Künstliche Bauchspeicheldrüsen

Künstliche Bauchspeicheldrüsen

Wissen | Know-how

Wir geben einen Überblick, was heute mit Bauchspeicheldrüsen aus Technik und Software möglich ist und was Diabetiker in Zukunft erwarten könnte, um ihr Diabetes-Management zu vereinfachen.

Menschen mit Diabetes Typ 1 träumen seit Jahrzehnten davon, dass sich ihr Blutzucker wie bei gesunden Menschen automatisch reguliert. Automatische Systeme, die wie eine Bauchspeicheldrüse funktionieren, sind in Deutschland noch nicht offiziell zugänglich. Eine Handvoll technisch versierter Diabetiker wollte darauf nicht mehr warten. In Eigenverantwortung haben sie künstliche Bauchspeicheldrüsen, sogenannte Closed-Loop-Systeme (auch Artifical-Pancreas-Systems, kurz APS genannt) entwickelt. Sie bestehen jeweils aus Glukose-Messsystem, Smartphone-App und kompatibler Insulinpumpe.

Die Arbeit an einem solchen System begann für die US-Amerikanerin Dana M. Lewis – seit ihrer Jugend Diabetikerin – und ihren Lebensgefährten, den Molekularbiologen Scott Leibrand, im Jahre 2014. Beide waren mit offiziell erhältlichen Diabetes-Hilfsmitteln nicht zufrieden. Sie wollten bestehende Systeme ausbauen. Zusammen mit anderen Open-Source-Entwicklern stellten sie die erste Closed-Loop-Plattform OpenAPS vor. Anfangs war die Anzahl der Nutzer überschaubar, was vor allem an hohen technischen Hürden lag. Mittlerweile gibt es dank ausgereifter Dokumentation und vereinfachter Handhabung mehrere tausend „Looper“ weltweit. Unter dem Hashtag #WeAreNotWaiting tauschen sie sich auf Internetplattformen und Social Media aus.

Selbst bei aktueller Medizintechnik (siehe Kasten) ist immer noch der Patient Hauptakteur des Blutzucker-Managements: Er liest aktuelle Glukosewerte auf seinem Messsystem ab und ändert bei Bedarf die Insulinmenge, die seine Insulinpumpe abgibt. Closed-Loop-Systeme nehmen Patienten in vielen Situationen die Entscheidung über die richtige Insulindosis ab.

Closed-Loop-Systeme passen die Insulinzufuhr nach Bedarf an. Neben aktuellen Glukosewerten berücksichtigt die Software unter anderem Abweichungen zu zuvor gemessenen Werten, das aktuell im Körper wirkende Insulin, den eingestellten Blutzucker-Zielwert und über Mahlzeiten aufgenommene Kohlenhydrate.

Ganz ohne manuelle Eingriffe kommt man auch hier derzeit nicht aus, weshalb man besser von „Hybrid-Closed-Loop-Systemen“ spricht. Da das System Mahlzeiten nicht voraussehen kann, muss man vor dem Essen die Insulinabgabe der Pumpe zuschalten. Der Patient ist auch bei besonderen Aktivitäten gefragt: Beim Sport kann es zum Beispiel sinnvoll sein, den Blutzucker-Zielwert zeitweise zu erhöhen, um eine Unterzuckerung zu vermeiden.

Woraus besteht ein Closed-Loop-System?

Das Urgestein der Closed-Loop-Systeme ist das eingangs erwähnte OpenAPS. Es funktioniert nur mit älteren Insulinpumpen von Medtronic. Die Software läuft auf einem Mini-Computer mit Linux. Da Medtronic-Insulinpumpen eine proprietäre Funkverbindung nutzen, braucht man weitere Hardware, um das Funksignal für die Verbindung zum Mini-Computer in Bluetooth Low Energy umzuwandeln.

OpenAPS hat keine grafische Bedienoberfläche. Zum Beispiel mit dem cloudbasierten Tool Nightscout kann man die Daten aber grafisch aufbereiten und OpenAPS bedienen.

