Die Suche nach einem Schalter, um den Hunger zu bekämpfen

Maggie Chen

Seien wir ehrlich, Essen ist ziemlich angenehm – eine Handvoll knuspriger Chips zu naschen oder eine große Portion Eintopf zu schlürfen und dann in einem Dunst gesättigten Vergnügens auf der Couch zu liegen. Aber denken Sie auch an diejenigen, die ständig Angst vor dem Essen haben. Für manche ist Essen äußerst schmerzhaft. Wenn Ihr Verdauungssystem nicht so funktioniert, wie es sollte, kann es bereits nach wenigen Bissen zu Übelkeit oder Erbrechen kommen. Oder eine schlecht verdaute Mahlzeit kann zu Verstopfung, Blähungen und anhaltenden Beschwerden führen. Verdauungsprobleme kommen weitaus häufiger vor, als Sie vielleicht denken: Man geht davon aus, dass etwa 60 bis 70 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten an einer Magen-Darm-Erkrankung leiden.

Eine besonders unangenehme Erkrankung ist die Gastroparese, bei der die Nahrungspassage durch den Magen dramatisch verlangsamt wird. Knapp 2 Prozent der US-Bevölkerung sind davon betroffen und die Symptome können schwerwiegend sein: verminderter Appetit, Übelkeit und Erbrechen. Die meisten Patienten behandeln ihre Erkrankung mit irgendeiner Form von Ernährungseinschränkungen, in schweren Fällen sind jedoch invasive Behandlungen erforderlich – einschließlich Sondenernährung, implantierter Geräte oder chirurgischer Eingriffe. „Es ist ein wirklich bedürftiger Bereich, für den es keine hochwirksamen Therapien gibt“, sagt Suneil Koliwad, Endokrinologe an der UC San Francisco.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology haben an einer besseren Lösung gearbeitet. Sie haben eine winzige Pille entwickelt, die beim Verschlucken elektrische Impulse durch die Magenschleimhaut senden kann, um alles in Bewegung zu setzen. In einer kürzlich in Science Robotics veröffentlichten Studie zeigte das Team, dass die Pille den Hormonspiegel erhöht, der den Appetit steigert und Übelkeit verringert. Sie hoffen, dass es eines Tages als wirksame, nicht-invasive Therapie für Menschen mit Gastroparese – oder anderen Essstörungen – dienen kann, wobei es sich im Wesentlichen um einen vorübergehenden Schalter handelt, der aktiviert werden kann, um Hunger und Verdauung anzukurbeln.

Das Hungergefühl und die Nahrungspassage werden durch eine Vielzahl von Hormonen und Nerven im Körper gesteuert, die sogenannte Darm-Hirn-Achse. „Der Darm verfügt nach dem Gehirn über die zweitgrößte Anzahl an Neuronen“, sagt Khalil Ramadi, Bioingenieur an der New York University und einer der Mitautoren der Studie. Wenn diese Darm-Hirn-Achse gestört ist, sei es durch eine Essstörung oder Diabetes, kann es vermutlich zu einer Gastroparese kommen. Um ein Verdauungsproblem zu beheben, muss man sich auf diese Achse konzentrieren.

Hier begann also das Team. Eine der invasiveren Therapien bei schwerer Gastroparese ist die sogenannte elektrische Magenstimulation, bei der Elektroden chirurgisch unter die Bauchhaut implantiert werden, um elektrische Impulse im Magen zu erzeugen. Untersuchungen an Schweinen haben gezeigt, dass dies den Ghrelinspiegel erhöht, ein Hormon, das mit der Auslösung von Hunger und der Verringerung von Übelkeit verbunden ist. Giovanni Traverso, Maschinenbauingenieur am MIT und Leiter der Studie, fragte sich, ob es eine Möglichkeit gäbe, die Therapie weniger invasiv zu gestalten und die Notwendigkeit einer Operation zu minimieren.

Traverso, Ramadi und das Team beschlossen, etwas Einnehmbares zu entwickeln, das die Wirkung einer elektrischen Magenstimulation nachahmen könnte. Sie entschieden sich für eine wenige Millimeter große Kapsel, die mit einer Reihe von Elektroden versehen war, um nach dem Verschlucken elektrische Impulse im Magen zu erzeugen. Durch den Einbau einer Batterie und eines Timers in die Kapsel würde die kleine Pille diese elektrischen Impulse für einen festgelegten Zeitraum senden, sich dann abschalten und den Rest des Verdauungssystems passieren, um schließlich in der Toilette zu landen.

Lauren Goode

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Julian Chokkattu

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Etwas Elektrisches in die feuchte und klebrige Umgebung des Magens zu bringen, erwies sich als echte Designaufgabe. Laut James McRae, einem Doktoranden in Traversos Labor und einem weiteren Mitautor der Studie, mussten die Elektroden an der Schleimhaut des Magens haften, um elektrische Reize erfolgreich weiterzuleiten. Das Problem besteht darin, dass die Schleimhaut große Mengen an Flüssigkeit absondert und eine Schicht bildet, die typischerweise die elektrische Leitfähigkeit behindert.

