بررسی مانیتورینگ قند خون و پانکراس



رسی مانیتورینگ قند خون و پانکراس درسایت دانشجیوان مهندسی پزشکی با ما همراه باشید پانکراس سه  هورمون تولید می کند که در کنترل گلی سمی یا نوسان قند خون موثرند انسولین که قند خون را پایین می آورد، آمیلین که هضم را آهسته کرده و در نتیجه ورود گلوکز به خون را کند می کند و موقتا ترشح گلوکاگون را متوقف می کند و گلوکاگون که گلوکز خون را بالا می برد.

با هضم کربوهیدرات ها سطح گلوکز خون شروع به بالا رفتن می کند. هنگامی که خون و گلوکز به داخل پانکراس می روند، انسولین و آمیلین در پاسخ به بالا رفتن سطح گلوکز، از سلول های بتای پانکراس ،مستقیما به داخل خون ترشح می شوند. انسولین باعث حذف گلوکز از خون و ذخیره سازی آن در کبد و سلول های ماهیچه می شود. با بالا رفتن قند خون ، انسولین اضافی قند خون را در یک لوپ فیدبک منفی کلاسیک پایین می‌آورد . هنگامی که  انسولین از سلول های بتا ترشح می شود، آمیلین نیز به داخل خون ترشح می شود. آمیلین تخلیه معده را کند می کند و باعث جلوگیری از ترشح گلوکاگون  توسط سلول های آلفای پانکراس می شود. تاثیر آمیلین پهن کردن پیک گلوکز خون پس از خوردن و کاهش مقدار انسولین مورد نیاز است. وقتی سطح قند خون به نرمال بر می گردد،

سلول های بتا ترشح انسولین و آمیلین را متوقف می سازند. وقتی سطح گلوکز به شاخص پایین رسید، سلول های آلفای پانکراس ، گلوکاگون را مستقیما به داخل خون  می ریزند. گلوکاگون باعث می شود کبد گلوکز ذخیره شده را به داخل خون برگرداند. افزایش گلوکاگون سطح گلوکز خون را در یک حلقه فیدبک مثبت افزایش می دهد. سه هورمون درون ریز به عنوان سیستمی برای کنترل سطح گلوکز خون بین محدوده پایین و بالا عمل می‌کنند. هنگامی که سلول های بتا از پروانسولین ها انسولین می سازند، یک پپتید  اتصال دهنده یا C-peptide در خون به عنوان شاخصی از عدم ترشح انسولین از پانکراس استفاده می شود و این حقیقت باعث تشخیص دیابت نوع یک است .  پپتید C تنها به عنوان یک محصول همراه انسولین شناخته می شد اما اکنون تاثیرات مهم عصبی آن نیز مورد بررسی است. درحالت ایده آل برای بازسازی عملکرد طبیعی یک پانکراس، باید تمام عملکردهای درون ریز یک پانکراس که شامل تحویل انسولین ، آمیلین، گلوکاگون و پپتید C است ، توسط پانکراس مصنوعی انجام شود.

قدیمی ترین حالت درمان دیابت نوع یک که ناشی از عملکرد ناصحیح پانکراس است، درمان با انسولین است. در افراد وابسته به انسولین سطح گلوکز خون ،تنها به وسیله استفاده از انسولین کنترل می شود. مقدار گرم کربوهیدرات به وسیله اندازه گیری غذا تخمین زده می شود و این اندازه گیری برای مشخص کردن مقدار انسولین لازم برای پوشش غذا به کار می رود. محاسبات بر پایه یک مدل ساده حلقه باز است. نسبت انسولین به کربوهیدرات در گرم کربوهیدرات ضرب می شود تا واحد انسولین مورد نیاز محاسبه شود. سپس مقدار انسولین به وسیله اندازه گیری گلوکز خون پیش غذایی تنظیم می شود. انسولین به زیر پوست تزریق شده و در طی ۱۵ دقیقه وارد چرخه خون می‌شود. وقتی انسولین در خون عمل کرد، سطح  گلوکز خون می تواند مجددا کنترل شود و لزوم تزریق انسولین بیشتر یا خوردن کربو هیدرات بیشتر برای حفظ تعادل، تشخیص داده می شود.تفاوت هایی بین جایگزینی انسولین در مقایسه با تحویل انسولین توسط پانکراس وجود دارد. دز انسولین به وسیله اندازه گیری غذا پیش بینی می شود

