Un pancréas artificiel intelligent pourrait dominer le diabète Ce gadget portable détecte la glycémie et exécute également l’insuline si nécessaire
PAR CERTAINES FAÇONS, C’EST UNE HISTOIRE DE FAMILLE. Peter Kovatchev était un concepteur naval qui a élevé son enfant, Boris, comme un résolveur de problèmes et a construit des versions de navires avec sa petite-fille, Anna. Il a également traité une forme de diabète dans laquelle le pancréas ne peut pas fabriquer suffisamment d’insuline. Pour contrôler la concentration de glucose dans son sang, il devait s’injecter de l’insuline plusieurs fois par jour, en utilisant une seringue qu’il gardait dans une boîte en acier dans le réfrigérateur de notre famille. Cependant, bien qu’il ait essayé d’administrer correctement l’insuline appropriée, son contrôle de la glycémie était assez mauvais. Il est décédé des suites de problèmes liés au diabète en 2002.
Boris effectue maintenant une étude sur les substituts bio-conçus pour le pancréas ; Anna est écrivain et designer.
Une personne qui a besoin d’insuline devrait marcher sur une corde raide. La concentration de glucose dans le sang peut changer de façon spectaculaire et elle est affectée explicitement par les repas ainsi que par l’exercice. S’il tombe trop bas, la personne peut s’évanouir ; s’il augmente cher et reste élevé trop longtemps, la personne peut entrer dans le coma. Pour prévenir les épisodes répétés d’hypoglycémie, les patients du passé avaient en effet généralement une glycémie relativement élevée, s’exposant à des difficultés à long terme, telles que des lésions nerveuses, la cécité ainsi que des maladies cardiovasculaires. De plus, les clients devaient constamment garder un œil sur leur taux de glycémie, qu’ils mesuraient plusieurs fois par jour en se perforant les doigts pour les baisses de sang. C’était commodément la thérapie la plus exigeante que les clients aient jamais dû s’administrer eux-mêmes.
Plus maintenant : le pancréas artificiel est enfin à portée de main. Il s’agit d’un fabricant qui détecte tout ajustement de la glycémie et dirige une pompe pour effectuer plus ou moins d’insuline, une tâche qui peut être comparée aux moyens qu’un thermostat couplé à un système CVC contrôle le niveau de température. Tous les systèmes pancréatiques artificiels commerciaux sont encore « croisés », ce qui signifie que les individus doivent se rapprocher des glucides dans un repas qu’ils vont manger et ainsi aider le système à contrôler le sucre. Néanmoins, le pancréas synthétique est une réalisation de la biotechnologie.
C’est aussi un accomplissement d’espoir. Nous nous souvenons bien d’un petit matin fin décembre 2005, lorsque des experts en innovation sur les problèmes de diabète ainsi qu’en bio-ingénierie se sont réunis au Lister Hillside Auditorium des National Institutes of Wellness de Bethesda, dans le Maryland. À ce moment-là, la technologie existante a permis aux individus avec des problèmes de diabète pour suivre leur glycémie et utiliser ces analyses pour estimer la quantité d’insuline dont ils avaient besoin. Le problème était de savoir comment se débarrasser de l’intervention humaine de l’équation. Un chercheur distingué est monté sur le podium et a expliqué que le dispositif de régulation du glucose de la biologie était bien trop compliqué pour être dupliqué de manière non naturelle. Boris Kovatchev, ainsi que ses collègues, ont différé, et aussi, après 14 ans de travail, ils ont pu montrer que le chercheur s’est trompé.
C’était encore une confirmation de plus de la Première Législation d’Arthur Clarke : « Lorsqu’un chercheur notable, mais âgé, déclare que quelque chose est possible, il a presque certainement raison. Quand il déclare que quelque chose est impossible, il se trompe très probablement.
