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Diabetes: "Smart Insulin Patch" könnte die Glukosekontrolle revolutionieren

Patienten mit Diabetes müssen ihren Blutzucker kontrollieren, indem sie regelmäßig ihren Finger stechen und sich Insulinspritzen geben. Das Verfahren ist schmerzhaft und ungenau - das Injizieren der falschen Menge Insulin kann zu ernsthaften Komplikationen und in einigen Fällen zu Koma und Tod führen.
Die Forscher wollen ein intelligentes Insulinpflaster entwickeln, das nur alle paar Tage gewechselt werden muss.
Bildnachweis: Zhen Gu

Jetzt könnte die Entwicklung eines "intelligenten Insulinpflasters" eines Tages eine solche Tortur für die Millionen von Amerikanern, die an Diabetes leiden, der Vergangenheit angehören, so das Team hinter der Innovation, zu der Mitglieder der Universität von North Carolina gehören (UNC) in Chapel Hill und NC State in Raleigh.

Der Smart Patch - ein quadratischer Bandstreifen, der nicht größer als ein Penny ist - hat mehr als hundert Mikronadeln, von denen jede ungefähr so ??groß ist wie eine Wimper, die winzige Reservoirs von Insulin und glukoseerkennenden Enzymen enthalten.

Das Gerät, das überall am Körper platziert werden kann, spürt, wenn der Blutzuckerspiegel zu hoch wird und entlädt schnell die richtige Menge Insulin in den Blutkreislauf.

In dem Proceedings der Nationalen Akademie der WissenschaftenDie Diabetologen und biomedizinischen Ingenieure, die das schmerzlose Pflaster erfunden haben, beschreiben, wie sie es in einem Mausmodell für Typ-1-Diabetes getestet haben und zeigten, dass es den Blutzucker mehrere Stunden lang senkte.

Obwohl es vielversprechend ist, ist es noch zu früh, um zu sagen, ob und wann das Pflaster bei menschlichen Patienten verwendet werden kann - das Team sagt mehr Tests und dann sind klinische Studien erforderlich.

Patch ahmt das körpereigene System zur Erzeugung von Insulin nach

Das intelligente Insulinpatch funktioniert, indem es das körpereigene System zur Erzeugung von Insulin nachahmt - die Betazellen der Bauchspeicheldrüse -, die Insulin in winzigen Säcken oder Vesikeln produzieren und speichern. Sie spüren auch Veränderungen im Blutzucker und signalisieren, dass Insulin nach Bedarf aus den Vesikeln freigesetzt wird.

Das Team konstruierte künstliche Vesikel, die auf ähnliche Weise aus zwei natürlichen Materialien funktionieren - Hyaluronsäure (HA), die in Kosmetika verwendet wird, und 2-Nitroimidazol (NI), einer organischen Verbindung, die in der Diagnostik verwendet wird.

Zusammen bilden die beiden Verbindungen ein Molekül, das an einem Ende wasserliebend ist (der HA-Teil) und an dem anderen Ende wasserabstoßend ist (der NI-Teil). Gruppen von Molekülen lagern sich zu Vesikeln zusammen - ähnlich wie Öltröpfchen in Wasser - mit den wasserabweisenden Enden auf der Innenseite und den wasserliebenden Enden auf der Außenseite.

Die Forscher fanden heraus, dass sie einen Kern aus festem Insulin und Enzyme zum Nachweis von Glukose in die künstlichen Vesikel einbringen konnten, die in großer Zahl Millionen von blasenartigen Nanostrukturen bildeten, die jeweils 100 Mal kleiner waren als die Dicke menschlichen Haares.

Als sie die intelligenten Insulin-Nanopartikel im Labor testeten, fand das Team heraus, dass sie auf erhöhten Blutzucker reagierten. Die überschüssigen Glukosemoleküle traten in die künstlichen Vesikel ein und verbrauchten Sauerstoff, da die Enzyme an Bord sie in Gluconsäure umwandelten. Diese Reduktion von Sauerstoff oder "Hypoxie" lässt das wasserabweisende Ende der Moleküle, die die Vesikel bilden, wasserliebend werden, und die Vesikel lösen sich auf und setzen Insulin in den Blutstrom frei.

Bei diabetischen Mäusen hielt Patch den Blutzucker stundenlang normal

Der nächste Schritt für die Forscher war es, einen Weg zu finden, die künstlichen Vesikel an Diabetes-Patienten zu verabreichen. Dies war der Zeitpunkt, als sie sich der Idee von winzigen Mikronadeln zuwandten, die in einem Pflaster enthalten waren, anstatt sich auf die großen Nadeln oder Katheter der "Closed-Loop-Systeme" anderer Ansätze zur Glucose-sensitiven Insulinabgabe zu verlassen.

Sie erzeugten schließlich einen Silikonstreifen mit über hundert Mikronadeln, die die Haut durchstechen und in das Blut eindringen, das in den darunter liegenden Kapillaren fließt. Jede Mikronadel enthält ein Reservoir der künstlichen Vesikel.

Das Team testete die Erfindung in einem Mausmodell für Typ-1-Diabetes. Sie verabreichten einer Gruppe von Mäusen eine Standard-Insulininjektion - die Werte fielen auf normale Werte, stiegen dann aber schnell auf hyperglykämische Werte an.

Aber als sie eine andere Gruppe von diabetischen Mäusen mit dem Pflaster behandelten, normalisierte sich ihr Blutzuckerspiegel innerhalb einer halben Stunde und blieb für mehrere Stunden so.

Die Forscher fanden auch heraus, dass sie durch Variation der Enzymdosis das Pflaster fein abstimmen konnten, um den Glukosespiegel innerhalb bestimmter Bereiche zu verändern.

Ein "Game Changer" für Diabetes-Patienten

Mäuse sind weniger empfindlich auf Insulin als Menschen, daher glauben die Forscher, dass die Flecken bei menschlichen Patienten noch länger anhalten könnten. Die Forscher wollen ein intelligentes Insulinpflaster entwickeln, das nur alle paar Tage gewechselt werden muss.

Solch eine Aussicht wäre ein "Spiel-Wechsler" für Diabetes-Patienten, erklärt Co-Senior-Autor John Buse, Professor für Medizin und ehemaliger Präsident der American Diabetes Association:

"Der schwierige Teil der Diabetes-Versorgung ist nicht der Insulinspiegel oder die Blutzuckerkontrolle oder die Diät, sondern die Tatsache, dass man sie jeden Tag mehrmals am Tag für den Rest ihres Lebens tun muss."

Co-Senior-Autor Zhen Gu, Professor für Biomedizintechnik, sagt:

"Wir haben ein Pflaster für Diabetes entwickelt, das schnell arbeitet, einfach zu verwenden ist und aus ungiftigen, biokompatiblen Materialien hergestellt wird. Das gesamte System kann personalisiert werden, um das Gewicht und die Insulinsensitivität eines Diabetikers zu berücksichtigen noch schlauer. "

Weltweit gibt es mehr als 387 Millionen Menschen mit Diabetes, und bis 2035 wird eine Zunahme auf 592 Millionen prognostiziert.

Mittel aus dem NC TraCS Institute und der American Diabetes Association halfen bei der Finanzierung der Forschung.

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