Pankreas Cerdas Buatan Dapat Menaklukkan Diabetes

Seseorang yang membutuhkan insulin sepanjang hidupnya harus mempertaruhkan nyawa. Konsentrasi glukosa darah dapat berubah secara dramatis dan ini terutama dipengaruhi oleh makanan dan olahraga. Jika glukosa darah terlalu rendah, seorang penderita bisa pingsan; jika naik terlalu tinggi dalam jangka waktu lama, penderita mungkin akan mengalami koma. Sedangkan jika membiarkan kadar glukosa darahnya agak tinggi, hal itu bisa menimbulkan komplikasi dalam jangka panjang seperti kerusakan saraf, kebutaan, dan penyakit jantung.
Untuk menghindari episode glukosa darah rendah yang berulang, pasien harus selalu harus mengontrol kadar glukosa darah mereka, yang mereka ukur berkali-kali sehari dengan menusuk jari mereka untuk memeriksa kadar glukosa pada tetesan darah.
Namun kini telah tersedia pankreas cerdas buatan yang bisa merasakan setiap perubahan glukosa darah dan mengarahkan pompa untuk mengatur jumlah asupan insulin. Jika sebelumnya semua sistem pankreas buatan komersial masih bersifat "hibrida" yang berarti setiap penggunanya diminta untuk memperkirakan karbohidrat dalam makanan yang akan mereka konsumsi, maka pankreas cerdas buatan ini merupakan sebuah kejayaan bioteknologi.
Pankreas cerdas buatan ini digagas oleh para ahli teknologi diabetes dan bioengineering di National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, Amerika Serikat (AS), sejak Desember 2005. Pada saat itu, teknologi yang memungkinkan penderita diabetes untuk melacak glukosa darah mereka sudah tersedia, namun penggunanya harus memperkirakan jumlah insulin yang mereka butuhkan dan kini masalah perkiraan jumlah insulin itu hendak ditiadakan.
Seorang ilmuwan terkemuka menjelaskan bahwa mekanisme pengaturan glukosa biologi terlalu rumit untuk direplikasi secara artifisial. Boris Kovatchev dan rekan-rekannya tidak setuju dengan alasan itu dan setelah 14 tahun bekerja, mereka dapat membuktikan bahwa ilmuwan itu salah.
Dalam sistem endokrin yang sehat, kadar glukosa darah puasa adalah sekitar 80 hingga 100 miligram per desiliter darah. Seluruh suplai darah orang dewasa biasanya mengandung 4 atau 5 gram gula, kira-kira sebanyak dalam sachet gula yang diberikan kedai kopi.
Mengkonsumsi karbohidrat, baik sebagai gula murni atau sebagai pati seperti roti, menyebabkan kadar glukosa darah meningkat. Pankreas yang berfungsi normal mengenali aliran gula yang masuk dan mengeluarkan insulin untuk memungkinkan sel-sel tubuh menyerapnya sehingga dapat digunakan sebagai energi atau disimpan untuk penggunaan tersebut di kemudian hari. Proses ini membawa kadar glukosa kembali normal.
Namun, pada orang dengan diabetes tipe 1 atau diabetes tipe 2 yang membutuhkan insulin, yang jumlahnya hampir 8,5 juta di AS saja, pankreas tidak menghasilkan insulin atau terlalu sedikit, dan proses kontrol harus diperkirakan dengan cara buatan.
Pankreas buatan komersial pertama adalah mesin seukuran lemari es yang disebut Biostator, untuk digunakan di rumah sakit pada pertengahan era '70-an. Namun karena metodenya memasukkan insulin langsung ke pembuluh darah, membuat mesin ini dipergunakan sebatas eksperimen di rumah sakit saja.
Setelah terus dikembangkan, baru pada 1999, Medtronic memperkenalkan monitor glukosa kontinu pertama yang cukup portabel untuk penggunaan rawat jalan. Perusahaan Abbott dan Dexcom pun terus berupaya meningkatkan kapabilitas perangkatnya hingga bisa menyajikan data glukosa secara real time.
Keakuratan pengukur glukosa pun telah meningkat secara konsisten selama 20 tahun terakhir dan berkat kemajuan itulah pankreas buatan menjadi mungkin untuk diciptakan.
Tujuan utama pankreas buatan ini adalah untuk meniru seluruh pekerjaan sistem kontrol pankreas, sehingga pasien tidak lagi harus direpotkan.
Tetapi meniru pankreas yang sehat terbukti sangat sulit. Pada dasarnya, manajemen glukosa darah adalah masalah dalam pengoptimalan, yang diperumit oleh makanan, olahraga, penyakit, dan faktor eksternal lainnya yang dapat mempengaruhi metabolisme.
Pada 1979, dasar untuk memecahkan masalah ini diperkenalkan oleh insinyur biomedis Richard Bergman dan Claudio Cobelli, yang menggambarkan sistem metabolisme manusia sebagai serangkaian persamaan.

Kendala
Namun, dalam praktiknya, sulit menemukan solusi karena tiga alasan utama.
Pertama adalah penundaan kerja insulin. Di dalam tubuh, insulin disekresikan di pankreas dan langsung dialirkan ke aliran darah. Tetapi ketika disuntikkan di bawah kulit, bahkan insulin tercepat membutuhkan waktu 40 menit hingga satu jam untuk mencapai puncak kerjanya. Jadi pengontrol pankreas buatan harus merencanakan untuk menurunkan glukosa darah satu jam dari sekarang, ia harus memprediksi masa depan.
