Mit Blutzucker Strom erzeugen

Wenn eine Brennstoffzelle unter der Haut Blutzucker aus dem K?rper in elektrische Energie umwandelt, klingt das nach Science-Fiction. Dabei funktioniert es einwandfrei, wie ein ETH-Forschungsteam um den Biotechnologieprofessor Martin Fussenegger zeigt.

Die Brennstoffzelle im Beutel in einer Hand mit blauem Laborhandschuh.
Der Prototyp der Brennstoffzelle ist in ein Vlies eingepackt und etwas gr?sser als ein Daumennagel. (Bild: Fussenegger Lab / ETH Zürich)

Das Wichtigste in Kürze

  • ETH-Forschende haben eine implantierbare Brennstoffzelle entwickelt, die aus überschüssiger Glukose im Blut Strom erzeugt.
  • Damit liessen sich zukünftig medizinische Ger?te betreiben.
  • Kombiniert mit künstlichen, insulinausschüttenden Beta-Zellen erh?lt man ein System, das autonom den Blutzuckerspiegel regulieren kann.
  • Es handelt sich um einen Prototyp, bei dem unklar ist, ob er auf den Markt kommt.

Bei Typ-1-Diabetiker:innen produziert der K?rper kein Insulin. Deshalb müssen sich Betroffene das Hormon von aussen zuführen, um den Blutzuckerspiegel zu regulieren. Heutzutage geschieht dies meist über 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 Zürich in Basel hat nun eine futuristisch anmutende Idee verwirklicht: Sie haben eine implantierbare Brennstoffzelle entwickelt, die überschüssigen 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 künstlichen Beta-Zellen, die wie ihre natürlichen Vorbilder in der Bauchspeicheldrüse 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 führe zu ?bergewicht, Diabetes oder Herz-Kreislauferkrankungen. ?Das hat uns auf die Idee gebracht, diesen ?berschuss an metabolischer Energie zu nutzen, um Strom für den Betrieb von biomedizinischen Ger?ten herzustellen?, erkl?rt der Biotechnologe weiter.

Brennstoffzelle im ?Teebeutelchen?-Format

Kernstück der Brennstoffzelle ist die von Fusseneggers Team eigens für 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 für medizinische Anwendungen zugelassenen Algenprodukt, ummantelt. Dadurch ?hnelt die Brennstoffzelle einem Teebeutelchen, das unter die Haut eingesetzt werden kann. Das Alginat saugt sich mit K?rperflüssigkeit voll und l?sst Glukose aus dem Gewebe in ihr Inneres passieren.

Vergr?sserte Ansicht: Schema. Brennstoffzelle in einer Maus, Betazellen, Stromkreis und zyklischer Ablauf Energiegewinnung und Insulinsenkung dargestellt.
Schema der Energiegewinnung und Insulinkontrolle: Wenn der Blutzuckerspiegel steigt, wird der Stromkreis aktiviert und mit der erzeugten Energie die Insulinproduktion angeregt. (Schema: aus Maity D, et al, Adv. Mater. 2023 / ETH Zürich)

Diabetes-Netzwerk mit eigener Stromversorgung

In einem zweiten Schritt haben die Forschenden die Brennstoffzelle mit einer Kapsel gekoppelt, die künstliche Beta-Zellen enth?lt. Diese k?nnen mit elektrischem Strom oder blauem LED-Licht dazu angeregt werden, Insulin zu produzieren und auszuschütten. 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 Glukoseüberschuss 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 genügend 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 über 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 künftig 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, übersteigt unsere finanziellen und personellen Mittel bei Weitem?, so Fussenegger. Gefragt sei deshalb ein Industriepartner, der über entsprechende Mittel und Know-how verfüge.

Literaturhinweis

Maity D, Ray PG, Buchmann P, Mansouri M, Fussenegger M: Blood-Glucose-Powered Metabolic Fuel Cell for Self-Sufficient Bioelectronics. Advanced Materials 2023: 2300890, doi: externe Seite10.1002/adma.202300890

Kontakt

Prof. Martin Fussenegger
Biotechnology and Bioengineering

ETH Zürich
Schweiz

Medienstelle ETH Zürich

Schweiz

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