Mixed-Meal-Test bei Typ-1-Diabetes unter Insulinpumpentherapie: Optimierung der künstlichen Bauchspeicheldrüse

HINTERGRUND: Idealerweise sollte eine optimale Behandlung von T1DM einen nahezu normalen Blutzuckerspiegel ohne Hypoglykämien und erhaltene Lebensqualität erreichen. Im klinischen Bereich gilt dies selbst für die derzeit komplexeste Strategie, d. h. die durch Glukosesensoren verstärkte Insulinpumpentherapie, bei der Patienten sowohl eine Pumpe zur subkutanen Insulinabgabe (CSII) als auch einen subkutanen Glukosesensor zur kontinuierlichen Glukoseüberwachung (CGM) tragen, nicht die Bedürfnisse der Patienten vollständig erfüllen. Algorithmen der künstlichen Bauchspeicheldrüse (AP) oder des integrierten geschlossenen Regelkreises (CLC), die CGM-Messwerte und die Auswirkungen früherer Insulininfusionen berücksichtigen, um die zu verabreichende Insulindosis kontinuierlich zu berechnen, zielen darauf ab, die Glukosevariabilität in Echtzeit zu minimieren und extreme Glukoseabweichungen verhindern. Eine Reihe von Forschungsgruppen hat jahrelang hervorragend daran gearbeitet, einen tragbaren AP zu entwickeln, der den Patienten (und/oder die Pflegekraft) teilweise oder vollständig von der Last der Steuerung ohne Rückkopplung befreit. Eine perfekte Glukosekontrolle fehlt jedoch immer noch, insbesondere bei postprandialen glykämischen Exkursionen. Weitere Erkenntnisse könnten durch Studien der Substrat-/Hormonreaktionen auf Mahlzeiten bei T1DM-Patienten unter sensorunterstützter CSII gewonnen werden, möglicherweise verglichen mit dem Goldstandard der normalen Physiologie, unter besonderer Berücksichtigung der relativen Rolle, die eine Reihe von Faktoren der Glukose- Insulinpumpensystem zur Kontrolle des Glukosespiegels.

Metabolic Control Analysis (MCA) ist ein theoretischer Rahmen, der darauf abzielt, Stoffwechselsysteme quantitativ zu beschreiben und die Verteilung der Kontrolle zu messen. MCA quantifiziert die Rolle jeder Komponente eines Systems (z. B.: Absorptionsrate des schnellen Insulinanalogons, Kohlenhydratabsorption durch den Darm usw.) bei der Steuerung einer interessierenden Variablen, insbesondere von Flüssen oder Konzentrationen, des Systems selbst durch Berechnung der skalierte Kontrollkoeffizient (CCs). CCs reichen typischerweise von -1 bis +1, und je größer ihr absoluter Wert ist, desto stärker ist die Kontrolle. Die Anwendung von MCA bei T1DM-Patienten unter CGM/CSII könnte die individuelle Rolle der einzelnen Komponenten des Systems quantifizieren und dazu beitragen, die Hindernisse zu verstehen und möglicherweise zu überwinden, um eine stabile und strenge Glukosekontrolle zu erreichen und CLC-Algorithmen für ein optimales Management von weiterzuentwickeln die Krankheit.

ZIEL: Untersuchung der Eigenschaften und Determinanten des Glukose-Insulin-Pumpsystems bei Patienten mit T1DM mit CGM mit besonderem Schwerpunkt auf der Systemebene (d. h. Glukose-CCs). Wir werden Verträglichkeitstests mit einzelnen gemischten Mahlzeiten sowie 24-Stunden-Studien bei T1DM-Patienten und gesunden Kontrollpersonen durchführen. Wir werden von uns entwickelte mathematische Modellierungswerkzeuge anwenden und aus dieser Datenbank virtuelle Patienten und virtuelle Kontrollen erstellen, um weitere Einblicke in die Veränderungen des Glukose-Insulin-Pumpsystems bei Patienten zu gewinnen.