Um dies zu überwinden, wandten sich die Wissenschaftler einer ungewöhnlichen Inspirationsquelle zu: der australischen „Dornigen Teufelsechse“. Dieses besondere Reptil hat dornige Rillen auf seiner Haut, die Wasser ableiten – optisch ähnlich den erhabenen Rillen auf einem Ruffles-Kartoffelchip. Basierend auf der strukturierten Haut der Eidechse haben die Wissenschaftler „Rillen in unsere Kapsel eingearbeitet, die diese Schicht auf der Schleimhaut von den Elektroden auf der Kapsel wegziehen können“, sagt McRae.

Um sicherzustellen, dass die Kapsel auf dem Weg zum Magen nicht an einer anderen Stelle hängenbleibt und anfängt zu pulsieren, bevor sie ihr Ziel erreicht, überziehen die Wissenschaftler sie mit einer Schutzhülle, die bei Kontakt mit Flüssigkeit im Magen schmilzt. „Im Grunde genommen zersetzt sich diese Hülle, fällt ab und legt die Elektroden und Oberflächenrillen in der entsprechenden Region frei“, sagt McRae.

Um herauszufinden, ob ihre winzige, gerillte Kapsel tatsächlich funktioniert, wandte sich das Team an Schweine. Nachdem sie jedem Schwein eine Pille verabreicht hatten, verfolgten sie den Durchgang der Kapsel mithilfe einer endoskopischen Kamera und Röntgenaufnahmen. Sie fanden heraus, dass die Pille tatsächlich am Magen haftete, die Schleimhaut etwa 20 Minuten lang stimulierte und etwa einen Tag im Magen blieb. Als das Team den Ghrelinspiegel im Blut der Schweine maß, stellte es fest, dass diejenigen, die die Elektropille eingenommen hatten, im Vergleich zu den Kontrollpersonen einen erhöhten Ghrelinspiegel aufwiesen. „Es war eine Bereicherung, einige positive Ergebnisse zu sehen“, sagt Ramadi mit einem Lächeln.

Innerhalb von zwei Wochen konnten die Wissenschaftler die gesamten Pillen aus dem Kot der Schweine sammeln. Dies seien, so McRae, „sehr ermutigende Sicherheitsdaten – dass diese Geräte sicher passieren können, ohne Schaden zu verursachen, und dass sie die ganze Zeit über intakt bleiben können.“

Als sie dieses Experiment an Schweinen wiederholten, die einen durchtrennten Vagusnerv hatten (der den Darm vom Gehirn trennte), stellte sich interessanterweise heraus, dass die elektrische Stimulation der Pillen den Ghrelinspiegel nicht erhöhte – was darauf hindeutet, dass das Gehirn eine wichtige Rolle bei der Weiterleitung der Hormonsignale im Magen spielt ; Die gesamte Darm-Hirn-Achse war am Werk. „Sie stimulieren den Magen und dieses Hormon [Ghrelin] wird vom Magen freigesetzt“, sagt Ramadi. „Aber tatsächlich scheint es eine neuronale Beteiligung zu geben.“

Die Tatsache, dass die Pillen den Ghrelinspiegel erhöhen können, ist vielversprechend. Es sind jedoch weitere Tests erforderlich, um festzustellen, ob dies zu einem gesteigerten Appetit oder einer geringeren Übelkeit führt. „Menschen können das Ghrelin-Hormon und einige der biologischen Veränderungen messen“, sagt Braden Kuo, ein Gastroenterologe am Brigham and Women's Hospital, der nicht an der Studie beteiligt war (obwohl Traverso zuvor als klinischer Mitarbeiter bei Kuo studiert hatte). „Aber ich denke, es ist noch ein weiter Weg bis zum Beweis, dass diese Art von Manipulation menschliches Verhalten verändern kann.“

Dennoch sind sich sowohl Kuo als auch Koliwad einig, dass die Pille einen Fortschritt darstellt, um die Behandlung von Gastroparese weniger invasiv zu gestalten. Derzeitige implantierte elektrische Magenstimulatoren „schrecken viele Patienten ab, die Angst vor dem Eingriff haben“, sagt Koliwad. Dieses schluckbare Gerät „könnte für Patienten schmackhafter und akzeptabler sein“, fügt er hinzu.

In naher Zukunft hoffen Traverso, Ramadi und McRae, die Pille in klinische Studien zu bringen. Sie stellen sich das Gerät als etwas vor, das eines Tages auf verschiedene Teile des Magen-Darm-Trakts abzielen und diese stimulieren kann – indem es Hormone moduliert, die Übelkeit lindern oder den Appetit kontrollieren können. Sie sagen, dass dies bei einer Vielzahl von Erkrankungen nützlich sein könnte, beispielsweise bei Übelkeit aufgrund einer Chemotherapie, nicht nur bei Gastroparese. „Für mich als Kliniker ist die Möglichkeit, unser Hormonprofil zu verbessern, ohne ein Medikament zu verabreichen, meiner Meinung nach eine wirkliche Veränderung“, sagt Traverso. „Es bietet eine enorme Chance, in vielen Bereichen zu helfen.“