3D-gedruckte Pille nimmt Proben aus dem Darm

Die Pille ist das erste bekannte Arbeitsgerät, mit dem das Profil von Bakterienspezies, die in einem beliebigen Stadium des Magen-Darm-Trakts leben, nicht-invasiv und genau bestimmt werden kann.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Ingenieuren der Tufts University hat eine 3D-gedruckte einnehmbare Pille entwickelt, mit der Bakterien aus dem Darm, dem sogenannten Mikrobiom, auf dem Weg durch den Magen-Darm-Trakt (gastrointestinal GI) untersucht werden. Die Fähigkeit, im Darm lebende Bakterienspezies zu profilieren, könnte nach Ansicht der Forscher wichtige Auswirkungen auf das Verständnis von Zuständen haben, die das Darmmikrobiom beeinflussen und von diesem betroffen sind.

Die in der Fachzeitschrift Advanced Intelligent Systems beschriebene 3D-gedruckte Pille ist das erste nicht-invasive Diagnosewerkzeug, mit dem den Forschern zufolge ein Profil der Mikrobiompopulationen im gesamten GI-Trakt erstellt werden kann. Gegenwärtige Methoden zur Entnahme von Proben aus dem Mikrobiom umfassen hauptsächlich die Analyse von fäkaler DNA und Metaboliten. Dieser Ansatz liefert jedoch nur wenige Informationen über die Umgebung vor dem distalen Dickdarm, in der die Bakterienspezies erheblich variieren können.

Die Pille wurde ausgiebig in vitro und in vivo untersucht und es wurde festgestellt, dass sie eine genaue Identifizierung der Bakterienpopulationen und ihrer relativen Häufigkeit ermöglicht, heißt es in der Veröffentlichung. Es wurde an Schweinen und Primaten getestet, es sind jedoch klinische Studien erforderlich, um festzustellen, ob die Pille routinemäßig bei Menschen zur klinischen Behandlung angewendet werden kann.

Mehr als 1.000 Bakterienarten leben im gesunden Darm. Die überwiegende Mehrheit dieser Bakterien spielt eine positive und unterstützende Rolle bei der Verdauung und beim Schutz vor Krankheiten. Wenn das natürliche Gleichgewicht des Mikrobioms gestört ist, tritt eine sogenannte „Dysbiose“ auf, die mit Entzündungen, Infektanfälligkeit und sogar der Verschärfung anderer Krankheiten wie Krebs in Verbindung gebracht werden kann. Die Forschung enthüllt zunehmend spezifische Mikrobiom-Metaboliten, die vorteilhafte oder schützende Wirkungen gegen Krankheiten haben.

„Wir lernen viel über die Rolle des Darmmikrobioms für Gesundheit und Krankheit. Wir wissen jedoch sehr wenig über seine Biogeographie“, sagte Sameer Sonkusale, Professor für Elektro- und Computertechnik an der School of Engineering der Tufts University und entsprechender Autor der Studie. “Die Pille wird unser Verständnis der Rolle der räumlichen Verteilung im Mikrobiomprofil verbessern, um neuartige Behandlungen und Therapien für eine Reihe von Krankheiten und Zuständen voranzutreiben.”

Die Pille ist raffinierter als nur ein Schwamm. Es wird in einem 3D-Drucker mit Mikrofluidikkanälen hergestellt, mit denen verschiedene Stadien des GI-Trakts abgetastet werden können. Die Oberfläche der Pille ist mit einer pH-empfindlichen Beschichtung bedeckt, so dass sie keine Proben aufnimmt, bis sie in den Dünndarm (unter Umgehung des Magens) gelangt, in dem sich die Beschichtung auflöst. Eine semipermeable Membran trennt zwei Kammern in der Pille – eine mit spiralförmigen Kanälen, die die Bakterien aufnehmen, und die andere mit Kalziumsalz gefüllte Kammer. Die Salzkammer hilft dabei, einen osmotischen Fluss durch die Membran zu erzeugen, der die Bakterien in die spiralförmigen Kanäle zieht. Ein kleiner Magnet in der Pille ermöglicht es, sie an bestimmten Stellen im Darm zu halten, um mit einem Magneten außerhalb des Körpers eine gezieltere Probenahme zu ermöglichen. Ein fluoreszierender Farbstoff in der Salzkammer hilft dabei, die Pille zu lokalisieren, nachdem sie den Magen-Darm-Trakt verlassen hat.

“Das Design dieses Geräts ist unglaublich einfach zu bedienen, birgt für das Subjekt nur ein geringes Risiko und bietet dennoch so viele Informationen”, sagte Giovanni Widmer, Professor für Infektionskrankheiten und globale Gesundheit an der Cummings School of Veterinary Medicine an der Tufts University -Autor der Studie, die für die Prüfung der Wirksamkeit der Pille bei Tieren und für die Hochdurchsatzsequenzierung der Mikrobiomproben verantwortlich ist.

Die Forscher sehen in dieser Technologie eine wichtige Lücke im Verständnis der Komplexität des Ökosystems des Darms. “Wir verfügen über fortschrittliche Technologien zur Analyse von Bakterienpopulationen mithilfe der DNA-Sequenzierung. Bisher konnten wir Bakterien jedoch nicht auf invasive Weise im gesamten GI-Trakt sammeln”, sagte Hojatollah Rezaei Nejad, ein Postdoktorand, der neuartige Anwendungen studierte des 3D-Drucks in Sonkusales Labor bei Tufts und Hauptautor der Studie. “Durch die nicht-invasive Probenahme könnte diese Pille dazu beitragen, die Rolle verschiedener Darmbakterienarten für Gesundheit und Krankheit besser zu identifizieren und zu verstehen.”