La glycémie à jeun est d’environ 80 à 100 milligrammes par décilitre de sang dans un système endocrinien sain et équilibré. L’approvisionnement en sang total d’un adulte ordinaire contient 4 ou 5 grammes de sucre, soit à peu près autant que dans l’emballage en papier que les établissements de restauration proposent avec le café. Consommer des glucides, soit sous forme de sucre pur, soit sous forme d’amidon comme le pain, augmente la glycémie. Un pancréas fonctionnant normalement identifie la ruée vers le sucre entrant et sécrète de l’insuline pour permettre aux cellules du corps de l’absorber afin de s’assurer qu’il peut être utilisé comme énergie ou conservé pour un tel usage plus tard. Cette procédure ramène le niveau de glucose à la normale.
Cependant, chez les personnes atteintes de diabète sucré de type 1 ou de type 2 nécessitant de l’insuline – dont il y en a près de 8,5 millions aux États-Unis seulement – le pancréas ne crée pas ou trop peu d’insuline, et des moyens artificiels devraient se rapprocher du processus de contrôle.
Au début, cette approximation était extrêmement grossière. En 1922, l’insuline a été isolée et administrée pour la première fois à des clients diabétiques au Canada ; des années plus tard, la seringue était l’outil essentiel pour gérer le diabète sucré. Parce que les individus à cette époque n’avaient aucun moyen de déterminer directement la glycémie, ils devaient tester leur urine, où des traces de sucre vérifiaient seulement que les niveaux de glucose sanguin avaient actuellement atteint des niveaux extrêmement élevés. Juste en 1970, les tests ambulatoires de glycémie étaient réalisables ; en 1980, il est devenu disponible dans le commerce. Les bandelettes traitées chimiquement ont réagi avec le glucose dans le sang, modifiant la teinte en rapport avec le foyer de glucose. En fin de compte, des compteurs équipés de photodiodes et d’unités de détection optique ont été conçus pour lire les bandes avec plus de précision.
La première amélioration est restée dans la mesure du sang sucre ; le second concernait l’administration d’insuline. La pompe à insuline initiale devait être enfilée comme un sac à dos et n’était pas pratique pour un usage quotidien, mais elle a conduit à toutes les autres conceptions de contrôle de la glycémie par voie intraveineuse, qui ont commencé à apparaître dans les années 1970. Le « pancréas synthétique » industriel initial était une machine de la taille d’un réfrigérateur appelée Biostator, destinée aux centres de santé. Néanmoins, son volume et sa méthode d’infusion d’insuline directement dans un capillaire l’ont empêché d’aller au-delà des expériences des centres de santé.
Le pancréas artificiel original, appelé Biostator, est présenté ici en utilisation hospitalière vers 1977. Il délivrait de l’insuline et du glucose directement dans les veines et ne pouvait pas être adapté à un usage domestique.WILLIAM CLARKE/UNIVERSITY OF VIRGINIA.
Cette année-là a également vu des outils d’administration d’insuline plus avancés : des pompes qui pouvaient infuser de l’insuline en continu avec une aiguille placée sous la peau.
La première pompe commerciale de ce type, l’AutoSyringe de Dean Kamen, a été présentée à la fin des années 1970, mais le client devait encore la régler en fonction de mesures périodiques de la glycémie effectuées au bout des doigts.
Avec tout ce moment, les clients sont restés à se fier aux doigts. Finalement, en 1999, Medtronic a présenté le premier écran à glucose constant portable suffisant pour une utilisation ambulatoire. Une fine électrode est insérée sous la peau avec une aiguille, puis fixée à l’écran, qui est porté contre le corps.
Abbott, ainsi que Dexcom, ont rapidement suivi avec des gadgets présentant des données sur le sucre en temps réel. La précision de ces compteurs a régulièrement augmenté au cours des deux dernières décennies, et c’est grâce à ces développements qu’un pancréas artificiel est devenu possible.
L’objectif ultime est de dupliquer tout le travail du système de contrôle pancréatique pour s’assurer que les clients n’auront plus à s’auto-administrer. Pourtant, imiter un pancréas sain s’est avéré extrêmement difficile.
