Award for Creative Invention

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Prof. Dr. Adam Heller (Mitte) bekommt von Roslyn L. White und dem Präsidenten der ACS Bruce E. Bursten den Award for Creative Invention überreicht

Persönlichkeiten – Diabetes-Edison

Blutzuckermessgerät, Insulinpumpe und kontinuierlicher Glukosesensor – in all diesen technischen Diabetes-Hilfsmitteln arbeiten Erfindungen des US-Amerikanischen Chemikers Adam Heller. Eine kurze Biographie

Wenn die größte wissenschaftliche Fachgesellschaft der Welt jemanden mit ihrem Award for Creative Invention auszeichnet, muss es sich schon um eine Forscherpersönlichkeit handeln, die mit ihren Erfindungen einiges bewegt hat. Tatsächlich liest sich die wissenschaftliche Vita des Mannes, der auf der diesjährigen Frühjahrstagung der American Chemical Society den besagten Ehrenpreis verliehen bekommen hat, wie ein Relikt aus der Zeit der großen Erfinder, der Edisons oder da Vincis.

Der US-Amerikaner Prof. Dr. Adam Heller ist Chemiker und war beteiligt an Entwicklungen, die heute in modernsten Geräten verschiedener Bereiche im Einsatz sind. In der Welt der Diabetes-Technologie bekannt sind das Blutzuckermessgerät FreeStyle sowie das kontinuierliche Glukosemesssystem FreeStyle Navigator, die beide im messtechnischen Kern auf Hellers Erfindungen beruhen.

Erst relativ spät in seiner Laufbahn beschäftigte sich der Forscher mit der elektrischen Kopplung der Redoxzentren von Enzymen an Elektroden, 1988 erschien im Journal of the American Chemical Society seine Arbeit „Direct electrical communication between chemically modified enzymes and metal electrodes – Methods for bonding electron-transfer relays to glucose oxidase and D-amino-acid oxidase“, zusammen mit Dr. Yinon Degani veröffentlicht. Diese „verdrahteten“ Enzyme, in eine dreidimensionale Matrix gebracht mit Elektronen leitenden Hydrogelen, sind die Basis der Blutzuckermessung in den kontinuierlichen Sensoren, die Heller in der zusammen mit seinem Sohn Ephraim 1994 gegründeten Firma Therasense entwickelte.

Vom Start-Up zum Übernahmekandidaten

Schon 1995 testete das Start-Up an menschlichen Freiwilligen, namentlich dem Gründer-Duo, den Prototypen eines kontinuierlichen, unter die Haut implantierten Glukosemonitors, der dann aber erst später Marktreife erlangen sollte. Bereits im Jahr 2000 bekam das Freestyle Blutzuckermessgerät dagegen eine FDA-Zulassung und wurde in den USA und ein Jahr später weltweit vermarktet.

1996 hatte Therasense das Gerät entwickelt, getestet und eine Pilotproduktion von über 10.000 Stück am Tag gestartet. Es nutzt den Umstand, dass um so kleiner das Blutvolumen, also je dünner die Flüssigkeitsschicht des Mikrocoulometer ist, um so schneller die enthaltene Glukose oxidiert wird. Das Team um Heller entwarf ein Mikrocoulometer mit einer 50 µm dünnen Schicht, in der Glukose selektiv in fünf bis zwölf Sekunden oxidiert wurde. Es handelte sich um das erste massenproduzierte Gerät mit Mikroliter-Fluidtechnik, von dem Milliarden hergestellt werden. Die benötigte Blutmenge von nur 300 nL ist so gering, dass sie quasi schmerzfrei gewonnen werden kann. Die erste Version des Geräts hatte eine „verdrahtete“ PQQ-Glukose-Dehydrogenase Anode; doch dieser „Draht“ war noch langsam und eine Analyse brauchte rund 30 Sekunden. Erst elektrochemische Weiterentwicklungen durch Ben Feldman reduzierten die Analysenzeit auf die jetzt üblichen wenigen Sekunden.

2002 starteten dann auch die klinischen Studien des kontinuierlichen Glukosemonitors auf Grundlage der verdrahteten Glukosoxidase, 2003 wurde die Zulassung beantragt. Am Ende des selben Jahres lag der Marktanteil des Unternehmens am US-Markt für Blutzuckermessgeräte bei sieben Prozent, 2004 wurde das Unternehmen dann für 1,2 Milliarden Dollar von Abbott übernommen. In Folge verlagerte Abbott Diabetes Care seinen Sitz und seine Forschungsabteilung an den Standort von Therasense im kalifornischen Alameda. Im selben Jahr verließ Heller das Unternehmen, um sich wie zuvor schon sein Sohn neuen Projekten zu widmen. Auch diese haben wieder eine potentielle Anwendung im Diabetes-Bereich, aufbauend auf seinen Erfahrungen mit Enzymen, entwickelt Heller jetzt eine Biobrennstoffzelle, die Glukose und Sauerstoff zur Stromerzeugung nutzt und zum Beispiel zur Energieversorgung eines implantierten Glukosesensors geeignet ist. Da Glukose und Sauerstoff in allen Geweben des Körpers präsent sind, sind aber auch andere Einsatzorte und -zwecke denkbar.

Die Mini-Brennstoffzelle könnte drei bis zehn Mikro-Watt produzieren, genug um nicht nur den Sensor, sondern auch einen periodisch die Messdaten übermittelnden Transmitter zu speisen. Die Zelle würde nach Implantation einige Tage autark arbeiten, einfach und kostengünstig sein, Heller schätzt unter einem Dollar. Eine solche Zelle besteht nur aus einer verdrahteten GOx Anode, auf der die Glukose oxidiert wird, und einer Kupfer-Enzym Kathode, auf der zum Beispiel Bilirubin Oxidase Sauerstoff zu Wasser reduziert. Der Charme dieses Konstrukts ist die Miniaturisierung, schon hergestellt wurden Zellen mit einem Volumen von 0,005 Kubikmillimeter und damit einem Tausendstel des Volumens der kleinsten bisher hergestellten Batterie und einem Zehntausendstel der kleinsten Brennstoffzelle, die bisher bekannt ist.

Insulinpumpe und Handy

Die wissenschaftliche Karriere des Chemikers Heller begann an der Hebräischen Universität in Jerusalem, an der er 1961 den Doktortitel erwarb. Wichtige Stationen außerhalb der medizinischen Diagnostik waren die Universität Texas, dort baute Heller 1966 den ersten flüssigen anorganischen Laser und entwickelte 1973 die erste Lithium-Thionyl-Chlorid-Batterie. Auch 30 Jahre später sind solche Batterien weltweit im Einsatz, zum Beispiel in Neurostimulatoren zur Behandlung von chronischen Schmerzen oder Epilepsie sowie bei implantierten Medikamenten-Infusoren zur Behandlung von Krebs oder – Stichwort Insulinpumpe – Diabetes.

An den ATT Bell Laboratories leitete er von 1977 bis 1988 die Forschungsabteilung elektronische Materialien, wo unter ihm Grundlagen der heutigen hochdichten Verbindungen von elektronischen Chips für Handys, PDAs und ähnliche Geräte entwickelt wurden. 100 US-Patente wurden Heller in seinem Erfinderleben verliehen, 40 davon werden aktuell verwendet. Vor der Auszeichnung durch die amerikanischen Chemiker 2008 hat Heller 2005 bereits den Fresenius-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker in Anerkennung seiner bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet der analytischen Chemie erhalten. Heller forscht heute als Professor Emeritus am Department of Chemical Engineering der Universität Texas in Austin.

Redaktion: Marcus Sefrin