Diabetes-Implantat: Elektronik statt Medikamente gegen hohen Blutzucker?

Schweizer Forschende haben ein neuartiges, implantierbares System zur Behandlung von Typ‑2‑Diabetes entwickelt. Dabei wandelt ein spezifischer Katalysator Glukose in Glukonat um, welches über die Nieren ausgeschieden werden kann. In diabetischen Mäusen reduzierte das Implantat den Blutzucker und das Gewicht.

Typ-2-Diabetes ist häufig mit Übergewicht, Bewegungsmangel und langfristig einer zu hohen Energiezufuhr verbunden. Zudem beeinflussen sowohl Typ-2-Diabetes als auch Adipositas den Stoffwechsel und können einander verstärken: In der Fachwelt hat sich der Begriff „Diabesity“, ein Mischwort aus Diabetes und „Obesity“, etabliert. Reicht eine Umstellung des Lebensstils nicht aus, ergänzen Medikamente wie Metformin, SGLT2-Hemmer und GLP-1-Rezeptoragonisten sowie Insulin die Behandlung.

Dabei können Insulininjektionen zwar den Blutzucker wirksam senken, aber nicht das Problem eines dauerhaften Energieüberschusses beheben. Denn Insulin sorgt lediglich dafür, dass Muskelzellen die Glukose aus dem Blut aufnehmen. Verbraucht der Körper diese Energie jedoch nicht, wandelt er den Überschuss in Fett um. Die Folge: Trotz Behandlung nehmen viele Betroffene weiter zu.

In der Fachzeitschrift „Science“ präsentieren Forschende der ETH Zürich (Schweiz) unter der Leitung von Prof. Martin Fussenegger nun eine mögliche Lösung: ein elektrischer Katalysator, der unter die Haut implantiert werden kann und den Blutzucker abbaut.

Elektronik statt biologischer Moleküle

Schon in den vergangenen Jahren haben die 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.

Deshalb verfolgten sie nun einen anderen Ansatz: ein elektrokatalytisches geschlossenes System zur ‚Gesundheitsoptimierung‘ (ECHO). Der Katalysator selbst besteht dabei 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 über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden. Das Wirkprinzip ähnelt somit dem der SGLT2-Hemmer, die ebenfalls das Ausscheiden von Glukose über die Nieren fördern.

Die Forschenden testeten das Implantat in adipösen, diabetischen Mäusen. Die Ergebnisse: Der Blutzuckerspiegel der Tiere ließ sich gezielt regulieren. Außerdem verloren die Tiere an Gewicht und zeigten verbesserte Blutfettwerte. 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.

Die Stärke der elektrischen Stimulation und damit auch die Rate der chemischen Reaktion konnten passend zum Blutzuckerspiegel eingestellt werden. Zusätzlich testeten die Forschenden an den Mäusen zwölf Tage lang ein Closed-Loop-System, also eine drahtlose Ansteuerung des Katalysators über einen geschlossenen Regelkreis. 

Dabei misst ein gewöhnlicher Blutzuckersensor, wie ihn Diabetiker:innen schon heute am Oberarm tragen, 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. Ist der Glukosespiegel auf einen gewünschten Zielwert gesunken, schaltet sich das Gerät automatisch ab. Das soll Patient:innen vor einer Unterzuckerung schützen.

Übertragbarkeit und klinischer Nutzen noch ungeklärt

Ob sich das System wirklich auf den Menschen übertragen lässt, muss allerdings noch geklärt werden. Zwar konnte das Team in einem Laborversuch anhand einer glukosehaltigen Nährlösung von fünf Litern zeigen, dass das System leistungsfähig genug ist, um in einem solchen Flüssigkeitsvolumen Glukose abzubauen. Doch „was bei einer Maus funktioniert, muss noch lange nicht beim Menschen funktionieren“, kommentiert Prof. Andreas Birkenfeld vom Universitätsklinikum Tübingen gegenüber dem Science Media Center die Ergebnisse.

Dennoch bewertet Birkenfeld den neuen Ansatz grundsätzlich positiv. Besonders spannend sei die Steuerbarkeit, die der Katalysator – im Vergleich zu klassischen SGLT2-Hemmern – ermöglicht. „Außerdem funktioniert das Ganze unabhängig von Insulin, und man müsste nicht regelmäßig Medikamente einnehmen“, ergänzt der Leiter des Instituts für Diabetesforschung und Metabolische Erkrankungen (IDM) des Helmholtz Zentrum München am DZD-Standort Tübingen. „Damit könnte das Verfahren grundsätzlich sowohl bei Typ-2- als auch bei Typ-1-Diabetes infrage kommen. Wobei man ganz klar sagen muss: Bei Typ-1-Diabetes würde es das Insulin nicht ersetzen.“

Prof. Michael Roden, wissenschaftlicher Geschäftsführer des Deutschen Diabetes-Zentrums (DDZ), sieht das Vorhaben etwas kritischer: „Die Autoren möchten ihr Verfahren mit den aktuell erfolgreichsten Diabetesmedikamenten, den Inkretinanaloga, vergleichen. Die Effizienz der Inkretinanaloga bezüglich Blutglukosesenkung und Gewichtsreduktion im Mausmodell erscheint jedoch mindestens gleich gut“, so Roden. Außerdem fehle es an Langzeitdaten, beispielsweise hinsichtlich der Wirksamkeit, potenzieller Nebenwirkungen und der Haltbarkeit des Katalysators.

Auch die Zielgruppe des neuen Systems sei laut Roden eingeschränkt. In den Mäusen war der verstärkte Fettabbau mit einem raschen Anstieg der Ketonkörper im Blut verbunden. Demnach seien Personen mit Typ-1-Diabetes und lange bestehendem Typ-2-Diabetes, die aufgrund des Insulinmangels ein erhöhtes Risiko für eine Ketoazidose aufweisen, eher ungeeignet, so Roden. Und auch bei eingeschränkter Nierenfunktion, die häufig im Zusammenhang mit Typ-2-Diabetes auftritt, müsse man genau hinschauen, ergänzt Birkenfeld.

Potenzielle Alternative zu Medikamenten?

Fussenegger selbst 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.

Ob und wann das Implantat etablierten Medikamenten ernsthafte Konkurrenz machen kann, bleibt abzuwarten. „Eine Technologie kann noch so faszinierend sein, aber am Ende muss sie vor allem sicher, zuverlässig und im Alltag praktikabel sein“, sagt Birkenfeld abschließend. (mkl)

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