Intelligente Pille kann wichtige biologische Marker in Echtzeit verfolgen | MIT-Nachrichten

Forscher vom MIT, der Boston University und anderswo berichten von einer intelligenten Pille in der Größe einer Blaubeere, die die Diagnose und Behandlung von Darmerkrankungen grundlegend verändern könnte. Dies liegt daran, dass es sich um die erste mit der Einnahme kompatible Technologie handelt, die wichtige biologische Moleküle, die auf ein Problem hinweisen könnten, automatisch erkennen und in Echtzeit melden kann.

Die Arbeit erscheint in der Ausgabe der Zeitschrift vom 10. August Natur. Weitere Autoren des Papiers sind Forscher am Brigham and Women’s Hospital in Boston, der University of Chicago und Analog Devices.

Die neue Studie bringt frühere Forschungsergebnisse, über die in einer Ausgabe von 2018 berichtet wurde, erheblich voran Wissenschaft. Die aktuelle Pille ist etwa ein Sechstel so groß wie der in beschriebene Prototyp Wissenschaft, konform mit sicheren, einnehmbaren Dosierungsformen auf dem Markt. Es wurde auch entwickelt, um wichtige biologische Moleküle wie Stickoxid und Nebenprodukte von Schwefelwasserstoff zu erkennen, die wichtige Signale und Mediatoren der mit Darmerkrankungen verbundenen Entzündung sind.

Aktuelle Techniken zur Diagnose von Krankheiten im Darm können invasiv sein (denken Sie an eine Koloskopie oder ein anderes endoskopisches Verfahren) und können molekulare Biomarker einer Krankheit nicht in Echtzeit erkennen. Letzteres ist ein Problem, da einige wichtige Biomarker sehr kurzlebig sind und daher verschwinden, bevor aktuelle Techniken sie erkennen können.

Die neue Pille, die erfolgreich an Schweinen getestet wurde, kombiniert speziell entwickelte lebende Bakterien mit Elektronik und einer winzigen Batterie. Wenn die Bakterien ein interessierendes Molekül wahrnehmen, erzeugen sie Licht (die Bakterien selbst wurden auch außerhalb von Tieren und an Mäusen erfolgreich getestet). Die Pillenelektronik wandelt dieses Licht dann in ein drahtloses Signal um, das in Echtzeit durch den Körper an ein Smartphone oder einen anderen Computer übertragen werden kann, während die Pille durch den Darm wandert.

„Das Innenleben des menschlichen Darms ist immer noch eine der letzten Grenzen der Wissenschaft. Unsere neue Pille könnte eine Fülle von Informationen über die Funktion des Körpers, seine Beziehung zur Umwelt sowie die Auswirkungen von Krankheiten und therapeutischen Interventionen freigeben“, sagt Timothy Lu, außerordentlicher Professor für Biotechnik sowie Elektrotechnik und Informatik am MIT. Lu, der auch mit dem Materials Research Laboratory des MIT und Senti Biosciences verbunden ist, ist ein leitender Autor der in beschriebenen Arbeit Natur.

Mögliche Auswirkungen

Weltweit leiden etwa 7 Millionen Menschen an entzündlichen Darmerkrankungen (IBDs) wie Colitis oder Morbus Crohn.

„Einer der schwierigsten Aspekte bei der Überwachung von IBDs ist die Antizipation klinischer Schübe, die bei diesen Patienten häufig auftreten und die pharmakologische Behandlung ihrer Krankheiten erfordern. „Im Moment haben wir keine belastbaren Biomarker, die einen bevorstehenden Entzündungsschub vorhersagen können, und daher treten bei Patienten oft schwere Symptome auf, die einen Krankenhausaufenthalt erfordern, um richtig behandelt zu werden“, sagt Alessio Fassano, Professor an der Harvard TH Chan School of Public Health nicht an der Forschung beteiligt. „Dieses System könnte im Hinblick auf die frühzeitige Diagnose, das Abfangen von Krankheitsschüben und die Optimierung eines Therapieplans eine entscheidende Wende bei der Behandlung von IBD darstellen.“

In ihrer Studie zeigten die Forscher, dass die intelligente Pille Stickoxid erkennen kann, ein kurzlebiges Molekül, das mit vielen IBDs in Zusammenhang steht. Wichtig ist, dass die Sensoren auch unterschiedliche Konzentrationen von Stickoxid erkennen könnten. „Das wird es uns ermöglichen, zwischen einer normalen Situation und einer Krankheit zu unterscheiden“, sagt Maria Eugenia Inda, Pew-Postdoktorandin am Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) und Department of Biological Engineering (BE) des MIT. Dies ist auch deshalb wichtig, weil die Biomarkerwerte bei den einzelnen Patienten stark variieren.

