Ein winziges Implantat unter der Haut kann überschüssigen Blutzucker ganz ohne Medikamente aus dem Körper schaffen. Forscher der ETH Zürich haben dafür einen Katalysator aus Gold, Platin und Graphit entwickelt, der Glukose mit elektrischem Strom in einen Stoff umwandelt, den die Nieren einfach ausscheiden. Bei Mäusen mit Typ-2-Diabetes brachte das Gerät erhöhte Zuckerwerte innerhalb einer Stunde in den Normalbereich, die Tiere nahmen zudem ab. Gesteuert wurde es automatisch über einen handelsüblichen Glukosesensor und ein Smartphone. Ob das System auch beim Menschen funktioniert, ist allerdings noch völlig offen, denn Tests an Patienten stehen noch aus.
Diabetes gehört zu den großen Volkskrankheiten. Nach dem Deutschen Gesundheitsbericht Diabetes 2026 leben allein in Deutschland mindestens 9,3 Millionen Menschen mit einem Typ-2-Diabetes, weltweit sind es Hunderte Millionen. Bei dieser Form der Zuckerkrankheit spricht der Körper schlecht auf das Hormon Insulin an, und der Blutzucker bleibt nach dem Essen zu lange zu hoch. Häufig geht die Krankheit mit Übergewicht einher, Fachleute sprechen deshalb auch von „Diabesity“, einer Verbindung aus Diabetes und englisch obesity für Fettleibigkeit. Nach Angaben der Forscher betrifft dieses Doppelproblem weltweit mehr als 2,5 Milliarden Menschen und verursacht jährlich Gesundheitskosten von fast drei Billionen US-Dollar.
Ein Team um den Biotechnologen Martin Fussenegger vom Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel geht das Problem nun auf ungewöhnliche Weise an. Statt dem Körper mit Medikamenten oder Insulin beizubringen, wie er mit Zucker umgehen soll, entfernt ihr Implantat den überschüssigen Zucker selbst. „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 laut einer Mitteilung der ETH Zürich. Erstautor der Studie ist Debasis Maity, beteiligt war außerdem eine Forscherin der Universität Lyon.
Das Gerät trägt den Namen ECHO, eine Abkürzung für „electrocatalytic closed-loop health optimization“, sinngemäß eine elektrokatalytische Gesundheitsoptimierung im geschlossenen Regelkreis. Sein Herzstück ist ein Elektrokatalysator. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden, ein Elektrokatalysator nutzt dafür zusätzlich elektrische Energie. Im Implantat besteht er aus porösem Graphitfilz, in den winzige Gold-Nanocluster eingebettet sind. Diese sind wiederum mit noch kleineren Platinpartikeln besetzt. Unter dem Elektronenmikroskop erinnern die kugeligen Strukturen an Sandrosen, wie sie in Wüsten aus Kristallen entstehen. Die nanostrukturierte Oberfläche haben die Forscher selbst entwickelt, und sie kommt ohne Zellen, Enzyme oder andere biologische Bestandteile aus.
Liegt Spannung an, oxidiert der Katalysator Glukose gezielt zu Glukonat. Dieses Salz der Glukonsäure enthält weniger nutzbare Energie als Zucker und wird zu einem großen Teil über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden. Der umgewandelte Zucker steht dem Stoffwechsel damit nicht mehr zur Verfügung und kann auch nicht als Fett gespeichert werden. Die Energie erhält das Implantat drahtlos von außen über die Funkfrequenz 13,56 Megahertz, die international für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen reserviert ist. Die elektronische Steuereinheit sitzt in einem Gehäuse aus dem 3D-Drucker. Dass medizinische Geräte unter der Haut mit Glukose arbeiten können, hatte dieselbe Gruppe schon früher gezeigt: Eine Brennstoffzelle gewann damals Energie für Implantate aus Blutzucker, setzte aber noch auf künstliche, insulinproduzierende Zellen.
Getestet haben die Forscher das System an Mäusen mit Typ-2-Diabetes und Übergewicht, denen das Implantat unter die Haut eingesetzt wurde. Schon eine geringe Leistung genügte: Bei einer Spannung von 0,75 Volt und einer Stromstärke von 10 Milliampere sank der erhöhte Blutzucker innerhalb einer Stunde wieder in den Normalbereich. Wiederholte Behandlungen hielten die Werte über sechs Wochen stabil. Eine gefährliche Unterzuckerung, die bei Insulin und manchen Diabetes-Medikamenten gefürchtet ist, trat dabei nicht auf. Das Implantat funktionierte während der gesamten Versuchszeit 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.
Bemerkenswert sind die Folgen für den gesamten Stoffwechsel. Weil weniger Zucker zur Verfügung stand, griffen die Körper der Tiere verstärkt auf gespeichertes Fett zurück. Im Blut der behandelten Mäuse sanken die Triglyceride, also die Blutfette, während freie Fettsäuren und Ketonkörper zunahmen. Ketonkörper entstehen, wenn der Körper Fett als Energiequelle verbrennt. Die Tiere verloren außerdem an Körpergewicht. Entzündungen, Veränderungen im Verhalten oder andere unerwünschte Wirkungen fanden die Forscher in den sechs Wochen nicht. Das Implantat greift also nicht nur in den Zuckerspiegel ein, sondern entzieht dem Körper auch einen Teil der überschüssigen Kalorien, die sonst als Fett eingelagert würden.
