Tegenwoordig leren algoritmen overal de behoeften van een persoon kennen en passen ervaringen dienovereenkomstig aan. Muziekservices maken afspeellijsten op maat. Retailers bieden specifieke productaanbevelingen. Platforms voor sociale media berekenen voortdurend de volgende beste inhoud om weer te geven, in realtime.
gerelateerde inhoud
- Een bloedbewakingsapparaat geïnspireerd door muggen
De biomedische ingenieur Edward Damiano en zijn collega's van de Boston University, waaronder senior onderzoekswetenschapper Firas El-Khatib, hebben vergelijkbare logica gebruikt om een medische uitdaging aan te gaan: hoe automatisch de insuline- en glucagonspiegels in diabetes type 1 in realtime te reguleren.
Het team ontwikkelt en test met een groep in het Massachusetts General Hospital een apparaat dat bionische pancreas wordt genoemd. Hoewel de naam misschien visies van Iron Man en superbots oproept, is het eigenlijke product een aanpassing van veelvoorkomende hulpmiddelen die veel type 1 diabetes-patiënten al gebruiken.
Momenteel dragen patiënten externe insulinepompen, vaak op hun buik. De draagbare pomp levert insuline aan zijn gebruikers via een katheter of plastic buis die onder de huid van hun buik wordt ingebracht, maar het moet regelmatig worden gecontroleerd om er zeker van te zijn dat dit met de juiste snelheid gebeurt. Samen vormen de pomp, de katheter en een stalen of Teflon-naald die onder de huid gaat een zogenaamde "infusieset". Patiënten vertrouwen ook op continue glucosesensoren. De kleine sensor wordt samen met de zender onder de huid ingebracht, net als de pomp, en op zijn plaats gehouden met een pleisterachtig hechtmiddel. Het bewaakt glucosewaarden en verzendt deze informatie naar een extern apparaat met behulp van een elektrisch signaal. Op dit moment moeten patiënten ook handmatig de informatie volgen die de sensor biedt.
De bionische pancreas gebruikt een besturingsalgoritme om deze twee stukken te verbinden. Het fungeert als een brug tussen de continue glucosesensor en de pomp en neemt de constante noodzaak weg om op een van beide te controleren.
Hoe het werkt: de sensor registreert de bloedsuikerspiegel van een persoon en verzendt die gegevens naar een smartphone. Het besturingsalgoritme, dat op de smartphone wordt uitgevoerd, gebruikt de gegevens die het zojuist heeft ontvangen om de insuline- en glucagonbehoeften van de patiënt te bepalen. De smartphone gebruikt een Bluetooth-signaal om deze informatie te verzenden naar twee pompen die de patiënt draagt, een voor insuline en een voor glucagon, die vervolgens de benodigde hoeveelheden van elk toedienen.
Via een Bluetooth-signaal communiceert een smartphone met twee pompen, een voor insuline en een voor glucagon. (Bionic Pancreas Team) Het algoritme
De ruggengraat van het apparaat is het besturingsalgoritme dat Damiano en zijn team hebben bedacht. Het begint met het leren kennen van een paar belangrijke parameters over patiënten - hun leeftijd, hun gewicht en, belangrijker nog, de samenstelling van hun bloedsuiker en hoe deze verandert. Als het eenmaal deze informatie heeft, doet het algoritme om de vijf minuten, 24 uur per dag, een precieze aanbeveling voor in totaal 288 cruciale dagelijkse beslissingen over hoeveel insuline of glucagon hun pompen in de bloedbaan van een patiënt zouden moeten vrijgeven.
"We zijn enthousiast over het ontwikkelen van een aanpak die de last van diabetes kan verminderen, " zegt Steven Russell, hoofdonderzoeker van het klinische team.
