Insulin pumps improve the lives of many of the 415 million people with diabetes around the world by monitoring blood sugar, delivering insulin, and preventing the need for constant finger-pricking and blood testing. These small machines include a pump and a needle, which can sense glucose levels, feed back to the pump, and then calculate how much insulin to deliver through the needle. But they have a catch: they’re temporary. Within a few days, glucose sensors have to be moved and replaced. And it’s not just glucose monitors and insulin pumps that have this problem, but all bodily implants, at different time scales. Plastic prosthetic knees have to be replaced after about 20 years. Other implants, such as those used for cosmetic reasons, can meet the same fate in about 10. That isn’t just a nuisance: it can be expensive and risky.
پمپهای انسولین زندگی بسیاری از از ۴۱۵ میلیون نفری که در سراسر جهان مبتلا به دیابت را با نظارت بر قند خون، رساندن انسولین، و بدون نیاز به قطره خون انگشت و آزمایش خون، بهبود بخشد. این ماشینهای کوچک شامل یک پمپ و یک سوزن است که میتواند سطح گلوکز را حس کند، به پمپ بازخورد دهد، و سپس مقدار انسولین اعمال شده از طریق سوزن را محاسبه کند. اما یک محدودیت دارند: موقت هستند. ظرف چند روز، حسگرهای گلوکز باید جابهجا و جایگزین شوند. و این مشکل فقط مختص به نمایشگرهای گلوکز و پمپهای انسولین نیست بلکه همه ایمپلنتهای بدن، با مقیاسهای زمانی مختلف را شامل میشود. پس از حدود ۲۰ سال، پروتزهای پلاستیکی زانو باید جایگزین شوند. ایمپلنتهای دیگر، مانند آنهایی که برای کاربرد زیبایی استفاده میشوند می تواند در حدود ۱۰ سال به سرنوشتی مشابه دچار شوند. این تنها مایه رنجش نیست: می تواند گران و خطرناک باشد.
This inconvenience happens because of our bodies’ immune systems. Honed by several hundred million years of evolution, these defensive fronts have become exceptionally good at identifying foreign objects. Our immune systems boast an impressive arsenal of tools to tackle, intercept, and destroy anything they believe shouldn’t be there. But the consequence of this constant surveillance is that our bodies treat helpful implants, like insulin pumps, with the same suspicion as they would a harmful virus or bacteria.
این ناراحتی ناشی از سیستم ایمنی بدن ماست. چند صد میلیون سال تکامل، باعث چنین چیزی است این جبهههای دفاعی در شناسایی اشیاء خارجی، خارقالعاده خوب بوده اند. سیستم ایمنی بدن ما با یک زرادخانه چشمگیر از ابزارهایی برای مقابله و رهگیری، خودی نشان میدهد و هر چیزی را که معتقد به وجودش نباشد نابود میکند. اما نتیجه این نظارت مستمر این است که بدن ما با ایمپلنت های مفید مانند پمپهای انسولین، با همان سوء ظنی رفتار میکند که با یک ویروس یا باکتری مضر رفتار میکند.
As soon as the insulin pump has been implanted in the skin, its presence triggers what’s known as a “foreign body response.” This starts with free-floating proteins that stick themselves to the surface of the implant. Those proteins include antibodies, which attempt to neutralize the new object and send out a signal that calls other immune cells to the site to strengthen the attack.
به محض اینکه پمپ انسولین در پوست نفوذ کند، حضور آن باعث تحریک آنچه که به عنوان "پاسخ جسم خارجی" شناخته می شود، میگردد. این با پروتئینهای آزاد شناور آغاز میشود که خود را به سطح ایمپلنت بچسبانند. این پروتئین شامل پادتنها میشود که تلاش میکنند جسم جدید را خنثی کنند و یک سیگنال ارسال میکند که سلولهای ایمنی دیگر را به محل فرا میخواند تا حمله را تقویت کنند.
Early-responding inflammatory cells, like neutrophils and macrophages, respond to the emergency call. Neutrophils release little granules filled with enzymes that try to break down the surface of the insulin pump’s needle. Macrophages secrete enzymes too, together with nitric oxide radicals, which create a chemical reaction that degrades the object over time. If the macrophages are unable to dispatch the foreign body rapidly, they fuse together, forming a mass of cells called a “giant cell.” At the same time, cells called fibroblasts travel to the site and begin to deposit layers of dense connective tissue. Those enclose the needle that the pump uses to deliver insulin and test for glucose levels. Over time this scaffolding builds up, forming a scar around the implant.
