Ein Implantat der ETH Zürich senkt den Blutzucker, indem es überschüssige Glukose elektrisch gesteuert in Glukonat umwandelt. Im Mausmodell funktionierte das System sechs Wochen lang und verringerte zugleich das Körpergewicht. Untersuchungen am Menschen stehen noch aus.
Diabetes mit Elektronik statt mit Medikamenten behandeln: Forschende der ETH Zürich haben einen implantierbaren Katalysator entwickelt, der Glukose direkt aus dem Stoffwechsel entfernen soll. Das System arbeitet in einem geschlossenen Regelkreis und könnte künftig mit einem kontinuierlichen Glukosesensor gekoppelt werden. Die in Science veröffentlichte Arbeit verfolgt damit einen anderen Ansatz als Insulinpumpen oder medikamentöse Therapien. Statt die Aufnahme oder Verarbeitung von Glukose im Körper zu beeinflussen, wandelt das Implantat einen Teil des überschüssigen Zuckers chemisch in Glukonat um.
Gold und Platin bilden den Katalysator
Das Herzstück des Systems ist ein Katalysator aus Graphitfilz. Darauf sitzen nanometergroße Goldstrukturen, die wiederum mit kleineren Platinpartikeln besetzt sind. Im Unterschied zu früheren Ansätzen der Forschungsgruppe um Martin Fussenegger benötigt das System keine gentechnisch veränderten Zellen, Enzyme oder andere biologische Komponenten. Eine elektronische Steuereinheit befindet sich in einem 3D-gedruckten Gehäuse. Die Energie wird drahtlos bei einer Frequenz von 13,56 Megahertz übertragen. Im Tierexperiment arbeitete das System mit sehr niedriger elektrischer Leistung. Unter elektrischer Spannung oxidiert der Katalysator Glukose zu Glukonat. Dadurch steht diese Glukose nicht mehr für die reguläre Speicherung und Verwertung im Körper zur Verfügung.
Glukosesensor steuert geschlossenen Regelkreis
Vorgesehen ist ein Closed-Loop-System mit kontinuierlicher Glukosemessung. Ein handelsüblicher CGM-Sensor kann den Glukosewert im Gewebe erfassen und die Daten über ein Smartphone oder eine Smartwatch an das Implantatsystem weitergeben. Steigt die Glukose über einen festgelegten Schwellenwert, wird der Katalysator aktiviert. Nach Erreichen des Zielbereichs schaltet er sich wieder ab. Dadurch soll verhindert werden, dass zu viel Glukose entfernt und eine Hypoglykämie ausgelöst wird. Getestet wurde das System bei adipösen Mäusen mit Typ-2-Diabetes.
Nach Aktivierung des Implantats normalisierte sich der erhöhte Blutzucker innerhalb von etwa einer Stunde. Bei einer sechswöchigen Behandlung sank zudem das Körpergewicht der Tiere. Die Forschenden beobachteten außerdem Veränderungen des Energiestoffwechsels: Die Triglyzeridwerte gingen zurück, während freie Fettsäuren und Ketonkörper zunahmen. Hinweise auf Hypoglykämien oder relevante Beeinträchtigungen von Verhalten, Entzündungsparametern und physiologischen Funktionen wurden in den Versuchen nicht festgestellt. Nach Angaben der ETH zeigte sich während der sechswöchigen Versuchsdauer auch kein Hinweis auf Gewebeschäden durch elektrische oder thermische Effekte.
Fünf-Liter-Test prüft Skalierbarkeit
Zusätzlich untersuchten die Forschenden, ob der Katalysator prinzipiell auch mit größeren Flüssigkeitsmengen umgehen kann. Dazu wurde er in einem Behälter mit fünf Litern glukosehaltiger Nährlösung getestet – ungefähr dem Blutvolumen eines erwachsenen Menschen. Auch unter diesen Bedingungen konnte der Katalysator Glukose umwandeln. Der Versuch ist jedoch kein Modell eines menschlichen Kreislaufs und erlaubt keine Aussage darüber, wie sich das Implantat im menschlichen Organismus verhalten würde. Er liefert zunächst einen technischen Hinweis darauf, dass sich die elektrokatalytische Reaktion auf größere Flüssigkeitsvolumina skalieren lässt. Das Team möchte den Ansatz nun zu einem Medizinprodukt weiterentwickeln. Mehrere wesentliche Fragen sind allerdings noch offen. Bislang wurde das Implantat nicht am Menschen getestet. Unklar ist unter anderem, wie dauerhaft Katalysator und Implantat im Körper funktionieren, wie sich das System bei langfristiger Anwendung verhält und welche Mengen an Glukose sich beim Menschen sicher und metabolisch sinnvoll entfernen lassen.
