Brennstoffzelle im „Teebeutelchen“-Format macht aus Glukose Strom
Zugegeben, dass eine Brennstoffzelle unter der Haut mit überschüssiger Glukose im Blut Strom erzeugen und so den Insulinspiegel kontrollieren kann, klingt vollkommen abgefahren und ziemlich futuristisch. Dass es aber schon jetzt möglich ist, zeigen Forschende der ETH-Zürich mit einem Prototyp.
Typ-1-Diabetiker:innen produzieren selbst kein Insulin. Darum muss das Hormon zugeführt werden. Hier kommen Insulinpumpen ins Spiel, die beispielsweise mit Batterien oder Akkus betrieben werden. Doch möglich wäre auch eine körpereigene Energieversorgung, wie das Forschungsteam um Martin Fussenegger vom Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel zeigt.
„Es handelt sich um einen Prototyp, bei dem unklar ist, ob er auf den Markt kommt“, heißt es in einer Pressemitteilung. Zwar wurde der Prototyp erfolgreich im Mausmodell getestet, aber: „ein solches Gerät zur Marktreife zu bringen, übersteigt unsere finanziellen und personellen Mittel bei Weitem“, so Fussenegger.
Brennstoffzelle im „Teebeutelchen“-Format
Es klingt nach einem Science-Fiction-Movie, ist aber Wirklichkeit. Die Forschenden haben eine implantierbare Brennstoffzelle entwickelt, die überschüssige Glukose aus dem Gewebe nutzt, um daraus elektrische Energie zu erzeugen und die Insulinproduktion anzuregen. Die Brennstoffzelle hat das Team mit bereits vor einigen Jahren von ihnen entwickelten künstlichen Beta-Zellen kombiniert, die wie die natürlichen Beta-Zellen in der Bauchspeicheldrüse Insulin produzieren und den Blutzuckerspiegel wirksam senken.
Und so sieht die Brennstoffzelle im „Teebeutelchen“-Format aus: Kernstück der Brennstoffzelle ist die eigens für diese Anwendung geschaffene Anode. Die Elektrode besteht aus kupferbasierten Nanopartikeln und spaltet zur Stromerzeugung Glukose in Glukonsäure und ein Proton auf. In der Folge wird ein Stromkreislauf in Gang setzt.
Die in ein Vlies eingewickelte und mit einem Alginat ummantelte Brennstoffzelle ähnelt in ihrem Aussehen einem Teebeutelchen, das unter die Haut eingesetzt werden kann. Dort kann sich das Alginat mit Körperflüssigkeit vollsaugen und lässt Glukose aus dem Gewebe in ihr Inneres passieren.
So wird aus Glukose Strom und Insulin produziert
In einem nächsten Schritt hat das Forscherteam die Brennstoffzelle mit einer Kapsel gekoppelt, die künstliche Beta-Zellen – vor einiger Zeit vom Team um Fussenegger entwickelt – enthält. Diese können mit elektrischem Strom oder blauem LED-Licht dazu angeregt werden, Insulin zu produzieren und auszuschütten.
Das System kombiniert also dauerhafte Stromerzeugung und kontrollierte Insulinabgabe, so die Forschenden. Registriert die Brennstoffzelle einen Glukoseüberschuss, springt die Stromproduktion an und die Beta-Zellen werden stimuliert. Die Folge: Es wird Insulin produziert, der Blutzuckerspiegel sinkt. Sinkt dieser unter einen bestimmten Schwellenwert, stoppt die Strom- und damit die Insulinproduktion.
Die Brennstoffzelle liefert aber noch mehr Energie. Nämlich genug, um auch das implantierte System mit externen Geräten wie einem Smartphone kommunizieren zu lassen. „Das neue System reguliert den Insulinpegel und damit den Blutzuckerstand autonom und könnte künftig zur Diabetesbehandlung eingesetzt werden“, so Fussenegger.
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