9. März 2023 – Von Tick Tack Kombucha-Tee hat die Darmgesundheit einen Moment Zeit – nachdem wir schon seit Jahren davon hören. Richtig so.
Ihr Darm – und sein vielfältiger Bakterienmix, der als Mikrobiom bekannt ist – dreht sich nicht mehr nur um die Verdauung. Die „Gesundheit“ des Darms ist auch mit der Gesundheit Ihres Herzens, Gehirns, Immunsystems und mehr verbunden.
Das Problem: Vieles darüber, was da hineingeht und welche Bakterien es auf welchen Ebenen besiedeln – und wie man das alles interpretiert – bleibt ein Rätsel. Den Darm zu studieren ist schwierig. Tierversuche sind möglicherweise nicht sinnvoll, da Tiere andere Verdauungsenzyme und Darmbakterien haben als Menschen. Und typische Labortests, wie das Züchten von Zellen in einer Petrischale, erfassen nicht, wie komplex der Darm ist, ein Teil des Körpers, in dem viele Arten von Zellen wachsen und in einer feuchten, fließenden, sauerstofffreien Umgebung interagieren.
Eine aufkommende Technologie namens „Gut on a Chip“ verspricht, all dies zu ändern, indem sie die Tür zu Experimenten öffnet, die noch nie zuvor möglich waren, und verspricht, die medizinische Forschung voranzutreiben, so ein neues Papier in APL Bioengineering.
Dein Darm auf einem Chip
Es gehört zu den neuesten Fortschritten in der „Organ-on-a-Chip“-Technologie, dem Konzept, menschliche Zellen in ein Gerät zu stecken, das die Aktivität menschlicher Organe nachahmen soll. Wissenschaftler haben Modelle entwickelt, um solche Organe wie Lunge, Niere und zu simulieren Vagina.
Um einen Darm auf einem Chip zu bauen, züchten Wissenschaftler Zellen aus Darmgewebe und Bakterien.
„Diese Zellen wachsen nicht leicht“, sagt Studienautor Amin Valiei, PhD, Postdoktorand an der University of California, Berkeley. „Sie brauchen ein bestimmtes Umfeld.“
Um diese Umgebung zu schaffen, steckten die Forscher die Zellen in winzige Kanäle, die den Fluss von Flüssigkeiten ermöglichen und die im Darm vorkommenden Kräfte nachahmen. Das bedeutet, dass die Zellen wie im menschlichen Körper miteinander interagieren können.
„Diese Modelle werden immer fortschrittlicher“, sagt Valiei. „Im Vergleich zu vor ein paar Jahren haben wir jetzt Modelle, die einige wenige Zelltypen aufnehmen können.“
Warum das wichtig ist: Drogen, Krankheiten und Dysbiose
Forscher können Experimente an den Modellen durchführen, die beim Menschen schwierig oder unmöglich wären.
„Diese Geräte könnten besonders in der Hypothesenphase nützlich sein, um neue Medikamente und Therapeutika zu testen“, sagt Valiei.
Valiei und seine Kollegen am Molecular Cell Biomechanics Lab der UC Berkeley untersuchen, wie verschiedene Bakterienarten in diesen Darm-Chip-Modellen interagieren. Insbesondere untersuchen sie, wie sich bestimmte schädliche Bakterien im Darm festsetzen können – ein Phänomen, das als bekannt ist Dysbiose das ist mit einer Reihe von Erkrankungen wie entzündlichen Darmerkrankungen (IBD), Reizdarmsyndrom (IBS), Diabetes, Fettleibigkeit, Krebs und Herzproblemen verbunden.
Forscher verwenden auch Darm-on-a-Chip-Modelle, um IBD, Darmkrebs und sogar die Auswirkungen von Viren wie COVID-19 auf die Darmfunktion zu untersuchen.
Um zu verstehen, wie sich Krankheiten entwickeln, müssen wir die Dinge in grundlegende Schritte zerlegen, und Darm-auf-einem-Chip-Modelle könnten Forschern dabei helfen, sagt Christopher Chang, MD, PhD, Gastroenterologe am Raymond G. Murphy VA Medical Center in Albuquerque, NM, und der University of New Mexico. (Chang war nicht an der Studie beteiligt.)
„Wir können buchstäblich Tausende von Arten im Darm identifizieren, und wir wissen in groben Zügen, welche Mikroben als nützlich und welche Mikroben als nicht nützlich angesehen werden“, sagt er.
Doch wie passen einzelne Bugs in eine Community? Und welche Kombinationen führen zu einem gesunden Darm im Vergleich zu einem ungesunden? Antworten auf diese Fragen bleiben unklar.
„Wir haben Möglichkeiten, das Mikrobiom durch verschiedene Antibiotika, Probiotika und fäkale Mikrobiota-Transplantationen zu manipulieren“, sagt Chang. „Aber wir müssen wissen: Was sollen wir manipulieren?“
Raum für Verbesserung
Ein Teil des Darms, der noch nicht in Darm-Chip-Modellen abgebildet ist, ist das enterische Nervensystem, auch bekannt als unser „zweites Gehirn“ – Neuronen, die in den Magen-Darm-Trakt eingebettet sind, sagt Chang. Auf diese Weise kommunizieren Darm und Gehirn, und ihre Dysfunktion ist mit Darmerkrankungen wie IBS verbunden.
Menschen mit IBS können Schmerzen, Durchfall oder Verstopfung haben, obwohl ihr Darmgewebe bei Biopsien normal aussieht. Gut-on-a-Chip-Modelle könnten weniger hilfreich sein, um Erkenntnisse über diese Störungen zu gewinnen, obwohl sie dennoch helfen könnten, grundlegende Fragen zu beantworten.
Die Darm-Hirn-Verbindung wird noch geklärt, so dass die Forscher im Zuge der Weiterentwicklung der Wissenschaft möglicherweise neue Erkenntnisse zu zukünftigen Darm-auf-einem-Chip-Modellen hinzufügen können.
Gut-on-a-Chip-Modelle könnten auch jenseits von Krankheiten nützlich sein, sagt Valiei. Jedes Medikament, das Sie schlucken, geht durch Ihren Magen-Darm-Trakt. Wenn Forscher Darm-auf-einem-Chip-Modelle verwenden können, um genau aufzudecken, wie wir Medikamente verdauen und aufnehmen, können sie möglicherweise verfeinern, wie wir diese Medikamente verwenden.
Im Moment geht es darum, diese Technologie weit verbreitet einzusetzen. Aufgrund der Notwendigkeit, mehr Forschung zu betreiben, die Technologie zu verfeinern und genügend Daten zu sammeln, um die Aufsichtsbehörden zufriedenzustellen, kann es noch einige Jahre dauern, bis diese Art von „Präzisionsmedizin“ präzise genug ist, um ihre Verwendung für Patienten wirklich zu personalisieren. Aber laut Valiei ist dies in der Tat ein genauer Blick auf das, was kommen wird.