Fondamentalement, la surveillance de la glycémie est un problème d’optimisation, compliqué par les plats, les entraînements, les problèmes de santé et d’autres aspects externes qui peuvent avoir un impact sur le processus métabolique. En 1979, la base pour résoudre ce problème a été introduite par les ingénieurs biomédicaux Richard Bergman et aussi Claudio Cobelli, qui ont expliqué le système métabolique humain comme une série de formules. Dans la pratique, néanmoins, la localisation du service est difficile pour trois facteurs principaux :
Maintien de l’action de l’insuline : dans le corps, l’insuline est produite dans le pancréas et acheminée directement dans la circulation sanguine. Mais lorsqu’elles sont infusées sous la peau, même les insulines les plus rapides extraient de 40 minutes à une heure pour atteindre le pic de leur action. Ainsi, le contrôleur du pancréas synthétique doit prévoir de réduire la glycémie d’une heure à partir d’aujourd’hui – il doit prévoir l’avenir.
Variance : L’action de l’insuline varie d’une personne à l’autre et même au sein d’une même personne à des moments différents.
Erreur de capteur : même les meilleurs moniteurs de glycémie en continu font des erreurs, dérivant parfois dans une direction spécifique – montrant des niveaux de glucose trop réduits ou trop élevés, des problèmes qui peuvent durer des heures.
De plus, le système doit penser à l’installation en dehors des influences afin qu’il fonctionne aussi bien pour un homme d’âge moyen qui se repose tout le temps à un bureau que pour un adolescent sur un snowboard, dévalant une montagne.
Pour surmonter ces troubles, les scientifiques ont recommandé de nombreux services. Le premier effort était un simple contrôleur proportionnel-intégral-dérivé (PID) dans lequel l’insuline est administrée proportionnellement à l’augmentation des niveaux de glycémie et à leur taux de variation. Cette approche est toujours utilisée par un système commercial, Medtronic, après plusieurs rénovations de l’algorithme qui ajuste la réaction du PID à la vitesse de transport sous-cutané de l’insuline. Une méthode beaucoup plus avancée est la formule de contrôle prédictif, qui utilise une version du système métabolique humain, telle que celle proposée en 1979 par Bergman et Cobelli. Le facteur est de prédire les états futurs et par conséquent de compenser en partie la diffusion différée de l’insuline sous-cutanée jusque dans la circulation sanguine.
Un autre contrôleur spéculatif utilise deux agents hormonaux : l’insuline, pour réduire la glycémie et le glucagon, pour l’augmenter. Dans chacune de ces méthodes, le travail de modélisation est allé loin pour créer l’histoire théorique du développement d’un pancréas fabriqué. L’action suivante était de le faire.
Pour développer un contrôleur, vous devez disposer d’un moyen de le cribler, pour lequel la conception biomédicale s’est généralement appuyée sur des tests sur les animaux de compagnie. Pourtant, de tels tests sont longs et coûteux. En 2007, notre équipe de l’Université de Virginie a suggéré d’utiliser à la place des expériences de simulation par ordinateur.
Avec nos associés de l’Université de Padoue en Italie, nous avons produit une conception informatique des caractéristiques glucose-insuline qui a fonctionné sur 300 sujets numériques avec des problèmes de diabète de type 1. Notre conception a expliqué l’interaction avec un temps de sucre et d’insuline à l’aide d’équations différentielles, représentant les estimations les plus efficaces de la physiologie humaine – les paramètres de la formule variaient en fonction du sujet. La gamme complète de toutes les collections de spécifications pratiques d’un point de vue physique a défini la population simulée.
En janvier 2008, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a fait le choix inégalé d’approuver notre simulateur comme substitut aux tests sur les animaux dans les tests précliniques des contrôleurs pancréatiques artificiels. L’agence a convenu que de telles simulations in silico étaient suffisantes pour l’approbation réglementaire des essais sur des patients hospitalisés. De manière inattendue, la croissance rapide et économique était une opportunité. Seulement trois mois plus tard, en avril 2008, nous avons commencé à utiliser le contrôleur que nous avions conçu et évalué in silico chez de vrais individus atteints de diabète sucré de type 1. Le simulateur UVA/Padoue est actuellement utilisé par des ingénieurs du monde entier et les expérimentations animales pour tester de tout nouveaux algorithmes de pancréas artificiel ont été abandonnées.
