Mit Mikrorobotern verpackte Pille verspricht Behandlung entzündlicher Darmerkrankungen bei Mäusen

Ingenieure der University of California San Diego haben eine Pille entwickelt, die mikroskopisch kleine Roboter, sogenannte Mikroroboter, in den Dickdarm freisetzt, um entzündliche Darmerkrankungen (IBD) zu behandeln. Die experimentelle Behandlung, die oral verabreicht wird, war bei Mäusen erfolgreich. Sie reduzierte die IBD-Symptome deutlich und förderte die Heilung des geschädigten Dickdarmgewebes, ohne toxische Nebenwirkungen zu verursachen.

Die Studie war veröffentlicht 26. Juni in Wissenschaft Robotik.

IBD ist eine Autoimmunerkrankung, die durch eine chronische Entzündung des Darms gekennzeichnet ist. Sie betrifft Millionen von Menschen auf der ganzen Welt und verursacht starke Bauchschmerzen, Rektalblutungen, Durchfall und Gewichtsverlust.

Es tritt auf, wenn Immunzellen, sogenannte Makrophagen, übermäßig aktiviert werden und übermäßige Mengen entzündungsfördernder Proteine, sogenannter proinflammatorischer Zytokine, produzieren. Diese Zytokine binden wiederum an Rezeptoren auf Makrophagen und veranlassen diese, mehr Zytokine zu produzieren. Dadurch wird ein Entzündungszyklus fortgesetzt, der zu den lähmenden Symptomen von IBD führt.

Nun haben Forscher eine Behandlung entwickelt, die diese Zytokinwerte erfolgreich unter Kontrolle hält. Ein Team unter der Leitung von Liangfang Zhang und Joseph Wang, beide Professoren am Institut für Chemie- und Nanotechnik der Aiiso Yufeng Li Family an der UC San Diego, entwickelte Mikroroboter aus entzündungshemmenden Nanopartikeln, die chemisch an Grünalgenzellen gebunden wurden.

Die Nanopartikel absorbieren und neutralisieren entzündungsfördernde Zytokine im Darm. Gleichzeitig nutzen die Grünalgen ihre natürlichen Schwimmfähigkeiten, um die Nanopartikel effizient im gesamten Dickdarm zu verteilen. Dadurch wird der Abbau der Zytokine beschleunigt und die Heilung des entzündeten Gewebes unterstützt.

Was diese Nanopartikel so effektiv macht, ist ihr biomimetisches Design. Sie bestehen aus biologisch abbaubaren Polymer-Nanopartikeln, die mit Makrophagen-Zellmembranen beschichtet sind, wodurch sie als Makrophagen-Köder fungieren können. Diese Köder binden auf natürliche Weise entzündungsfördernde Zytokine, ohne zur Produktion weiterer Zytokine angeregt zu werden, und unterbrechen so den Entzündungszyklus.

„Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass er ohne Medikamente auskommt – wir nutzen lediglich die natürliche Zellmembran, um entzündungsfördernde Zytokine zu absorbieren und zu neutralisieren“, sagte Zhang.

Die Forscher haben sichergestellt, dass ihre biohybriden Mikroroboter strenge Sicherheitsstandards erfüllen. Die Nanopartikel bestehen aus biokompatiblen Materialien, und die in dieser Studie verwendeten Grünalgenzellen werden von der US-amerikanischen Food and Drug Administration als unbedenklich für den Verzehr anerkannt.

Die Mikroroboter sind in einer Flüssigkeitskapsel mit einer pH-reaktiven Beschichtung verpackt. Diese Beschichtung bleibt in der sauren Umgebung der Magensäure intakt, löst sich jedoch beim Erreichen des neutralen pH-Werts des Dickdarms auf. Dadurch wird sichergestellt, dass die Mikroroboter gezielt dort freigesetzt werden, wo sie am dringendsten benötigt werden.

„Wir können die Mikroroboter direkt zur erkrankten Stelle dirigieren, ohne dabei andere Organe zu beeinträchtigen“, sagt Wang. „Auf diese Weise können wir die Toxizität minimieren.“ Die Kapsel hält die funktionalisierten Algen bis zu ihrer Freisetzung in der flüssigen Phase.

Die Kapsel wurde Mäusen, die an IBD litten, oral verabreicht. Die Behandlung verringerte Stuhlblutungen, verbesserte die Stuhlkonsistenz, kehrte den durch IBD verursachten Gewichtsverlust um und verringerte die Entzündung im Dickdarm – und das alles ohne erkennbare Nebenwirkungen.

Das Forschungsteam konzentriert sich nun darauf, seine Mikroroboterbehandlung in klinische Studien umzusetzen.