Diabetes: ECHO-Implantat senkt Blutzucker bei Mäusen binnen einer Stunde

In der Behandlung von Diabetes mellitus eröffnen bioelektronische Ansätze neue Perspektiven für das Therapiemanagement. Ein Forschungsteam um Martin Fussenegger vom Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel stellte in der Fachzeitschrift Science ein implantierbares System vor, das überschüssige Glukose im Körper direkt elektrochemisch abbaut.

Das Verfahren mit der Bezeichnung ECHO (electrocatalytic closed-loop health optimization) kombiniert ein unter die Haut eingesetztes Katalysator-Modul mit handelsüblichen Sensoren zur kontinuierlichen Glukosemessung und ermöglicht eine präzise Blutzuckerkontrolle in einem geschlossenen Regelkreis.

Funktionsweise des elektrochemischen Regelkreises

Das System arbeitet vollkommen ohne die Gabe von Fremdstoffen wie Insulin. Kernkomponente des etwa USB-stick-großen Implantats ist ein Träger aus Graphitfilz beziehungsweise ein Graphit-Wafer, der mit Gold-Nanoclustern und Platinpartikeln beschichtet ist. Sobald das Implantat über eine drahtlose Verbindung mit einer Frequenz von 13,56 MHz mit Energie versorgt wird, oxidiert es Glukose zu Glukonat.

Gesteuert wird dieser Vorgang durch einen geschlossenen Regelkreis: Ein herkömmlicher Glukosesensor erfasst die Gewebezuckerwerte und übermittelt die Daten via Bluetooth an ein Smartphone oder eine Smartwatch. Übersteigt der Blutzuckerspiegel den definierten Schwellenwert, aktiviert das Steuergerät das Implantat.

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Bei Erreichen des Zielwerts schaltet sich der Katalysator automatisch ab. Laut den Studienergebnissen wird etwa ein Fünftel des erzeugten Glukonats im Körper als Energie verbrannt, während der verbleibende Teil über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden wird.

Ergebnisse aus Labor- und Tiermodellen

An den Untersuchungen waren neben der ETH Zürich auch die Universität Basel und die Universität Lyon beteiligt. In Versuchsreihen mit adipösen Mäusen, die an Typ-2-Diabetes litten, normalisierten sich erhöhte Blutzuckerwerte bei einer Betriebsspannung von 0,75 Volt und einer Stromstärke von 10 Milliampere innerhalb einer Stunde. In einem Versuchsaufbau mit kommerziellen Glukosesensoren arbeitete das System zwei Wochen lang autonom ohne menschliches Eingreifen.

Über einen Zeitraum von sechs Wochen führte die Anwendung bei den Tieren zu reduzierten Körpergewichts- und Triglyceridwerten. Gleichzeitig stiegen die freien Fettsäuren und Ketone an. Unerwünschte Unterzuckerungen traten während der Testphase nicht auf.

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Um die Übertragbarkeit auf den menschlichen Organismus zu prüfen, testeten die Forschenden den Katalysator zudem in einem Laborgefäß mit einer Fünf-Liter-Glukoselösung, was dem durchschnittlichen menschlichen Blutvolumen entspricht. Auch unter diesen Bedingungen ließ sich die Glukosekonzentration erfolgreich absenken.

Gewebeverträglichkeit und Ausblick

Das Implantat erwies sich in den präklinischen Tests über sechs Wochen hinweg als zuverlässig und gut verträglich. Weder traten Schäden durch elektrische oder thermische Effekte im umliegenden Gewebe auf, noch bildeten sich Narben oder Entzündungszeichen.

Ein Austritt von Metallpartikeln wurde nicht beobachtet. Nach sechs Wochen entnommene Implantate blieben weiterhin funktionstüchtig; einzelne Module zeigten auch nach drei Monaten unter der Haut noch Aktivität.

Klinische Studien an Menschen stehen bislang aus. Die beteiligten Forschungsinstitute planen nun die Weiterentwicklung der Technologie mit dem Ziel, das System mittelfristig zu einem zugelassenen Medizinprodukt für die Diabetesversorgung auszubauen.