Diabetici hebben insuline-injecties nodig wanneer hun bloedsuiker te hoog is en glucagon wanneer deze te laag is om aandoeningen zoals hyperglykemie en hypoglykemie te voorkomen. "Dood in bed" -syndroom is een zeldzame maar plotselinge, fatale schommeling van de bloedsuikerspiegel die kan optreden terwijl een jongere met type 1 diabetes slaapt. Momenteel moeten diabetespatiënten hun bloedsuiker consistent en handmatig controleren om ervoor te zorgen dat het niet piekt of daalt tot gevaarlijke niveaus. Volgens Saleh Adi, oprichter en directeur van de Madison Clinic for Pediatric Diabetes aan de Universiteit van Californië, San Francisco, controleert de gemiddelde patiënt zijn of haar bloedsuiker 4 tot 10 keer per dag.
Dagelijks leven met een bionische pancreas
Zoals het er nu uitziet, moet een gebruiker de bionische pancreas twee keer per dag kalibreren door een wijsvinger te prikken en een druppel bloed te geven om de glucosespiegels vóór het ontbijt en het avondeten door te geven. Deze waarden worden gebruikt als referentiepunten. Een drager kan ook maaltijden aankondigen en het apparaat waarschuwen voor aankomende veranderingen in de bloedsuikerspiegel. Gedurende de dag zal het systeem ernaar streven een patiënt zo dicht mogelijk bij zijn of haar streefwaarde glucose te brengen. Gebruikers moeten hun glucagon en insuline-voorraden dagelijks vervangen door de reservoirs in hun pompen opnieuw te vullen, hoewel het team hoopt dat dit minder frequent zal worden naarmate er meer wetenschappelijke vooruitgang wordt geboekt in het veld. Het einddoel is om een bionische pancreas te ontwikkelen die volledig autonoom kan werken.
"Terwijl je je blijft aanpassen op een dagelijks tijdsschema, zal dit ding zich blijven aanpassen op een tijdsschema dat relevant is", zegt Damiano.
Dit systeem is een van de eerste die zowel insuline als glucagon heeft kunnen toedienen. Eerdere versies van het team samen met andere apparaten van Cambridge University, UC Santa Barbara en University of Virginia konden alleen insuline toedienen vanwege de onstabiele glucagonoplossing.
Een persoonlijke oorzaak
De 15-jarige zoon van Damiano, David, heeft diabetes type 1. Zijn diagnose, als baby, is wat Damiano inspireerde om dit apparaat te maken.
"Toen mijn zoon ongeveer een jaar oud was, bedacht ik dat er misschien een manier was om een rol te spelen bij het verbeteren van zijn zorg", zegt Damiano, die aan een wiskundig model van de bloedstroom in het lichaam had gewerkt.
Zijn werk met El-Khatib aan de bionische pancreas begon in 2001, een tijd waarin de technologie die het vereiste nog steeds in ontwikkeling was. Er bestond al een insulinepomp, maar een continue glucosesensor die de bloedsuikerspiegel onder de huid kon detecteren, was net in opkomst. Damiano concentreerde zich op het stuk waarvan hij wist dat hij het kon veranderen. "Mijn lab heeft de intelligentie van het systeem overgenomen", zegt hij.
Terwijl zijn team aan dit aspect van het apparaat heeft gewerkt, zijn er tegelijkertijd verbeteringen geweest in de sensoren en andere elementen die nodig zijn om deze uitvinding te laten werken. Bedrijven zoals Dexcom en Medtronic hebben verfijnde sensoren die de bloedsuikerspiegel continu volgen. Yash Sabharwal en zijn team bij Xeris Pharmaceuticals hebben een manier ontwikkeld om glucagon in oplossing te stabiliseren.
"Een kunstmatige alvleesklier met alleen insuline is als proberen een auto te besturen met een gaspedaal en geen rem", zegt Sabharwal, chief operating officer bij Xeris Pharmaceuticals. "We hebben een glucagonformulering ontwikkeld die twee jaar stabiel kan zijn, vergeleken met de huidige oplossing die in realtime moet worden gemengd."
