Studie bringt potenziellen Durchbruch bei der Behandlung von Typ-1-Diabetes

Diabetes-Forschung 2024, Gesundheitsnews, Medizin und Forschung

Dirk de Pol, aktualisiert am 1. Mai 2023, Lesezeit: 9 Minuten

Im Jahr 2019 waren weltweit 463 Millionen Menschen zwischen 20 und 79 Jahren von Diabetes betroffen, also jeder elfte Erwachsene. Doch wie sieht Diabetes im Detail aus? Wie sieht die Demografie der Betroffenen aus und in welchen Regionen der Welt sind sie beheimatet?

Weltweite Diabetes-Statistik: Alarmierender Anstieg

Nach Berichten der WHO (Weltgesundheitsorganisation) und der IDF (International Diabetes Federation) ist die weltweite Prävalenz (Häufigkeit) von Diabetes in den letzten zehn Jahren deutlich gestiegen.

Im Jahr 2010 waren 285 Millionen Menschen an Diabetes erkrankt; bis 2019 wird diese Zahl auf 463 Millionen (oder rund 8 Prozent) ansteigen. Weltweit ist einer von elf Erwachsenen von Diabetes betroffen, eine Zahl, die sich seit der letzten Jahrhundertwende verdoppelt hat. Am weitesten verbreitet ist Diabetes Typ 2, von dem schätzungsweise 90 Prozent der Diabetiker betroffen sind.

  • Es sei darauf hingewiesen, dass 2019 51 Prozent der Erwachsenen nicht wussten, dass sie diese Krankheit haben.

Verteilung von Diabetes bei Erwachsenen nach Alter und Geschlecht

Diabetes betrifft alle Altersgruppen, wobei die Altersgruppe der 60- bis 69-Jährigen einen deutlichen Schwerpunkt bildet. Einer von fünf Diabetikern ist über 65 Jahre alt. Die Häufigkeit (Prävalenz) ist bei Frauen im Alter von 20 bis 79 Jahren schätzungsweise geringfügig niedriger als bei Männern. Im Jahr 2019 lebten etwa 17,2 Millionen mehr Männer als Frauen mit Diabetes.

Zusätzlich zu diesen Zahlen gibt es Personen, deren Nüchternblutzuckerwerte über dem Normalwert, aber unter dem Schwellenwert für Diabetes liegen. Dies wird als Prädiabetes bezeichnet. Im Jahr 2019 waren schätzungsweise 374 Millionen Menschen im Alter von 20 bis 79 Jahren von Prädiabetes betroffen. Fast die Hälfte der Menschen mit Prädiabetes ist unter 50 Jahre alt, und fast ein Drittel ist zwischen 20 und 39 Jahre alt. Diese Krankheit betrifft Männer und Frauen gleichermaßen.

Durchbruch bei der Behandlung von Typ-1-Diabetes?

Für die schätzungsweise mehr als 530 Millionen Menschen, die derzeit weltweit an Typ-1-Diabetes leiden, könnte es lebensverändernd sein, das Immunsystem des Wirts dazu zu bringen, die Anwesenheit implantierter insulinsekretierender Zellen zu tolerieren.

Omid Veiseh, Bioingenieur an der Rice University, und seine Mitarbeiter haben neue Biomaterialformulierungen entwickelt, die eine Wende in der Behandlung von Typ-1-Diabetes einleiten könnten, indem sie die Tür zu einer nachhaltigeren, langfristigen und selbstregulierenden Behandlung der Krankheit öffnen.

Zu diesem Zweck haben sie ein neues Screening-Verfahren entwickelt, bei dem jedes Biomaterial aus einer Bibliothek von Hunderten mit einem eindeutigen „Strichcode“ versehen wird, bevor es in lebende Probanden implantiert wird.

Was ist der Ansatz der neuen Diabetes-Studie?

Laut der in der Fachzeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlichten Studie führte die Verwendung einer der Alginatformulierungen zur Verkapselung menschlicher insulinproduzierender Inselzellen zu einer langfristigen Kontrolle des Blutzuckerspiegels bei diabetischen Mäusen. Katheter, die mit zwei anderen Hochleistungswerkstoffen beschichtet waren, verstopften nicht.

„Diese Arbeit wurde durch einen großen ungedeckten Bedarf motiviert“, so Veiseh, Assistenzprofessor für Bioengineering an der Rice University und Stipendiat des Cancer Prevention and Research Institute of Texas. Bei Patienten mit Typ-1-Diabetes greift das körpereigene Immunsystem dem Wissenschaftler zufolge die insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse an. Wenn diese Zellen abgetötet werden, verliert der Patient die Fähigkeit, seinen Blutzuckerspiegel zu regulieren, so der Forscher.

