人工胰腺可以防止糖尿病患者在睡眠時(shí)產(chǎn)生低血糖癥狀。

2013年4月的一個(gè)早晨，一位名叫Jane的女人在英國劍橋阿登布魯克醫(yī)院辦理了出院手續(xù)。在過去的24小時(shí)里，她的身體通過一些管子與醫(yī)療設(shè)備相連并進(jìn)行治療。出院后，她將這些設(shè)備帶回家，希望因此擺脫困擾她30年的I型糖尿病。

小盒子

這些設(shè)備包括一個(gè)胰島素泵、一臺(tái)血糖傳感器和一個(gè)平裝書大小的計(jì)算機(jī)，從而組成了人工胰腺的原型。它們對(duì)糖尿病患者所缺乏的胰腺功能進(jìn)行復(fù)制：在血糖水平上升時(shí)可以產(chǎn)生胰島素。目前，歐洲、美國和其他地區(qū)的團(tuán)隊(duì)正在小群體患者中測試該系統(tǒng)，希望可以看到該技術(shù)能夠有效安全地工作。如果可以的話，它會(huì)改善糖尿病患者的健康，并允許其擁有正常的生活。Jane表示，之前她的糖尿病控制都是通過在生活的大多數(shù)時(shí)間里進(jìn)行血液檢查和注射完成的，能擁有一個(gè)人工胰腺“是不可思議的”。

在20世紀(jì)20年代初期胰島素被發(fā)現(xiàn)之前，I型糖尿病患者會(huì)逐漸陷入昏迷，并在幾個(gè)月或幾年后死亡。如今，至少在發(fā)達(dá)國家，糖尿病患者還可以過著一種相對(duì)正常的生活，不過必須進(jìn)行永無止境的血糖測試(通過指尖采血和電子儀表實(shí)現(xiàn))，注射胰島素，并小心測量食物中所含的碳水化合物。

全球研究人員正在研發(fā)I型糖尿病的生物療法，但進(jìn)展緩慢。在過去的10年里，很多研究人員和醫(yī)生開始致力于技術(shù)方法(即人工胰腺)。由制藥公司和醫(yī)療器械制造商所帶來的在糖尿病治療上的巨大進(jìn)步(即新型胰島素、胰島素泵和血糖傳感器)使研究人員的工作變得更容易。

第一個(gè)可被病人帶回家并自己管理疾病的胰島素泵出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。如今的模型可以通過細(xì)管使胰島素進(jìn)入體內(nèi)，通常會(huì)在病人胃部位置將針或管插到皮下組織幾毫米處。胰島素泵會(huì)像胰腺一樣，日以繼夜地注入小劑量的胰島素。病人可以根據(jù)進(jìn)食量設(shè)定需要泵入的胰島素量。胰島素泵可以提供比胰島素注射更好的血糖水平控制能力，不過高成本限制了其流行程度。

胰島素泵并不能消除檢測血糖的指尖采血方式，但連續(xù)葡萄糖監(jiān)測器(CGMs)卻可以。監(jiān)測器誕生于20世紀(jì)90年代末，可以提供更好的血糖水平實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但是同樣地，其高成本拒人于千里之外。

第一步

全球糖尿病研究基金會(huì)JDRF中負(fù)責(zé)治療療法的副主席Aaron Kowalski表示，“便攜可靠的CGM的缺失”使投資者開始重視人工胰腺的想法。2006年，JDRF在美國和歐洲的研究中心與公司中建立了一個(gè)人工胰腺項(xiàng)目。

這是醫(yī)療器械行業(yè)邁出的第一步。2009年，設(shè)備制造商美敦力公司發(fā)布了一種最基本的人工胰腺系統(tǒng)：可以接受來自CGM發(fā)射機(jī)信號(hào)的胰島素泵。該混合設(shè)備并不能將血糖控制在一個(gè)狹窄范圍內(nèi)，但是可以避免突發(fā)事件。這一系統(tǒng)相對(duì)較快地被批準(zhǔn)用于歐洲;美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)對(duì)醫(yī)療設(shè)備的使用更為謹(jǐn)慎，在2013年9月才予以批準(zhǔn)。

美敦力公司的系統(tǒng)可以阻止疾病惡化，但并不能在最初阻止病情暴發(fā)。為此，人們需要一種智能算法來分析用戶的血糖情況。世界各地的團(tuán)隊(duì)對(duì)這種算法進(jìn)行了多年的研究工作。

