2013
年4月的一个早晨，英国剑桥，阿登布鲁克医院（Addenbrooke’s
Hospital），一位名叫“简”（Jane）的1型糖尿病患者刚刚办理了出院手续。住院期间，Jane的身体通过一些管子与一个神奇的小盒子相连，进
行监测和治疗；出院时，Jane带着这些设备回家，希望藉此摆脱1型糖尿病——这一困扰她长达30年、不得不每天监测血糖、注射胰岛素的顽疾。
1型糖尿病患者的悲催生活
胰腺是人体的重要脏器，其中
的内分泌腺主要由胰岛细胞组成，分泌胰岛素，调节糖代谢。糖尿病患者的胰腺功能出现异常，尤其是1型糖尿病患者，产生胰岛素的能力下降乃至丧失。长期存在
的高血糖会导致各种组织，特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。在20世纪20年代初期胰岛素被发现之前，因为没有合适的治疗方法，血糖
持续升高、无法控制的1型糖尿病患者会逐渐陷入昏迷，并在几个月或几年后死亡。
2型糖尿病在早期时虽然胰岛素的分泌能力并没有显著下降，而是主要表现为胰岛素的生理功效受损，但晚期患者的胰腺分泌功能受到重创，也会出现胰岛素分泌缺陷，从而不得不补充外源性胰岛素。
随着胰岛素和各种口服降糖药
的出现，现如今在世界上大多数的国家，糖尿病患者已经可以过着一种相对正常的生活。然而，为了保持血糖的正常和稳定，他们不得不进行永无止境的血糖测试，
一次次通过指尖采血和电子仪表来获知血糖数值；1型糖尿病患者还需要坚持注射胰岛素，2型糖尿病患者则需要长期口服降糖药，并小心测量食物中所含的碳水化
合物，到了晚期，也不得不和1型糖尿病患者一样，必须依靠每天注射胰岛素来维持血糖在相对正常的范围内。
虽然现在有便携式的血糖检测仪和胰岛素注射器，可以让患者带回家进行疾病自我管理，但这些设备各自为政，无法整合。而且这些检查和治疗都是有创式的，需要针刺手指取血或者皮下注射，这不但使患者的长期生活质量大幅下降，也增加了感染的机会。
神奇的小盒子——人工胰腺
Jane女士带回家的这个神奇小盒子，其实是一套医疗设备，包括一个胰岛素泵、一台血糖传感器和一个平装书大小的计算机，从而组成了人工胰腺的原型。藉此，人工胰腺对糖尿病患者所缺乏的胰腺功能进行了复制：在血糖水平上升的同时，产生胰岛素，帮助血糖代谢。
这是目前世界上最前沿的人工胰腺研究方案。欧洲、美国和其他地区的团队正在进行小规模的研究，在糖尿病患者身上进行测试，希望可以看到该技术能够有效安全地工作。如果一切按照科学家们预想的那样，这个神奇的小盒子会改善糖尿病患者的健康状况，并帮助其拥有和正常人一样的生活质量。
Jane表示，为了控制糖尿病，她过去一直通过坚持进行血液检查和胰岛素注射来实现目标，否则就会出现严重的健康问题。如今，能拥有一个人工胰腺，简直是“不可思议”。
目前，全球研究人员正在研发1型糖尿病的生物疗法，但进展缓慢。在过去的10年里，很多研究人员和医生开始致力于在技术方法研究出可以替代胰腺功能的人工胰腺。
人工胰腺的两大关键组件
人工胰腺需要实现的两大主要功能，分别是胰岛素注射和血糖浓度监测。近年来，随着制药公司和医疗器械制造商们的共同努力，新型的胰岛素泵和血糖传感器不断被研发出来，使得这两大关键功能得以更好地实现。
早在20世纪80年代，第一个可被病人带回家并自己管理疾病的胰岛素泵就出
现了。发展了几代之后，如今的胰岛素泵已经可以通过细管持续地将胰岛素泵入到患者体内。通常的方式是在患者的腹部位置将针或细管插到皮下组织几毫米处，并
长期置留。接下来，胰岛素泵就会像胰腺一样，持续地向体内注入小剂量的胰岛素，并可以根据进食的量来设定需要泵入的胰岛素量，从而帮助患者更好地控制血
糖。
胰岛素泵可以提供比胰岛素注射更好的血糖水平控制能力，不过其高成本限制了流行程度。
除了胰岛素补充，患者还需要
血糖监测的结果，从而确认胰岛素的需要量，判断治疗效果。显然，胰岛素泵并不能解决这个问题，患者还需要一个血糖监测仪。连续葡萄糖监测器（
continuous glucose
monitors，CGMs）可以实现这个功能，帮助患者解决这个问题。诞生于上世纪90年代末的CGMs可以提供更好的血糖水平实时数据，但是和胰岛素
泵一样，其高额的生产和使用成本，拒人于千里之外。
