Immer mehr Menschen weltweit leiden an Diabetes Typ 2. Anders als Typ 1 ist diese Form häufig mit Übergewicht, Bewegungsmangel und langfristig einer zu hohen Energiezufuhr verbunden. Insulininjektionen können zwar den Blutzucker wirksam senken, beheben das Problem eines dauerhaften Energieüberschusses aber nicht. Denn Insulin sorgt lediglich dafür, dass die Muskelzellen den Zucker in Form von Glukose aus dem Blut aufnehmen. Wenn der Körper diese Energie aber nicht verbraucht, wandelt er den Überschuss in Fett um. Die Folge: Trotz Behandlung nehmen viele Betroffene weiter zu.
Nun präsentieren Martin Fussenegger, Professor am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel, und sein Team eine Lösung: Sie haben einen Blutzucker abbauenden elektrischen Katalysator entwickelt, der in den Körper implantiert werden kann.
Neuer Ansatz: Elektronik statt biologischer Moleküle
Schon in den vergangenen Jahren haben die Basler ETH-Forschenden versucht, Diabetes über Blutzucker abbauende Systeme zu bekämpfen. In der Vergangenheit setzten sie auf speziell entwickelte genetische Netzwerke. Das Problem dabei ist, dass solche Ansätze biologische Komponenten benötigen. Diese bringen zusätzliche Anforderungen mit sich, etwa hinsichtlich Immunverträglichkeit, Stabilität, Herstellung und Zulassung.
Anders das neue System: Der neue Katalysator selbst besteht nur aus anorganischen Materialien und kommt ohne Zellen, Enzyme oder andere biologische Komponenten aus. Stattdessen besteht er aus Graphitfilz, der mit nanometergrossen Goldflocken und noch kleineren Platinpartikeln bestückt ist. Alle verwendeten Materialien sind laut Fussenegger biokompatibel. Die nanostrukturierte Oberfläche des Katalysators haben die Forschenden selbst entwickelt.
Das Implantat enthält zudem eine elektronische Steuereinheit in einem 3D-gedruckten Gehäuse. Die Energieversorgung erfolgt drahtlos über eine international für medizinische und wissenschaftliche Anwendungen vorgesehene Funkfrequenz von 13,56 MHz.
Glukose in Glukonat umwandeln
Der Katalysator wandelt überschüssige Glukose im Blut in Glukonat um. Damit wird ein Teil der überschüssigen Glukose dem normalen Glukose-Stoffwechsel entzogen, anstatt in Gewebe aufgenommen und dort gespeichert zu werden. Das wirkt zugleich der Bildung von Körperfett entgegen. Das Glukonat wird mit dem Urin ausgeschieden.
Angesteuert wird der Katalysator drahtlos über einen geschlossenen Regelkreis. Ein gewöhnlicher Blutzuckersensor, wie ihn Diabetiker schon heute am Oberarm tragen, misst kontinuierlich den Glukosewert im Gewebe. Steigt dieser nach einer Mahlzeit zu stark an, sendet der Sensor via Bluetooth ein Signal an ein Smartphone oder eine Smartwatch. Das Gerät schaltet daraufhin den Katalysator ein, der mithilfe von elektrischer Energie die Glukose umwandelt. Ist deren Pegel auf einen gewünschten Zielwert gesunken, schaltet sich das Gerät automatisch ab. Das schützt Patientinnen und Patienten vor einer gefährlichen Unterzuckerung.
In Mäusen funktioniert’s
In einem Laborversuch testete das Team um Fussenegger das System an einer glukosehaltigen Nährlösung von 5 l – was ungefähr dem Blutvolumen eines Erwachsenen entspricht. Damit zeigten sie: Der Katalysator ist leistungsfähig genug, um in einem solchen Flüssigkeitsvolumen Glukose abzubauen. Ausserdem testeten die Forschenden das System an diabetischen Mäusen.
Die Ergebnisse: Der Blutzuckerspiegel der Tiere liess sich gezielt regulieren. Die Mäuse nahmen zudem ab. Das Implantat war gut verträglich und funktionierte während der sechswöchigen Testphase zuverlässig. „Das System arbeitet mit einer sehr niedrigen Spannung, und unsere Experimente haben gezeigt, dass weder elektrische noch thermische Effekte zu Gewebeschäden führen“, sagt Fussenegger. Tests an Menschen stehen noch aus.
Paradigmenwechsel: Technisches Gerät statt Medikament
Der ETH-Professor sieht den neuen Ansatz als Paradigmenwechsel: weg von klassischen Medikamenten hin zu elektronisch gesteuerten, skalierbaren Interventionen, die sich in digitale Umgebungen wie das Internet of Things integrieren lassen. „Seit Jahrzehnten behandeln wir Diabetes, indem wir dem Körper vorgeben, wie er mit Glukose umgehen soll. Jetzt zeigen wir, dass wir die Glukose direkt kontrollieren können, und zwar mit Elektronik statt mit Medikamenten.“
Die Forschenden wollen das System nun als Medizinprodukt weiterentwickeln. Weil der eigentliche glukoseabbauende Wirkmechanismus ohne Zellen oder Enzyme auskommt, könnte dies die technische Weiterentwicklung vereinfachen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die für den Bau eines solchen Geräts nötigen Komponenten inklusive externer Steuerungs- und Stromladegeräte bereits entwickelt und kommerziell erhältlich sind.