SPEZIFISCHE ZIELE:

• ZIEL 1: Beschreibung und Vergleich der Merkmale des Glukose-Insulin-Systems bei T1DM-Patienten und gesunden Kontrollpersonen während unterschiedlich großer Frühstücksmahlzeiten
• AIM 2: Testen der Reproduzierbarkeit eines modellbewerteten Glukose-Insulin-Pumpsystems bei T1DM-Patienten
• ZIEL 3: Darstellung und Vergleich der Merkmale des Glukose-Insulin-Systems bei T1DM-Patienten und gesunden Kontrollpersonen während 24-Stunden-Perioden

HYPOTHESE: Wir nehmen an, dass bei T1DM-Patienten unter CGM und CSII:

1. Es gibt Verzerrungen in der Verteilung der Plasmaglukosekontrolle, wie durch MCA bewertet, im Vergleich zu gesunden Personen;
2. die Verteilung der Kontrolle unterscheidet sich zwischen Plasmaglukose und Glukose, die von derzeit verwendetem CGM stammt, das das mutmaßliche Signal ist, das in CLC-Algorithmen eines tragbaren AP verwendet werden soll;
3. Beide oben genannten mutmaßlichen Änderungen müssen berücksichtigt werden, um effektive und sichere CLC-Algorithmen zu entwickeln.

METHODEN: Diese Forschung ist in drei verschiedene Protokolle artikuliert. Alle Probanden erhalten eine Woche vor der Studie eine isokalorische, labyrinth- und rohrzuckerfreie Diät. Alle T1DM-Patienten erhalten CGM/CSII und werden aus der Patientenpopulation rekrutiert, die unsere Klinik für ambulante Insulinpumpentherapie besucht. Jeder Patient wird weiterhin sein/ihr eigenes Pumpgerät, Insulinanalog und Glukosesensor verwenden. Alle Studien beginnen um 07:00 Uhr nach einer nächtlichen Fastenzeit (≥ 10 Stunden). Alle Blutproben werden in gekühlten Röhrchen gesammelt und sofort bei 1500 g zentrifugiert; Plasma wird abgetrennt und bei -80 °C gelagert. Entsprechend der geplanten Verwendung von Plasma werden Röhrchen für Blutproben Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) zur Antikoagulation ± Antiglikolytikum ± Serinprotease und DPP4-Inhibitoren enthalten.

-PROTOKOLL 1: Untersuchung des Glukose-Insulin-Systems während zwei Tests mit gemischten Mahlzeiten bei T1DM-Patienten und gesunden Kontrollpersonen.

10 T1DM-Patienten und 10 gesunde Alters-, Geschlechts- und BMI-abgestimmte Kontrollpersonen werden rekrutiert. Die Patienten erhalten ihre übliche Insulinpumpentherapie, und die Rate der basalen Insulinisierung wird von 02:00 Uhr bis zum Studienende konstant gehalten. Alle Fächer werden 3 Mal im Abstand von 1-2 Wochen studiert. Bei Patienten wird Studie 1 eine standardmäßige 120-minütige euglykämische Insulinklemme sein. Zeitgesteuerte Blutproben werden entnommen, um den Insulinspiegel in Intervallen von 10 bis 30 Minuten zu messen. Die Plasmaglukose wird am Krankenbett mit einem YSI-Glukoseanalysegerät gemessen; subkutane Glukose wird durch CGM überwacht. Bei den Kontrollen wird Studie 1 ein häufig entnommener IVGTT mit einer Dauer von 240 Minuten sein. Zeitgesteuerte Blutproben (n=27) für Glukose, C-Peptid und Insulin werden gesammelt. Die Studien 2 und 3 werden sowohl bei Patienten als auch bei Kontrollen identisch sein. Sie werden in zufälliger Reihenfolge durchgeführt und dauern 360 Minuten. Nach einer 60-minütigen Basisperiode nehmen die Probanden zum Zeitpunkt 0' entweder eine Mahlzeit mit 320 kcal (Studie 2) oder eine 640 kcal (Studie 3) zu sich. Die Zusammensetzung der Mahlzeit (% Kcal: 53,3 % Kohlenhydrate, 28,2 % Lipide, 18,5 % Protein) besteht aus indischer Maispolenta plus Parmesankäse. Die Patienten programmieren ihre Pumpe so, dass sie zum Zeitpunkt 0' eine wie üblich berechnete Mahlzeit-Insulinbolusdosis injiziert. Blutproben (n=20) werden in festgelegten Intervallen entnommen, um Plasmaglukose, 13C/12C-Glukose-Verhältnis, Insulin, Glukagon und C-Peptid (letzteres nur bei Kontrollpersonen) zu messen. In einer geringeren Zeitfrequenz werden auch Triglyceride, nicht veresterte Fettsäuren (NEFA), aktives Glucagon-ähnliches Peptid-1 (GLP1) und das gesamte Magen-Inhibitorpeptid (GIP) gemessen. Die subkutane Glukose wird nur bei Patienten durch CGM überwacht. Daten, die von IVGTT in Kontrollen abgeleitet werden, werden die Rolle übernehmen, die die Insulin-Clamp-Daten bei T1DM-Patienten spielen. Frühere Experimente und auch unveröffentlichte Beobachtungen in unserem Labor haben gezeigt, dass mit IVGTT und Insulinklammern bei gesunden Menschen ähnliche Werte der Insulinsensitivität erzielt werden. Der andere Unterschied besteht darin, dass anstelle der Insulinpumpe, wie zuvor beschrieben, ein Beta-Zellen-Sekretions-Minimalmodell verwendet wird. Die Verfügbarkeit von Bestimmungen des 12C/13C-Glucose-Verhältnisses wird dieses Bild weiter bereichern und es ermöglichen, den Beitrag der Mahlzeitenkohlenhydrate zur Gesamtplasmaglukose und aus der Differenz den Beitrag der endogenen Produktion (hauptsächlich der Leber) zur Gesamtglukose zu berechnen. Diese Datenanreicherung wird in Schritt 3 zu einer weiteren Modellentwicklung führen (sowohl bei Kontrollen als auch bei Patienten) und es ermöglichen, die Gesamtinsulinwirkung in ihre zwei Komponenten aufzuteilen, die eine, die auf die endogene Glukoseproduktion wirkt, und die eine, die auf die Glukoseverwertung wirkt. Ersteres ist für die Interpretation der Glukagon- und möglicherweise auch der aktiven GLP1-Daten relevant.

