I dag blir algoritmer overalt kjent med en persons behov og tilpasser opplevelser deretter. Musikktjenester skreddersyr spillelister. Forhandlere tilbyr spesifikke produktanbefalinger. Plattformer for sosiale medier beregner hele tiden det beste innholdet som skal vises, i sanntid.
Relatert innhold
- En blodovervåkende enhet inspirert av mygg
Boston University biomedisinsk ingeniør Edward Damiano og hans kolleger, inkludert seniorforsker Firas El-Khatib, har brukt lignende logikk for å takle en medisinsk utfordring: hvordan man automatisk kan regulere insulin og glukagon nivåer hos type 1 diabetes pasienter, i sanntid.
Teamet utvikler og tester sammen med en gruppe ved Massachusetts General Hospital en enhet som kalles en bionisk bukspyttkjertel. Mens navnet kan trylle frem visjoner om Iron Man og super-bots, er det faktiske produktet en tilpasning av vanlige verktøy som mange type 1-diabetes pasienter allerede bruker.
For øyeblikket bruker pasienter eksterne insulinpumper, ofte på underlivet. Den bærbare pumpen leverer insulin til brukerne gjennom et kateter eller plastrør som er satt inn under huden på magen, men den må sjekkes regelmessig for å sikre at den gjør det til riktig pris. Sammen utgjør pumpen, kateteret og en stål- eller Teflon-nål som går under huden det som kalles et "infusjonssett." Pasientene er også avhengige av kontinuerlige glukosesensorer. Den lille sensoren settes inn under huden sammen med senderen, omtrent som pumpen, og holdes på plass med et Band-Aid-lignende klebemiddel. Den overvåker glukoseraten og overfører denne informasjonen til en ekstern enhet ved hjelp av et elektrisk signal. Akkurat nå må pasienter også spore informasjonen sensoren gir manuelt.
Den bioniske bukspyttkjertelen bruker en kontrollalgoritme for å koble disse to stykkene. Den fungerer som en bro mellom den kontinuerlige glukosesensoren og pumpen, og tar ut det konstante behovet for å sjekke på en av dem.
Slik fungerer det: sensoren fanger opp individets blodsukker og sender dataene til en smarttelefon. Kontrollalgoritmen, som kjøres på smarttelefonen, bruker dataene den nettopp har mottatt for å bestemme pasientens insulin- og glukagonbehov. Smarttelefonen bruker et Bluetooth-signal for å sende denne informasjonen til to pumper pasienten har på seg, en for insulin og en til glukagon, som deretter administrerer nødvendige mengder av hver.
Ved hjelp av et Bluetooth-signal kommuniserer en smarttelefon til to pumper, en for insulin og en for glukagon. (Bionic Pancreas Team) Algoritmen
Ryggraden i enheten er kontrollalgoritmen Damiano og teamet hans har utviklet. Det starter med å bli kjent med noen viktige parametere om pasienter - deres alder, vekt og, viktigst, sammensetningen av blodsukkeret og hvordan det endrer seg. Når den har fått denne informasjonen, gir algoritmen en presis anbefaling, hvert femte minutt, 24 timer i døgnet, for totalt 288 viktige daglige beslutninger, om hvor mye insulin eller glukagon pumpene deres skal slippe ut i pasientens blodbane.
"Vi er glade for å utvikle en tilnærming som kan redusere belastningen av diabetes, " sier Steven Russell, hovedetterforsker i det kliniske teamet.
Diabetikere trenger insulininjeksjoner når blodsukkeret er for høyt og glukagon når det er for lavt, for å forhindre forhold som hyperglykemi og hypoglykemi. "Dead in bed" -syndromet er en sjelden, men plutselig, dødelig svingning i blodsukkeret som kan oppstå i mens en ung person med type 1-diabetes sover. For øyeblikket må diabetespasienter konsekvent og manuelt overvåke blodsukkeret for å sikre at det ikke pigger eller faller til farlige nivåer. I følge Saleh Adi, grunnlegger og direktør for Madison Clinic for Pediatric Diabetes ved University of California, San Francisco, kontrollerer den gjennomsnittlige pasienten blodsukkeret mellom 4 og 10 ganger daglig.
Dagligliv med en bionisk bukspyttkjertel
Slik det ser ut i dag, må en bruker kalibrere den bioniske bukspyttkjertelen to ganger om dagen ved å stikke en pekefinger og gi en dråpe blod for å kommunisere glukosenivået før frokost og middag. Disse verdiene brukes som referansepunkter. En bruker kan også kunngjøre måltider og advare enheten om kommende endringer i blodsukkeret. I løpet av dagen vil systemet ha som mål å få en pasient så nær som mulig til hans eller hennes målglukosenivå. Brukere må erstatte glukagon- og insulinforsyningen hver dag ved å fylle på reservoarene i pumpene sine, selv om teamet håper dette vil bli sjeldnere etter hvert som det gjøres mer vitenskapelige fremskritt på feltet. Endelig mål er å utvikle en bionisk bukspyttkjertel som er i stand til å løpe helt autonomt.
"Når du fortsetter å endre på en daglig tidsplan, vil denne tingen fortsette å tilpasse seg deg på en tidsplan som er relevant, " sier Damiano.
