Heutzutage lernen Algorithmen überall die Bedürfnisse einer Person kennen und passen die Erfahrungen entsprechend an. Musikdienste stellen Wiedergabelisten zusammen. Einzelhändler bieten spezifische Produktempfehlungen an. Social Media-Plattformen berechnen ständig in Echtzeit die nächstbesten anzuzeigenden Inhalte.
Verwandte Inhalte
- Ein von Mücken inspiriertes Blutüberwachungsgerät
Der Biomedizin-Ingenieur der Boston University, Edward Damiano, und seine Kollegen, darunter auch der leitende Wissenschaftler Firas El-Khatib, haben eine ähnliche Logik angewendet, um eine medizinische Herausforderung anzugehen: die automatische Regulierung des Insulin- und Glukagonspiegels bei Typ-1-Diabetes-Patienten in Echtzeit.
Das Team entwickelt und testet mit einer Gruppe am Massachusetts General Hospital ein Gerät, das als bionische Bauchspeicheldrüse bezeichnet wird. Während der Name vielleicht Visionen von Iron Man und Super-Bots hervorruft, ist das eigentliche Produkt eine Adaption gängiger Werkzeuge, die viele Typ-1-Diabetes-Patienten bereits verwenden.
Derzeit tragen Patienten externe Insulinpumpen, häufig am Bauch. Die tragbare Pumpe versorgt ihre Benutzer mit Insulin über einen Katheter oder einen Kunststoffschlauch, der unter die Haut ihrer Bäuche eingeführt wird. Sie muss jedoch regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, dass dies mit den richtigen Raten erfolgt. Die Pumpe, der Katheter und eine Stahl- oder Teflonnadel, die unter die Haut geht, bilden zusammen ein sogenanntes "Infusionsset". Patienten verlassen sich auch auf kontinuierliche Glukosesensoren. Der winzige Sensor wird, ähnlich wie die Pumpe, zusammen mit dem Sender unter die Haut eingeführt und mit einem Pflaster-ähnlichen Kleber an Ort und Stelle gehalten. Es überwacht die Blutzuckerwerte und überträgt diese Informationen mithilfe eines elektrischen Signals an ein externes Gerät. Momentan müssen Patienten auch die Informationen, die der Sensor liefert, manuell verfolgen.
Die bionische Bauchspeicheldrüse verwendet einen Steuerungsalgorithmus, um diese beiden Teile zu verbinden. Es fungiert als Brücke zwischen dem kontinuierlichen Glukosesensor und der Pumpe und beseitigt die ständige Notwendigkeit, einen der beiden zu überprüfen.
So funktioniert es: Der Sensor erfasst den Blutzucker einer Person und sendet diese Daten an ein Smartphone. Der Kontrollalgorithmus, der auf dem Smartphone ausgeführt wird, verwendet die soeben erhaltenen Daten, um den Insulin- und Glukagonbedarf des Patienten zu bestimmen. Das Smartphone sendet diese Informationen über ein Bluetooth-Signal an zwei Pumpen, die der Patient trägt, eine für Insulin und eine für Glucagon, die dann jeweils die erforderlichen Mengen verabreichen.
Über ein Bluetooth-Signal kommuniziert ein Smartphone mit zwei Pumpen, eine für Insulin und eine für Glucagon. (Bionic Pancreas Team) Der Algorithmus
Das Rückgrat des Geräts ist der Steuerungsalgorithmus, den Damiano und sein Team entwickelt haben. Zunächst lernen Sie einige wichtige Parameter der Patienten kennen - ihr Alter, ihr Gewicht und vor allem die Zusammensetzung ihres Blutzuckers und wie sich dieser verändert. Sobald diese Informationen vorliegen, gibt der Algorithmus alle fünf Minuten, 24 Stunden am Tag, eine genaue Empfehlung für insgesamt 288 wichtige tägliche Entscheidungen darüber ab, wie viel Insulin oder Glukagon die Pumpen in die Blutbahn des Patienten abgeben sollen.
"Wir freuen uns, einen Ansatz zu entwickeln, der die Belastung durch Diabetes verringern kann", sagt Steven Russell, Principal Investigator im klinischen Team.