در حالی که اندازه گیری دقیق کربو هیدرات مشکل است اما انسولین پانکراس در پاسخی متناسب با سطح گلوکز واقعی خون ترشح می شود. انسولین پانکراس در باب سیاهرگی می ریزد که مستقیما به کبد می رود که مهم ترین ارگان برای ذخیره گلیکوژن است. انسولین پانکراس، ضربانی است که به حفظ حساسیت انسولینی بافت کبدی کمک می کند. انسولین تزریقی به صورت زیر پوستی تحویل داده می شود و مستقیما به داخل خون نمی رود، پس بین تزریق انسولین تا کاهش گلوکز خون یک تاخیر زمانی خواهیم داشت در نتیجه آن را تا ۱۵ دقیقه قبل از خوردن غذا تزریق می کنیم. درمان جایگزینی انسولین شامل آمیلین نیست که می تواند انسولین مورد نیاز را تا ۵۰ درصد کاهش دهد. انسولین جایگزین بهترین تعادل را برقرار می کند تا استفاده زیاد آن برای کاهش قند خون در زمان خوردن ایجاد شود ولی در عین حال احتیاطی برای جلوگیری از ایجادکاهش قند خون پس از خوردن به دلیل انسولین اضافی ایجاد نشود.

در حالی که پانکراس انسولین را به مقدار زیاد ترشح می کند و سپس به طور خودکار با ترشح گلوکاگون در پایان سیکل انسولین سطح قند خون را مدیریت می کند و از هایپوگلی سمی جلوگیری می کند. یک پمپ انسولین برای ریختن انسولین با عملکرد سریع، اولین گام در جهت شبیه سازی عملکرد پانکراس است. پمپ    می تواند به طور دقیق باعث افزایش کم انسولین در مقایسه با تزریق شودو کنترل الکترونیک آن باعث شکل‌دهی مقدار در طول زمان برای تطبیق انسولین با وضعیت موجود است. پمپ انسولین به وسیله یک پمپ کاربر کنترل می شود که به طور دستی بر پایه آخرین اندازه گیری گلوکز خون و تخمین گرم کربوهیدرات مصرفی، دز انسولین را مشخص می‌کند. به این روش پیش بین حلقه باز گفته می شود.  هنگامی که دز مشخص شده و تحویل داده می شود، پمپ ، تحویل نرخ پایه انسولین را برپایه برنامه ای که به آن داده شده است ، ادامه می دهد. این برنامه بر پایه احتیاجات انسولین پیش بینی شده کاربر پمپ، به واحد کنترل پمپ داده شده است.  ‌در حالی که روش جایگزینی انسولین از نظر حفظ حیات مفید است اما تاثیرات طولانی مدت آن در مورد ایجاد هایپرگلی سمی کافی نیست.

پانکراس مصنوعی

پانکراس مصنوعی یک تکنولوژی در حال پیشرفت برای کمک به مردمی با مشکل دیابت است که سطح گلوکز خون خود را با جایگزینی عملکرد درون ریزی یک پانکراس سالم ، به طور خودکار کنترل کنند. پانکراس عملکردهای مختلفی مربوط به برون ریزی (گوارش) و درون ریزی (هورمونی) دارد اما فقدان انسولین محرک اصلی ایجاد یک جانشین است. درحالی که وضعیت کنونی درمان جایگزینی انسولین از نظر توانایی حیات بخشی رضایت بخش است، اما عمل مدیریت دستی سطح قند خون با انسولین بسیار پرزحمت و ناکافی است. هدف از ایجاد یک پانکراس مصنوعی دو موضوع است: برای بهبود درمان جایگزینی انسولین در حالی که گلی سمی نیز در کنترل نرمال است و از ایجاد مشکلات هایپر گلی سمی پرهیز شده است و دوم برای تسهیل بار درمانی وابسته به انسولین. بااستفاده از پانکراس مصنوعی و کنترل گلوکز می‌توان بسیاری از بیماری های کلیوی، حملات قلبی، سکته، کوری و مرگ ناشی از سیر هیپوگلی سمی را در مبتلایان به دیابت کاهش داد.
روش های مختلف انجام این عمل به سه صورت کلی مهندسی زیستی، ژن درمانی و تجهیزات پزشکی است:

الف)روش مهندسی زیستی

روش بیولوژیک ایجاد یک پانکراس مصنوعی، کاشت یک بافت زیست مهندسی است که شامل سلول های جزیره ای است که در پاسخ به گلوکز حس شده، مقدار مورد نیاز از انسولین، آمیلین و گلوکاگون را ترشح می کنند. وقتی سلول های جزیره ای از طریق پروتکل ادمونتون که در دانشگاه آلبرتا به همین منظور تصویب شد، کاشته می شود، تولید انسولین و کنترل گلی سمی با به خطر انداختن ایمنی بدن همراه است. کپسول سازی سلول های جزیره ای در یک پوشش محافظ برای جلوگیری از پاسخ سیستم ایمنی به سلول های کاشته شده است که از بار کاهش ایمنی فرایند کم کرده و به اثرات طولانی و مفید کاشت کمک می کند. یک مفهوم پانکراس زیست مصنوعی، استفاده از سلول های جزیره ای کپسولی برای ساخت یک صفحه جزیره ای است

که می تواند از طریق جراحی کاشته شود و به عنوان پانکراس مصنوعی عمل کند. طراحی صفحه جزیره ای شامل یک شبکه داخلی فیبری برای تولید استحکام صفحه ، سلول های جزیره ای کپسول شده برای پرهیز از تحریک پاسخ سیستم ایمنی که به شبکه فیبری وصل شده اند، لایه حفاظتی نفوذپذیر نسبی در اطراف صفحه که اجازه انتشار مواد مغذی و هورمون‌های ترشح شده   را   می دهد و پوشش حفاظتی برای جلوگیری از پاسخ بدن به جسم خارجی که باعث عکس العمل فیبروتیک می شود و دیواره صفحه را از بین برده و سلول های جزیره ای را معیوب می سازد، می شود.
تحقیقات صفحه جزیره ای در بسیاری از حیوانات انجام شده و به زودی بر روی انسان نیز انجام می شود.

ب) روش ژن درمانی

تکنولوژی ژن درمانی به سرعت پیشرفت می کند به طوری که روش های درون ریزی چندگانه را پوشش داده و می تواند برای درمان دیابت استفاده شود. ژن درمانی می تواند برای تولید انسولین به طور مستقیم استفاده شود. یک داروی زبانی دارای حامل های ویروسی که شامل توالی انسولین هستند، هضم شده و ژن ها را به روده بالایی تحویل می دهند.سلول های روده ای به عنوان سلول های آلوده ویروسی عمل می‌کنند و پروتئین انسولین را می سازند. ویروس می تواند کنترل شود تا تنها سلول هایی را آلوده کند که به حضور گلوکز پاسخ دهند پس انسولین تنها در حضور سطح بالای گلوکز ایجاد می شود.بر پایه تعداد محدود حامل ها ، سلول های روده ای کمی جمع شده و به طور طبیعی پس از چند روز می میرند. بنابراین با تغییر مقدار داروی زبانی مورد استفاده، مقدار انسولین ایجاد شده به وسیله ژن درمانی می تواند در صورت نیاز کم یا زیاد شود. وقتی سلول های روده ای تولید کننده انسولین می میرند، با اضافه کردن دارو جایگزین می‌شوند.
ژن درمانی می تواند به وسیله درمان مسبب تخریب سلول های بتا انجام شود، بنابراین درمان کامل و بازگشت ناپذیر است.
ژن درمانی می تواند به وسیله تبدیل سلول‌های بنیادی روده دوازدهه به سلول های بتا که انسولین و آمیلین را به طور طبیعی تولید می‌کنند انجام شود.  با تحویل DNA سلول های بتا به سلول های روده ای دوازدهه یا دئودنوم ، سلول های روده ای کمی به سلول های بتا تبدیل خواهند شد و پس از آن سلول های بنیادی میانسال به سلول های بتا ارتقا  پیدا خواهند کرد. این باعث ایجاد یک منبع سلول های بتای خود تکثیر در ناحیه دوازدهه می شود و این سلول‌های بتا با توجه به مقدار کربوهیدرات مصرف شده انسولین مناسبی را خواهند ساخت.

پ) روش تجهیزات پزشکی

این پانکراس مصنوعی سیستمی است که می‌تواند انقلابی در مراقبت از بیماران دیابتی ایجاد کند و زندگی افراد مبتلا به دیابت نوع یک را بهبود ببخشد. این پانکراس مصنوعی از دو تکنولوژی استفاده می کند: مانیتورینگ گلوکز پیوسته و پمپ انسولین که با استفاده از یک الگوریتم ، مقدار انسولین و زمان تحویل آن را مشخص می سازد.
تکنولوژی مانیتورینگ گلوکز خون پیوسته عمل پانکراس مصنوعی را بدین ترتیب انجام می دهد:

۱-نمایش گلوکز خون خودکار هر چند دقیقه بدون دخالت کاربر
۲-نمایش  نمودارهای وابسته به افزایش یا کاهش قند خون که در پیش بینی سطح قند خون در آینده نزدیک مفید است.
۳-مقایسه سطح قند خون و پیش بینی ها در مقابل یک آستانه قند خون بالا و تذکر به کاربر برای تغییر دز پمپ انسولین
۴-مقایسه سطح قند خون و پیش بینی ها در مقابل یک آستانه قند خون پایین و تذکر به کاربر برای تغییر دز یا خوردن چیزی

این توانایی ها جریانی از اطلاعات همزمان را فراهم می کند که برای کنترل حلقه بسته مستقیم پمپ انسولین به کار می رود. عملیات مانیتور پیوسته گلوکز )CGM( در سال ۲۰۰۵ به وسیله FDA تایید شد.
برخی نتایج در تکنولوژی حسگری پیوسته عملکرد حاضر روشن می سازد که برای کاربرد پانکراس مصنوعی مطالعات بیشتری لازم است. اول این که سنسورهای پیوسته احتیاج به کالیبراسیون ، البته کم تعداد ، در طول روز را دارند که به وسیله انجام یک تست گلوکز خون دستی با میله انگشتی و سپس ورود اطلاعات گلوکز خون در سیستم پیوسته برای تصحیح سنسور انجام می شود. سنسورهای پیوسته، گلوکز داخل شبکه ای را اندازه می گیرند، پس بین اطلاعات سنسور و گلوکز خون صحیح ، یک تاخیر زمانی وجود دارد. این کنترل خودکار هوشیاری کاربر را حذف می کند که می تواند به عنوان یک محافظ اضافی در زمان وجود اطلاعات غلطی که باید قبل از عمل بازبینی شوند، استفاده شود. هرچه مانیتور پیوسته گلوکز خون ارتقاء یابد وضعیت پانکراس مصنوعی نیز بهبود پیدا می کند.

فیدبک اطلاعات گلوکز خون همزمان به پمپ انسولین برای کنترل پایه

مرحله اول در کنترل یک پمپ انسولین بر پایه اطلاعات گلوکز خون پیوسته ، کنترل خودکار نرخ پایه پمپ انسولین است. وقتی یک دز به تازگی ایجاد شده باشد، پمپ می‌تواند سطح گلوکز خون را با استفاده از تنظیم نرخ پایه در صورت نیاز مدیریت کند، بدین ترتیب که:

هنگامی که قند خون بالا رود، یک دز تصحیح گرکنترل می تواند به طور خودکار تحویل شده و یک نرخ پایه بیشتر، تنظیم شود. وقتی قند خون پایین رود، نرخ پایه به تعویق می افتد تا مقداری انسولین، حذف شده و سطح قند خون بازگردد، تا زمانی که با یک نرخ پایین تر جدید ادامه پیدا کند. با استفاده از تکنیک فیلترسازی تطبیقی، پمپ می تواند نرخ پایه منحصربه فردی را برای هر شخص به عنوان تابعی از زمان فرا گیرد. در زمان کنترل نرخ پایه، حلقه بسته می تواند خطای مقدار غذا را که برای غذای مصرف شده کم یا زیاد است، تصحیح کند. به این صورت که عدم تعادل بین دز انسولین و سطح گلوکز خون را تشخیص می دهد و برای تصحیح کمبود انسولین دزگیری خودکار انجام می دهد . برای تصحیح فراوانی انسولین، کاهش یا توقف خودکار نرخ پایه انجام می شود. از تکنیک فیلتر سازی تطبیقی برای یاددهی نرخ انسولین به کربوهیدرات برای هر مقدار غذا ، استفاده می شود.

ترکیب آمیلین و انسولین

هنگامی که آمیلین مصنوعی با نام تجاری Pramlintide در ترکیب با انسولین استفاده می شود، مزایای کنترل گلی سمی پس از نهار، قابل توجه است. Pramlintide درمانی جدید برای دیابت محسوب می شود. در این درمان ، pramlintide قبل از غذا نزریق می‌شود و دز انسولین برای غذا تا۵۰ درصد کاهش می یابد.

