[科普中國]-人工胰腺

簡介

糖尿病是常見的內(nèi)分泌疾病，是指因胰島素相對或絕對不足，胰島素不適當(dāng)過多而引起的糖代謝異常，按病情不同可分為胰島素依賴型(又稱幼年型)、非胰島素依賴型(又稱成年型)兩類。胰島素依賴型多發(fā)生于未成年人，病情重，需用胰島素治療；而非胰島素依賴型多發(fā)生于成年人，病情輕者可采用飲食治療或使用降糖藥控制血糖，但在疾病后期由于胰島β細(xì)胞儲(chǔ)備耗竭，也需用胰島素治療。

胰島素不足與人體胰腺的功能失調(diào)密切相關(guān)。人體胰腺形狀細(xì)長，橫貼在腹后壁，并與胃的后面相鄰，除產(chǎn)生胰液幫助消化之外，還產(chǎn)生胰島素和胰高血糖素，并將這兩種激素釋放到血液中，以控制血糖水平的恒定。胰高血糖素作用于肝臟以提高血糖（葡萄糖）水平，而胰島素則使血糖水平下降。一部分糖尿病患者是由于產(chǎn)生胰島素的胰腺受到損壞，而另一部分糖尿病患者卻是胰腺所制造的胰島素量不能滿足人體需要所致。日前的治療方法多數(shù)是采用注射胰島素來控制糖尿病人的病情。這種治療方法的問題是很難控制維持正常血糖水平的胰島素量。每天注射—次或幾次胰島素當(dāng)然會(huì)有助于糖尿病人控制吸收來自血液中的葡萄糖，但是每位病人的最適胰島素劑量在不同的日子里可能有很大的變化，有的甚至按小時(shí)計(jì)都有很大的不同，往往由于不能準(zhǔn)確地確定足以維持正常血糖水平的胰島素總量、致使病人的病情長期難以控制，而易導(dǎo)致糖尿病后期的并發(fā)癥，如失明、腎衰竭和心臟病等。

圖1. 人體胰腺結(jié)構(gòu)示意圖

人工胰腺的研究進(jìn)展人工胰腺有能力監(jiān)控一個(gè)人的血糖和調(diào)控符合人體需要的胰島素水平。這種裝置結(jié)合了兩種現(xiàn)有技術(shù)——胰島素泵和持續(xù)性葡萄糖監(jiān)控器。它可以幫助胰島素引起的糖尿病恢復(fù)正常水平，還可以避免由于血糖過高或過低所引起的身體損傷和威脅生命的副作用。

（1）佩戴式人工胰腺近幾年，醫(yī)學(xué)科學(xué)家們模仿胰腺功能制造了一種人工胰腺，能連續(xù)不斷地監(jiān)測血液中的葡萄糖水平并可提供相應(yīng)數(shù)量的胰島素。這種人工胰腺可以植人人體內(nèi)或像手表一樣佩戴在手臂上(如圖2所示)。

圖2. 像手表一樣的佩戴式人工胰腺

（1.葡萄糖水平顯示；2.電子裝置；3.泵；4.胰島素收集器；5.釋放的胰島素；6.葡萄糖分子；7.葡萄糖收集器；8.生物傳感器；9.電池）

這種人工胰腺的原理是利用電場或低頻超聲波能暫時(shí)地增加皮膚透性的特點(diǎn)，將葡萄糖之類的分子從體內(nèi)吸出，再用葡萄糖氧化酶反應(yīng)的方法測定出血糖值，或用光傳感器測得血液中葡萄糖的吸收率，最后換算成血糖值；這些傳感裝置可以通過微處理器聯(lián)接到動(dòng)力元件上，動(dòng)力元件會(huì)根據(jù)所測得的葡萄糖總量成比例地將胰島素用同樣的原理通過皮膚而注入血液中去。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研究出新型 “人工胰腺”，由一個(gè)傳感器和一個(gè)紙片大小的胰島素注射器組成。傳感器通過與人體皮膚相連的電極實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的血糖水平。當(dāng)發(fā)現(xiàn)患者血糖高于正常標(biāo)準(zhǔn)，傳感器的內(nèi)置電腦芯片就會(huì)向注射器發(fā)送指令，為患者及時(shí)注射胰島素。另外，這種“人工胰腺”還裝有記憶芯片，可以記住病人所需注射胰島素的劑量。為防止感染，“人工胰腺”需要每隔3、4天就更換一次，不過和通常打針注射胰島素相比，它還是方便多了。

（2）體內(nèi)植入式人工胰腺按照目前的技術(shù)水平和種類繁多的特種材料，是完全可以制造出一個(gè)人工胰腺來的。例如用半透性人工合成材料作為基體，制造一種攜帶胰島素和葡萄糖氧化酶儲(chǔ)存器的型片。隨著病人的葡萄糖水平上升，葡萄糖就會(huì)擴(kuò)散進(jìn)型片內(nèi)與葡萄糖氧化酶反應(yīng)，形成的分解產(chǎn)物是酸。酸度的增加可以改變?nèi)斯ず铣刹牧系耐感曰蛐推瑑?nèi)儲(chǔ)存的胰島素的溶解度，結(jié)果就會(huì)與葡萄糖的升高而成比例地釋放胰島素。這類人工胰腺植入人體內(nèi)的壽命很長，但它所儲(chǔ)存的葡萄糖氧化酶和胰島素必須給以補(bǔ)充。