Mit dieser Strategie ist es möglich, alle relevanten CCs von G(t) sowohl für Plasma- als auch für CGM-Werte zu berechnen. Phänotypische Ergebnisse sind in drei Stufen aufsteigender Komplexität geschichtet:

1. Modellfreie Messungen: Mahlzeitensubstrat- und Hormonspiegel, insbesondere im Hinblick auf Glukagon und aktives GLP1 für ihre Wirkung auf die Leberglukoseproduktion und auf Gesamt-GIP als Regulator des Fettzellstoffwechsels;
2. Modellabgeleitete Schätzungen einzelner Merkmale des Glukose-/Insulinsystems: Sie umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Glukosesensitivität (SG), Insulinsensitivität (SI), Kohlenhydrat-Transitzeit bis zum Erreichen des systemischen Kreislaufs, mittlere Transitzeit von Insulin bis systemischen Kreislauf aus dem subkutanen Depot erreichen (nur Patienten);
3. Modellbasierte Bewertung der Systemeigenschaften des Glukose-Insulin-Systems (Kontrollen) und des Glukose-Insulin-Pumpensystems (T1DM) bei Patienten: Sie beinhalten alle Glukose- (bei Patienten auch CGM-Glukose) Kontrollkoeffizienten.

PROTOKOLL 2: Reproduzierbarkeit der Beurteilung des Glukose-Insulin-Systems während eines einzelnen Mischmahlzeittests bei T1DM-Patienten.

10 T1DM-Patienten mit Insulinpumpentherapie und subkutaner kontinuierlicher Glukoseüberwachung (CGM) werden rekrutiert. Das Studienprotokoll ist mit folgenden Ausnahmen identisch mit Protokoll 1: 1. bei 5 T1DM-Patienten bestehen Studie 2 und Studie 3 aus zwei wiederholten Mahlzeiten mit 320 kcal; 2. bei 5 T1DM-Patienten bestehen Studie 2 und Studie 3 aus zwei wiederholten Mahlzeiten mit 640 kcal. Die phänotypischen Ergebnisse werden wie in Protokoll 1 für die Reproduzierbarkeitsanalyse geschichtet.

-PROTOKOLL 3: Das Glukose-Insulin-System während eines 24-Stunden-Zeitraums bei T1DM-Patienten und Kontrollpersonen.