Damit das Implantat nicht ständig läuft, koppelten die Forscher es an ein kontinuierliches Glukosemessgerät, wie es viele Menschen mit Diabetes heute schon am Oberarm tragen. Der Glukosesensor misst laufend den Zuckerwert im Gewebe und schickt die Daten per Bluetooth an ein Smartphone oder eine Smartwatch. Überschreitet der Wert nach einer Mahlzeit eine festgelegte Schwelle, schaltet das Smartphone den Katalysator ein. Ist der Blutzucker auf den gewünschten Zielwert gesunken, schaltet sich das Gerät automatisch wieder ab. Dieser geschlossene Regelkreis soll verhindern, dass der Zucker zu tief fällt. Bei den Mäusen hielt das automatische System den Blutzucker auf diese Weise ohne Eingriff von außen im gewünschten Bereich. Wie stark solche Sensoren die Behandlung bereits verändert haben, zeigen auch Entwicklungen, bei denen ein neuer Sensor den Blutzuckerspiegel ohne Blutabnahme misst.
Um zu prüfen, ob die Leistung des Katalysators auch für größere Körper ausreichen könnte, ließ das Team das System zusätzlich fünf Liter einer zuckerhaltigen Nährlösung bearbeiten. Das entspricht ungefähr dem Blutvolumen eines erwachsenen Menschen. Auch in diesem Volumen baute der Katalysator die Glukose ab. Eine Maus besitzt dagegen nur wenige Milliliter Blut, der Sprung zum Menschen ist also gewaltig. Der Versuch im Kolben zeigt zwar, dass die Chemie grundsätzlich mit menschlichen Mengen zurechtkommt. Wie sich das Implantat im menschlichen Gewebe über Monate oder Jahre verhält, beantwortet er aber nicht.
Heutige Diabetes-Therapien wirken fast alle über die körpereigene Regulation. Insulin sorgt dafür, dass Muskel- und andere Zellen Zucker aus dem Blut aufnehmen. Wird diese Energie nicht verbraucht, wandelt der Körper sie in Fett um. Deshalb nehmen nach Angaben der ETH Zürich viele Betroffene trotz Behandlung weiter zu. Neuere Wirkstoffe senken zusätzlich das Gewicht, viele Patienten nehmen mit Diabetes-Medikamenten deutlich ab. Solche Mittel müssen aber meist lebenslang eingenommen werden, können Nebenwirkungen haben und mit der Zeit an Wirkung verlieren. Ein Implantat, dessen Leistung sich elektrisch genau dosieren lässt, könnte nach Ansicht der Forscher eine Alternative ohne Wirkstoff sein.
Auch gegenüber früheren Ansätzen der eigenen Gruppe sehen die Forscher einen Vorteil. Fusseneggers Team hatte jahrelang mit genetisch veränderten Zellen gearbeitet, die auf ein Signal hin Insulin freisetzen. Solche biologischen Bauteile bringen jedoch Probleme bei der Verträglichkeit mit dem Immunsystem, der Haltbarkeit, der Herstellung und der Zulassung mit sich. Ein rein anorganischer Katalysator umgeht diese Hürden. Zudem sind die übrigen Komponenten, etwa Glukosesensoren und Geräte zur drahtlosen Energieübertragung, bereits kommerziell erhältlich. Die Forscher wollen das System nun zu einem Medizinprodukt weiterentwickeln. In einem begleitenden Kommentar in derselben Fachzeitschrift würdigen die Bioingenieure William Bentley und Gregory Payne die Arbeit unter der Überschrift, den Glukosestoffwechsel unter elektronische Kontrolle zu bringen.
So vielversprechend die Ergebnisse klingen, sie stammen bisher ausschließlich aus Laborversuchen und Tierexperimenten. Mäuse haben einen anderen Stoffwechsel, ein viel kleineres Blutvolumen und eine deutlich kürzere Lebensdauer als Menschen. Sechs Wochen Behandlung sagen wenig darüber aus, ob der Katalysator über Jahre aktiv bleibt, ob sich Gewebe um das Implantat herum verändert oder ob sich Metallpartikel lösen. Offen ist auch, wie groß ein Implantat für einen Menschen sein müsste, wie viel Glukose es pro Stunde umsetzen kann und welche Sendegeräte Patienten für die drahtlose Energieversorgung am Körper tragen müssten. Ob die Gewichtsabnahme beim Menschen ähnlich ausfiele, lässt sich aus den Daten nicht ableiten. Bis zu einer möglichen Zulassung wären klinische Studien nötig, die erfahrungsgemäß viele Jahre dauern. Für Menschen mit Typ-2-Diabetes bleiben Bewegung, Ernährung und die bewährten Medikamente deshalb vorerst die Grundlage der Behandlung.
Science, Wireless electrocatalytic closed-loop system for drug-free management of diabesity; doi:10.1126/science.ady8560
ETH Zürich, Elektronisches Implantat gegen Diabetes: Wie ein Mini-Katalysator Zucker im Blut abbaut
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