Peut-être qu’un jour, il sera logique d’implanter le pancréas fabriqué dans les caries dentaires de l’estomac, où l’insuline pourra être introduite directement dans la circulation sanguine pour une action encore plus rapide.
Pendant ce temps, le financement augmentait pour la recherche sur d’autres éléments du pancréas synthétique. En 2006, la FRDJ (anciennement Structure d’étude du diabète juvénile) a commencé à entretenir un appareil dans plusieurs établissements aux États-Unis ainsi qu’à travers l’Europe ; en 2008, les National Institutes of Health and Wellness des États-Unis ont lancé une campagne de recherche ; et aussi de 2010 à 2014, le consortium AP@Home financé par l’Union européenne était actif. L’engouement mondial pour le prototypage rapide, ainsi que le dépistage, a prospéré : les premières études de recherche ambulatoires ont eu lieu de septembre 2011 à janvier 2012 dans des camps pour enfants diabétiques en Israël, en Allemagne, ainsi qu’en Slovénie, où des enfants atteints de diabète de type 1 ont été contrôlés durant la nuit. , utilisant un système de pancréas synthétique basé sur un ordinateur portable.
Bon nombre de ces premières recherches ont évalué les systèmes pancréatiques fabriqués comme étant meilleurs que le traitement à l’insuline pratique selon 3 méthodes. Les individus ont investi encore plus de temps dans la variété cible pour la glycémie. Ils avaient moins de cas d’hypoglycémie et avaient un bien meilleur contrôle pendant leur sommeil – une période où des niveaux réduits de sucre dans le sang peuvent être difficiles à trouver et à gérer. Mais ces tout premiers essais dépendent tous de l’ordinateur portable pour exécuter les algorithmes. L’obstacle suivant consistait à rendre les systèmes mobiles et sans fil pour être mis à l’épreuve dans des conditions réelles.
Notre équipe à UVA a créé le tout premier système mobile, l’assistant pour les problèmes diabétiques, en 2011. Il fonctionnait sur un smartphone Android, avait une interface graphique et était capable d’observation à distance en ligne. Initialement, nous l’avons évalué en ambulatoire dans des études de recherche qui ont duré de quelques jours à 6 mois. Ensuite, nous l’avons essayé sur des clients à haut risque parce qu’ils avaient souffert de cycles fréquents ou extrêmes de glycémie réduite. Enfin, nous avons testé le système sur des enfants atteints de diabète sucré de type 1 qui découvraient le ski lors d’un camp de 5 jours.
En 2016, un essai pivot a pris fin pour le premier système de croisement commercial – le MiniMed 670G – qui gérait instantanément le prix continu de l’insuline tout au long de la journée, mais pas les doses supplémentaires d’insuline administrées avant un plat. Le système a été supprimé par la FDA pour un usage professionnel en 2017. D’autres groupes à travers le monde vérifiaient également de tels systèmes, avec des résultats très bons. Une méta-analyse de 2018 de 40 types d’études, portant sur 1 027 personnes, a découvert que les gens restaient dans leur plage cible de glycémie (70 à 180 mg / dL) pendant 15% encore plus du moment pendant leur sommeil et près de 10 pour cent beaucoup plus au total, contrairement aux personnes recevant un traitement standard.
Le descendant de troisième génération de notre équipement initial – basé sur la technologie moderne Control-IQ et fabriqué par Tandem Diabetes Treatment à San Diego – a subi un test randomisé de six mois chez des adolescents et des adultes atteints de diabète de type 1, âgés de 14 ans et plus. Nous avons publié les résultats dans le New England Journal of Medicine en octobre 2019.