AndroidAPS nutzt den gleichen Algorithmus wie OpenAPS und kommuniziert auch mit Nightscout. Hier ist jedoch kein Mini-Computer erforderlich – die Software läuft als Android-App. Da die unterstützten Insulinpumpen (AccuCheck Combo, AccuCheck Insight und Dana Diabecare RS) Bluetooth zur Kommunikation nutzen, ist anders als bei OpenAPS außer dem Smartphone, einer Insulinpumpe und dem Messsystem keine weitere Hardware erforderlich. Dafür braucht man noch die App Xdrip+, die bei GitHub als APK zum Download steht. Sie verarbeitet Sensordaten und reicht die Werte an AndroidAPS weiter. Künftig soll AndroidAPS auch Insulinpumpen von Medtronic unterstützen. Damit wäre die Auswahl an Insulinpumpen sehr umfangreich.

Das Closed-Loop-System Loop gibts als iPhone-App. Da es wie OpenAPS nur einige nicht mehr erhältliche Insulinpumpen von Medtronic unterstützt, ist hier als zusätzliche Hardware der sogenannte Riley-Link zur Umwandlung der Funksignale erforderlich. Im Unterschied zu AndroidAPS wartet Loop mit einer schicken, aufgeräumten Bedienoberfläche auf, hier fehlen jedoch fortgeschrittene Features.

Da es die App nicht im App-Store gibt, muss man zum Installieren einen Umweg gehen. Anwender müssen mit Apple Xcode und einem kostenlosen Apple-Developer-Account eine lauffähige App erstellen. So entstandene Entwicklerversionen sind nur eingeschränkt lauffähig, man muss sie alle sieben Tage erneuern. Hat man stattdessen einen kostenpflichtigen Developer-Account, ist das nur einmal im Jahr nötig. In naher Zukunft soll Loop als erstes Closed-Loop-System die verbreitete Insulinpumpe Omnipod von Insulet unterstützen.

Es gab zwei Knackpunkte, bei denen ich mir durch ein Closed-Loop-System Verbesserungen erhoffte. Nachts hatte ich häufig, allerdings unregelmäßig mit Blutzuckerspitzen zu kämpfen. Außerdem kam es zu starken Blutzuckeranstiegen nach dem Sport. Die Installation und Einrichtung von AndroidAPS fiel leicht, dank detaillierter und verständlicher Dokumentation in deutscher Sprache: Nach Installation der Entwicklungsumgebung Android Studio lädt man von GitHub die AndroidAPS-Projektdateien herunter und kompiliert sie zu einer APK-Datei. Die verschiebt man anschließend auf das Smartphone und installiert sie. Dazu muss man die Installation von Apps aus fremden Quellen freigeben. Das kann man nach der Installation wieder rückgängig machen. Zusätzlich braucht man die App Xdrip+, die die Blutzuckerwerte vom CGM-System verarbeitet. AndroidAPS führt Anwender durch die wichtigsten Einstellungen. Der gesamte Prozess dauerte knapp eineinhalb Stunden.

AndroidAPS visualisiert Mess-daten des verbundenen Sensors über den Tag, zeigt Trends und kommuniziert mit Insulinpumpen. (Bild: Stefanie Blockus)

Eine Besonderheit von AndroidAPS sind die Zielvorgaben: Zu Anfang müssen Anwender über mehrere Wochen hinweg Ziele erfüllen, um Funktionen freizuschalten. Beispielsweise muss man das System so einstellen, dass man eine Nacht ohne Unterzuckerung verbringt und Werte konstant bleiben. In den ersten Tagen lief AndroidAPS daher im „Open Loop“-Modus. Das heißt, die App gibt lediglich Therapieempfehlungen, Anwender müssen sie selbstständig ausführen. Das soll sicherstellen, dass man sich mit der App auskennt, bevor man ihr seine Gesundheit anvertraut.

Die Bedienoberfläche von AndroidAPS ist nicht schön, aber zweckmäßig. In der Hauptansicht stellt die App wichtige Daten wie den Blutzuckerverlauf oder die abgegebene Insulinmenge grafisch und als Text dar. Es ist immer ersichtlich, was das System gerade tut – also um wie viel Prozent die abgegebene Insulinmenge verändert wurde und für wie lange. Manuelle Eingriffe wie die Bolusabgabe bei Mahlzeiten oder die Eingabe eines temporären Blutzuckerziels beim Sport sind schnell gemacht. Nach ein paar Tagen mit AndroidAPS verbringe ich nun fast jede Nacht mit Blutzuckerwerten im Zielbereich. In ruhigen Nächten läuft die Basalrate mit wenigen Anpassungen durch, in manchen Nächten reguliert das System ordentlich dagegen und das mit Erfolg. Meine Blutzuckerspitzen fallen nach dem Sport nun deutlich harmloser aus und erfordern seltener manuelle Eingriffe. Neben besseren Werten ist auch das neue Gefühl von höherer Sicherheit ein wichtiger Aspekt. Regelmäßige Kontrollen und Aufmerksamkeit beim Einsatz von AndroidAPS sind dennoch geboten. Zwar sind die Glukosesensoren üblicherweise sehr genau, aber im Zweifel misst man manuell nach.