سلولهای التهابی پاسخ سریع، مانند نوتروفیلها و ماکروفاژها به تماس اضطراری پاسخ میدهند. نوتروفیلها گرانولهای ریزی را که از آنزیمها پر شده اند، آزاد می کنند سعی میکنند سطح سوزن پمپ انسولین را در هم بشکنند. ماکروفاژها همچنین آنزیمهایی را ترشح میکنند که همراه با رادیکالهای اکسید نیتریک با ایجاد یک واکنش شیمیایی شی را به مرور زمان از بین میبرد. اگر ماکروفاژها قادر به رسیدن سریع به جسم خارجی نباشند بههم می پیوندند، یک توده سلول به نام "سلول غول پیکر" را تشکیل میدهند. در همان زمان، سلولهایی به نام فیبروبلاستها به محل میروند و لایههای چگال از بافت چسبنده رسوب میدهند. آنها سوزنی را که پمپ برای رساندن انسولین و اندازهگیری سطوح گلوکز استفاده میکند، محاصره میکنند. با گذشت زمان، این داربست ها ساخته می شوند که اطراف ایمپلنت یک خراش ایجاد میکنند.
The scar functions as an almost impenetrable wall that might start to block vital interactions between the body and the implant. For example, scarring around pacemakers can interrupt the electrical transmission that’s crucial for their functioning. Synthetic knee joints may give off particles as they’re worn down, causing immune cells to inflame around these fragments. Tragically, the immune system’s attack can even be life-threatening.
خراش به عنوان یک دیوار تقریبا غیر قابل نفوذ عمل میکند که ممکن است از اندرکنشهای حیاتی بین بدن و ایمپلنت جلوگیری به عمل آورد. برای مثال، تشکیل خراش در اطراف دستگاههای ضربانساز قلب می تواند در از انتقال الکتریکی که برای عملکردشان بسیار مهم است، وقفه ایجاد کند. مفاصل مصنوعی زانو ممکن است هنگامی که ساییده میشوند، باعث کنده شدن ذرات شوند، باعث میشود سلولهای ایمنی در اطراف این ذرات ملتهب شوند. به طور غمانگیزی، حمله سیستم ایمنی حتی میتواند زندگی را تهدید کند.
However, researchers are finding ways to trick the immune system into accepting the new devices we introduce into our bodily tissues. We’ve discovered that coating implants with certain chemicals and drugs can dampen the immune response. Those basically make the implants invisible to the immune system. We’re also making more implants out of natural materials and in forms that directly mimic tissues, so that the body launches a weaker attack than it would if it came across a completely artificial implant. Some medical treatments involve implants designed to regenerate lost or damaged tissues. In those cases, we can design the implants to contain ingredients that will release specific signals, and carefully tailor our bodies’ immune reactions.
با این حال، محققان در حال یافتن راههایی برای فریب سیستم ایمنی بدن برای پذیرش دستگاههای جدید که به بافتهای بدن وارد میکنیم، هستند. ما کشف کردهایم که پوشش ایمپلنت با مواد شیمیایی و داروهای خاص میتواند پاسخ ایمنی را کاهش دهد. اینها اساسا ایمپلنت را نسبت به سیستم ایمنی بدن نامرئی میکنند. ما همچنین ایمپلنتهای بیشتری از مواد طبیعی تولید میکنیم و در شکلهایی که به طور مستقیم مانند بافتها هستند، به طوری که بدن حمله ضعیفتری را نسبت به ورود ایمپلنتهای کاملا مصنوعی آغاز میکند. برخی از درمانهای پزشکی شامل ایمپلنت هستند که برای بازسازی بافتهای از دست رفته و آسیب دیده طراحی شده ااند. در آن موارد ما می توانیم ایمپلنت هایی را طراحی کنیم که حاوی موادی هستند که سیگنال های خاصی را منتشر خواهد کرد و با دقت با واکنشهای ایمنی بدن ما سازگار میشوند.
In the future, this way of working alongside the immune system could help us develop completely artificial organs, totally integrative prostheses, and self-healing wound therapies. These treatments might one day revolutionize medicine– and transform, forever, the bodies we live in.
در آینده، این روش عملکرد در کنار سیستم ایمنی بدن می تواند به ما کمک کند تا اندامهای کاملا مصنوعی را توسعه دهیم که کاملا یکپارچه هستند و قابلیت خودترمیم شوندگی آسیب را دارند. این درمان ها ممکن است یک روز در پزشکی، انقلابی بر پا کنند و بدنی را که ما در آن زندگی می کنیم، برای همیشه تغییر دهند.