Das Darmmikrobiom ist ein komplexes Ökosystem aus Bakterien, Viren, Pilzen und Parasiten. Das Mikrobiom jedes Menschen ist einzigartig und wird sowohl durch die Ernährung als auch durch die Umwelt geprägt. Dieses Ökosystem steht in Wechselwirkung mit dem Verdauungs-, Immun-, Nerven- und Hormonsystem, wobei viele dieser Zusammenhänge noch nicht vollständig verstanden sind. Um die Forschung auf diesem Gebiet voranzutreiben, hat ein Team der NYU Abu Dhabi eine 3D-gedruckte Kapsel namens CORAL (Cellularly Organized Repeating Lattice) entwickelt, die dazu dient, mikrobielle Proben aus dem Dünndarm zu entnehmen, während sie durch den Verdauungstrakt wandert. Dieses neue Instrument soll Forschern helfen, besser zu verstehen, wie das Darmmikrobiom die allgemeine Gesundheit beeinflusst.
Das Team der NYU Abu Dhabi möchte das Mikrobiom des Dünndarms erforschen, da sich Studien zum Darmmikrobiom bislang hauptsächlich auf Stuhlproben stützten, die vor allem Mikroben aus dem Dickdarm repräsentieren. Dadurch bleibt der Dünndarm weitgehend unerforscht, obwohl er Schauplatz vieler wichtiger Interaktionen zwischen dem Körper und Mikroben ist. Die Mitautorin der Studie, Hanan Mohammed, erklärt: „Die Bakteriengemeinschaften im Darm haben einen tiefgreifenden Einfluss auf das Immunsystem, den Stoffwechsel, den Alterungsprozess und die allgemeine Gesundheit. Das Potential von CORAL liegt darin, eine frühzeitigere Erkennung von Krankheiten zu ermöglichen, die Wirksamkeit von Therapien zu verfolgen und letztendlich neue mikrobiombasierte Behandlungen zu entwickeln, die das verlorene Gleichgewicht wiederherstellen.“
Konzeptioneller Entwurf der CORAL-Kapsel für die Entnahme mikrobieller Proben im Dünndarm (links) und Entwurf und Herstellung von CORAL-Kapseln (rechts)
CORAL: Inspiriert von Meereskorallen
Die Entwickler der CORAL-Kapsel ließen sich von Meereslebewesen inspirieren. Die aus inertem Harz hergestellte Kapsel hat eine Textur wie Meereskorallen, die dank ihrer porösen Struktur vielfältiges mikrobielles Leben beherbergen. Diese Poren vergrößern ihre Oberfläche und ermöglichen so die passive Aufnahme von Mikroben. Das Forschungsteam entwickelte daher für CORAL ein geometrisches dreifach periodisches Minimalflächenmuster (TPMS), das Bakterien einfängt. Der 3D-Druck war für die Umsetzung des Designs von entscheidender Bedeutung. In der Studie heißt es: „Die Herstellung mikroskaliger TPMS-basierter Strukturen ist eine Herausforderung. Die jüngsten Fortschritte in der additiven Fertigung haben jedoch die Herstellung komplexer, selbsttragender TPMS-Architekturen im Nanomaßstab ermöglicht.“
CORAL besteht aus drei Komponenten: einer Außenhülle, einem Innenkern und einer Kappe, die den Kern vor der Entnahme sichert. Der Zweck des mehrteiligen Designs besteht darin, den entnommenen Dünndarminhalt von den nachfolgenden Bereichen des Magen-Darm-Trakts zu isolieren. Bemerkenswert ist, dass die Kapsel in einem einzigen additiven Fertigungsschritt hergestellt wurde. CORAL (Durchmesser 2,1 mm und Länge 8,2 mm einschließlich Kappe) wurde mithilfe der Projektions-Mikrostereolithografie (PμSL) mit einer Maschine von Boston Micro Fabrication hergestellt. Da die Fertigung in einem einzigen Schritt erfolgt, spart dies Zeit und Kosten. Das macht diese passive Probenahmemethode attraktiv für größere Studien oder den klinischen Einsatz.
Schematische Darstellung der CORAL-Kernkapsel beim Durchlaufen eines Ex-vivo-Abschnitts von Dünndarmgewebe (links) und SEM-Bilder der Kapsel beim Einfangen von Bakterien (rechts)
Nach der Einnahme sammelt CORAL mikrobielle Proben, während es sich auf natürliche Weise durch den Körper bewegt, bis es mit dem Stuhl ausgeschieden wird. Anschließend können Forscher die Kapsel wiedergewinnen und analysieren. Das Team der NYU Abu Dhabi testete CORAL an isolierten Tiergeweben und an lebenden Ratten. Sie berichteten, dass die Kapsel in allen Tests den Körper sicher passierte. Nachfolgende genetische Analysen ergaben, dass CORAL mikrobielle Gemeinschaften sammelte, die in Standard-Stuhlproben normalerweise übersehen werden, darunter Streptococcus, Enterococcus und Curtobacterium.
Das einfache Design von CORAL sollte Fehlerquellen minimieren und eine Funktionalität schaffen, die den Nutzen erhöht. Das Team plant, bald mit Versuchen an Patienten zu beginnen. „Wir sehen CORAL als ein transformatives Werkzeug, um Teile des Darms zu erschließen, die lange Zeit unzugänglich waren. In der Forschung wird es Wissenschaftlern ermöglichen, mikrobielle Gemeinschaften im Dünndarm mit beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Klinisch gesehen sehen wir darin eine Unterstützung für nicht-invasive Diagnostik und personalisierte Behandlungsstrategien für Darmerkrankungen“, schlussfolgerte Co-Autor Aashish Jha. Um mehr über die Forschung zu erfahren, lesen Sie die Studie HIER.
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*Titelbildnachweis: Hanan Mohammed und Khalil B. Ramadi mit CORAL. Bildnachweis: Hanan Mohammed et al.