Diabetes-Notfallversorgung Implantat könnte Diabetiker vor gefährlich niedrigem Blutzuckerspiegel bewahren

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Ein am MIT entwickeltes Implantat enthält ein Glukagon-Reservoir, das unter der Haut gelagert und im Notfall direkt verabreicht werden kann - ohne Injektionen.

Für Menschen mit Typ-1-Diabetes ist das Auftreten einer Hypoglykämie, also einer Unterzuckerung, eine ständige Gefahr. Wenn der Blutzuckerspiegel extrem niedrig wird, entsteht eine lebensbedrohliche Situation, für die die Standardbehandlung in der Injektion eines Hormons namens Glukagon besteht.

Für den Fall, dass Patienten nicht bemerken, dass ihr Blutzuckerspiegel auf ein gefährliches Niveau sinkt, haben MIT-Ingenieure ein implantierbares Reservoir entwickelt, das unter der Haut verbleiben kann und bei einem zu niedrigen Blutzuckerspiegel Glukagon freisetzt. Dieser Ansatz könnte auch in Fällen helfen, in denen eine Hypoglykämie im Schlaf auftritt, oder bei diabetischen Kindern, die sich selbst keine Injektionen geben können.

„Dies ist ein kleines Notfallgerät, das unter der Haut platziert werden kann, wo es bereit ist, zu handeln, wenn der Blutzuckerspiegel des Patienten zu stark absinkt“, sagt Daniel Anderson, Professor am MIT Department of Chemical Engineering, Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research und des Institute for Medical Engineering and Science (IMES) des MIT und Hauptautor der Studie. „Unser Ziel war es, ein Gerät zu bauen, das immer bereit ist, um Patienten vor Unterzuckerung zu schützen. Wir glauben, dass dies auch dazu beitragen kann, die Angst vor Hypoglykämie zu lindern, unter der viele Patienten und ihre Eltern leiden.

Die Forscher zeigten, dass dieses Gerät auch zur Abgabe von Notfalldosen von Epinephrin verwendet werden kann, einem Medikament, das zur Behandlung von Herzinfarkten eingesetzt wird und auch schwere allergische Reaktionen, einschließlich eines anaphylaktischen Schocks, verhindern kann. Siddharth Krishnan, ein ehemaliger MIT-Forscher, der jetzt Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der Stanford University ist, ist der Hauptautor der Studie, die in der jüngsten Ausgabe von Nature Biomedical Engineering erschienen ist.

Reaktion im Notfall

Die meisten Patienten mit Typ-1-Diabetes müssen sich täglich Insulin spritzen, damit ihr Körper Zucker aufnehmen kann und der Blutzuckerspiegel nicht zu hoch wird. Wenn der Blutzuckerspiegel jedoch zu niedrig wird, kommt es zu einer Hypoglykämie, die zu Verwirrung und Krampfanfällen führen und unbehandelt tödlich sein kann.

Um eine Hypoglykämie zu bekämpfen, tragen manche Patienten vorbereitete Spritzen mit Glukagon bei sich, einem Hormon, das die Leber dazu anregt, Glukose in den Blutkreislauf abzugeben. Allerdings ist es für die Betroffenen, insbesondere für Kinder, nicht immer einfach zu erkennen, wann sie unterzuckert sind.

„Manche Patienten spüren, wenn ihr Blutzuckerspiegel sinkt, und essen dann etwas oder verabreichen sich Glukagon“, sagt Anderson. „Aber manche merken gar nicht, dass sie unterzuckert sind, und können einfach in Verwirrung und Koma abgleiten. Das ist auch ein Problem, wenn die Patienten schlafen, denn sie sind auf die Alarme der Blutzuckersensoren angewiesen, die sie wecken, wenn der Blutzucker gefährlich niedrig ist.“

Medikamentenfreigabe per Sensor

Um die Bekämpfung einer Unterzuckerung zu erleichtern, hat das MIT-Team ein Notfallgerät entwickelt, das entweder von der Person, die es benutzt, oder automatisch von einem Sensor ausgelöst werden kann. Das Gerät, das etwa die Größe eines Viertels hat, enthält ein kleines Medikamentenreservoir aus einem 3D-gedruckten Polymer. Das Reservoir ist mit einem speziellen Material versiegelt, einer so genannten Formgedächtnislegierung, die so programmiert werden kann, dass sie bei Erwärmung ihre Form ändert. In diesem Fall verwendete der Forscher eine Nickel-Titan-Legierung, die so programmiert ist, dass sie sich von einer flachen Platte in eine U-Form wölbt, wenn sie auf 40 Grad Celsius erhitzt wird.