Den Darm verstehen

Das Team sagt, dass die Pille optimiert werden könnte, um andere wichtige Biomarker zu erkennen. Daher ist Inda auch begeistert von dem Potenzial des Systems, Wissenschaftlern ein viel besseres Verständnis des Darmmikrobioms oder der empfindlichen Umgebung zu ermöglichen, in der sich die Mikroben befinden, die für die Verdauung von Nahrungsmitteln von entscheidender Bedeutung sind.

Derzeit gleicht der Darm einer Blackbox. „Wir verstehen es immer noch nicht vollständig, weil es schwierig ist, darauf zuzugreifen und es zu studieren. Uns fehlen die Werkzeuge, um es zu erforschen“, sagt sie. „Wenn wir mehr über die chemische Umgebung im Darm wissen, könnten wir Krankheiten vorbeugen, indem wir Faktoren identifizieren, die Entzündungen verursachen, bevor die Entzündung überhandnimmt.“

Über den Darm hinaus könnte die Kombination aus Mikroben und Elektronik des Teams einen breiten Nutzen für die Gesundheitsüberwachung haben. „Wir haben die Stärken der Biologie und der Elektronik ausgenutzt – unsere winzige Pille zeigt, was möglich ist, wenn wir die Erkennung von Bakterien mit drahtloser Kommunikation verbinden können“, sagt Miguel Jimenez, Forschungswissenschaftler am Department of Mechanical Engineering (MechE) des MIT. Inda und Jimenez sind Co-Erstautoren des Artikels.

„Durch diese Entwicklung beschreiben wir eine einzigartige Plattform für die Beurteilung des Magen-Darm-Trakts, von der wir glauben, dass sie vielen helfen kann“, sagt Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor bei MechE, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und einer der leitenden Autoren der Studie Studie.

Eine fantastische Reise

Inda verglich die Forschung mit „Fantastic Voyage“, einem Film aus dem Jahr 1966 über vier Wissenschaftler, die sich schrumpfen, um in ein winziges U-Boot zu passen, das durch die Arterien eines kranken Mannes fährt, um ein Problem in seinem Gehirn zu behandeln. „Wir Wissenschaftler können das nicht“, sagt sie lächelnd, „aber jetzt können wir Bakterien schicken, um etwas Ähnliches zu tun.“ Schnelle Fortschritte in der synthetischen Biologie ermöglichen es uns, die Informationsverarbeitungsfähigkeiten lebender Zellen zu nutzen, um Krankheiten in solch schwer zugänglichen Umgebungen zu diagnostizieren.“

Inda, Jimenez, Traverso und Lus Mitautoren des Natur Papier sind Christoph Steiger, Alison Hayward, Adam Wentworth und Wiam Madani von MechE, dem Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT und dem Brigham and Women’s Hospital (BWH); Nhi Phan und Jenna Ahn vom Koch-Institut; Qijun Liu (der auch Erstautor eines Artikels über Elektronik aus dem Jahr 2022 ist), Arslan Riaz, Timur Zirtiloglu und Rabia Yazicigil vom Fachbereich Elektrotechnik und Computertechnik der Boston University; Kaitlyn Wong und Ronan McNally von BWH; Keiko Ishida vom Koch-Institut und BWH; Niora Fabian von MechE, dem Koch-Institut und der Abteilung für Vergleichende Medizin (DCM) des MIT; Josh Jenkins und Johannes Kuosmanen von MechE und dem Koch-Institut; Yong Lai von BE und EECS; Alison Hayward von MechE, dem Koch Institute, BWH und DCM; Mark Mimee von der University of Chicago; Phillip Nadeau von Analog Devices; und MIT-Dekanin für Ingenieurwesen Anantha Chandrakasan, Professorin für EECS.

Diese Arbeit wurde vom Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, den Pew Charitable Trusts, dem Translational Research Institute of Space Health, dem MIT Department of Mechanical Engineering, der MIT Karl van Quaste (1925) Career Development Professorship und unterstützt die Catalyst Foundation.