Dette systemet er et av de første som har klart å administrere både insulin og glukagon. Tidligere versjoner av teamet sammen med andre enheter fra Cambridge University, UC Santa Barbara og University of Virginia klarte bare å gi insulin på grunn av hvor ustabil glukagon er i løsning.
En personlig årsak
Damianos 15 år gamle sønn, David, har type 1-diabetes. Diagnosen hans, som et spedbarn, var det som inspirerte Damiano til å lage denne enheten.
"Da sønnen min var omtrent ett år gammel, trodde det meg at det kan være en måte jeg kunne spille en rolle i å forbedre omsorgen hans, " sier Damiano, som hadde arbeidet med en matematisk modell av blodstrøm i kroppen.
Hans arbeid med El-Khatib på den bioniske bukspyttkjertelen begynte i 2001, en tid da teknologien den krevde fortsatt var under utvikling. En insulinpumpe eksisterte allerede, men en kontinuerlig glukosesensor som kunne oppdage blodsukkernivået under huden var akkurat på vei opp. Damiano fokuserte på stykket som han visste at han kunne endre. "Laboratoriet mitt tok på seg smartsystemet, " sier han.
Mens teamet hans har arbeidet med dette aspektet av enheten, har det vært samtidig fremgang i sensorene og andre elementer som er nødvendige for å få denne oppfinnelsen til å fungere. Selskaper inkludert Dexcom og Medtronic har foredlet sensorer som kontinuerlig sporer blodsukkeret. Yash Sabharwal og teamet hans på Xeris Pharmaceuticals har utviklet en måte å stabilisere glukagon i løsning på.
"En kunstig bukspyttkjertel med bare insulin er som å prøve å kjøre en bil der du har en gasspedal og ingen brems, " sier Sabharwal, administrerende direktør i Xeris Pharmaceuticals. "Vi har utviklet en glukagonformulering som kan være stabil i to år, sammenlignet med den nåværende løsningen som må blandes i sanntid."
Testing av enheten
I 2004, etter at han forlot University of Illinois for et professorat ved Boston University, begynte Damiano å teste kontrollalgoritmen sin hos diabetiske griser. Han målte hvor nøyaktig det kunne spore blodsukkernivået og anbefale riktig dosering med insulin eller glukagon.
Etter noen positive resultater møtte Damiano Russell i 2006, og sammen fikk de FDA-godkjenning for sin første menneskelige studie. De har gjennomført kliniske studier siden den gang, inkludert noen som tester enheten på voksne hjemme og barn på sommerleiren.
En av bobilerne som testet den bioniske bukspyttkjertelen i fjor holder opp smarttelefonen, som kjører algoritmen. (Bionic Pancreas Team) Teamet har vært i stand til å studere hvordan enheten fungerer og tilpasser seg en aktiv livsstil ved å la prøvedeltakerne "være seg selv" og oppleve faste rutiner, mat og øvelser. Mens de gjør det, har de funnet at den bioniske bukspyttkjertelen er mer effektiv enn et pumpesystem som manuelt blir betjent.
"Vi har gått fra å kjøre algoritmen på en bærbar datamaskin med svin til å kjøre den på en bærbar datamaskin med mennesker til å kjøre den på en iPhone, slik at folk kan bære den med seg, " sier Damiano.
Bobiler som bruker den bioniske bukspyttkjertelen under en av forsøkene, med den viktigste kliniske etterforskeren Steven Russell. (Avhandling) Damiano og Russell vil gjennomføre studier med University of Massachusetts, Massachusetts General Hospital, Stanford University og University of North Carolina på Chapel Hill gjennom 2017. En studie i 2016 vil se på virkningen av å bruke en bionisk bukspyttkjertel på pasienter i løpet av en år.
"I våre kliniske studier er det alle slags feil som skjer, fordi det er en mekanisk kontrast, " sier Damiano, og siterer sensorer som går ut på tid, tomme insulinpatroner og dårlige forbindelser mellom de forskjellige delene. Alarmer for å varsle brukeren når noe funksjonsfeil er på plass for å dempe disse problemene, men teamet leter etter måter å forhindre dem.
Neste trinn: En fullt integrert enhet
Damiano streber etter å ha en fullt integrert enhet - én enhet på størrelse med en iPhone 5 med en insulinpumpe, glukagonpumpe, sensor og mottaker i et batteridrevet infusjonssett - klar i tid for sønnens avgang til college i 2018.
“Type 1-diabetes spør en unik mengde mennesker. Jeg kan ikke tenke på noen annen sykdom der vi overlater stoffet til pasienten og sier: 'Du bestemmer hvor mye du skal ta', sier Russell. "Vi har muligheten til å endre paradigmet for diabetesomsorg."
"Folk i dag klarer blodsukkeret i mørket, " sier Damiano.
Å hjelpe de med type 1-diabetes er Damiano førsteprioritet, men forhåpentligvis, sier han, vil teamets arbeid komme fordelene av type 2-diabetespasienter og senere forbedre nøyaktigheten til insulindråper som brukes i sykehusinnstillinger.
Når en fullt fungerende bionisk bukspyttkjertel er tilgjengelig, trenger ikke pasienter av type 1-diabetes og foreldre til barn med tilstanden å tenke på blodsukker hvert sekund.
"Hvis en femåring løper 100 meter, kan det hende du må justere insulinet hans, " sier Adi. "Hvis vi kan fjerne alt dette, kan vi gjenopprette spontanitet."
