Mausstudie

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Implantat senkt Blutzucker durch Elektrokatalyse

Ein neu entwickeltes Metall-Implantat senkt mithilfe der Elektrokatalyse den Blutzuckerspiegel von adipösen Mäusen mit Typ-2-Diabetes in den Normbereich. Das berichten Forschende um Dr. Debasis Maity von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich im Fachjournal »Science«. Sie entwickelten das Implantat, um die Glucosehomöostase wiederherzustellen und den Energiestoffwechsel zu regulieren.

Die Forschenden nennen ihr System ECHO, für electrocatalytic closed-loop health optimization. Elektrokatalysatoren nutzen elektrischen Strom, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Das Implantat ist mit Platin beschichtet und enthält Gold-Nanocluster, die in eine poröse Graphitmatrix eingebettet sind. Es lässt sich drahtlos laden und katalysiert im Körper eine selektive Oxidation von Glucose in das energieärmere Gluconat. Dieses wiederum wird über die Nieren ausgeschieden. Das System testete das Team an einem Mausmodell für Adipositas und Typ-2-Diabetes.

Da sich die elektrische Stimulation des Implantates genau steuern lässt, konnten die Forschenden manuell regulieren, wie viel Glucose tatsächlich oxidiert wird. Zudem verband das Team das Implantat mit einem kontinuierlichen Glucosemessgerät. Wenn der Blutzucker der Maus einen bestimmten Wert überschritt, aktivierte das System über einen Rückkopplungsmechanismus (»closed-loop«) automatisch die Elektrokatalyse.

»Das Prinzip und der kurzfristige, sechswöchige Test in Mausmodellen für Adipositas und Typ-2-Diabetes sind interessant und erscheinen effektiv«, kommentiert Professor Dr. Michael Roden gegenüber dem Science Media Center Deutschland die Studie. Er ist wissenschaftlicher Geschäftsführer des Deutschen Diabetes-Zentrums sowie Direktor der Klinik für Endokrinologie und Diabetologie am Universitätsklinikum Düsseldorf. Roden vergleicht das Prinzip mit dem der SGLT-2-Inhibitoren. Auch hier wird Glucose verstärkt mit dem Urin ausgeschieden.

Nach der Implantation sank der Glucosewert schnell auf den Normbereich und ließ sich über den sechswöchigen Studienzeitraum kontrollieren, schreiben die Forschenden. Hypoglykämien traten keine auf. Die Mäuse wiesen verringerte Blutwerte von Triglyceriden sowie ein geringeres Körpergewicht auf. Sie verstoffwechselten zunehmend Fettreserven und die Forschenden maßen höhere Werte der Ketonkörper und freien Fettsäuren. Ketonkörper wie Acetoacetat oder β-Hydroxybutyrat entstehen vor allem beim Abbau von Fettsäuren in der Leber.

Den Grund für den Anstieg der freien Fettsäuren sieht Roden im Energiedefizit der behandelten Mäuse, die mehr Fett aus ihren Depots in die Blutkreislaufbahn mobilisieren. »Das ist eher unerwünscht«, so Roden. Auch das Gluconat werde nicht nur unverändert ausgeschieden, sondern auch im Körper verstoffwechselt. Dabei entstehen unter anderem NADPH und Laktat. Dennoch sieht Roden auch Vorteile: »Der oxidative Stress könnte sinken. Das wiederum könnte das Fortschreiten von Diabetes und seinen Folgeerkrankungen verlangsamen.«

Laut Roden war der stärkste Effekt der Studie ein rascher Anstieg der Ketonkörper. Er sieht die Behandlungsform als nicht geeignet für Personen, deren Körper vor allem Reserven abbaut. »Dazu zählen Menschen mit Typ-1-Diabetes und lange bestehendem Typ-2-Diabetes, die aufgrund des Insulinmangels ein erhöhtes Risiko für Ketoazidose, eine gefährliche Übersäuerung des Blutes durch Ketonkörper, aufweisen.« Auch betroffen seien Menschen mit dem atypischen Ketosis-prone-Diabetes oder mit eingeschränkter Leber- und Nierenfunktion. Hier steige die Gefahr für eine Azidose, wie auch bei einer Behandlung mit Metformin und SGLT-2-Hemmern.

In der Studie wurde in den sechs Wochen keine unerwünschten Nebenwirkungen beobachtet. Diese und Langzeitrisiken sind daher noch unbekannt, erklärt Roden. Er nennt einige mögliche Risiken: von Infektionen bei der Implantation oder beim Wechsel des Geräts über technische Ausfälle bis hin zu allergischen Reaktionen.

Wie sich dauerhafte elektrische Ströme auswirken können, ist nicht bekannt. Es könnte zu lokalen Reaktionen kommen. Auch technische Fehler ziehen möglicherweise eine gefährliche Fehlsteuerung nach sich, die eine Hyper- oder Hypoglykämie oder eine Ketoazidose verursacht. »Die Autoren berichten zwar, dass der pH-Wert der behandelten Mäuse nicht unter 7,35 abfiel. Ob das auch für Menschen gilt, ist aber offen.«

»Die eigentliche Innovation ist für mich nicht, dass Glucose aus dem Körper entfernt wird, sondern dass dies erstmals elektronisch gesteuert werden kann«, sagt Professor Dr. Andreas Birkenfeld, Leiter des Instituts für Diabetesforschung und Metabolische Erkrankungen des Helmholtz Zentrums München in Tübingen. Er findet den Ansatz »wirklich spannend«. Es habe viele Vorteile, überschüssige Glucose einfach aus dem Körper zu entfernen. Interessant sei, wie deutlich die diabetischen Mäuse an Gewicht verlieren.

Inwieweit ein solches System beim Menschen mit einem deutlich größeren Blutvolumen wirksam sein kann, sei schlecht einzuschätzen, so Birkenfeld. »Die Leistung des Systems hängt von der Oberfläche der Elektrode ab, die zu entfernende Glucosemenge aber vom Körpervolumen. Wir wissen überhaupt noch nicht, wie groß das Implantat beim Menschen sein müsste oder ob man vielleicht mehrere davon benötigt.« Die Umsetzung beim Menschen könnte demnach Probleme bereiten.