej niż 5%;
Podczas gdy wszczepialne pompy insulinowe działają średnio osiem lat przed ich wymianą, czujniki przestają działać średnio po dziewięciu miesiącach;
Należy również ulepszyć algorytmy matematyczne obliczające ilość insuliny podawanej w ciągu dnia.

Inne badania kliniczne miały miejsce od 2004 roku. W 2017 roku przez 3 miesiące w Lyonie odbyło się badanie kliniczne.

W listopad 2020The centrum Perpignan szpital jest pierwszym we Francji wyposażyć trzech cukrzycowych pacjentów w prawdziwym życiu ze sztucznej trzustki.

Połączenie insuliny i amyliny

Kiedy syntetyczna amylina (lub pramlintyd: marka firmy Symlin) jest stosowana w połączeniu z insuliną, korzyści z kontroli glikemii po posiłku są znaczące.

Pramlintyd jest leczenie cukrzycy na rynku na początku 2000 roku Zabieg polega na:

oddzielne wstrzyknięcie pramlintydu przed posiłkiem;
50% zmniejszenie dawki insuliny w bolusie podczas tego posiłku.

Pramlintide można wstrzykiwać za pomocą pompy insulinowej. W 2004 r. Mieszanie pramlintydu i insuliny w tym samym wkładzie nie było zatwierdzoną praktyką, dlatego używano jednocześnie dwóch pomp infuzyjnych. Ponieważ insulina i amylina są współwydzielane przez komórki beta trzustki w odpowiedzi na podwyższony poziom cukru we krwi, stosowanie razem pramlintydu i insuliny ściślej zastępuje funkcję trzustki.

Kontrola insuliny w bolusie

Insulina w bolusie służy na przykład do kontrolowania gwałtownych zmian poziomu cukru we krwi po posiłku.

Marketing

System MiniMed 670G, przeznaczony do zwalczania hipoglikemii i hiperglikemii, jest już sprzedawany w Stanach Zjednoczonych.

Projekt sztucznej trzustki

Naukowcy z Imperial College London pracują nad projektem sztucznej trzustki (BiAP) . Urządzenie jest noszone poza ciałem i łączy w sobie ciągły monitor glukozy, który odczytuje użytkownikowi poziom cukru w płynie śródmiąższowym, z pompą insulinową, która wstrzykuje insulinę do organizmu. Naukowcom udało się eksperymentalnie odtworzyć stężenia insuliny w zdrowej trzustce.

W 2014 roku naukowcy z Uniwersytetu Harvarda ogłosili, że odkryli proces wytwarzania dużych ilości komórek beta z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych . Mają nadzieję, że te komórki będą mogły w przyszłości zostać przeszczepione chorym na cukrzycę, eliminując tym samym potrzebę wytwarzania syntetycznej insuliny.

We Francji LETI współpracuje od 2010 roku z kilkunastoma francuskimi szpitalami uniwersyteckimi nad opracowaniem sztucznej trzustki.

Fizjologia endokrynologiczna

Trzustka produkuje trzy hormony, które są ważne dla kontroli poziomu cukru we krwi:

insulina , która obniża poziom cukru we krwi, przekształcając glukozę w glikogen;
amylina, która spowalnia trawienie, a także poziom glukozy wchodzącej do krwiobiegu i czasowo hamuje uwalnianie glukagonu;
i glukagon , który zwiększa poziom cukru we krwi, przekształcając się w glukozę.

W idealnym przypadku w celu naśladowania naturalnych funkcji trzustki tak ściśle, jak to możliwe, trzustki sztuczne należy wymienić wszystkie utracone funkcje wydzielania wewnętrznego, włączając w to dostarczanie insuliny, amylinę, glukagonu, i C-peptydu .

Bibliografia

Lauren Messer , Emily Jost , Cari Berget i Emily Westfall , „ 010 - Automated Insulin Delivery (Artificial Pancreas) on the Horizon: Educational Considerations for Youth with Type 1 Diabetes ”, Journal of Pediatric Nursing , wydanie specjalne: Hospitalized Child, vol. 34,1 st maja 2017, s. 104-105 ( DOI 10,1016 / j.pedn.2017.02.019 , czytać online , dostępne 21 lipca 2017 )
" wysepek Arkusz medycznych - zielone Stinger z efedryny " na www.isletmedical.com (dostęp 21 lipca, 2017 )
„ Johns Hopkins Bayview Medical Center in Baltimore, MD ” na hopkinsbayview.org (dostęp 11 sierpnia 2020 ) .
Engene Inc.
Informacje o sztucznej trzustce na MedicineNet.com
„ Sztuczna trzustka: pozytywne wyniki u pierwszych pacjentów w Lyonie ”, www.pourquoidocteur.fr ,czerwiec 2017( czytaj online , sprawdzono 21 lipca 2017 r. )
Sebastià Vilanou i Poncet, „ Szpital Perpignan: pierwszy szpital, który wyposaży chorych na cukrzycę w sztuczną trzustkę ”, La Semaine du Roussillon ,17 listopada 2020 r( czytaj online , konsultacja 18 listopada 2020 r. ).
Zastąpienie amyliny pramlintydem jako uzupełnieniem.
„ SYMLIN.com - Home ” ( Archiwum • Wikiwix • Archive.is • Google • Co robić? ) (Dostęp 21 lipca 2017 )
" " Istnieje ryzyko braku opieki nad pacjentami, jeśli system się nie porusza " ", La Tribune ,lipiec 2017( czytaj online , sprawdzono 21 lipca 2017 r. )
(w) Sheldrick Giles , " Powiernik ekspertów od cukrzycy, oni mogą wyeliminować zabójczą chorobę w 25 lat " , The Express ,28 stycznia 2014( czytaj online , sprawdzono 2 kwietnia 2014 )
Colen, BD (9 października 2014) Giant skok przeciwko cukrzycy The Harvard Gazette, Źródło: 24 listopada 2014
„ Czy sztuczna trzustka jest blisko?” » , Na lefigaro.fr ,23 sierpnia 2017(dostęp 23 sierpnia 2017 )
„ Francja bierze udział w wyścigu o sztuczną trzustkę ” , na lefigaro.fr ,8 marca 2016 r(dostęp 23 sierpnia 2017 )