最理想的人工胰腺植人物應(yīng)該是由健康的胰島素細(xì)胞本身制成的。如果采用移植胰島素細(xì)胞治療糖尿病的話，仍然存在一個(gè)胰島素細(xì)胞的供應(yīng)問題。因此，醫(yī)學(xué)研究人員正在探索從病人或其近親身上取得胰島 β 細(xì)胞，并在體外進(jìn)行擴(kuò)增，然后再讓其返回到病人身上的技術(shù)。

（3）胰島素泵胰島素泵是一種持續(xù)皮下輸注胰島素的裝置，大小如同BP機(jī)。其作用原理就是完全模擬胰腺的分泌規(guī)律，向人體持續(xù)輸注胰島素，使胰島素的輸注更符合生理性。胰島素泵通過一條細(xì)小的軟管將胰島素24小時(shí)不間斷地輸送到病人體內(nèi)，模擬正常胰腺自然地分泌胰島素。

圖3.胰島素泵使用示意圖

正常人體胰腺約每4分鐘分泌一次微量胰島素，餐后分泌大量胰島素，全天控制人體血糖在生理范圍內(nèi)波動(dòng)（如圖4A所示）。而針劑注射胰島素：每餐前一次性注射大劑量胰島素，吸收效果差，很難穩(wěn)定控制人體血糖水平，容易導(dǎo)致夜間高血糖現(xiàn)象。胰島素泵則是模擬正常胰腺的分泌方式輸注胰島素。分為基礎(chǔ)率和餐前大劑量兩種方式： 基礎(chǔ)率是24小時(shí)持續(xù)微量輸注的胰島素，以控制兩餐之間和夜間的血糖穩(wěn)定；餐前大劑量是針對進(jìn)餐食物而輸注的胰島素，以控制餐后的血糖穩(wěn)定。大劑量可以根據(jù)進(jìn)餐時(shí)間、進(jìn)餐量和食物種類靈活設(shè)定。

A．人體胰腺分泌胰島素

B．針劑注射胰島素

C．胰島素泵輸注

圖4. 不同方法補(bǔ)充胰島素血糖變化對比圖

由圖4可知，胰島素泵與注射器或胰島素筆相比其輸注的胰島素劑量要更精確。胰島素泵的輸注精度能達(dá)到0.05 單位。具有持續(xù)皮下胰島素注射方式的胰島素泵，作為每日多次注射胰島素的替代產(chǎn)品，具有預(yù)測性、減少嚴(yán)重低血糖的危險(xiǎn)性。最重要的是，胰島素泵還提供了一種有效地將血糖控制到接近正常的非常手段，有效地延緩或阻止糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展，而且改善孕婦妊娠和分娩的狀況。此外，胰島素泵使得靠胰島素生活的患者，可以過更加正常的生活。因此，對1型和2型糖尿病患者進(jìn)行強(qiáng)化治療都非常有價(jià)值。

兒童、瘦型成年糖尿病患者等對小劑量胰島素敏感者、正處于身長發(fā)育的青少年糖尿病患者、應(yīng)用胰島素治療者、血糖控制不理想的患者、經(jīng)常有低血糖或高血糖癥狀的患者、懷孕或計(jì)劃懷孕的女性糖尿病患者、經(jīng)常出差或生活不規(guī)律的患者以及希望非常積極嚴(yán)格控制血糖的患者，使用胰島素泵治療是他們最佳的選擇。接近正常水平的血糖意味著更好的健康以及避免并發(fā)癥和延長生命的可能。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，胰島素泵使用者的 HbA1c（糖化血紅蛋白）低于打針的患者，更重要的是，他們的血糖波動(dòng)幅度小，趨于正常水平。輸注短效胰島素的基礎(chǔ)率代替長效胰島素治療糖尿病，再也不需要按時(shí)就餐，吃飯可延遲或取消，無需擔(dān)心低血糖發(fā)生。戴泵者血糖下降比較平緩，能及早發(fā)現(xiàn)低血糖癥狀，可盡量減少別人幫助。在運(yùn)動(dòng)時(shí)也能更好地控制血糖。

A．不同型號的“丹納”智能型多功能胰島素泵

B．智能型多功能胰島素泵的功能集成

圖5. “丹納”智能型多功能胰島素泵

擴(kuò)展閱讀[1] 王琛，高洪偉，洪天配. 人工胰腺的研究新進(jìn)展. 中國醫(yī)學(xué)前沿雜志（電子版），2014，6（1）: 4-8

[2] 金浩宇，黃耀熊，楊立. 閉環(huán)式人工胰腺研究進(jìn)展. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2014,31（3）：4962-4966

[3] 姚玉峰，劉亞欣，黃博. 用于人工胰腺的血糖閉環(huán)控制方法研究進(jìn)展. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，32（6）：741-751

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

顧漢卿 - 教授 - 天津醫(yī)科大學(xué)天津市泌尿外科研究所萬榮欣 - 助理研究員 - 天津醫(yī)科大學(xué)天津市泌尿外科研究所胡幗穎 - 助理研究員 - 天津醫(yī)科大學(xué)天津市泌尿外科研究所