Mit Blutzucker Strom erzeugen

Bei Typ-1-Diabetiker:innen produziert der K?rper kein Insulin. Deshalb m¨¹ssen sich Betroffene das Hormon von aussen zuf¨¹hren, um den Blutzuckerspiegel zu regulieren. Heutzutage geschieht dies meist ¨¹ber Insulinpumpen, die direkt am K?rper sitzen. Solche Ger?te, aber auch andere medizinische Anwendungen wie beispielsweise Herzschrittmacher, brauchen eine zuverl?ssige Energieversorgung. Diese wird derzeit vor allem mit Strom aus Batterien oder wiederaufladbaren Akkus sichergestellt.

Ein Team von Forschenden um Martin Fussenegger vom Departement Biosysteme der ETH Z¨¹rich in Basel hat nun eine futuristisch anmutende Idee verwirklicht: Sie haben eine implantierbare Brennstoffzelle entwickelt, die ¨¹bersch¨¹ssigen Blutzucker (Glukose) aus dem Gewebe nutzt, um daraus elektrische Energie zu erzeugen. Die Brennstoffzelle wiederum kombinierten die Forschenden mit bereits vor einigen Jahren in ihrer Gruppe entwickelten k¨¹nstlichen Beta-Zellen, die wie ihre nat¨¹rlichen Vorbilder in der Bauchspeicheldr¨¹se Insulin produzieren und den Blutzuckerspiegel wirksam senken.

?Besonders in westlichen Industrienationen nehmen viele Menschen mehr Kohlenhydrate zu sich als sie im Alltag ben?tigen?, sagt ETH-Professor Fussenegger. Das f¨¹hre zu ?bergewicht, Diabetes oder Herz-Kreislauferkrankungen. ?Das hat uns auf die Idee gebracht, diesen ?berschuss an metabolischer Energie zu nutzen, um Strom f¨¹r den Betrieb von biomedizinischen Ger?ten herzustellen?, erkl?rt der Biotechnologe weiter.

Brennstoffzelle im ?Teebeutelchen?-Format

Kernst¨¹ck der Brennstoffzelle ist die von Fusseneggers Team eigens f¨¹r diese Anwendung geschaffene Anode (Elektrode). Diese besteht aus kupferbasierten Nanopartikeln und spaltet zur Stromerzeugung Glukose in Glukons?ure und ein Proton auf, was einen Stromkreislauf in Gang setzt.

Die Brennstoffzelle ist in ein Vlies eingewickelt und mit Alginat, einem f¨¹r medizinische Anwendungen zugelassenen Algenprodukt, ummantelt. Dadurch ?hnelt die Brennstoffzelle einem Teebeutelchen, das unter die Haut eingesetzt werden kann. Das Alginat saugt sich mit K?rperfl¨¹ssigkeit voll und l?sst Glukose aus dem Gewebe in ihr Inneres passieren.

Diabetes-Netzwerk mit eigener Stromversorgung

In einem zweiten Schritt haben die Forschenden die Brennstoffzelle mit einer Kapsel gekoppelt, die k¨¹nstliche Beta-Zellen enth?lt. Diese k?nnen mit elektrischem Strom oder blauem LED-Licht dazu angeregt werden, Insulin zu produzieren und auszusch¨¹tten. Solche Designerzellen haben Fussenegger und seine Mitarbeitenden schon vor einiger Zeit getestet (siehe ETH-News vom 8.12.2016).

Das System kombiniert also dauerhafte Stromerzeugung und kontrollierte Insulinabgabe. Sobald die Brennstoffzelle einen Glukose¨¹berschuss registriert, springt die Stromproduktion an. Die elektrische Energie wird dann dazu genutzt, die Zellen zu stimulieren, sodass sie Insulin produzieren und ins Blut abgeben. Der Blutzuckerspiegel sinkt dadurch auf ein normales Mass. Sobald er unter einen bestimmten Schwellenwert f?llt, stoppt die Strom- und damit die Insulinproduktion.

Die Brennstoffzelle liefert nicht nur gen¨¹gend elektrische Energie, um die Designerzellen zu stimulieren, sie reicht auch aus, damit das implantierte System mit externen Ger?ten wie einem Smartphone kommunizieren kann. Das erm?glicht es potenziellen Nutzer:innen, das System ¨¹ber eine entsprechende App zu justieren. Auch ein Arzt oder eine ?rztin k?nnte aus der Ferne darauf zugreifen und Anpassungen vornehmen. ?Das neue System reguliert den Insulinpegel und damit den Blutzuckerstand autonom und k?nnte k¨¹nftig zur Diabetesbehandlung eingesetzt werden?, betont Fussenegger.

Langer, unsicherer Weg zur Marktreife

Das vorliegende System ist erst ein Prototyp. Die Forschenden haben es zwar im Mausmodell erfolgreich getestet, sie k?nnen es allerdings nicht zu einem markttauglichen Produkt weiterentwickeln. ?Ein solches Ger?t zur Marktreife zu bringen, ¨¹bersteigt unsere finanziellen und personellen Mittel bei Weitem?, so Fussenegger. Gefragt sei deshalb ein Industriepartner, der ¨¹ber entsprechende Mittel und Know-how verf¨¹ge.