Pramlintide می تواند با استفاده از پمپ انسولین تزریق شود. ترکیب Pramlintide و انسولین در یک کارتریج   از نظر عملی تایید شده نیست، پس دو پمپ تزریق به طور همزمان استفاده   می شوند. چون انسولین و آمیلین به وسیله سلول های بتای پانکراسی، در پاسخ به افزایش سطح گلوکز خون، ترشح همزمان می‌شوند، استفاده از انسولین و Pramlintide به همراه هم، به عملکرد طبیعی پانکراس نزدیک تر است. آمیلین مصنوعی می‌تواند در پروژه پانکراس مصنوعی استفاده شود چرا که انسولین و Pramlintide می توانند در آینده به طور خودکار با هم ترشح شوند که این عمل به صورت یک ترکیب از یک پمپ انسولین خودکار یا دو پمپ تزریق خودکار انجام می شود به این صورت که عملکرد پمپ انسولین به عنوان پایه و پمپ آمیلین به عنوان پیرو انجام می‌شود یا در حالتی دیگر یک سیستم دوگانه در یک پمپ عمل می‌کند،  یعنی با دو کارتریج، یک تیوب ست تزریق دوگانه و دو ضمیمه زیرپوستی.
بدین ترتیب سیر گلی سمی پس از نهاری نسبت به مصرف انسولین تنها، بهبود می یابد، دز مصرفی و شیب آن کاهش می یابد و به طور کلی به دلیل اینکه در این روش،  عملکرد طبیعی پانکراس را عینا انجام داده ایم ممکن است از بعضی مزایای آن بی خبر باشیم.

فیدبک همزمان اطلاعات گلوکز خون به پمپ انسولین

توانایی کنترل الکترونیکی یک پمپ انسولین به ویژه در قابلیت فرم دهی دز، پیشنهاد می کند که الگوریتم کنترل می تواند تابع عملکرد پانکراس سالم را در مدهای تقلیدی بیشتر بازسازی کند. در حال حاضر، دز انسولین، یک دز پیش بینی شده بر پایه تغذیه است که به طور کامل تزریق می‌شود. اما با مزایای کنترل حلقه بسته انسولین پایه، دز استاندارد با روش” حدس بزن و بعد قطعی کن” است. در فیزیولوژی  پانکراس، آمیلین  و انسولین از سلول های بتا به طور پالسی مستقیما به کبد در پاسخ به سطح گلوکز خون ترشح می شوند. ترشح طبیعی از سلول های بتا یک پاسخ حلقه بسته به گلوکز حس شده است و شکل تحویل انسولین قابل تطبیق است و متناسب با غذای خورده شده و توانایی متابولیک بدن بیمار است. همچنان که تکنولوژی مانیتورینگ گلوکز خون پیوسته پیشرفت می کند، اجزاء اصلی، نوعی کنترل به وسیله استفاده از الگوریتم کنترل تناسبی، مشتقی، انتگرالی  )PID(استفاده می‌کند. این باعث تزریق یک دز تطبیقی می شود که شکل و دز کلی خود را بر پایه عملکرد اندازه گیری شده دز، در جریان کار عوض می کنند که وابسته به موارد زیر است:

۱-نرخ افزایش گلوکز ( تابع مشتق باید انسولین بیشتری برای سرعت افزایش قند خون تحویل دهد.)
۲- قله منحنی گلوکز  ( تابع تناسبی باید انسولین بیشتری برای قله بالاتر قند خون تحویل دهد.)
۳-مدت بالا رفتن گلوکز ( تابع انتگرال باید برای زمان طولانی قند خون بالا، انسولین بیشتری تحویل دهد.)

دز تطبیقی می تواند با فرض یک تناسب نوعی و شکل دز ،مثل دز ترکیبی شروع شود. در این حالت یک پیش دز از Pramlintide به صورت اختیاری در نظر گرفته شده و نتایج حاصله با زمان انسولین حل و فصل می شود. به وسیله پالسی که توسط سطح گلوکز خون و نمودارهای تغییر سطح گلوکز مقیاس بندی شده است، ترکیب دز اولیه مقدار‌دهی می شود.  تصحیح موج مربعی سهمیه بندی دز ، در صورت افزایش قند خون، به صورت افزایشی یا گسترشی و در صورت کاهش قند خون ، به صورت کاهشی و محدود سازی از نظر مدت زمان خواهد بود.
هنگامی که  تحویل دز به طور خودکار انجام شود باعث افزایش دقت در تحویل کلی انسولین در زمان لزوم و حذف سیر گلی سمی بر اساس خطای کاربر مثل فراموشی در دزگیری می شود. همچنین در این حالت با تغییر رژیم کربوهیدراتی به خاطر انتخاب غذا و با  نیاز های متابولیک گوناگون به خاطر استرس، بیماری یا ورزش، تطبیق پذیری کامل خواهیم داشت. علاوه بر این کاربر استفاده کننده نیز آزادی بیشتری خواهد داشت.