香港大学&浙江大学&广州医科大学Adv. Mater. !一种便携式、双闭环式胰岛素输送系统,用于精准管理糖尿病
特别声明：因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。一种便携式、双闭环式胰岛素输送系统，用于精准管理糖尿病
本文提出了一种名为“DuoLoop”的可穿戴双闭环胰岛素输送系统，旨在提升糖尿病管理的安全性与精准性。该系统结合了基于连续血糖监测的电气闭环控制与葡萄糖响应胰岛素的化学闭环机制，通过嵌入式AI算法预测未来血糖趋势并动态调节胰岛素释放。在糖尿病大鼠模型中的实验表明，相比传统单闭环系统，DuoLoop能显著延长正常血糖持续时间（98.82% vs 92.10%），并减少高血糖和低血糖事件。研究同时指出该系统目前仍存在饮食管理未控制、临床转化需进一步验证等局限性，但为未来精准糖尿病管理提供了创新思路。
原文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202514945研究内容
糖尿病是一种以胰岛素分泌缺陷和持续性高血糖为特征的全球性慢性疾病，预计到2030年可能影响全球6.43亿人。传统上，患者接受的是分离式的血糖检测与胰岛素输送治疗，这常因低血糖引发严重并发症，如癫痫、意识丧失甚至死亡。目前，新兴的可穿戴生物传感器——例如由连续血糖监测仪控制的闭环胰岛素输送系统——已被证明比传统方法在血糖控制方面更为有效。CGM持续追踪血糖水平，而算法则根据实时血糖数据调整胰岛素的释放或暂停。然而，当前基于CGM的单闭环（SinLoop）系统带来了新的安全风险。例如，错误的血糖读数可能导致胰岛素过量，进而引发低血糖及致命后果。为解决胰岛素过量问题，研究人员开发了葡萄糖响应型胰岛素。这类GRI模拟β细胞的功能，其胰岛素释放速率由体内葡萄糖水平以化学闭环方式动态调控。构建GRI主要依赖三种葡萄糖响应机制，包括葡萄糖结合蛋白、葡萄糖氧化酶或苯硼酸，这些机制已被广泛研究。尽管GRI能在一定程度上自发调节胰岛素释放，但目前的给药方式（如被动一次性贴片、口服制剂或手动注射）缺乏集成的电子系统以实现精准调控。因此，这些方法仍伴随高血糖或低血糖的风险。如前所述，基于CGM的控制系统（电气闭环系统）在胰岛素释放的自动控制方面有效，但其固有缺陷存在过量风险。另一方面，虽然GRI（化学闭环系统）有助于在一定程度上减轻过量风险，但仍缺乏持续、精准的胰岛素输送能力。因此本文提出假设：将CGM控制系统与GRI相结合，可构建一个有效的混合闭环系统，综合电气与化学闭环方法的优势。然而，这给系统工程带来了挑战，因为需要 i) 定制化算法和 ii) 可穿戴硬件系统才能将这一概念变为现实。针对以上问题，香港大学电气与电子工程系Shiming Zhang团队联合浙江大学药学院王金强团队和广州医科大学生物医学工程学院朱继翔团队联合提出了一种新型“双闭环”可穿戴胰岛素输送系统（DuoLoop），相比传统SinLoop系统展现出更高的安全性。本文的DuoLoop系统包含以下三个关键组件：（i）用于实时血糖分析的CGM；（ii）胰岛素输送速率由实际血糖水平调控的GRI；以及（iii）能够预测未来30分钟血糖趋势以实现安全边缘决策的定制化算法。鉴于传统数学模型在准确预测血糖波动方面的局限性，作者采用了Transformer深度神经网络以提高预测精度。该系统支持基于比例-积分-微分控制器的GRI释放机制，并配有精准的30分钟血糖预测。训练后的Transformer模型在精确预测血糖趋势方面表现出可靠性（域内和域外测试集的R²分别为98.03% 和 97.83%）。体内验证结果表明，与传统SinLoop系统相比，DuoLoop实现了更长的正常血糖持续时间（98.82% vs 92.10%）、更低的高血糖发生率（0.65% vs 3.89%）、更低的低血糖发生率（0.52% vs 4.01%）以及更小的血糖波动（标准差SD：2.44 vs 1.42；变异系数CV：25.14 vs 41.22）。图1. 本文所提出的双闭环胰岛素输送系统的总体概念（DuoLoop）图5. DuoLoop 系统集成及可穿戴设备验证以提升安全性综上，本文介绍了一种可穿戴的DuoLoop胰岛素输送系统，旨在解决传统单闭环系统相关的安全性问题。第一闭环系统通过可穿戴连续血糖监测仪实现胰岛素输送自动化。第二闭环系统则涉及葡萄糖响应型胰岛素，其释放速率依赖于实时体内葡萄糖水平。为连接这两部分，本文基于大量血糖数据集训练开发了一套AI算法，能够实现精准预测，并以最佳剂量和时机指导GRI的输送。体内验证表明，与传统SinLoop系统相比，DuoLoop系统显著降低了血糖波动以及高血糖和低血糖的发生率。尽管存在上述优势，该系统仍有一些局限性。其中一个挑战在于饮食管理。饮食是糖尿病管理的关键因素，但在当前的大鼠模型中，糖尿病大鼠的饮食未受限制。另一项局限涉及DuoLoop的临床适用性。当前模型基于糖尿病大鼠模型的数据开发，未来研究应在其他糖尿病动物乃至人体上验证该系统。此外，还需在长期使用中仔细评估DuoLoop的长期稳定性和可靠性。总体而言，本研究中提出的DuoLoop标志着向精准糖尿病管理迈出了重要一步。本文所提出的双闭环或多闭环设备概念可被其他可穿戴系统采纳，用于调控其他疾病的代谢过程，从而满足更广泛的临床需求。——END——
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