Diabetiker benötigen Insulininjektionen bei zu hohem Blutzucker und Glucagon bei zu niedrigem Blutzucker, um Erkrankungen wie Hyperglykämie und Hypoglykämie vorzubeugen. Das "Dead in Bed" -Syndrom ist eine seltene, aber plötzliche, tödliche Schwankung des Blutzuckers, die auftreten kann, während ein junger Mensch mit Typ-1-Diabetes schläft. Derzeit müssen Diabetespatienten ihren Blutzucker konsistent und manuell überwachen, um sicherzustellen, dass er nicht auf gefährliche Werte ansteigt oder abfällt. Laut Saleh Adi, Gründer und Direktor der Madison-Klinik für pädiatrischen Diabetes an der University of California in San Francisco, überprüft ein durchschnittlicher Patient seinen Blutzucker vier- bis zehnmal täglich.
Tägliches Leben mit einer bionischen Bauchspeicheldrüse
Nach heutigem Stand muss ein Benutzer die bionische Bauchspeicheldrüse zweimal täglich kalibrieren, indem er einen Zeigefinger sticht und einen Blutstropfen abgibt, um den Glukosespiegel vor dem Frühstück und Abendessen mitzuteilen. Diese Werte werden als Referenzpunkte verwendet. Ein Träger kann auch Mahlzeiten ankündigen, um vor bevorstehenden Änderungen des Blutzuckers zu warnen. Im Laufe des Tages versucht das System, einen Patienten so nah wie möglich an seinen Glukose-Zielwert heranzuführen. Benutzer müssen ihre Glukagon- und Insulinvorräte täglich durch Nachfüllen der Reservoire in ihren Pumpen ersetzen, obwohl das Team hofft, dass dies weniger häufig wird, da mehr wissenschaftliche Fortschritte auf dem Gebiet erzielt werden. Das Endziel ist es, eine bionische Bauchspeicheldrüse zu entwickeln, die völlig autonom arbeiten kann.
„Wenn Sie sich weiterhin auf einer täglichen Zeitskala ändern, wird sich dieses Ding auch weiterhin auf einer relevanten Zeitskala an Sie anpassen“, sagt Damiano.
Dieses System ist eines der ersten, das sowohl Insulin als auch Glucagon verabreichen konnte. Frühere Versionen des Teams und andere Geräte der Universität Cambridge, der University of California in Santa Barbara und der University of Virginia konnten nur Insulin liefern, da instabiles Glucagon in Lösung ist.
Eine persönliche Sache
Damianos 15-jähriger Sohn David leidet an Typ-1-Diabetes. Seine Diagnose als Kind hat Damiano dazu inspiriert, dieses Gerät zu entwickeln.
„Als mein Sohn ungefähr ein Jahr alt war, kam mir der Gedanke, dass ich möglicherweise eine Rolle bei der Verbesserung seiner Versorgung spielen könnte“, sagt Damiano, der an einem mathematischen Modell des Blutflusses im Körper gearbeitet hatte.
Seine Arbeit mit El-Khatib an der bionischen Bauchspeicheldrüse begann 2001, als die dafür erforderliche Technologie noch in der Entwicklung war. Es gab bereits eine Insulinpumpe, aber es entstand gerade ein kontinuierlicher Glukosesensor, der den Blutzuckerspiegel unter der Haut erfassen konnte. Damiano konzentrierte sich auf das Stück, von dem er wusste, dass er es ändern konnte. "Mein Labor hat die Intelligenz des Systems übernommen", sagt er.
Während sein Team an diesem Aspekt der Vorrichtung gearbeitet hat, gab es gleichzeitig Fortschritte bei den Sensoren und anderen Elementen, die erforderlich sind, damit diese Erfindung funktioniert. Unternehmen wie Dexcom und Medtronic haben Sensoren weiterentwickelt, die den Blutzucker kontinuierlich messen. Yash Sabharwal und sein Team von Xeris Pharmaceuticals haben einen Weg gefunden, um Glucagon in Lösung zu stabilisieren.
"Eine künstliche Bauchspeicheldrüse, die nur Insulin enthält, ist wie der Versuch, ein Auto zu fahren, bei dem Sie ein Gaspedal und keine Bremse haben", sagt Sabharwal, Chief Operating Officer bei Xeris Pharmaceuticals. „Wir haben eine Glucagon-Formulierung entwickelt, die im Vergleich zur aktuellen Lösung, die in Echtzeit gemischt werden muss, zwei Jahre lang stabil ist.“
Gerät testen
Im Jahr 2004, nachdem er die Universität von Illinois für eine Professur an der Boston University verlassen hatte, begann Damiano, seinen Kontrollalgorithmus bei diabetischen Schweinen zu testen. Er ermittelte, wie genau der Blutzuckerspiegel gemessen werden konnte, und empfahl die richtige Dosierung von Insulin oder Glucagon.
