An ingestible bioelectronic capsule for in vivo DNA monitoring in the gastrointestinal tract

De menselijke maag is een harde, zure omgeving die ontworpen is om voedsel af te breken, maar het is ook een plek waar gevaarlijke bacteriën zich kunnen verschuilen en vermenigvuldigen voordat het lichaam de kans krijgt om terug te vechten. Wanneer artsen moeten weten of een patiënt een specifieke infectie heeft, wachten ze meestal tot het lichaam het bewijs uitscheidt via de ontlasting of voeren ze een invasieve biopsie uit. Dit proces kost tijd. In die vertraging kan het genetisch materiaal dat door de bacteriën is achtergelaten, degraderen of zo verdund raken dat het niet meer te vinden is, vergelijkbaar met het proberen te lezen van een brief die in de regen is blijven liggen. Voor veel gastro-intestinale ziekten betekent wachten tot het lichaam de aanwijzingen doorspoelt dat men de vroegste, meest behandelbare tekenen van problemen mist.

Om dit op te lossen, heeft een team van onderzoekers een piepklein, slikbaar apparaat ontwikkeld dat fungeert als een mobiel laboratorium in de maag. In plaats van te wachten tot het lichaam een monster uitstoot, gaat deze capsule naar de bron, verzamelt een vers monster van maagvocht en analyseert dit op specifieke DNA-sequenties op de plek waar de infectie plaatsvindt. Het apparaat combineert een op papier gebaseerde sensor met een kleine elektronische hersenstructuur. Het papier is behandeld met speciale biologische instrumenten die de unieke genetische handtekening van een doelbacterie kunnen herkennen. Wanneer het DNA van de bacterie wordt gevonden, licht het papier op met een zwakke gloed. Het elektronische deel van de capsule ziet dit licht, zet het om in een digitaal signaal en stuurt het draadloos naar een smartphone buiten het lichaam. Dit stelt een arts in staat om onmiddellijk te weten of een specifiek pathogeen aanwezig is, zonder te wachten tot het monster door het hele spijsverteringskanaal is gereisd.

De onderzoekers moesten eerst bewijzen dat wachten op een ontlastingmonster inderdaad een probleem was. Ze testten hoe lang bacterieel DNA kon overleven onder de omstandigheden in de maag. In hun experimenten ontdekten ze dat binnen slechts enkele uren het genetisch materiaal van bacteriën zoals Salmonella aanzienlijk begon af te breken. Wanneer ze bacteriën aan muizen en honden voerden en vervolgens wachtten om hun feces te testen, was het genetische signaal vaak verdwenen of zo zwak dat het onmogelijk te detecteren was. Echter, wanneer ze het maagvocht direct na de binnenkomst van de bacteriën testten, was de genetische informatie duidelijk en sterk. Dit bevestigde dat om deze infecties vroegtijdig te vangen, de test in de maag moet plaatsvinden, en niet nadat het afval het lichaam heeft verlaten.

Om een apparaat te bouwen dat dit in staat is, creëerde het team een capsule die ongeveer de grootte heeft van een grote vitaminepil, met afmetingen van 35 millimeter lang en 14 millimeter breed. Binnenin installeerden ze een kleine pomp om maagvocht op te zuigen en een kamer om een strip van speciaal behandeld papier vast te houden. Deze papierstrip is het hart van het detectiesysteem. Het is verdeeld in verschillende zones die verbonden zijn door minuscule kanaaltjes. Wanneer het maagvocht de eerste zone binnengaat, komt het in contact met enzymen die eventuele bacteriën openbreken, waardoor hun DNA vrijkomt. Het vocht stroomt vervolgens naar een tweede zone waar het DNA vele malen wordt gekopieerd om het gemakkelijker vindbaar te maken. Ten slotte bereikt het een derde zone die een systeem bevat gebaseerd op CRISPR-technologie, wat fungeert als een zeer specifieke zoekmachine voor DNA. Als het systeem de specifieke genetische code van de doelbacterie vindt, triggert dit een chemische reactie die licht produceert.

De onderzoekers testten dit systeem eerst in het laboratorium, waarbij ze lieten zien dat het Salmonella met hoge nauwkeurigheid kon detecteren in gesimuleerd maagvocht. Vervolgens gingen ze over naar levende dieren, waaronder honden en varkens, die een spijsverteringsstelsel hebben dat zeer vergelijkbaar is met dat van mensen. In deze tests werd de capsule met behulp van een endoscoop in de maag geleid. Eenmaal binnen verzamelde het vocht en voerde het de test uit. Het apparaat detecteerde succesvol de aanwezigheid van de doelbacterie in de magen van de honden en varkens, en stuurde de resultaten naar een computer buiten het lichaam. Cruciaal was dat het apparaat de bacteriën niet vond in de feces van deze dieren, ook al waren de bacteriën wel aanwezig in de maag, wat het idee versterkte dat wachten op excretie ervoor zorgt dat het signaal verloren gaat.

Om het apparaat klaar te maken voor menselijk gebruik, voegde het team een veiligheidsfunctie toe: een dunne, voedselveilige lijn (tether) die aan de capsule is bevestigd. Hierdoor kunnen artsen de capsule uit de maag trekken nadat de test is voltooid, in plaats van te wachten tot deze op natuurlijke wijze passeert. Ze testten deze methode van berging op varkens en bevestigden dat dit veilig werkte. Ten slotte brachten ze de technologie een stap dichter bij de kliniek door het te testen op echte menselijke monsters. Ze verzamelden maagvocht van vijftien vrijwilligers die werden gecontroleerd op Helicobacter pylori, een veelvoorkomende maagbacterie. De capsule-gebaseerde test kwam voor de meeste vrijwilligers overeen met de resultaten van standaard medische tests. De studie toonde ook aan dat als deze menselijke monsters enkele uren buiten de bocht bleven staan voordat ze werden getest, het vermogen om de bacteriën te detecteren aanzienlijk afnam, wat de waarde van het onmiddellijk testen van het monster binnen het lichaam verder bewees.

Hoewel het apparaat veelbelovend is, merken de onderzoekers op dat het nog niet perfect is. De chemische reacties in de capsule werken het best gedurende een beperkt tijdsbestek, doorgaans rond de 40 minuten, voordat het harde maagzuur begint te interfereren met de enzymen. Ze erkennen ook dat de papiersensoren consistenter geproduceerd moeten worden om ervoor te zorgen dat elke test exact hetzelfde werkt. Ondanks deze hindernissen demonstreert de studie een werkend prototype van een systeem dat de genetische gezondheid van de darmen van binnenuit kan monitoren. Door het laboratorium in de maag te brengen, biedt deze technologie een nieuwe manier om infecties vroegtijdig te vangen, wat de diagnose en het beheer van gastro-intestinale ziekten potentieel kan veranderen.