  • Jahrzehntelang arbeiteten Wissenschaftler an dem, was Veiseh als „heiligen Gral“ bezeichnete, nämlich Inselzellen in einer porösen Matrix aus einem schützenden Material unterzubringen, das den Zellen den Zugang zu Sauerstoff und Nährstoffen ermöglicht, ohne vom Immunsystem des Wirts angegriffen zu werden.

Es erwies sich jedoch als sehr schwierig, Materialien mit optimaler Biokompatibilität zu finden, was zum Teil auf Einschränkungen beim Screening zurückzuführen ist. Einerseits kann die Reaktion des Immunsystems auf ein bestimmtes implantiertes Biomaterial nur in einem lebenden Wirt beurteilt werden.

„Das Problem ist, dass die Immunreaktion im Körper dieser diabetischen Mäuse untersucht werden muss, nicht in einem Reagenzglas“, sagt Boram Kim, Doktorand im Veiseh-Labor und Mitautor der Studie. „Das bedeutet, dass man, wenn man Hunderte von Alginatmolekülen untersuchen will, Hunderte von Tierversuchen braucht. Unsere Idee war es, Hunderte von Biomaterialien gleichzeitig in ein und demselben Versuchstier zu testen.“

Andererseits sehen die verschiedenen Formulierungen von Biomaterialien gleich aus, so dass es unmöglich ist, leistungsstarke Materialien zu identifizieren, wenn sie kein verräterisches Merkmal aufweisen. Daher war es nicht möglich, mehr als ein Biomaterial pro Wirt zu testen.

„Es sind unterschiedliche Materialien, aber sie sehen gleich aus“, so Veiseh. „Und wenn sie einmal in den Körper einer Testperson implantiert und dann wieder entnommen wurden, können wir nicht mehr zwischen den Materialien unterscheiden und nicht feststellen, welche Materialformulierung am besten funktioniert.“

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelten Veiseh und seine Mitarbeiter eine Möglichkeit, jede Alginatformulierung mit einem eindeutigen „Barcode“ zu versehen, der es ihnen ermöglichte, die am besten funktionierenden zu identifizieren.

„Wir haben jedes modifizierte Biomaterial mit menschlichen Nabelvenen-Endothelzellen (HUVEC) eines anderen Spenders gepaart“, so Kim.

„Da die HUVEC-Zellen von unterschiedlichen Spendern stammen, fungieren sie als Barcode, mit dem wir feststellen können, welches Material ursprünglich verwendet wurde“, so Veiseh weiter. „Die Gewinner sind diejenigen, die lebende Zellen in sich tragen. Sobald wir sie gefunden haben, haben wir das Genom dieser Zellen sequenziert und herausgefunden, welches Material mit ihnen gepaart wurde. Auf diese Weise haben wir die größten Erfolge aufgedeckt.

Derzeit werden Versuche zur Verwendung von aus Stammzellen gewonnenen Inselzellen bei Diabetikern durchgeführt. Die derzeitige Behandlung mit Inselzellen erfordert jedoch eine Immunsuppression, was die Behandlung von Typ-1-Diabetes zu einem schwierigen Unterfangen macht.

„Um implantierte Inselzellen bei Diabetikern zu verwenden, muss man derzeit das gesamte Immunsystem unterdrücken, so als ob man eine Organtransplantation durchführen wollte“, sagte Veiseh. Das bringe viele Komplikationen für den Patienten mit sich. Sie könnten Krebs entwickeln und Infektionen nicht bekämpfen. Für die große Mehrheit der Patienten sei es daher besser, sich das Inselhormon selbst zu injizieren. Mit dieser Strategie der Biomaterialverkapselung ist keine Immunsuppression erforderlich.

Durch das Einbringen echter HUVEC-Zellen in die Biomaterialkapseln erhöhte sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Wirtsimmunsystem eine fremde Präsenz erkennt. Dies macht das Experiment robuster als ein einfacher Test der Immunreaktion auf die Biomaterialien allein.

„Wir wollten eine Bibliothek dieser Materialien testen, mit dem Selektionsdruck durch die Zellen in den Kügelchen, der es für das Material schwieriger macht, vom Immunsystem nicht bemerkt zu werden“, so Veiseh. „Alle Hersteller von Inselzellen sind sehr daran interessiert, die Immunsuppression loszuwerden und stattdessen diese Alginat-Hydrogel-Matrizen zum Schutz der implantierten Zellen zu verwenden.“

Der neue Hochdurchsatz-„Barcoding“-Ansatz kann für das Screening anderer medizinischer Anwendungen eingesetzt werden, wobei weniger lebende Testpersonen benötigt werden.

