Bisher müssen die meisten Diabetiker ihren Blutzuckerspiegel durch einen Pieks in den Finger messen. Doch in Zukunft könnte möglicherweise eine neu entwickelte Kontaktlinse diese Aufgabe übernehmen – und sogar direkt die passende Dosis eines entsprechenden Medikaments freisetzen. Möglich wird dies durch einen in den Rand der Linse integrierten Biosensor, der den Glukosegehalt der Tränenflüssigkeit misst sowie ein ultradünnes Wirkstoffreservoir, das sich ferngesteuert öffnet. In ersten Tests mit Kaninchen hat sich diese Mehrzweck-Kontaktlinse als verträglich und funktionsfähig erweisen, wie nun Forscher berichten.
Normalerweise reguliert unser Körper den Blutzucker selbst: Steigen die Werte im Blut nach einer Mahlzeit an, geben Zellen der Bauchspeicheldrüse das Hormon Insulin ab, das für die Aufnahme des Zuckers in die Zellen sorgt. Doch bei Menschen mit Diabetes Typ 1 und starkem Diabetes Typ 2 funktionieren die insulinproduzierenden Zellen nicht mehr richtig. Diese Patienten müssen daher selbst ihren Blutzucker messen und sich die jeweils nötige Menge an Insulin injizieren. Für die Betroffenen bedeutet dies, dass sie sich regelmäßig in die Fingerkuppe pieksen und dann selbst eine Spritze setzen müssen – das ist schmerzhaft und kostet Überwindung. Deshalb suchen Wissenschaftler schon seit längerem nach alternativen Methoden für die Blutzuckermessung und die Applikation des Insulins. So gibt es bereits erste Prototypen von Sensor-Pflastern mit Mikronadeln oder auch “intelligenten” Gelen, die nur bei Bedarf den Wirkstoff freigeben.
Kontaktlinse ist Sensor und Applikator in einem
Einen anderen Ansatz haben nun Do Hee Keum von der Pohang Universität in Südkorea und seine Kollegen gewählt. Sie haben eine Kontaktlinse entwickelt, die den Blutzuckerspiegel anhand der Tränenflüssigkeit im Auge bestimmt und entsprechende Wirkstoffe freisetzen kann. “Die Oberfläche der Hornhaut repräsentiert eine praktische und nichtinvasive Schnittstelle zur Physiologie des menschlichen Körpers”, erklären die Forscher. Deshalb könne das Auge auch und gerade bei Diabetikern als Fenster in den Körper dienen. Aus früheren Studien weiß man, dass sich Veränderungen des Blutzuckerspiegels auch in der Tränenflüssigkeit widerspiegeln. Die neue Kontaktlinse besteht aus fünf Komponenten: einem Biosensor für Glucose, einem Wirkstoffreservoir mit gesteuerter Freisetzung, einem Mikrochip, einer induktiven Stromversorgung und einem drahtlosen Kommunikationsmodul. Alle Teile sind so miniaturisiert und flach, dass sie in den Rand einer normalen Kontaktlinse integriert werden können, wie die Wissenschaftler berichten.
Der in die Kontaktlinse integrierte Biosensor misst den Zuckergehalt der Tränenflüssigkeit mithilfe eines Hydrogels, das bei Reaktion mit Zucker seine Leitfähigkeit ändern. Diese Veränderungen werden von zwei Platinelektroden registriert, vom Mikrochip ausgewertet und übermittelt. Wie verlässliche diese Werte sind, testeten Keum und sein Team bei diabetischen Kaninchen. Diese bekamen in betäubtem Zustand die Kontaktlinsen auf das Auge und erhielten dann eine Insulin-Injektion. “Der Augen-Glukose-Sensor zeigte erst einen Anstieg der Glukosewerte bis zu 30,5 Milligramm pro Liter an und dann eine Absenkung auf nur noch 16,7 Milligramm pro Liter, als der Insulineffekt einsetzte”, berichten die Forscher. “Diese Werte stimmten gut mit den Blutzuckerwerten überein.” Wiederholte Tests ergaben zudem, dass der Biosensor auch bei bis zu 63 Tage alten Kontaktlinsen noch verlässlich funktionierte.
Mittel gegen diabetische Netzhautschäden freigesetzt
“Aber zusätzlich dazu hat unsere Kontaktlinse die einzigartige Funktion der Wirkstoff-Freisetzung”, betonen Keum und sein Team. Der dafür entwickelte Arzneimittelbehälter besteht aus mehreren ultradünnen Fächern in einem Siliziumdioxid-Dünnfilm, in den Titan und Gold-Elektroden integriert sind. Eine hauchdünne Goldmembran deckt die Reservoire ab. Wenn nun die Linse einen zu hohen Zuckerwert registriert, kann entweder der integrierte Chip oder ein externer, kabellos verbundenes Kontrollgerät die dosierte Freisetzung des Wirkstoffs aus den Fächern auslösen. Aktiviert wird dies über einen schwachen Strom, der über die Elektroden in den Behälter geleitet wird und die Golddecke der Fächer auflöst. In ersten Tests erfolgte diese Auflösung des Deckels innerhalb von 40 Sekunden, wie die Forscher berichten. Um zu testen, wie ihre Kontaktlinse im praktischen Einsatz funktioniert, mussten wieder die diabetischen Kaninchen herhalten. Diese bekamen Kontaktlinsen eingesetzt, die den Pflanzeninhaltsstoff Genistein enthielten. Er gilt als vielversprechendes Mittel gegen diabetische Netzhautschäden.
Die Versuche ergaben: Nachdem der Wirkstoffbehälter der Kontaktlinse per kabellosem Signal aktiviert worden war, setzte er wie erhofft das Genistein frei. Mittels Fluoreszenzuntersuchung der Netzhaut konnten Keum und sein Team nachweisen, dass der Wirkstoff durch die Hornhaut der Kaninchenaugen bis zur Retina vorgedrungen war. Weitere Analysen belegten, dass das Mittel seinen therapeutischen Effekt auf die Netzhaut der Kaninchen entfaltete. “Damit haben wir erfolgreich die Machbarkeit von smarten Kontaktlinsen für die nichtinvasive und kontinuierliche Diabetes-Diagnose und die diabetische Therapie der Retinopathie demonstriert”, sagen die Forscher. Messungen der Wärmefreisetzung ergaben zudem, dass diese Kontaktlinsen dem Auge nicht schaden und verträglich sind. “Diese smarten Kontaktlinsen könnten demnach neue Wege für die Gesundheitsüberwachung und Therapie eröffnen”, konstatieren Keum und seine Kollegen. Da eine ähnliche Kontaktlinse für die Glaukom-Überwachung bereits von der US-Arzneimittelbehörde FDA zugelassen wurde, sehen sie auch für ihre Diabetes-Linse gute Chancen.
Quelle: Do Hee Keum (Pohang University of Science and Technology, Südkorea) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba3252
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