人造胰腺给I型糖尿病的日常治疗带来新的希望，机器管理可以避免人工护理带来的一些失误。研究人员正在研发的人工胰腺装置――无线数据信息传送软件――可实时准确地检测调节糖尿病患者的血糖。这种在软件上运行的数学公式可作出治疗决定，最终将“治疗权”移交给软件。
计算机软件将很快实现葡萄糖传感器（左）和胰岛素泵（右）之间的闭环系统
莉亚·莫伊尼汉（Leah Moynihan）撩起她的衣衫，露出绑在她腹部的仪器设备：四种葡萄糖传感器，两种激素泵，还有挂在她胸前的遥控器。今年2月的一个周六，医生正在对莫伊尼汉进行I型糖尿病（T1D）治疗进展的测试，人工胰腺可自动检测血液中的葡萄糖水平变化情况，并据此给患者输注适量的胰岛素。
“现在的人工胰腺看起来只有口香糖或纸夹那么大，”波士顿马萨诸塞州总医院（MGH）的护士肯德拉·梅戈雅尔（Kendra Magyar，I型糖尿病患者，她也参加了这次实验），她说，“如果进展顺利，它会越来越小，对病人造成的侵害也会越来越小。”
现行的T1D治疗护理标准，尚有许多不足之处。通常，患者需要每日数次刺破手指验血，以随时监测他们的血糖水平，接下来，患者需要控制和调节血糖水平，血糖水平低（低血糖）时，要补充含糖食物，血糖水平高时，需输注胰岛素。
人工胰腺及发展历史
目前已有两种新型的佩戴式自动监测管理血糖水平设备，并在最近投放市场。一种是连续血糖监测仪，即置于皮下的微小传感器，每隔几分钟检查一次血糖水平；另一种是手机大小的胰岛素泵，与一根植入皮下的细针相连，按下按钮就可为佩戴者输注胰岛素。
问题是，何时以及如何让血糖水平回归到正常范围，这两个仪器仍需要人们自行作出决定，而一个错误的决定有时可能会是致命的。T1D患者平均每周两次低血糖发作，这类病人中有10％的人死于与胰岛素有关的并发症。“I型糖尿病患者的护理，需要每天24小时进行检测与调整，所造成的负担之大，是令人难以置信的，”总部位于纽约的非营利组织赫尔姆斯利慈善信托基金T1D方案主任达纳·波尔（Dana Ball）说道。
莫伊尼汉患T1D糖尿病已有30年。她说，糖尿病“每天24小时都在影响和干扰着我的生活，新颖的护理设备给了我希望，我将不再需要老是考虑需要补充多少胰岛素，或是否还需要吃点什么。”
为了改善T1D患者的生活质量和预防与糖尿病有关的过早死亡，一些研究人员正在设计将无线胰岛素泵血糖监测传感器的数据信息传输给胰岛素输注装置的自动控制软件，这种人工胰腺装置依靠先进的控制算法――在软件上运行的数学公式――做出治疗决定，即用最少的人力实时准确地调节血糖。“这是一种前所未有的技术，将治疗决定移交给软件，”参与这项临床实验的波士顿大学生物医学工程师埃德·达米亚诺（Ed Damiano）说道，“一旦这种设备投入使用，现行的糖尿病护理方式将很快被淘汰。”
人工胰腺的历史可以追溯到35年前的一种生物固定装置（Biostator），是印第安纳州迈尔斯实验室于二十世纪七十年代末引进的，这种如冰箱大小的控制装置，依靠静脉血液读数检测和静脉注射胰岛素来控制患者的血糖水平，庞大的设备意味着它只能在医院里使用。尽管如此，Biostator证明建立这样一种闭环平台的可能性。更便携的产品紧随其后诞生，但手术植入传感器和给药泵深入到体内的安全性和实用性等问题，阻碍了其商业化的推广。
大约十年前，随着可植入皮下的葡萄糖传感器的出现，患者也可在家里使用这类闭环设备，令糖尿病护理方式向前迈进了一大步。第一代设备只能提供可供分析和疾病管理的回顾性数据。在2005年，总部设于明尼阿波利斯市的一家医疗器械公司美敦力公司（Medtronic），销售的“守护者RT”，每5分钟可提供葡萄糖水平检测结果。皮下胰岛素输注装置也已有了几十年历史，目前缺少的是如何在这两者之间建立联系。
闭环系统的人工胰腺
为了开发出可作出治疗决定的计算机软件，位于纽约的非盈利基金会JDRF于2005年开始了人工胰腺的研发，该项目汇集了一大批糖尿病研究人员和一些企业，并决心将人工胰腺变为现实。与此同时，美国食品和药物管理局（FDA）与美国国立卫生研究院（NIH）一起，组成了人工胰腺工作组以应对临床和科研的挑战。此外，包括美国和欧洲的一些政府资助机构及许多医疗器械公司，也开始投入巨资开发人工胰腺。
在取得进展之后，一些独立的研究小组开始推出人体临床试验，并对几种算法进行了测试。测试是在医院环境下进行的，被测试对象与笔记本电脑和静脉注射后备系统联接在一起，他们的日常活动受到一定的限制，就像莫伊尼汉那样。但是，一些研究设备已达到了一个新的水平。
在智能手机上运行的闭环算法软件可实时显示糖尿病患者的血糖水平和胰岛素输注量（左）；埃德·达米亚诺正在查看儿子大卫连续血糖监测仪上的读数
