Das intestinale Mikrobiom umfasst Billionen von Bakterien, die vielfältige Funktionen im Stoffwechsel, der Immunregulation und bei neurologischen Prozessen übernehmen. Veränderungen in der mikrobiellen Zusammensetzung werden mit chronisch-entzündlichen Erkrankungen, metabolischen Störungen sowie immunologischen und neurologischen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Die mikrobiellen Gemeinschaften sind dabei entlang des Gastrointestinaltrakts hochgradig unterschiedlich.
Bisherige Standardmethoden, wie die Analyse von Stuhlproben, bilden primär das Kolon-Mikrobiom ab. Diese Einschränkung erschwert es, die mikrobiellen Nischen des Dünndarms in ihrer Vielfalt und Dynamik präzise zu erfassen.
Koralleninspirierte Kapseltechnologie eröffnet Zugang zum Dünndarm-Mikrobiom
Um diese diagnostische Lücke zu schließen, entwickelten Forscher der New York University (NYU) Tandon School of Engineering (USA) und der NYU Abu Dhabi (Vereinigte Arabischen Emirate) die sogenannte CORAL-Kapsel (Cellularly Organized Repeating Lattice). Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift 'Device' publiziert.
Die Kapsel nutzt eine bioinspirierte Mikrostruktur, die der porösen Architektur von Korallen nachempfunden ist. Diese mathematisch definierte Triply Periodic Minimal Surface (TPMS)-Struktur bildet ein Netzwerk aus Kanälen, in denen Bakterien mechanisch zurückgehalten werden. Im Gegensatz zu bisherigen Systemen arbeitet die CORAL-Kapsel vollständig passiv, enthält keine beweglichen Teile und wird in einem additiven Fertigungsschritt hergestellt.
Eine enterische Beschichtung stellt sicher, dass die Probenentnahme erst im Dünndarm erfolgt, wodurch eine Kontamination durch Mageninhalt ausgeschlossen wird.
Überprüfung der Kapseltechnologie im Vergleich zu Stuhl- und Gewebeproben
Die Arbeitsgruppe testete die Kapsel zunächst in Tiermodellen. Die Experimente umfassten ex vivo- und in vivo-Anwendungen, ergänzt durch 16S-rRNA-Sequenzierungen der mikrobiellen DNA aus den gewonnenen Proben.
Die Ergebnisse wurden mit konventionellen Stuhl- und Dünndarmgewebeproben verglichen. Ziel war es zu prüfen, ob die Kapsel eine realistische Abbildung des Dünndarm-Mikrobioms ermöglicht.
Kapselproben zeigen differenzierte mikrobielle Profile des Dünndarms
Die Analysen ergaben deutliche Unterschiede zwischen Dünndarm- und Stuhlproben.
- Phylum-Ebene: Im Dünndarm wurden höhere Anteile von Firmicutes und niedrigere Anteile von Bacteroidetes nachgewiesen als in Stuhlproben. Dieses Muster wurde durch die CORAL-Kapsel reproduziert.
- Genus-Ebene: Die Kapselproben zeigten eine deutliche Anreicherung von Lactobacillus auf, einem für die Darmgesundheit wichtigen Bakterium, das bevorzugt in sauren Milieus des oberen Dünndarms vorkommt.
- Bakterien, die typischerweise im Kolon vorkommen, etwa Ruminococcus oder Lachnospiraceae NK4A136, wurden in den Kapsel- und Dünndarmproben deutlich seltener gefunden.
- Auch mukosaassoziierte Bakterien wie Akkermansia und Romboutsia konnten erfasst werden.
Insgesamt bildet die Kapsel eine mikrobielle Diversität ab, die in Stuhlproben nicht erkennbar ist.
Selbstabdichtendes Kapseldesign verhindert Kontamination
Die Kapsel verfügt über ein Kern-Schalen-Design:
- Der Kern nimmt gezielt Bakterien aus dem proximalen Dünndarm auf.
- Die Schale schützt diese Proben vor nachträglicher Kontamination durch distale Darmabschnitte.
Das selbstabdichtende Design verhindert die Aufnahme weiterer Bakterien, sobald der Kern gesättigt ist. Die Proben bleiben so repräsentativ für den Dünndarm.
Fazit: CORAL-Kapsel als neuer Ansatz zur präzisen Analyse des intestinalen Mikrobioms
Die Studie bestätigt, dass Stuhlproben keine zuverlässige Abbildung des gesamten intestinalen Mikrobioms liefern. Mit CORAL steht eine nicht-invasive und passive Methode zur Verfügung, die den Zugang zu mikrobiellen Nischen des Dünndarms ermöglicht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Kapsel ein deutlich differenzierteres Bild der mikrobiellen Gemeinschaften liefert als bisherige Standardmethoden. Vor einer Anwendung beim Menschen sind Skalierungsstudien, Optimierungen der DNA-Extraktion und klinische Prüfungen erforderlich.
