Inda und ihre Kollegen haben eine Pille entwickelt, die Folgendes enthält: E coli Bakterien, die gentechnisch verändert wurden, um Stickoxid, Wasserstoffperoxid und andere Moleküle zu erkennen, die im Darm von Menschen mit IBD im Übermaß produziert werden. Den Bakterien wurde ein Gencluster hinzugefügt, der sie dazu bringt, Licht auszusenden, wenn sie diesen Entzündungsmolekülen ausgesetzt werden. Die Pille enthält außerdem Fotodioden, die dieses Licht erkennen können, und einen Funkchip, der das Signal außerhalb des Körpers übertragen kann. Das Team berichtete Anfang des Jahres über seine ersten Ergebnisse in Nature.
Die größte Herausforderung für das Team bestand darin, die gesamte Ausrüstung in einen Gegenstand unterzubringen, der klein genug ist, um verschluckt zu werden, ohne den Magen zu beschädigen. „Das Ziel war ein funktionsfähiges Gerät mit genügend Signal, aber klein genug, um für Menschen sicher zu sein“, sagt Miguel Jimenez, ein Chemiker am MIT, der Indas Partner bei der Entwicklung dieses Geräts war. „Natürlich wäre eine mikroskopische Größe das Ideal, aber es gibt physikalische Grenzen für die Größe von Batterie und Dioden.“
Das Team erreichte die Miniaturisierung, indem es die Mindestanzahl an Bakterien ermittelte, die zum Aussenden eines nützlichen Signals erforderlich sind, und die zur Erkennung, Verarbeitung und Übertragung dieses Signals erforderliche Elektronik so stromsparend wie möglich gestaltete. Der nächste Schritt bestand darin, die Bakteriensensoren in die Elektronik zu integrieren und den gesamten Aufbau in einem kleinen Paket unterzubringen. Diese Aufgabe wurde dadurch erschwert, dass die Bakterien in einer feuchten Umgebung gehalten werden mussten und die Elektronik trocken gehalten werden musste, was sie erreichten, indem sie sie auf beiden Seiten einer lasergeschnittenen Klebefolie platzierten, die für sichtbares Licht transparent war . Das gesamte System wurde dann in eine 3D-gedruckte Hülle verpackt, wodurch eine bioelektronische Pille mit einem Volumen von weniger als 1,4 Kubikzentimetern entstand.
Mit freundlicher Genehmigung der Forscher
Um die Wirksamkeit der Pille zu testen, betäubten die Forscher Schweine, führten das Gerät operativ in ihren Darm ein und verschlossen sie dann. („Man kann ihnen das Schlucken nicht beibringen. Wenn man das Gerät nur füttern würde, würden sie es zerkauen“, sagt Jimenez.) Das Team stellte fest, dass das Gerät in der Lage war, IBD-Biomarker aufzunehmen und ein Signal nach außen zu senden Schweinekörper. Inda fügt hinzu, dass die Pille nun am Menschen validiert werden muss, um zu zeigen, dass die Sensoren in der Lage sind, die Biomarker in den Konzentrationen zu erkennen, die auf eine Krankheit hinweisen würden.
Alessio Fasano, Gastroenterologe am Massachusetts General Hospital in Boston, sagt, die bioelektronische Pille sei „futuristisch“. Sein Team entwickelt eine „Pill-Cam“, eine Videokapsel, die geschluckt werden kann, um Bilder im gesamten Darm aufzunehmen und sichtbare Entzündungsbereiche zu überwachen.
Er sagt, dass eine nicht-invasive Methode zur frühzeitigen Überwachung von Entzündungsveränderungen äußerst nützlich wäre. Das Erkennen der häufigen Entzündungsschübe der Patienten vor dem Einsetzen der Symptome könnte eine frühere Intervention ermöglichen.
„Dies ist ein sehr innovativer Beitrag in einem Bereich mit großem klinischem Bedarf“, sagt er.