Sollte das System mal ausfallen, läuft die Basalrate weiter. Wie die meisten Diabetiker habe ich genug Ausweich- und Ersatzmöglichkeiten dabei, etwa ein herkömmliches Blutzuckermessgerät, Insulin-Einwegspritzen und Traubenzucker.

Was ist Diabetes Typ 1?

Diabetes Typ 1 ist eine Autoimmunerkrankung, bei der das eigene Immunsystem die insulinproduzierenden Betazellen in der Bauchspeicheldrüse zerstört. Deshalb müssen Patienten ihrem Körper ein Leben lang Insulin subkutan zuführen, um den Blutzucker im Zaum zu halten. Über- oder Unterzuckerungen können sich unterschiedlich bemerkbar machen. Akut reichen sie von Müdigkeit bis hin zur Bewusstlosigkeit. Dauern sie an, können beispielsweise Schäden an Augen, Nieren oder Herz entstehen. Wie viel Insulin sich die in Deutschland mehr als 300.000 Patienten spritzen müssen, ist individuell verschieden, von vielen Faktoren abhängig und variiert von Tag zu Tag und Nacht zu Nacht. Planen, rechnen, Entscheidungen über die richtige Insulindosis treffen, zu hohe und zu niedrige Blutzuckerwerte richtig behandeln – die Erkrankung ist ein 24-Stunden-Job.


Anders als die Entwickler der DIY-Bewegung hat die Pharmaindustrie einige zusätzliche Hürden zu überwinden. Sie müssen strenge Zulassungsanforderungen erfüllen und oft mehrere Jahre andauernde Zulassungsverfahren bewältigen. Außerdem müssen kommerzielle Lösungen von allen Patienten bedient werden können, nicht nur von technikaffinen.

Das französische Unternehmen Diabeloop will künstliche Intelligenz nutzen, um auch den mahlzeitenabhängigen Insulinbedarf zu automatisieren – bisher eine Schwäche von Closed-Loop-Systemen. Der Algorithmus soll sich nach und nach die Ernährungs- und Bewegungsgewohnheiten des Anwenders merken und diese in die Berechnungen einbeziehen.

Auch Pharmaunternehmen wie Medtronic, Ypsomed und Medtrum arbeiten an Lösungen. Medtronic bietet unter anderem in den USA mit der Minimed 670g ein einfaches Closed-Loop-System an.

Die gemeinnützige Organisation Tidepool entwickelt auf Basis der iOS-App Loop eine Lösung, die regulär über den AppStore bezogen wird. Tidepool Loop soll zunächst die bald erhältliche Insulinpumpe Omnipod Dash unterstützen, weitere Pumpen sollen folgen.

Viele Pharmaunternehmen beziehen Entwickler aus der DIY-Community ein. So fließen die mit den Open-Source-Lösungen gesammelten Erfahrungen in offiziell zugelassene Systeme ein. Durch strenge Richtlinien zur Zulassung neuer Therapiehilfsmittel ist aber zu befürchten, dass die Algorithmen der kommerziellen Lösungen weniger individuell anpassbar arbeiten. Für die Haftung und Qualitätssicherung ist das wichtig, doch steht dies aus meiner Sicht dem technischen Fortschritt und den damit verbundenen Möglichkeiten für Diabetiker im Weg.

Das Warten auf zugelassene Geräte bedeutet auch, dass bei DIY-Lösungen die Verantwortung derzeit vollständig bei den „Loopern“ liegt: Hersteller können nicht zur Verantwortung gezogen werden, wenn ihre Hardware anders genutzt wird als von ihnen vorgesehen. Mediziner dürfen den Einsatz der Systeme weder empfehlen noch unterstützen. Krankenkassen leisten zwar bei offiziell zugelassenen Systemen und Geräten Unterstützung, werden sich bei Unfällen jedoch heraushalten.

