科学家力图用人工器官应对Ⅰ型糖尿病

人工胰腺可以防止糖尿病患者在睡眠中发生低血糖。

图片来源:剑桥大学代谢研究实验室

2013年4月的一个早上，一个名叫简的女人在英国剑桥的阿登布鲁克医院办理出院手续。在过去的24小时里，她的身体通过一些管道与医疗设备相连并得到治疗。出院后，她把这些设备带回家，希望摆脱困扰她30年的一型糖尿病。

小盒子

这些设备包括一个胰岛素泵、一个血糖传感器和一台纸质电脑，从而形成了人造胰腺的原型。它们复制了糖尿病患者所缺乏的胰腺功能:当血糖水平升高时，就会产生胰岛素。目前，欧洲、美国和其他地区的团队正在以小组患者的形式测试该系统，希望看到该技术有效且安全地工作。如果可能的话，它将改善糖尿病患者的健康，让他们过上正常的生活。简说，在她大半生通过验血和注射来控制糖尿病之前，拥有一个人造胰腺是“不可思议的”。

在20世纪20年代早期发现胰岛素之前，一型糖尿病患者逐渐陷入昏迷，并在几个月或几年后死亡。今天，至少在发达国家，糖尿病患者仍然可以过着相对正常的生活，但他们必须接受无休止的血糖测试(通过指尖采血和电子仪器)、注射胰岛素和仔细测量食物中的碳水化合物。

世界各地的研究人员正在开发一型糖尿病的生物疗法，但进展缓慢。在过去的10年里，许多研究人员和医生已经开始致力于技术方法(即人工胰腺)。制药公司和医疗设备制造商在糖尿病治疗方面取得的巨大进步(即新型胰岛素、胰岛素泵和血糖传感器)使研究人员的工作变得更加容易。

20世纪80年代出现了第一台胰岛素泵，病人可以带回家治疗自己的疾病。今天的模型允许胰岛素通过细管进入体内，通常是将针或管插入病人胃部几毫米的皮下组织。胰岛素泵，像胰腺一样，日夜注射小剂量的胰岛素。患者可以根据摄入量设定泵送的胰岛素量。胰岛素泵可以提供比胰岛素注射更好的血糖水平控制，但其受高成本的限制。

胰岛素泵不能消除用于血糖检测的指尖采血法，但连续血糖监测(CGMs)可以。该监护仪诞生于20世纪90年代末，可以提供更好的实时血糖水平数据，但同样，它的高成本让人们望而却步。

第一步

负责治疗疗法的JDRF副董事长艾伦·科瓦尔斯基(Aaron Kowalski)表示，“便携式和可靠的计算机生成模型的缺乏”使得投资者开始重视人工胰腺的想法。2006年，JDRF在美国和欧洲的研究中心和公司建立了一个人造胰腺项目。

这是医疗器械行业迈出的第一步。2009年，设备制造商美敦力发布了一个基本的人工胰腺系统:一个胰岛素泵，可以接收来自CGM发射器的信号。混合装置不能将血糖控制在较窄的范围内，但可以避免意外事件。该系统相对较快地被批准在欧洲使用。美国食品和药物管理局(FDA)对医疗设备的使用更加谨慎，直到2013年9月才批准使用。

美敦力的系统可以防止疾病恶化，但它首先不能防止疾病爆发。因此，人们需要一种智能算法来分析用户的血糖。来自世界各地的团队已经研究这个算法很多年了。

研究人员通过受试者短期住院来测试他们包含特定算法的系统。2013年，一些团队要求像简这样的受试者离开医院回家几天，或者在酒店测试他们。所有的测试结果都还没有完全公布，但是科瓦尔斯基说:“公布的结果令人惊讶，显示了高血糖症的急剧下降及其积极的社会影响。”例如，病人不再担心太多，有机会回到“正常”的生活。

然而，问题随之而来。使用人造胰腺时，CGM需要时间来检测用户的食物摄入量:碳水化合物进入血液需要半小时或更长时间，到达可检测的间质液需要15分钟，信号处理需要6到15分钟。相关的算法需要根据CGM提供的关于不太早的消化过程的信息来测量一餐的量，这是相对困难的。因此，这种装置很容易在进食几小时后提供过多的胰岛素。

为了解决这个问题，一些研究人员要求用户在吃饭时提醒系统。此外，曼金德制药公司开发了一种叫做阿弗里扎的速效可吸入胰岛素。然而，在2011年，美国食品和药物管理局拒绝批准美国食品和药物管理局，因为该机构认为它需要更多的信息。Mannkind在2013年10月重新提交了产品批准申请，并希望在2014年4月获得批准。

这些方法有助于缓解餐后高血糖和餐后低血糖。然而，许多研究人员想提供一个完整的免提系统。“我们需要更快的胰岛素和更快的CGM，”加州大学圣巴巴拉分校的化学工程师弗兰克·道尔说。

新希望

也许最快的方法是将胰岛素直接注射到肝脏和胰腺附近的腹腔内，这样胰岛素就可以直接发挥作用。道尔说:“这将大大加快全自动系统的运行速度。”罗氏制药公司已经开发出一种名为DiaPort的永久性注射器，但是由于永久性插入装置的复杂性，只有少数糖尿病患者在使用它。

其他研究人员正在开发更快、更可靠的计算机生成模型。当前的系统不仅反应缓慢，而且还会出错。"异常值的出现是主要问题."科瓦尔斯基说，他认为开发人员将不得不使用关键的系统工程技术，如冗余传感器和故障分析来发现错误的读数。

取代目前用于检测葡萄糖的电化学信号也能产生更好的计算几何模型。一些制造商正在开发的传感器可以让光线穿过皮肤，找到葡萄糖吸收的波长。JDRF目前正与一些公司合作开发一种传感器，该传感器使用电化学和光学技术来确保安全。

另一种安全机制是使用泵来单独分配胰岛素和抗胰岛素激素胰高血糖素。当血糖读数过低时，胰高血糖素会迅速增加。2013年，波士顿大学的一个团队用两个泵来测试这个想法，科瓦尔斯基说这是“一个令人印象深刻的成就”。

JDRF正与设备制造商串联糖尿病护理公司合作开发一种双激素泵。目前，胰高血糖素不是一个长期稳定的解决方案。制药公司正在开发一种新的长效激素配方。

研究人员是否会得到一个全自动系统还有待观察。但是科瓦尔斯基说:“我们不希望完美成为一个优秀的敌人。”耶鲁大学医学院的斯图尔特·温齐默同意这一观点:“我们不需要完美。该系统是否是最好的并不重要，只要将它们投放市场，让临床医生来决定。”简说，对于那些将受益于人造胰腺的人来说，最重要的是设备的实用性。通过这种方式，尽管这些设备有泵和管道，“它让人们感觉他们没有糖尿病。”(张冬冬)

中国科学新闻(2014-015，第三版国际)