Het apparaat testen
In 2004, nadat hij de Universiteit van Illinois had verlaten voor een hoogleraarschap aan de Universiteit van Boston, begon Damiano zijn controle-algoritme te testen bij diabetische varkens. Hij peilde hoe nauwkeurig het hun bloedsuikerspiegel kon volgen en adviseerde de juiste doseringen insuline of glucagon.
Na enkele positieve resultaten ontmoette Damiano Russell in 2006, en samen verkregen ze FDA-goedkeuring voor hun eerste studie bij mensen. Sindsdien voeren ze klinische proeven uit, waaronder een aantal die het apparaat testen op volwassenen thuis en op kinderen in het zomerkamp.
Een van de kampeerders die vorig jaar de bionische pancreas testte, houdt de smartphone omhoog, die het algoritme uitvoert. (Bionic Pancreas Team) Het team heeft kunnen bestuderen hoe het apparaat functioneert en zich aanpast aan een actieve levensstijl door proefdeelnemers in staat te stellen 'zichzelf te zijn' en regelmatige routines, voedingsmiddelen en oefeningen te ervaren. Daarbij hebben ze de bionische pancreas effectiever gevonden dan een pompsysteem dat handmatig wordt bediend.
"We zijn overgegaan van het uitvoeren van het algoritme op een laptop met varkens naar het uitvoeren van het op een laptop met mensen naar het uitvoeren op een iPhone, zodat mensen het met zich mee kunnen dragen", zegt Damiano.
Campers gebruiken de bionische alvleesklier tijdens een van de proeven, met klinisch onderzoeker Steven Russell. (Diatribe) Damiano en Russell zullen tot 2017 proeven uitvoeren met de Universiteit van Massachusetts, Massachusetts General Hospital, Stanford University en University of North Carolina in Chapel Hill. Een studie in 2016 zal kijken naar de impact van het gebruik van een bionische pancreas op patiënten in de loop van een jaar.
"In onze klinische proeven zijn er allerlei glitches die gebeuren, omdat het een mechanische samentrekking is", zegt Damiano, onder vermelding van timing van sensoren, lege insulinepatronen en slechte verbindingen tussen de verschillende onderdelen. Alarmen om de drager te waarschuwen wanneer er iets niet goed functioneert om deze problemen te verminderen, maar het team zoekt naar manieren om ze te voorkomen.
De volgende stap: een volledig geïntegreerd apparaat
Damiano streeft naar een volledig geïntegreerd apparaat - een enkele eenheid ter grootte van een iPhone 5 met een insulinepomp, glucagonpomp, sensor en ontvanger in een op batterijen werkende infusieset - klaar voor het vertrek van zijn zoon naar de universiteit in 2018.
“Type 1 diabetes vraagt een uniek aantal mensen. Ik kan geen andere ziekte bedenken waarbij we het medicijn aan de patiënt geven en zeggen: 'Jij beslist hoeveel je moet nemen', zegt Russell. "We hebben de mogelijkheid om het paradigma van diabeteszorg te veranderen."
"Mensen beheren hun bloedsuiker vandaag in het donker", zegt Damiano.
Het helpen van mensen met type 1 diabetes is Damiano's eerste prioriteit, maar hopelijk, zegt hij, zal het werk van zijn team de patiënten met type 2 diabetes ten goede komen en, later, de nauwkeurigheid verbeteren van insulinedruppels die in ziekenhuizen worden gebruikt.
Wanneer een volledig functionerende bionische pancreas beschikbaar is, hoeven Type 1-diabetespatiënten en ouders van kinderen met de aandoening niet elke seconde aan bloedsuiker te denken.
"Als een vijf-jarige 100 meter loopt, moet je misschien zijn insuline aanpassen, " zegt Adi. "Als we dit allemaal weg kunnen nemen, kunnen we de spontaniteit herstellen."
