Neues Diabetes-Implantat baut Zucker im Blut ab

Bei Diabetes bleibt zu viel Zucker im Blut. Medikamente können ihn senken, doch die überschüssige Energie kann der Körper weiterhin als Fett speichern. Wissenschaftler haben nun einen völlig anderen Weg gefunden: Ein elektronisches Implantat wandelt Blutzucker in eine Substanz um, die über den Urin ausgeschieden wird. Bei Mäusen mit Typ-2-Diabetes sank der Blutzucker innerhalb von nur einer Stunde auf normale Werte. Die Tiere nahmen zudem ab und verbrannten verstärkt ihre Fettreserven – ganz ohne Insulin oder andere blutzuckersenkende Medikamente.

Entwickelt wurde das neue Diabetes-Implantat von Wissenschaftlern der ETH Zürich um den Biotechnologen Martin Fussenegger. In der Fachzeitschrift Science berichten sie über einen winzigen, elektrisch betriebenen Katalysator, der überschüssige Glukose direkt chemisch umwandelt. Sechs Wochen lang ließ sich der Blutzucker der Mäuse wiederholt regulieren, ohne dass eine gefährliche Unterzuckerung auftrat. Ein handelsüblicher Glukosesensor konnte das Implantat sogar automatisch steuern. An Menschen wurde die Technik bislang nicht getestet.

Winzige Gold- und Platinpartikel bauen den Zucker ab

Im Inneren des Implantats steckt ein poröses Material aus Graphit, das mit winzigen Goldplättchen und noch kleineren Platinpartikeln beschichtet ist. Diese Kombination bildet einen sogenannten Elektrokatalysator. Fließt Strom durch das Material, setzt auf seiner Oberfläche eine chemische Reaktion ein: Glukose wird in Glukonat umgewandelt.

Glukonat enthält weniger verwertbare Energie als Glukose und kann über die Nieren ausgeschieden werden. Der Katalysator selbst kommt ohne lebende Zellen, Enzyme oder andere biologische Bestandteile aus. Die verwendeten Materialien gelten laut ETH Zürich als biokompatibel. Das bedeutet, dass sie grundsätzlich für den Kontakt mit lebendem Gewebe geeignet sind.

Katalysator arbeitet mit nur 0,75 Volt

Für den Betrieb reichen eine Spannung von 0,75 Volt und eine Stromstärke von 10 Milliampere. Das Implantat erhält seine Energie drahtlos über eine Funkfrequenz von 13,56 Megahertz. Eine elektronische Steuereinheit sitzt in einem eigens angefertigten, 3D-gedruckten Gehäuse.

Die Leistungsfähigkeit des Katalysators untersuchten die Wissenschaftler auch außerhalb des Körpers. Dazu verwendeten sie fünf Liter einer glukosehaltigen Nährlösung. Die Flüssigkeitsmenge entspricht ungefähr dem Blutvolumen eines erwachsenen Menschen. Selbst in diesem Volumen konnte der Katalysator Glukose umwandeln. Ob sich diese Leistung auf den menschlichen Organismus übertragen lässt, ist bislang nicht untersucht.

Fettstoffwechsel verändert sich deutlich

Während der sechswöchigen Behandlung veränderten sich bei den Mäusen mehrere Blutwerte. Besonders auffällig war der Rückgang der Triglyceride. Diese Blutfette dienen dem Körper unter anderem als Energiereserve. Gleichzeitig stiegen die Konzentrationen freier Fettsäuren und Ketonkörper. Letztere entstehen vor allem dann, wenn die Leber Fett zur Energieversorgung verarbeitet.

Die Wissenschaftler beobachteten damit drei Veränderungen:

Weniger Triglyceride: Die Konzentration dieser Blutfette ging zurück.
Mehr freie Fettsäuren: Im Blut zirkulierten vermehrt Fettsäuren, die der Körper als Energiequelle nutzen kann.
Mehr Ketonkörper: Der Stoffwechsel stellte verstärkt Energieträger aus Fett bereit.

Zusammen mit der Gewichtsabnahme sprechen diese Veränderungen für eine stärkere Nutzung körpereigener Fettreserven. Anders als bei einer reinen Verlagerung des Blutzuckers in die Körperzellen wird ein Teil der Glukose dem normalen Energiestoffwechsel entzogen. Eine konkrete Gewichtsabnahme in Gramm oder Prozent nennen die verfügbaren Studienauszüge nicht.

Smartphone reguliert den Blutzucker selbstständig

Die elektronische Steuerung verbindet das Implantat mit einem handelsüblichen Sensor zur kontinuierlichen Glukosemessung (CGM). Solche Sensoren sitzen gewöhnlich am Oberarm und erfassen regelmäßig den Zuckergehalt in der Gewebeflüssigkeit. Die Werte gelangen drahtlos an ein Smartphone oder eine Smartwatch.

Überschreitet der Glukosewert einen zuvor festgelegten Grenzwert, schaltet die Steuerung den Katalysator ein. Sinkt der Wert auf das gewünschte Niveau, stoppt die elektrische Aktivierung. So arbeitet das Gerät nur bei Bedarf. Das System trägt den Namen ECHO, eine Abkürzung für Electrocatalytic Closed-Loop Health Optimization.

Sechs Wochen ohne erkennbare Gewebeschäden

Während der sechswöchigen Behandlung funktionierte das Implantat zuverlässig. Die Wissenschaftler stellten weder schädliche Entzündungsreaktionen noch auffällige Verhaltensänderungen fest. Auch Hinweise auf elektrische oder thermische Gewebeschäden blieben aus.

„Das System arbeitet mit einer sehr niedrigen Spannung, und unsere Experimente haben gezeigt, dass weder elektrische noch thermische Effekte zu Gewebeschäden führen“, erklärt Fussenegger. Die Beobachtungen beschränken sich bislang auf die untersuchten Tiere und die sechswöchige Versuchsdauer.

Elektronik soll künftig den Zuckerstoffwechsel steuern

„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“, sagt Fussenegger.

Für den Einsatz beim Menschen muss das System allerdings noch weiterentwickelt werden. Klinische Studien zur Wirksamkeit und langfristigen Verträglichkeit stehen aus. Die ETH-Wissenschaftler planen, aus dem Prototyp ein Medizinprodukt zu entwickeln. Viele dafür benötigte Komponenten sind bereits erhältlich, darunter Sensoren sowie Geräte zur drahtlosen Steuerung und Energieversorgung.

Kurz zusammengefasst:

Ein elektronisches Implantat wandelt überschüssigen Blutzucker in Glukonat um, das der Körper über die Nieren ausscheiden kann.
Bei Mäusen mit Typ-2-Diabetes normalisierte das Implantat den Blutzucker innerhalb einer Stunde; die Tiere verloren zudem Gewicht und nutzten verstärkt Fett als Energiequelle.
Das drahtlos gesteuerte System funktioniert ohne blutzuckersenkende Medikamente und wurde sechs Wochen lang erfolgreich an Mäusen getestet; Untersuchungen an Menschen fehlen bislang.

Übrigens: Abnehmen schützt nicht jeden Menschen gleichermaßen vor Diabetes. Wissenschaftler aus Tübingen fanden heraus, dass bestimmte Stoffwechselmerkmale das Erkrankungsrisiko trotz langfristigen Gewichtsverlusts erhöhen können. Mehr dazu in unserem Artikel „Warum Abnehmen nicht jeden vor Diabetes schützt“.