Wie viele andere Protein- oder Peptidmedikamente neigt Glucagon dazu, sich schnell zu zersetzen, sodass die flüssige Form nicht langfristig im Körper gelagert werden kann. Stattdessen entwickelte das MIT-Team eine pulverisierte Version des Medikaments, die viel länger stabil bleibt und bis zur Freisetzung im Reservoir verbleibt.

Jedes Gerät kann entweder eine oder vier Dosen Glukagon enthalten und verfügt außerdem über eine Antenne, die auf eine bestimmte Frequenz im Radiofrequenzbereich reagiert. Dadurch kann sie aus der Ferne ausgelöst werden, um einen kleinen elektrischen Strom einzuschalten, der zur Erwärmung der Formgedächtnislegierung verwendet wird. Wenn die Temperatur den Schwellenwert von 40 Grad erreicht, biegt sich die Platte in eine U-Form und gibt den Inhalt des Behälters frei. Da das Gerät drahtlose Signale empfangen kann, könnte es auch so konstruiert werden, dass die Medikamentenabgabe durch ein Blutzuckermessgerät ausgelöst wird, wenn der Blutzuckerspiegel des Trägers unter einen bestimmten Wert fällt.

„Eines der wichtigsten Merkmale dieser Art von digitalem Arzneimittelabgabesystem ist, dass es mit Sensoren kommunizieren kann“, sagt Krishnan. „In diesem Fall ist die Technologie zur kontinuierlichen Blutzuckermessung, die von vielen Patienten verwendet wird, etwas, mit dem sich diese Art von Geräten leicht verbinden ließe.“

Umkehrung der Hypoglykämie

Nachdem sie das Gerät in diabetische Mäuse implantiert hatten, setzten die Forscher es ein, um die Freisetzung von Glukagon auszulösen, wenn der Blutzuckerspiegel der Tiere sank. Innerhalb von weniger als zehn Minuten nach der Aktivierung der Medikamentenfreisetzung begann sich der Blutzuckerspiegel einzupendeln, sodass er im normalen Bereich blieb und eine Hypoglykämie verhindert werden konnte.

Die Forscher testeten das Gerät auch mit einer pulverförmigen Version von Epinephrin. Sie stellten fest, dass innerhalb von zehn Minuten nach der Freisetzung des Medikaments der Epinephrinspiegel im Blutkreislauf anstieg und die Herzfrequenz zunahm. In dieser Studie behielten die Forscher die Geräte bis zu vier Wochen lang implantiert, aber sie wollen nun prüfen, ob sie diese Zeit auf mindestens ein Jahr verlängern können.

„Die Idee ist, dass man genügend Dosen hat, die über einen längeren Zeitraum eine therapeutische Wirkung entfalten können. Wir wissen nicht genau, wie lange das ist – vielleicht ein Jahr, vielleicht ein paar Jahre, und wir arbeiten derzeit daran, die optimale Lebensdauer zu ermitteln. Aber danach müsste es ausgetauscht werden“, sagt Krishnan.

Wenn ein medizinisches Gerät in den Körper implantiert wird, bildet sich normalerweise Narbengewebe um das Gerät herum, das dessen Funktion beeinträchtigen kann. In dieser Studie konnten die Forscher jedoch zeigen, dass sie selbst nach der Bildung von fibrotischem Gewebe um das Implantat die Freisetzung des Medikaments erfolgreich auslösen konnten.

Die Forscher planen nun weitere Tierversuche und hoffen, das Gerät innerhalb der nächsten drei Jahre in klinischen Studien testen zu können. „Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie unser Team dies erreicht hat. Ich hoffe, dass es eines Tages Diabetikern helfen wird und allgemein ein neues Paradigma für die Bereitstellung von Notfallmedizin bieten könnte“, sagt Robert Langer, Professor am David H. Koch Institute am MIT und einer der Autoren der Studie. Weitere Autoren der Studie sind Laura O'Keeffe, Arnab Rudra, Derin Gumustop, Nima Khatib, Claudia Liu, Jiawei Yang, Athena Wang, Matthew Bochenek, Yen-Chun Lu, Suman Bose und Kaelan Reed.

Originalveröffentlichung auf MIT News vom 9. Juli 2025. Übersetzung Sebastian Gerstl.

Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Partnerportal www.elektronikpraxis.de.

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