Mini-Katalysator baut Zucker im Blut ab
- Das System der ETH Zürich nutzt einen nicht-biologischen Mini-Katalysator aus anorganischen Materialien (Graphitfilz, Gold, Platin), der Glukose im Blut in Glukonat umwandelt und so überschüssigen Zucker dem Stoffwechsel entzieht.
- Ein implantierbarer Katalysator wird drahtlos und bedarfsgerecht durch einen externen Blutzuckersensor und eine Steuereinheit via Smartphone/Smartwatch aktiviert, um Hypoglykämie zu vermeiden.
- Nach erfolgreichen Tests im Labor und an diabetischen Mäusen soll das implantierbare System als Medizinprodukt weiterentwickelt werden.
Das innovative, implantierbare System zur Behandlung von Typ-2-Diabetes verfügt über einen spezifischen Katalysator. Dieser ist in der Lage, im Körper überschüssige Glukose in Gluconat umzuwandeln und sie so dem weiteren Zuckerstoffwechsel zu entziehen.
Dieser Mechanismus verhindert die Aufnahme in Gewebe und deren Speicherung, was gleichzeitig der Bildung von Körperfett entgegenwirkt. Das entstehende Gluconat wird anschließend über den Urin ausgeschieden.
Elektronik statt biologischer Moleküle
Der Kern dieser Technologie ist ein Katalysator, der vollständig aus anorganischen Materialien besteht – ohne Zellen, Enzyme oder andere biologische Komponenten. Er setzt sich aus Graphitfilz zusammen, der mit nanometergroßen Goldflocken und noch kleineren Platinpartikeln bestückt ist.
Alle verwendeten Materialien sind laut Martin Fussenegger, Professor am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel, biokompatibel. Die Forschenden entwickelten die nanostrukturierte Oberfläche des Platin-Gold-Katalysators selbst.
Das Implantat umfasst zudem eine elektronische Steuereinheit, die in einem 3D-gedruckten Gehäuse untergebracht ist. Die Ansteuerung des Katalysators erfolgt drahtlos über einen geschlossenen Regelkreis. Ein gewöhnlicher Blutzuckersensor, wie ihn Diabetikerinnen und Diabetiker bereits am Oberarm tragen, misst kontinuierlich den Glukosewert im Gewebe.
Steigt dieser Wert 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 elektrischer Energie die Glukose umwandelt.
Ist der Glukosespiegel auf einen gewünschten Zielwert gesunken, schaltet sich das Gerät automatisch ab. Dieser Mechanismus schützt Patientinnen und Patienten vor einer gefährlichen Unterzuckerung.
Erfolgreich in präklinischen Studien
In einem Laborversuch testete das Team um Fussenegger das System an einer fünf Liter großen, glukosehaltigen Nährlösung, was in etwa dem Blutvolumen eines Erwachsenen entspricht. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Katalysator leistungsfähig genug ist, um in einem solchen Flüssigkeitsvolumen Glukose abzubauen. Die Forschenden testeten das implantierbare System anschließend auch erfolgreich an diabetischen Mäusen.
Die Ergebnisse sind vielversprechend: Der Blutzuckerspiegel der Tiere ließ sich gezielt regulieren, und 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, doch das Potenzial sei enorm.
Paradigmenwechsel in der Diabetes-Therapie
Fussenegger sieht in dem neuen Ansatz einen Paradigmenwechsel: weg von klassischen Medikamenten hin zu elektronisch gesteuerten, skalierbaren Interventionen, die sich in digitale Umgebungen integrieren lassen.
Die Forschenden wollen das System nun als Medizinprodukt weiterentwickeln. Da der eigentliche Glukoseabbau ohne Zellen oder Enzyme erfolgt, könnte dies die technische Weiterentwicklung und Zulassung vereinfachen, erklärt Fussenegger.
Ein weiterer Vorteil sei, dass die benötigten Komponenten für den Bau eines solchen Geräts, inklusive externer Steuerungs- und Stromladegeräte, bereits entwickelt und kommerziell erhältlich seien.
Quelle: ETH Zürich