Diabetes-Implantat: Blutzucker senkt sich innerhalb einer Stunde

Ein Forschungsteam der ETH Zürich um Martin Fussenegger vom Departement Biosysteme in Basel hat ein elektronisches Implantat zur Behandlung von Diabetes entwickelt. Das System konnte in Tierversuchen bei Mäusen den Blutzuckerspiegel erfolgreich senken und weckt Hoffnungen auf neue Formen der Blutzuckerkontrolle.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeit mit dem Titel „Wireless electrocatalytic closed-loop system for drug-free management of diabesity“ von Debasis Maity, Preetam Guha Ray, Peter Buchmann, Ghislaine Charpin-El Hamri und Martin Fussenegger wurden im Fachjournal Science veröffentlicht.

Laut dem Abstract der Studie betreffen typbedingter Typ-2-Diabetes und die damit verbundene Adipositas weltweit 2,5 Milliarden Menschen und führen zu jährlichen Gesundheitskosten von nahezu 3 Billionen US-Dollar.

Elektrokatalytischer Abbau ohne Insulin

Das System trägt den Namen ECHO, was für Electrocatalytic Closed-Loop Health Optimization steht, und lässt sich subkutan unter die Haut implantieren. Anders als bisherige therapeutische Ansätze benötigt das Gerät weder biologische Zellen noch Enzyme oder Medikamente wie Insulin.

Überschüssige Glukose wird stattdessen auf elektrokatalytischem Weg chemisch in Glukonat beziehungsweise Glukonsäure umgewandelt, die der Körper anschließend über die Nieren mit dem Urin ausscheiden kann.

Das Herzstück der Vorrichtung bildet ein anorganischer Katalysator aus Graphitfilz, der mit Gold-Nanoclustern beziehungsweise Gold-Nanopartikeln und Platinpartikeln versehen ist.

Die Steuereinheit ist in einem Gehäuse aus dem 3D-Drucker untergebracht. Die Energieversorgung funktioniert drahtlos über eine Frequenz von 13,56 Megahertz, wobei der reguläre Betrieb bei einer Spannung von 0,75 Volt und einer Stromstärke von 10 Milliampere erfolgt.

Das System arbeitet im Verbund mit einem handelsüblichen Glukosesensor am Oberarm, der Blutzuckerdaten per Bluetooth an ein Smartphone oder eine Smartwatch überträgt. Registriert das System erhöhte Werte, aktiviert das Smartphone das Implantat; ist der Zielwert erreicht, schaltet sich die Vorrichtung automatisch ab.

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Erfolgreiche Versuche im Tiermodell

In Versuchen mit an Typ-2-Diabetes erkrankten Mäusen normalisierten sich die Blutzuckerwerte innerhalb einer Stunde nach der drahtlosen Aktivierung. Über sechswöchige Testphasen hinweg sank der Blutzuckerspiegel wiederholt und blieb ohne gefährliche Unterzuckerungen stabil.

Die Versuchstiere vertrugen das Implantat über die Dauer von 6 Wochen gut, wobei weder thermische noch elektrische Gewebeschäden auftraten. Zudem verloren die behandelten Mäuse an Gewicht und verbrannten Fettreserven; während die Triglyceride sanken, stiegen freie Fettsäuren und Ketonkörper an.

Fussenegger erklärte gegenüber dem Schweizer Radio und Fernsehen, dass keine Unterzuckerungsgefahr bestehe, da der Katalysator beim Erreichen des festgelegten Zielwerts die Arbeit stoppe. In Labortests mit einer 5-Liter-Nährlösung, was dem Blutvolumen eines erwachsenen Menschen entspricht, wies der Katalysator seine Funktion zur Glukoseumwandlung ebenfalls nach.

Offene Fragen und klinische Einordnung

Trotz der positiven Laborresultate steht das Verfahren noch am Anfang. Bislang wurde das Implantat ausschließlich an Mäusen sowie in In-vitro-Tests erprobt; klinische Studien am Menschen stehen noch aus. Zu den bestehenden Einschränkungen gehört, dass der automatische Regelkreis bislang nur über einen Zeitraum von 12 Tagen validiert wurde, während die Behandlungsdauer 6 Wochen umfasste.

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Zudem bleiben Fragen zur Langzeitstabilität, Biokompatibilität, der Eignung bei Niereninsuffizienz sowie zu potenziellen Nebenprodukten und Langzeitfolgen erhöhter Konzentrationen von Glukonat oder Ketonen offen.

Fachleute mahnen deshalb zur Vorsicht. Andreas Birkenfeld vom Uniklinikum Tübingen und dem Helmholtz Zentrum München bezeichnete die elektronische Steuerung als innovativ, verwies jedoch auf ungeklärte Punkte hinsichtlich der Übertragbarkeit auf den menschlichen Organismus und der dauerhaften Funktion.

Michael Roden vom Deutschen Diabetes-Zentrum nannte potenzielle Risiken wie Infektionen, technische Fehlfunktionen sowie die Gefahr einer Ketoazidose bei gefährdeten Personen. Siegfried Ussar vom Helmholtz Zentrum München hielt fest, dass sich das Risikoprofil derzeit noch nicht seriös beurteilen lasse.

Die Forschenden der ETH Zürich beabsichtigen nun, den Katalysator schrittweise zu einem zertifizierten Medizinprodukt weiterzuentwickeln, wobei viele der verwendeten Komponenten bereits kommerziell erhältlich sind. Allein in der Schweiz leben derzeit knapp eine halbe Million Menschen mit der Diagnose Typ-2-Diabetes.

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