10 T1DM-Patienten und 10 gesunde Alters-, Geschlechts- und BMI-abgestimmte Kontrollpersonen werden rekrutiert. Alle Fächer werden bei 2 getrennten Gelegenheiten im Abstand von 1-2 Wochen studiert. Sowohl bei Patienten als auch bei Kontrollen wird Studie 1 mit Protokoll 1 identisch sein (d. h. eine Insulinklemme bzw. ein IVGTT). In Studie 2 werden alle Probanden am Morgen der Studie (07:00 Uhr) in das Clinical Research Center (CRC) aufgenommen und bleiben dort für die gesamte Dauer (24 Stunden). Die Probanden dürfen sich innerhalb des CRC frei bewegen, dürfen sich jedoch nicht körperlich betätigen. Die Patienten werden während der gesamten Studie ihre übliche Insulintherapie fortsetzen, einschließlich der Berechnung der Insulindosis zu den Mahlzeiten und der Injektion. Um 08:00, 13:00 und 19:00 nehmen die Probanden drei gemischte Mahlzeiten zu sich (200 kcal/m-2 Körperoberfläche (BSA), 400 kcal/m-2 BSA und 400 kcal/m-2 BSA, Nahrungszusammensetzung: 54 % Kohlenhydrate, 28 % Lipide, 18 % Protein). Bei 6 Patienten und 6 Kontrollpersonen besteht die Mahlzeit um 13:00 Uhr aus indischer Maispolenta plus gewürztem italienischem DOP-Parmesankäse. Bei den anderen 6 Patienten und 6 Kontrollen besteht die Mahlzeit um 19:00 Uhr aus indischer Maispolenta plus gewürztem italienischem DOP-Parmesankäse. Zeitgesteuerte Blutproben (n = 62) werden gesammelt. Plasmaglukose, Insulin, Glukagon und C-Peptid (letzteres nur bei Kontrollpersonen) werden zu allen Zeitpunkten gemessen. In geringerer Zeitfrequenz werden auch Triglyceride, unveresterte Fettsäuren (NEFA), Aminosäuren, aktives GLP1 und Gesamt-GIP gemessen. Bei den Probanden, die die Polenta-Mahlzeit um 13:00 Uhr zu sich nehmen, wird das 13C/12C-Glucose-Verhältnis von 12:00 bis 24:00 Uhr gemessen. Bei den Probanden, die die Polenta-Mahlzeit um 19:00 Uhr zu sich nehmen, wird das 13C/12C-Glucose-Verhältnis von 18:00 bis 07:00 Uhr am nächsten Morgen gemessen. Die subkutane Glukose wird nur bei Patienten durch CGM überwacht. Die Polenta-Mahlzeit wird nur in einer Mahlzeit pro Tag verwendet, um einen Verlust der Interpretierbarkeit der Daten des 13C/12C-Glucose-Verhältnisses aufgrund der andauernden Glukose-Kohlenstoff-Rezirkulation/Recycling durch Glykogen/Glukoneogenese zu vermeiden. Das Verhalten des Glukose/Insulin-Systems zur Frühstückszeit wird bereits in Protokoll 1 untersucht. Die Ergebnisse werden wie in Protokoll 1 beschrieben geschichtet und analysiert.

ERWARTUNGEN: Die kombinierte Analyse von Insulin-Clamp- und Mixed-Meal-Test (MMT)-Daten wird es ermöglichen, ein umfassendes Modell des Glukose-Insulin-Systems während eines MMT in jedem Probanden zu erstellen, das dadurch als virtueller In-Silico-Patient funktionieren wird, so ein Well etablierte Methodik, die in unserem Labor entwickelt wurde. Die Sammlung virtueller Patienten mit Typ-1-Diabetes, die sich einer MMT unterziehen, wird die aus dieser Studie abgeleitete In-silico-Biobank bilden. Virtuelle Patienten werden verwendet, um MCA zur Berechnung von CCs durchzuführen. Darüber hinaus wird die Inkretinhormon-, Glucagon- und Substratantwort auf eine gemischte Mahlzeit quantifiziert, was die mutmaßliche Identifizierung weiterer Modifikatoren des Glucose-Insulin-Systems ermöglicht. Diese Datenbank wird maßgeblich zur Entwicklung eines Kontrollalgorithmus beitragen, der in der Lage ist, eine normale Glukoseregulation während einer gemischten Mahlzeit bei Patienten mit Typ-1-Diabetes mit CGM unter Insulinpumpentherapie zu gewährleisten.