Der heutige Trend mag tragbare Technologie sein, aber ein Forscherteam in Melbourne, Australien, versucht, mit der einnehmbaren Sorte große Fortschritte zu machen. Diese Woche veröffentlichten Kourosh Kalantar-zadeh und seine Kollegen von der RMIT University einen Artikel in Trends in Biotechnology, in dem das Potenzial von aufnehmbaren elektronischen Kapseln zur genauen Messung von Darmgasen beschrieben wird. Derartige Technologien würden einen tieferen Einblick in die Aktivitäten der Gase im Körper und ihre vermuteten Beziehungen zu bestimmten Krankheiten in Echtzeit bieten.
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Unser Verdauungssystem ist mehr als nur innere Organe bei der Arbeit. Wir brauchen auch unser Darmmikrobiom, ein ganzes Ökosystem von verschiedenen Bakterien, das dabei hilft, die Lebensmittel, die wir essen, durch Fermentation aufzubrechen. Obwohl einige der von uns ausgestoßenen Darmgase durch verschluckte Luft verursacht werden, entstehen andere, wenn verschiedene Bakterien, aus denen das Mikrobiom besteht, Substanzen im Darm metabolisieren.
Einige Studien legen nahe, dass bestimmte Gase nützliche Indikatoren für den Gesundheitszustand einer Person sein können. Beispielsweise produzieren sulfatreduzierende Bakterien Schwefelwasserstoff, der mit dem Reizdarmsyndrom in Verbindung gebracht wurde. Es wurden auch Verbindungen zwischen dem Vorhandensein einiger Darmgase und entzündlichen Darmerkrankungen sowie Darmkrebs hergestellt. Wenn diese Gase genau erfasst und überwacht werden können, könnten die Informationen die Erforschung der Ursachen dieser Krankheiten unterstützen.
"Die Auswirkung des menschlichen Darms auf Magen-Darm-Erkrankungen verursacht jedes Jahr weltweit einen erheblichen Teil der Gesundheitsausgaben", betont Kalantar-zadeh, der mit seinem neuen Ansatz die Auswirkungen des Darms auf die allgemeine Gesundheit auf kosteneffiziente Weise entschlüsselt. Stanford Professor und Mikrobiologe David Relman stimmt zu: "Im Allgemeinen ist die Fähigkeit, mikrobielle Funktionen oder Ökosystemleistungen innerhalb des Darms gemeinschaftsweit zu überwachen, ein kritischer Bedarf und könnte unser Verständnis ihrer Funktionsweise wesentlich verbessern."
Heutzutage können Gase, die vom Darmmikrobiom produziert werden, mit einem externen Gerät gemessen werden, ähnlich einem Alkoholtester. Dabei geht jedoch ein erheblicher Teil der Daten verloren, da Gase absorbiert oder diffundiert werden, bevor das Subjekt überhaupt ausatmen kann. Eine andere Technik ist die Analyse von Fäkalien, die aufgrund der Zeitverzögerung vor ähnlichen Herausforderungen stehen, sowie die Schwierigkeit, Datenpunkte über die Anwesenheit eines Gases mit genauen Stellen im Verdauungstrakt zu verbinden, erklärt Lawrence David, ein Assistenzprofessor, der Mikrobiome bei Duke studiert.
Kalantar-zadeh machte sich auf die Suche nach einer direkten Methode, die möglicherweise genauere und umfassendere Messwerte liefern könnte.
Seine Analyse stützte sich auf zwei Strategien: Fermentationssysteme für Fäkalien und Kapseln für aufnehmbare Gase. Bei der ersten Methode wird Fäkalien unter Bedingungen inkubiert, die denen des Dickdarms ähneln. Der Kot enthält Bakterien aus dem Darm, so dass er durch Fermentation die Art der Reaktionen im Körper nachahmt. Die zweite Methode ist bei weitem die direkteste: Die Laborarbeit wird mit einer elektronischen Pille direkt in den Darm gebracht.
„Die beiden Praktiken sind nicht-invasiv und im Vergleich zu relevanten Methoden viel genauer, da sie die Gasproben dort entnehmen, wo sie hergestellt werden“, sagt Kalantar-zadeh.
Ein Beispiel dafür, wie eine elektronische Gasmesskapsel aussehen könnte. (Kourosh Kalantar-zadeh) Die von Kalantar-zadeh prognostizierten Gasüberwachungskapseln kosten weniger als 10 USD pro Stück und sehen aus wie Tabletten, die Patienten schlucken können. In jeder Kapsel sind zwei Schlüsselkomponenten enthalten: ein Sensor, der das Vorhandensein verschiedener Darmgase überwacht, und eine Batterie, die als Stromversorgung dient. Jüngste technologische Entwicklungen haben zu Gassensoren geführt, die weniger als 10 Millimeter lang sind. Der Sensor ist an einen Mikroprozessor und einen Funksender angeschlossen, der die Daten an einen externen Rekorder überträgt.
Die Elektronik ist von einer undurchlässigen Kapselhülle umgeben, die der hohen Luftfeuchtigkeit des Darms standhält, in der Nähe des Sensors befindet sich jedoch eine gasdurchlässige Membran. Die Sensoren verbrauchen große Energiemengen, da sie bei hohen Temperaturen betrieben werden. Daher ist Kalantar-zadeh der Ansicht, dass Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Spannungs- und Ladekapazitäten die optimale Energiequelle sind.
Die Kapseln basieren auf Mikrotechnologie, die von aufnehmbaren pH-, Druck- und Temperatursensoren wie SmartPill und endoskopischen Kameras entwickelt wurde, mit denen Patienten Bilder des Verdauungstrakts aufnehmen können. Die Dauer, die jede Gaskapsel im Körper verbleibt, hängt davon ab, wie schnell der Verdauungstrakt einer Person funktioniert, und reicht von einem bis zu mehreren Tagen, sagt Kalantar-zadeh. Zusammen mit Mitarbeitern der University of Melbourne, der Monash University und CSIRO testet sein Team derzeit Pillenprototypen an Schweinen. Sie beabsichtigen, diese Ergebnisse bald zu veröffentlichen und hoffen dann, die Genehmigung für klinische Studien mit Menschen zu erhalten.
Gelman und David sind beide begeistert von der Aussicht auf diese Technologie und der Fülle an Daten, die letztendlich gesammelt werden könnten. Das Sammeln einer kritischen Informationsmenge ist ein wichtiger nächster Schritt, um ein solides Verständnis der Auswirkungen von Darmgasen auf den Gesundheitszustand und die Behandlungen zu erlangen.
"Klinischer Nutzen erfordert viel mehr Daten und Erkenntnisse darüber, welche Komponenten mit der Gesundheit und Krankheit des Ökosystems korrelieren und diese vorhersagen", sagt Relman.