Nach einigen positiven Ergebnissen traf Damiano Russell 2006 und zusammen erhielten sie die FDA-Zulassung für ihre erste Studie am Menschen. Seitdem führen sie klinische Studien durch, darunter einige, bei denen das Gerät an Erwachsenen zu Hause und an Kindern im Sommercamp getestet wird.
Einer der Camper, die im letzten Jahr die Bauchspeicheldrüse getestet haben, hält das Smartphone hoch, auf dem der Algorithmus ausgeführt wird. (Bionic Pancreas Team) Das Team konnte untersuchen, wie das Gerät funktioniert und sich an einen aktiven Lebensstil anpasst, indem es den Probanden ermöglichte, „sich selbst zu sein“ und regelmäßige Routinen, Lebensmittel und Übungen zu erleben. Dabei hat sich herausgestellt, dass die bionische Bauchspeicheldrüse wirksamer ist als ein manuell betriebenes Pumpensystem.
„Wir haben den Algorithmus nicht mehr auf einem Laptop mit Schweinen, sondern auf einem Laptop mit Menschen und auf einem iPhone ausgeführt, damit die Leute ihn mit sich herumtragen können“, sagt Damiano.
Camper, die während einer der Studien die Bauchspeicheldrüse (Bionic Pancreas) verwenden, mit Steven Russell, dem leitenden klinischen Prüfer. (Schmährede) Damiano und Russell werden bis 2017 Studien mit der University of Massachusetts, dem Massachusetts General Hospital, der Stanford University und der University of North Carolina in Chapel Hill durchführen. Eine Studie im Jahr 2016 wird die Auswirkungen der Verwendung einer bionischen Bauchspeicheldrüse auf Patienten im Verlauf einer Studie untersuchen Jahr.
„In unseren klinischen Studien treten alle möglichen Störungen auf, da es sich um eine mechanische Erfindung handelt“, führt Damiano eine Zeitüberschreitung bei den Sensoren, leere Insulinpatronen und schlechte Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilen an. Alarme, um den Träger zu warnen, wenn Störungen vorliegen, um diese Probleme zu beheben. Das Team sucht jedoch nach Möglichkeiten, diese zu verhindern.
Der nächste Schritt: Ein vollständig integriertes Gerät
Damiano ist bestrebt, ein vollständig integriertes Gerät zu haben - eine einzige Einheit von der Größe eines iPhone 5 mit einer Insulinpumpe, einer Glukagonpumpe, einem Sensor und einem Empfänger in einem batteriebetriebenen Infusionsset -, das rechtzeitig für das College seines Sohnes im Jahr 2018 verfügbar sein soll.
„Typ-1-Diabetes fordert eine einzigartige Anzahl von Menschen auf. Ich kann mir keine andere Krankheit vorstellen, bei der wir dem Patienten das Medikament aushändigen und sagen: "Sie entscheiden, wie viel Sie einnehmen", sagt Russell. "Wir haben die Möglichkeit, das Paradigma der Diabetesversorgung zu ändern."
"Die Menschen verwalten heute ihren Blutzucker im Dunkeln", sagt Damiano.
Die Unterstützung von Patienten mit Typ-1-Diabetes hat für Damiano oberste Priorität. Hoffentlich kommt die Arbeit seines Teams Typ-2-Diabetikern zugute und verbessert später die Genauigkeit der Insulintropfen, die in Krankenhäusern eingesetzt werden.
Wenn eine voll funktionsfähige bionische Bauchspeicheldrüse verfügbar ist, müssen Patienten mit Typ-1-Diabetes und Eltern von Kindern mit dieser Erkrankung nicht jede Sekunde an Blutzucker denken.
"Wenn ein Fünfjähriger 100 Meter weit läuft, muss er möglicherweise sein Insulin anpassen", sagt Adi. "Wenn wir das alles wegnehmen können, können wir die Spontanität wiederherstellen."
