При диабете 1 типа организм не вырабатывает инсулин. Это означает, что пациенты должны получать гормон извне, чтобы регулировать уровень сахара в крови. В настоящее время для этого в основном используются инсулиновые помпы, которые крепятся непосредственно к телу. Эти устройства, а также другие медицинские приборы, такие как кардиостимуляторы, требуют надежного энергоснабжения, которое в настоящее время обеспечивается в основном за счет питания от одноразовых или перезаряжаемых батарей.

Теперь группа исследователей под руководством Мартина Фуссенеггера с кафедры биосистемных наук и инженерии Цюрихского технологического института в Базеле воплотила в жизнь, казалось бы, футуристическую идею. Они разработали имплантируемый топливный элемент, который использует избыток сахара в крови (глюкозы) из тканей для выработки электрической энергии. Исследователи объединили топливный элемент с искусственными бета-клетками, разработанными их группой несколько лет назад. Они вырабатывают инсулин одним нажатием кнопки и эффективно снижают уровень глюкозы в крови, подобно своим естественным образцам в поджелудочной железе. Они описали свой топливный элемент в журнале Advanced Materials.

"Многие люди, особенно в западных промышленно развитых странах, потребляют больше углеводов, чем им необходимо в повседневной жизни", - объясняет Фуссенеггер. Это, добавляет он, приводит к ожирению, диабету и сердечно-сосудистым заболеваниям. "Это натолкнуло нас на мысль использовать избыточную метаболическую энергию для производства электричества для питания биомедицинских устройств", - говорит он.
Топливный элемент в формате чайного пакетика

В основе топливного элемента лежит анод (электрод) из наночастиц на основе меди, который команда Фуссенеггера создала специально для этого применения. Он состоит из наночастиц на основе меди и расщепляет глюкозу на глюконовую кислоту и протон для выработки электричества, которое приводит в движение электрическую цепь.

Обернутый в нетканый материал и покрытый альгинатом, продуктом водорослей, одобренным для использования в медицине, топливный элемент напоминает маленький чайный пакетик, который можно имплантировать под кожу. Альгинат впитывает жидкость организма и позволяет глюкозе переходить из ткани в топливный элемент внутри.

На втором этапе исследователи соединили топливный элемент с капсулой, содержащей искусственные бета-клетки. Их можно стимулировать к производству и выделению инсулина с помощью электрического тока или синего светодиодного света. Фуссенеггер и его коллеги уже протестировали такие клетки-конструкторы в работе, опубликованной в журнале Science в 2016 году.

Система сочетает в себе устойчивое производство энергии и контролируемую доставку инсулина. Как только топливный элемент регистрирует избыток глюкозы, он начинает вырабатывать энергию. Эта электрическая энергия затем используется для стимулирования клеток к выработке и выбросу инсулина в кровь. В результате сахар в крови снижается до нормального уровня. Как только он опускается ниже определенного порогового значения, производство электроэнергии и инсулина прекращается.

Электрической энергии, вырабатываемой топливным элементом, достаточно не только для стимуляции клеток-конструкторов, но и для обеспечения связи имплантированной системы с внешними устройствами, такими как смартфон. Это позволяет потенциальным пользователям регулировать работу системы через соответствующее приложение. Врач также может получить к ней удаленный доступ и внести коррективы. "Новая система автономно регулирует уровень инсулина и глюкозы в крови и в будущем может быть использована для лечения диабета", - говорит Фуссенеггер.

Существующая система является лишь прототипом. Хотя исследователи успешно испытали ее на мышах, им не удалось превратить ее в товарный продукт. "Вывод такого устройства на рынок далеко выходит за рамки наших финансовых и человеческих ресурсов, - говорит Фуссенеггер. Для этого нужен промышленный партнер с соответствующими ресурсами и ноу-хау".