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Johns Hopkins Researchers Engineer Tiny, formenverändernde Nano Maschinen, die Medizin effizient in den Magen-Darm-Trakt bringen
Die „Theragripper“ sind von einem parasitären Wurm inspiriert, der sich an den Eingeweiden seines Wirts festklammert
Wenn ein offener Theragripper, links, den inneren Körpertemperaturen ausgesetzt wird, schließt er sich an der instestinalen Wand. In der Mitte des Greifers befindet sich ein Raum für eine kleine Dosis eines Medikaments.
Inspiriert von einem parasitären Wurm, der seine scharfen Zähne in den Darm seines Wirtes gräbt, haben Johns Hopkins-Forscher winzige, sternförmige Mikrogeräte entwickelt, die sich an der Darmschleimhaut einklinken und Medikamente in den Körper abgeben können.
Dr. David Gracias, Professor an der Johns Hopkins University Whiting School of Engineering, und Dr. Florin M. Selaru, Gastroenterologe an der Johns Hopkins University, Direktor des Johns Hopkins Inflammatory Bowel Disease Center, leiteten ein Team von Forschern und biomedizinischen Ingenieuren, die formverändernde Mikrogeräte entwarfen und testeten, die die Art und Weise imitieren, wie sich der parasitäre Hakenwurm im Darm eines Organismus festsetzt.
Ein Theragripper ist etwa so groß wie ein Staubkorn. Dieser Tupfer enthält Dutzende der winzigen Geräte. Credit: Johns Hopkins Universität.
Aus Metall und einem dünnen, formveränderlichen Film hergestellt und mit einem wärmeempfindlichen Paraffinwachs beschichtet, können „Theragripper“, von denen jeder etwa die Größe eines Staubflecks hat, potenziell jedes Medikament aufnehmen und nach und nach in den Körper abgeben.
Die allmähliche oder verlängerte Freisetzung eines Medikaments ist ein lang ersehntes Ziel in der Medizin. Selaru erklärt, dass ein Problem bei Medikamenten mit verlängerter Wirkstofffreisetzung darin besteht, dass sie oft ihren Weg vollständig durch den Gastrointestinaltrakt nehmen, bevor sie die Abgabe des Medikaments abgeschlossen haben.
„Normale Verengung und Entspannung der Muskeln des Magen-Darm-Trakts machen es unmöglich, dass Medikamente mit verlängerter Wirkstofffreisetzung lange genug im Darm bleiben, um dem Patienten die volle Dosis zu verabreichen“, sagt Selaru, der seit mehr als 10 Jahren mit Gracias zusammenarbeitet. „Wir haben an der Lösung dieses Problems gearbeitet, indem wir diese kleinen Medikamententräger entwickelt haben, die sich autonom an die Darmschleimhaut anheften und die Medikamentenlast für eine gewünschte Zeitdauer im GI-Trakt halten können.
Tausende von Theragrippern können im GI-Trakt eingesetzt werden. Wenn die Paraffinbeschichtung der Greifer die Temperatur im Körperinneren erreicht, schließen sich die Geräte selbstständig und klemmen sich an der Kolonwand fest. Durch den Schliessvorgang graben sich die winzigen, sechsspitzigen Geräte in die Schleimhaut ein und bleiben am Dickdarm befestigt, wo sie zurückgehalten werden und ihre Medikamentennutzlast allmählich in den Körper abgeben. Schliesslich verlieren die Theragripper ihren Halt am Gewebe und werden über die normale gastrointestinale Muskelfunktion aus dem Darm ausgeschieden.
Gracias stellt Fortschritte auf dem Gebiet der biomedizinischen Technik in den letzten Jahren fest.
„Wir haben die Einführung dynamischer, mikrofabrizierter intelligenter Geräte erlebt, die durch elektrische oder chemische Signale gesteuert werden können“, sagt er. „Aber diese Greifer sind so klein, dass Batterien, Antennen und andere Komponenten nicht darauf passen werden“.
Theragripper, so Gracias, sind nicht auf Elektrizität, drahtlose Signale oder externe Steuerungen angewiesen. „Stattdessen arbeiten sie wie kleine, zusammengedrückte Federn mit einer temperaturgesteuerten Beschichtung auf den Geräten, die die gespeicherte Energie bei Körpertemperatur selbstständig freisetzt“.
Die Forscher von Johns Hopkins stellten die Geräte mit etwa 6.000 Theragrippern pro 3-Zoll-Silizium-Wafer her. In ihren Tierversuchen luden sie ein schmerzlinderndes Medikament auf die Greifer. Die Studien der Forscher ergaben, dass die Tiere, denen Theragripper verabreicht wurden, höhere Konzentrationen des Schmerzmittels in ihren Blutbahnen hatten als die Kontrollgruppe. Das Medikament blieb fast 12 Stunden in den Systemen der Versuchspersonen, während es in der Kontrollgruppe zwei Stunden blieb.
Neben Gracias und Selaru sind die Autoren des Zeitschriftenartikels Arijit Ghosh, Liyi Xu, Neha Gupta, Qianru Lin, Gayatri Pahapale, Wangqu Lu und Anjishnu Sarkar von der Abteilung für chemische und biomolekulare Technik der Johns Hopkins Universität; Ling Li und Venkata Akshintala von der Abteilung für Gastroenterologie und Hepatologie der Johns Hopkins University School of Medicine; Ranjeet Dash, Jenny Lam und Rana Rais von der Johns Hopkins Drug Discovery und der Abteilung für Neurologie der Johns Hopkins University School of Medicine.