Le système utilise un affichage continu du sucre Dexcom G6 – qui ne nécessite plus d’étalonnage par des échantillons prélevés au doigt – une pompe à insuline de Tandem et l’algorithme de contrôle créé à l’origine à l’UVA. La formule est intégrée directement dans la pompe, ce qui implique que le système n’a pas besoin d’un appareil intelligent externe pour gérer l’ordinateur.
Control-IQ nécessite toujours une certaine participation de la part de l’individu. Son système de contrôle des croisements demande à la personne d’appuyer sur un bouton indiquant “je mange” et d’entrer ensuite la quantité estimée de glucides ; l’individu peut également appuyer sur un interrupteur en disant “je m’entraîne”. Ces interventions ne sont pas obligatoires. Cependant, ils améliorent le contrôle. Par conséquent, les contrôleurs d’aujourd’hui peuvent être utilisés pour un contrôle complet. Pourtant, ils fonctionnent beaucoup mieux en tant qu’hybrides.
Le système comporte un composant de sécurité dédié qui arrête ou diminue progressivement le flux d’insuline chaque fois que le système anticipe une hypoglycémie. De même, il augmente lentement la dose d’insuline pendant la nuit, évitant la tendance aux hauts du matin et atteignant ainsi des degrés de glucose normalisés à 7 heures du matin. Le test de six mois a vérifié Control-IQ par rapport au traitement typique, dans lequel la personne fait tout le travail, en utilisant les informations d’un écran de sucre pour faire fonctionner une pompe à insuline. Les participants utilisant Control-IQ ont passé 11 % de temps en plus dans le type de glycémie cible et réduit de moitié – de 2,7 % à 1,4 % – le temps passé sous la ligne rouge de faible teneur en glucose, qui est de 70 mg/dL. En décembre 2019, la FDA a autorisé l’utilisation médicale Control-IQ pour les personnes de 14 ans et plus, et notre système est donc devenu le premier « contrôleur de dosage automatique d’insuline interopérable », qui peut être relié à diverses pompes à insuline ainsi qu’à un sucre constant. Affiche. Les clients peuvent actuellement personnaliser leur pancréas artificiel.
L’autorisation de la FDA est intervenue pratiquement 14 ans après que l’expert de cette salle de conférence du Maryland a déclaré que le problème était insoluble. Un mois après l’approbation, Control-IQ a été mis à la disposition des utilisateurs de pompes à insuline de Tandem en tant que mise à niveau logicielle en ligne. Et en juin 2020, à la suite d’un autre test scientifique réussi chez des enfants atteints de diabète de type 1 âgés de 6 à 13 ans, la FDA a accepté Control-IQ pour les enfants de six ans et plus. Les enfants peuvent bénéficier de cette technologie plus que tout autre âge, car ils sont les moins capables de gérer leur insuline.
En avril 2021, nous avons publié une évaluation de 9 400 personnes utilisant Control-IQ pendant un an et ces données réelles ont confirmé les résultats des tests précédents.
Depuis le 1er septembre 2021, Control-IQ a été utilisé par plus de 270 000 personnes atteintes de diabète sucré dans 21 pays. Aujourd’hui, ces personnes ont enregistré plus de 30 millions de jours sur ce système.
Un parent a écrit à Tandem comment huit semaines sur le Control-IQ avaient considérablement réduit la concentration de glucose sanguin ordinaire de son enfant. “J’ai vraiment attendu et travaillé dix ans pour que ce moment arrive”, a-t-il écrit. “Merci.”
La progression vers un contrôle automatique bien meilleur sera progressive ; nous prévoyons une transition en douceur du croisement à la liberté totale lorsque la personne n’interfère jamais. Des travaux sont en cours sur l’utilisation d’insulines à action plus rapide qui font actuellement l’objet de tests professionnels. Probablement finalement, il sera certainement judicieux d’implanter le pancréas synthétique dans la cavité dentaire abdominale, où l’insuline peut être introduite directement dans la circulation sanguine pour une action encore plus rapide.