研究人員通過讓受試者短期住院以測試其包含特定算法的系統(tǒng)。2013年，一些團(tuán)隊(duì)讓Jane這樣的受試者離開醫(yī)院回家?guī)滋?，或者在酒店里?duì)其進(jìn)行測試。所有的試驗(yàn)結(jié)果還沒有完全公布出來，不過Kowalski稱：“已公布的結(jié)果令人驚嘆，顯示出高血糖的戲劇性下降，及其在社會(huì)方面的積極影響”。例如患者不再過于擔(dān)心，且有機(jī)會(huì)回到“正常的”生活。

不過，問題隨之而來。使用人工胰腺時(shí)，CGM需要時(shí)間才能探測到使用者的進(jìn)食：碳水化合物進(jìn)入血液需要半小時(shí)或者更多，到達(dá)可以被探測到的空隙流體則再需要15分鐘，而信號(hào)處理還需要6到15分鐘。相關(guān)算法需要根據(jù)CGM提供的早期消化過程較少的信息來測量一頓飯的量，這比較困難。因此，該設(shè)備很容易地在進(jìn)食幾小時(shí)后提供過多的胰島素。

為了解決這個(gè)問題，一些研究人員要求使用者在進(jìn)食時(shí)提醒系統(tǒng)。另外，Mannkind制藥公司開發(fā)了一種被稱為AFREZZA的速效可吸入的胰島素。不過，在2011年，F(xiàn)DA拒絕批準(zhǔn)AFREZZA，因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)認(rèn)為需要更多信息。Mannkind在2013年10月重新提交了產(chǎn)品批準(zhǔn)申請，并希望在2014年4月獲得批準(zhǔn)。

這些方法有助于緩解飯后的血糖高峰和后來的低谷。然而，許多研究人員想要提供一個(gè)完全的免手持系統(tǒng)。加州大學(xué)圣塔芭芭拉分?；瘜W(xué)工程師Frank Doyle說：“我們需要更快的胰島素和更快的CGM。”

新希望

也許最快的方法是將胰島素直接注射到離肝臟和胰腺較近的腹腔，這樣它可以直接起作用。Doyle說：“這將大大加快全自動(dòng)系統(tǒng)的作用速度。”羅氏制藥公司已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)永久性的注射器，被稱為DiaPort，不過由于永久插入設(shè)備的復(fù)雜性，只有極少數(shù)糖尿病患者正在使用它。

另外一些研究人員正在研發(fā)更快更可靠的CGM。當(dāng)前的系統(tǒng)不僅反應(yīng)遲鈍，還會(huì)犯錯(cuò)誤。“出現(xiàn)異常值是主要的問題。”Kowalski說，他認(rèn)為開發(fā)商將不得不利用像冗余傳感器和失效分析等關(guān)鍵系統(tǒng)工程的技術(shù)來發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)。

將目前用于檢測葡萄糖的電化學(xué)信號(hào)替換掉也能產(chǎn)生更好的CGM。一些制造商正在開發(fā)的傳感器可以使光穿過皮膚，從而尋找葡萄糖吸收的波長。JDRF現(xiàn)在還在與一些公司合作，開發(fā)一種傳感器，同時(shí)利用電化學(xué)和光學(xué)技術(shù)以確保萬無一失。

另一種安全機(jī)制使用泵來單獨(dú)分發(fā)胰島素和反胰島素激素——胰高血糖素。當(dāng)血糖讀數(shù)過低時(shí)，胰高血糖素會(huì)很快使其提高。2013年，波士頓大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)泵來測試該想法，Kowalski說，這是“令人印象非常深刻的成果”。

JDRF正在與設(shè)備制造商串聯(lián)糖尿病護(hù)理公司合作研發(fā)雙激素泵。目前，胰高血糖素并不是長期穩(wěn)定的解決方案，制藥公司正在研制一種新配方的持久激素。

研發(fā)人員是否會(huì)得到一個(gè)完全自動(dòng)化的系統(tǒng)還有待觀察。但Kowalski說：“我們不要讓完美成為優(yōu)秀的敵人。”耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Stuart Weinzimer表示同意：“我們并不需要達(dá)到完美。系統(tǒng)是否最好并不重要，只需要將它們放入市場，然后讓臨床醫(yī)生來決定。”Jane稱，對(duì)于那些將從人工胰腺受益的人來說，最重要的是設(shè)備的效用。這樣看來，雖然這些設(shè)備有泵和管道，“但使用它讓人感覺像是沒有患糖尿病一樣”。