在澳大利亚珀斯的一家儿童医院，美敦力公司在一种智能手机上运行其研发的一种算法，意大利和法国的研究人员在酒店（不是在医院）使用移动电话和平板电脑进行监测，而医生和工程师则待在另外的房间里以防出现意外。这次在酒店的临床实验是由法国蒙彼利埃大学医学院的糖尿病专家埃里克·雷纳德（Eric Renar）带领下进行的。他说道：“病人希望带着监控设备回家护理，仅仅几个小时后，他们就感觉到与以往完全不同，他们可以不用老是去考虑自己的病了，这是一种以前从未有过的感觉。”2012年3月，FDA批准了弗吉尼亚大学和加州圣巴巴拉桑森糖尿病研究所（SDRI）以同样技术进行的类似实验。
在美国，一些研究者在进行这类实验的同时，设法改进人工胰腺的工作。例如，达米亚诺团队和波特兰市的一独立研究小组正在利用一种叫做胰高血糖素的胰腺荷尔蒙，在血糖下降时帮助提高血糖水平。耶鲁大学医学院的研究人员正在利用一种人工合成的荷尔蒙，在饭后血糖水平上升时帮助减缓肠道对营养物质的吸收。耶鲁的研究小组还测试了一种贴在皮肤上以加快荷尔蒙摄取的药膏。耶鲁大学研究小组的负责人、儿科内分泌专家斯图尔特·温齐默（Stuart Weinzimer）说道：“任何可以加速胰岛素输注或减缓葡萄糖吸收的方法对病人都是有所帮助的。”
风险与机遇并存的选择
虽然人工胰腺的开发商对于最佳闭环设计意见并不一致，但他们一致认同的是，在将更多的决定权交给机器设备时，安全仍然是首要的考虑因素。“低血糖是非常危险的，患者会失去知觉，引起疾病突然发作，如果没有人帮助，就有可能危及生命。”在波士顿实验中与达米亚诺合作的麻省总医院糖尿病研究专家史蒂文·拉塞尔（Steven Russell）说道：“将控制权完全交给机器是一个高风险的选择，”他说，保证万无一失是非常非常必要的。
为了安全地过渡到人力投入最少的完全闭环系统，许多专家和企业推出了部分自动化的混合控制算法。
首个这类产品是美敦力推出的输注胰岛素、帮助监控和改善糖尿病的产品――Paradigm Veo胰岛素泵，当传感器报告血糖低于一定水平时，胰岛素泵会自动关闭，这种低血糖控制系统在欧洲已经投入市场，在美国则正在进行用于家庭护理的测试，并有望于2013年获得监管部门的批准。
随着技术的进步，部分自动化系统还有可能得到进一步的改进。下一步开发的将是有预测功能的传感器，可预测血糖水平的下降。未来的设备在血糖浓度超过一定阈值时，能够自动增加胰岛素输注的速率。再下一步可能开发一种适合人们在睡眠状态中使用的完全闭环系统，由此避免了饮食、压力和运动等混杂因素的影响（这些因素可能会令血糖管理变得更为复杂）。最重要的是，混合装置可以在某些时候保持自动运行，但在需要人工干预时，在一定程度仍然可以由人工来控制。
莉娅·莫伊尼汉佩戴着人工胰腺在进行测试
加州圣马特奥糖尿病研究所医疗主管、内分泌学家大卫·克洛奥夫（David Klonoff）也参与了Paradigm Veo系统的实验，他说：“万里之行始于足下，这是我们走出的第一步。就像人人都在梦想飞往月球的时候，赖特兄弟踏踏实实地迈出了人类飞上天空的第一步。”
“我们在为实现一个完全自动化系统的目标而努力，”桑森糖尿病研究所的技术主任霍德华·齐萨尔（Howard Zisser）说道，“但是，我们首先需要收获一些垂挂得较低的果实。”他指出，半自动化系统可以更容易地付诸实践。更重要的是，“这将更容易让监管当局相信，人工胰腺可以方便地帮助I型糖尿病患者。”
实现全自动化系统的目标，可能是一条漫长而坎坷的道路，尤其是在美国。为尽快使人工胰腺项目获得批准，JDRF在加紧活动着。“这方面的医疗需求很大，”JDRF人工胰腺项目总监亚伦·科瓦尔斯基（Aaron Kowalski）说道，“我们希望开发出更安全有效的产品，但我们也明白，许多糖尿病患者正在与疾病抗争，我们要利用现有的技术帮助他们生活得更好。”
在短短的三个星期中，有超过10万人签署的一份请愿书引起了FDA的重视。2011年12月，PDA表示对人工胰腺审批要求的试验规模、持续时间和临床终点等适当通融。
2012年2月，达米亚诺等与FDA官员会面，就麻省总医院在iPhone上运行软件算法（为期5天）试验之事进行商讨，“被测试者可在整个医院里自由行走，”达米亚诺说道。之后，他们希望能够再进行为期12天的测试，参与实验的是患有I型糖尿病的麻省总医院的工作人员，期间，这些志愿者在佩戴着临控设备的同时，在医院里正常工作和走动，甚至在家休息睡觉时，仍然与监控设备连接在一起。包括波士顿研究团队计划对儿童糖尿病患者进行一至两周的试验，或在2014年的某个时候，将进行最为关键的门诊试验。
通过这一系列实验，达米亚诺相信，一个完全闭环监控装置在他儿子高中毕业之前能够推向市场。他的儿子大卫在2000年只有11个月时被确诊患有I型糖尿病。“在我儿子上大学之前，希望能够佩戴上完全自动化的糖尿病管理设备，”他说，“否则，我将不得不陪同他一起去上大学。”
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