Alasan kedua adalah masalah inkonsistensi. Tindakan insulin berbeda di antara setiap individu dan bahkan di dalam individu yang sama pada waktu yang berbeda.
Alasan ke-3 adalah ketidakakuratan sensor. Bahkan monitor glukosa kontinu terbaik pun membuat kesalahan, terkadang melayang ke arah tertentu, menunjukkan kadar glukosa yang terlalu rendah atau terlalu tinggi, masalah yang dapat berlangsung selama berjam-jam.
Terlebih lagi, sistem harus memperhitungkan pengaruh eksternal yang kompleks sehingga bekerja dengan baik untuk pria paruh baya yang kerap duduk di meja sepanjang hari, juga untuk remaja yang aktivitasnya sangat tinggi.
Untuk mengatasi permasalahan tersebut, peneliti telah mengajukan berbagai solusi. Upaya pertama adalah pengontrol proporsional-integral-derivatif (PID) langsung di mana insulin dikirimkan secara proporsional dengan peningkatan kadar glukosa darah dan laju perubahannya. Metode ini masih digunakan oleh satu sistem komersial buatan Medtronic.
Pendekatan yang lebih canggih adalah algoritma kontrol prediktif, yang menggunakan model sistem metabolisme manusia, seperti yang diusulkan pada 1979 oleh Bergman dan Cobelli. Intinya adalah untuk memprediksi keadaan masa depan dan dengan demikian sebagian mengimbangi difusi insulin subkutan yang tertunda ke dalam aliran darah.
Namun juga ada metode pengontrol eksperimental lainnya menggunakan dua hormon, insulin untuk menurunkan kadar glukosa darah dan glukagon untuk meningkatkannya.
Dari setiap pendekatan ini, kemudian terciptalah konsep untuk membuat pankreas buatan.
Untuk merancang pengontrol, Anda harus memiliki cara untuk mengujinya, di mana teknik biomedis biasanya mengandalkan uji coba pada hewan. Tetapi pengujian semacam itu memakan waktu dan mahal.
Pada 2007, tim di University of Virginia mengusulkan untuk menggunakan eksperimen simulasi komputer. Bersama dengan rekan dari Universitas Padua di Italia, tim membuat model komputer dari dinamika glukosa-insulin yang dioperasikan pada 300 subjek virtual dengan diabetes tipe 1.
"Model kami menggambarkan interaksi glukosa dan insulin dari waktu ke waktu melalui persamaan diferensial yang mewakili perkiraan fisiologi manusia terbaik yang tersedia. Parameter persamaan berbeda dari subjek ke subjek. Susunan lengkap dari semua set parameter yang layak secara fisiologis menggambarkan populasi yang disimulasikan," papar Boris.
Simulator UVA/Padua sekarang digunakan oleh para insinyur di seluruh dunia, dan eksperimen hewan untuk pengujian algoritma pankreas buatan baru telah ditinggalkan.
"Mungkin suatu hari akan masuk akal untuk menanamkan pankreas buatan di dalam rongga perut, di mana insulin dapat dimasukkan langsung ke dalam aliran darah, untuk tindakan yang lebih cepat," kata Boris.
Sebagian besar studi awal menilai sistem pankreas buatan lebih baik daripada terapi insulin manual dalam tiga cara. Para pasien menghabiskan lebih banyak waktu dalam kisaran target untuk glukosa darah, mereka memiliki lebih sedikit contoh glukosa darah rendah, dan mereka memiliki kontrol yang lebih baik selama tidur, saat ketika kadar glukosa darah rendah sulit untuk dideteksi dan diatur.
Namun uji coba awal ini semuanya mengandalkan komputer laptop untuk menjalankan algoritma. Tantangan berikutnya adalah membuat sistem mobile dan nirkabel, sehingga mereka dapat diuji dalam kondisi kehidupan nyata.
Tim di UVA mengembangkan sistem seluler pertama, Asisten Diabetes, pada 2011. Sistem ini berjalan pada smartphone Android, memiliki grafis antarmuka dan mampu melakukan observasi jarak jauh berbasis Web.
Pada 2016, uji coba penting berakhir untuk sistem hibrida komersial pertama, MiniMed 670G, yang secara otomatis mengontrol laju insulin secara terus-menerus sepanjang hari tetapi bukan dosis insulin tambahan yang diberikan sebelum makan. Sistem ini disetujui oleh FDA untuk penggunaan klinis pada 2017.
Saat ini generasi ketiga pankreas buatan telah dibuat oleh Tandem Diabetes Care di San Diego, bernama Control-IQ yang sistemnya bekerja tidak lagi memerlukan kalibrasi.
"Algoritma dibangun langsung ke pompa, yang berarti sistem tidak memerlukan smartphone eksternal untuk menangani komputasi," kata Boris.
Walau begitu, Control-IQ masih membutuhkan beberapa keterlibatan dari pengguna. Sistem kontrol hibridanya meminta orang tersebut untuk menekan tombol seperti untuk mengaktifkan perkiraan jumlah asupan karbohidrat saat seseorang makan atau jumlah karbohidrat yang dilepaskan saat melakukan aktivitas olahraga. SB/spectrum.ieee.org/I-1