Nicht invasives Verfahren zur Gewinnung von Mikrobiomproben

Ein Forscherteam unter der Leitung von Ingenieuren der Tufts University hat eine mit einem 3-D-Drucker hergestellte Kapsel entwickelt, die auf ihrem Weg durch den Gastrointestinaltrakt Bakterien aus dem Darm einsammelt, sodass sie schließlich untersucht werden können.

Die in der Fachzeitschrift „Advanced Intelligent Systems“ Kapsel sei das erste nicht invasive Diagnosewerkzeug, mit dem ein Mikrobiomprofil des gesamten Gastrointestinaltraktes erstellt werden könne, so die Forscher. Gegenwärtige Methoden zur Entnahme von Mikrobiomproben umfassten hauptsächlich die Analyse fäkaler DNA und von Metaboliten. Dieser Ansatz liefere jedoch nur wenige Informationen über die Umgebung oberhalb des distalen Kolons.

Die Kapsel wurde ausgiebig in vitro und in vivo untersucht. Dabei stellte man fest, dass sie eine genaue Identifizierung der Bakterienpopulationen und ihrer relativen Häufigkeit ermöglicht. Getestet wurde sie an Schweinen und Primaten. Es sind jedoch klinische Studien erforderlich, um festzustellen, ob die Kapsel routinemäßig bei Menschen zur klinischen Behandlung angewendet werden kann.

 Die Forschung enthüllt zunehmend spezifische Mikrobiom-Metaboliten, die vorteilhafte oder schützende Wirkungen in Bezug auf Krankheiten haben. „Wir lernen viel über die Rolle des Darmmikrobioms in Gesundheit und Krankheit. Wir wissen jedoch sehr wenig über seine Biogeographie“, sagt Sameer Sonkusale, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der School of Engineering der Tufts University und korrespondierender Autor der Studie. „Die Kapsel wird unser Verständnis dessen verbessern, welche Rolle der räumlichen Verteilung im Mikrobiomprofil zukommt, um neuartige Behandlungen und Therapien für eine Reihe von Krankheiten weiterzuentwickeln.“

Die Kapsel ist mehr als nur eine Art Schwamm. Sie wird in einem 3-D-Drucker so hergestellt, dass sie mit Mikrofluidik-Kanälen ausgestattet ist, mit denen Mikrobiomproben an verschiedenen Stellen des Gastrointestinaltraktes gesammelt werden können. Die Oberfläche der Kapsel ist mit einer pH-empfindlichen Beschichtung bedeckt, sodass sie keine Proben aufnimmt, bis sie unter Umgehung des Magens in den Dünndarm gelangt, wo sich die Beschichtung auflöst. Eine semipermeable Membran trennt zwei Kammern innerhalb der Kapsel voneinander: eine mit spiralförmigen Kanälen, die die Bakterien aufnehmen, und eine weitere, 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 außerhalb des Körpers applizierten Magneten 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 benutzerfreundlich, stellt für das Untersuchungsobjekt ein geringes Risiko dar und bietet dennoch so viele Informationen“, sagt Giovanni Widmer, Professor für Infektionskrankheiten und globale Gesundheit an der Tufts Cummings School of Veterinary Medicine und Mitautor der Studie. Er war für die Prüfung der Wirksamkeit der Kapsel in Tierstudien und für die Hochdurchsatzsequenzierung der Mikrobiomproben verantwortlich.

Die Forscher betrachten diese Technologie als Brücke über eine bedeutende Lücke im Verständnis der Komplexität des Ökosystems des Darms. „Wir verfügen über fortschrittliche Technologien zur Analyse von Bakterienpopulationen mithilfe der DNA-Sequenzierung, konnten jedoch bisher keine Bakterien im gesamten Gastrointestinaltrakt auf nicht invasive Weise sammeln“, erläutert Hojatollah Rezaei Nejad, ein Postdoktorand, der neue Anwendungen des 3-D-Druckes in Sonkusales Labor erforscht und Hauptautor der Studie ist. „Durch die nicht invasive Probenentnahme könnte diese Kapsel dazu beitragen, die Rolle verschiedener Darmbakterienspezies in Gesundheit und Krankheit besser zu identifizieren und zu verstehen.”