Nach den jüngst erfolgten Zulassungen in den USA darf man gespannt sein, wie schnell sich kommerzielle Closed-Loop-Systeme verbreiten und wie sie das Diabetes-Management vereinfachen – und Diabetiker so bei ihrem 24-Stunden-Job unterstützen. (jube)

Stand der Technik: Die offiziellen Systeme

Angefangen mit Insulinspritzen, die man vor 40 Jahren noch auskochen musste, über Einwegspritzen und Insulinpens ist man heute bei Insulinpumpen angekommen. Auch die klassische Blutzuckermessung mit täglich mehrfachem Stechen in den Finger wurde durch kontinuierliche Glukosemessung abgelöst. Das ist einfach und präzise und Diabetiker können damit ihre Glukosewerte rund um die Uhr auf dem Smartphone überwachen. Auch wenn diese moderne Technik das Leben vereinfacht, müssen Patienten immer noch viel Denkarbeit leisten und häufig manuell eingreifen.

Insulinpumpe

Insulinpumpen injizieren das Insulin automatisch und sehr genau dosiert in regelmäßigen Abständen in den Körper des Patienten. Das geschieht über einen Schlauch, der mit einem Katheter verbunden ist. Den setzen Patienten selbst, etwa an Bauch oder Hüfte, und sie müssen ihn alle zwei bis drei Tage austauschen. Wie viel Insulin abgegeben wird, muss der Patient selbst an der Pumpe einstellen. Dabei wird unterschieden zwischen der Basalrate – dem Tages-Grundbedarf – und dem Bolus. Der ist dynamisch und hängt von den Mahlzeiten und der körperlichen Aktivität ab. Beim ersten Einsatz stellen Patienten die Pumpe zusammen mit medizinischem Fachpersonal richtig ein.

Vor dem Essen muss der Nutzer anhand des aktuellen Glukosewertes und der in der Nahrung enthaltenen Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette eine Insulindosis errechnen, Mahlzeiten-Bolus genannt, und sie über die Pumpe injizieren. Da Insulin nicht sofort wirkt, muss man je nach Insulinart einen sogenannten Spritz-Ess-Abstand einplanen. Andersrum muss der Nutzer bei körperlicher Aktivität rechtzeitig die Insulindosis reduzieren.

Kontinuierliche Glukosemessung (CGM)

Bei CGM-Systemen wird ein Sender auf der Haut befestigt, der Daten ans Smartphone überträgt. Darunter sitzt ein Sensor – unter der Haut. Damit ist es möglich, einen zeitlichen Verlauf der Glukosewerte über 24 Stunden zu erhalten. Es gibt unterschiedliche Ansätze: Beim Dexcom G6 beispielsweise bringen Benutzer einen flexiblen Messfaden aus Platin mit einem Applikator im Bauch- oder Gesäßbereich unter die Haut. Der zugehörige Sender wird mit diesem verbunden und darüber auf die Haut geklebt. Nach zehn Tagen müssen Anwender einen neuen Messfaden setzen, der Sender ist drei Monate benutzbar. Einen anderen Ansatz bietet das Eversense-System [1]. Hier setzt ein Arzt einen Sensor in Chipform operativ unter die Haut, der dort mehrere Monate bleiben kann. Auch hier wird ein Sender über dem Sensor auf die Haut geklebt, der die Messdaten ans Smartphone überträgt. Das Empfangsgerät zeigt dann kontinuierlich die gemessenen Glukosewerte an. Auch Trends sowie die Geschwindigkeit der Veränderungen lassen sich darstellen. Ist ein Wert zu hoch, zu tief, oder ändert er sich zu schnell, warnt das System.

Sensorunterstützte Pumpentherapie (SuP) mit Hypoglykämie-Abschaltung

Viele Typ-1-Diabetiker nutzen bereits Insulinpumpen, die mit Sensoren zur kontinuierlichen Glukosemessung kommunizieren. Sogenannte SuP-Systeme stoppen bei einer drohenden Unterzuckerung die Insulinabgabe. Systeme, die Insulin im Gegensatz dazu automatisch zugeben, sind hier jedoch noch nicht zugelassen. Die SuP-Therapie hilft somit vor allem Patienten, die nachts zu Unterzuckerung neigen oder diese nicht wahrnehmen. Bei zu hohen Werten ist nach wie vor der Patient selbst gefragt.


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