„Das fließt in viele andere Projekte in meinem Labor ein, bei denen wir aus Zellen Biologika für andere Krankheitsbilder herstellen“, so Veiseh. „Die gleichen Modifikationen können auf alle Arten von Materialien angewendet werden, die in den Körper gelangen. Dies ist nicht nur auf die Zelltransplantation beschränkt. Die von uns entwickelte Technologie kann mit vielen verschiedenen Gerätekonzepten kombiniert werden.“

Einige Diabetiker verwenden automatische Pumpensysteme, um sich Inselhormon selbst zu verabreichen. Die Katheter dieser Pumpensysteme müssen alle paar Tage ausgetauscht werden, weil sie verstopft sind. Die Forscher konnten zeigen, dass die Beschichtung der Katheter mit diesen neuen Materialien ein Verstopfen verhindert.

Mit dieser neuen zellbasierten Barcodierungstechnologie hat die Biomaterialforschung laut Dr. José Oberholzer, Transplantationschirurg und Bioingenieur an der University of Virginia, einen beispiellosen Schub erhalten, der die Umsetzung in klinisch anwendbare Produkte beschleunigen und erschwinglicher machen wird.

„Dies ist ein echter Paradigmenwechsel. Mit dieser Methode können wir jetzt Hunderte von Biomaterialien auf einmal untersuchen und diejenigen auswählen, die der menschliche Körper nicht abstößt. Wir können Zelltransplantate vor den Angriffen des Immunsystems schützen, ohne dass immunsuppressive Medikamente erforderlich sind“, so Oberholzer weiter.

David Zhang, ehemaliger Rice-Professor für Bioengineering und derzeitiger CEO von NuProbe U.S., merkte an, dass die DNA-Sequenzierung mit hohem Durchsatz viele biomedizinische Bereiche revolutioniert hat“.

  • Die National Institutes of Health, die JDRF, die National Science Foundation, das Rice University Academy Fellowship und die Rice’s Shared Equipment Authority unterstützten die Forschung.

 

Quellen

  1. Sudip Mukherjee, Boram Kim, Lauren Y. Cheng, Michael David Doerfert, Jiaming Li, Andrea Hernandez, Lily Liang, Maria I. Jarvis, Peter D. Rios, Sofia Ghani, Ira Joshi, Douglas Isa, Trisha Ray, Tanguy Terlier, Cody Fell, Ping Song, Roberto N. Miranda, Jose Oberholzer, David Yu Zhang, Omid Veiseh. Screening hydrogels for antifibrotic properties by implanting cellularly barcoded alginates in mice and a non-human primate. Nature Biomedical Engineering, 2023; DOI: 10.1038/s41551-023-01016-2

 Dieser Beitrag wurde auf der Grundlage wissenschaftlicher Fachliteratur und fundierter empirischer Studien und Quellen erstellt und in einem mehrstufigen Prozess überprüft.

Wichtiger Hinweis: Der Beitrag beschäftigt sich mit einem medizinischen Thema, einem Gesundheitsthema oder einem oder mehreren Krankheitsbildern. Dieser Artikel dient nicht der Selbst-Diagnose und ersetzt auch keine Diagnose durch einen Arzt oder Facharzt. Bitte lesen und beachten Sie hier auch den Hinweis zu Gesundheitsthemen!

ddp

Die Auswirkungen von TikTok auf Jugendliche

Entdecken Sie die Auswirkungen von TikTok auf die psychische Gesundheit. Eine brandneue Studie weist auf mögliche negative Folgen hin....

Die Rolle von Oxytocin für Herz und Hirn

Die Rolle von Oxytocin für Herz und Hirn

Entdecken Sie die bahnbrechende Forschung zu Oxytocin und seiner Bedeutung für kognitive Funktionen wie das soziale Gedächtnis....

Enthüllung von Geschlechtsunterschieden im Gehirn mit KI

Enthüllung von Geschlechtsunterschieden im Gehirn mit KI

Wie eine Fastendiät das biologische Alter senken und die allgemeine Gesundheit verbessern kann, zeigt neue FMD Studie....

Studie zeigt: Musizieren schützt das alternde Gehirn

Studie zeigt: Musizieren schützt das alternde Gehirn

Studie zeigt, dass musikalische Aktivitäten wie das Spielen eines Instruments oder Singen Vorteile für das alternde Gehirn haben können....

Frauen profitieren mehr von körperlicher Betätigung als Männer

Frauen profitieren mehr von körperlicher Betätigung als Männer

Erfahren Sie mehr über Burnout und seine Auswirkungen weltweit. Prävention und Intervention sind entscheidend, um Folgen zu verhindern....