那些正在研制中的人工胰腺
2006年，全球糖尿病研究基金会(Juvenile Diabetes Research Foundation International，JDRF)在美国和欧洲的研究中心与公司中建立了一个人工胰腺项目，迈出了医疗器械行业的第一步。
2009年，设备制造商美敦
力公司发布了一种最基本的人工胰腺系统：可以接受来自CGM发射机信号的胰岛素泵。该系统第一次将血糖监测和胰岛素泵结合起来，初步具备了人工胰腺的模
型。这个混合设备并不能将血糖控制在一个狭窄的范围内，但是可以避免突发事件。虽然还不够完美，但这是一个里程碑。美敦力公司的这个人工胰腺很快被批准用
于欧洲；美国FDA对医疗设备的使用更为谨慎，但在2013年9月也批准其正式上市使用。
美敦力公司的系统可以阻止疾病恶化，但并不能在最初阻止病情暴发。为此，人们需要一种智能算法来分析用户的血糖情况，世界各地的团队对这种算法进行了多年的研究工作。
通
过让受试者短期住院的方式，研究人员们在测试其包含特定算法的系统。其中，文章开头所提到的Jane女士，就是这些研究中的一个受试者。虽然所有的试验结
果还没有完全公布出来，但已公布的结果令人惊叹，显示出高血糖的戏剧性下降，及其在社会方面的积极影响。因为有了这个神奇的盒子承担起人工胰腺的功能，像
Jane女士这样的患者将不再过于担心，且有机会回到“正常的”生活。
惊喜之余的缺陷与改善方案
虽然人工胰腺的研究取得了可喜的初步成果，不过，更多的问题随之而来。
首
先是进食以后的血糖上升和监测结果的滞后性。使用人工胰腺时，CGM需要一定的时间才能探测到使用者的进食：碳水化合物进入血液需要半小时或者更多，到达
可以被探测到的空隙流体则再需要15分钟，而信号处理还需要6到15分钟。因此，如果想泵入合适的胰岛素量，需要根据CGM提供的早期消化过程中较少的信
息来测量一顿饭的量，这确实比较困难。由于这个缺陷，目前的人工胰腺很可能会在进食几小时后提供过多的胰岛素，这将引起低血糖反应等不良后果。
为了解决这个问题，研究者们
不断提出改进方案。其中，有些研究人员要求使用者在进食时提醒系统，这有助于缓解饭后的血糖高峰和后来的低谷。但这还不能从根本上解决问题，也许最快的方
法是将胰岛素直接注射到离肝脏和胰腺较近的腹腔，这样它可以直接起作用，大大加快全自动系统的作用速度。
目前，罗氏制药公司已经开发了一个永久性的注射器，被称为DiaPort，不过由于永久插入设备的复杂性，只有极少数糖尿病患者正在使用它。
另外，在人工胰腺的研制过程
中，为了避免出现血糖的剧烈波动，还有一种安全机制使用泵，用来单独分发胰岛素和胰高血糖素。当血糖读数过低时，胰高血糖素会很快使其提高，从而避免患者
出现低血糖反应。2013年，波士顿大学的一个团队使用了两个泵来测试该想法，取得了“令人印象非常深刻的成果”。
无创式的人工胰腺：曙光在前
前面所述的人工胰腺研究，都还建立在皮下注射胰岛素和针刺取血检测血糖的基础上，是有创式的诊疗手段。真正革命性的颠覆产品，是无需注射的胰岛素和不需要采血的血糖监测仪。令人欣喜的是，目前，这两种技术都有了显著的进步，让全世界的糖尿病患者看到了新的希望。
首先，是胰岛素的革命。近年来，美国的Mannkind制药公司开发了一种被称为AFREZZA的速效可吸入的胰岛素，并有望在2014年成功获得FDA的批准。这将从根本上改变胰岛素必须依靠注射才能起效的历史，是一个值得期待的里程碑。
然后，就是血糖监测设备，除
了那些更快、更可靠的CGM正在研发过程中，还有一些制造商正在尝试不需要取血的血糖仪。其中一种技术就是光学检测，研究者开发出来的传感器可以使光穿过
皮肤，寻找葡萄糖吸收的波长，再通过一些精密的算法，得出血糖的浓度指标。这一技术目前已经有企业在尝试，JDRF现在还在与一些公司合作，开发一种传感
器，同时利用电化学和光学技术，以确保检测结果的万无一失。
也许，在不久的将来，由于有了吸入式的胰岛素和不需针刺的血糖检测仪，像Jane女士这样的1型糖尿病患者和众多的晚期2型糖尿病患者，会拥有真正的人工胰腺，并从中受益，“感觉像是没有患糖尿病一样”。
我们期待那一天的早日到来！
（作者：贾玉华、沈颖)
参考文献：《Science》2014;343:133-135