Symptomer alle i dit hoved - eller i din tarm? Måske lidt af begge dele.

Enhver, der nogensinde har oplevet "sommerfugle i maven", før de har holdt en stor præsentation, vil ikke blive overrasket over at lære, at der er en faktisk fysisk forbindelse mellem deres tarm og hjerne. Neurovidenskabsmænd og medicinske fagfolk kalder dette "gut-brain-axis" (GBA). En bedre forståelse af GBA kan føre til behandlinger og kure for neurologiske humørsygdomme som depression og angst, samt for en række kroniske autoimmune inflammatoriske sygdomme som irritabel tyktarm (IBS) og reumatoid arthritis (RA).

Problemet er, at indtil nu har "sommerfugle" været alle læger har haft at arbejde med for at opdage disse GBA-relaterede lidelser. Selv i dag diagnosticeres disse sygdomme primært af patienternes egne rapporter om deres symptomer. At finde "biomarkører" - objektive målinger af et stof i kroppen, der indikerer en lidelses tilstedeværelse - kunne dramatisk forbedre diagnosen og tage en enorm byrde på patienterne med at identificere deres egne symptomer korrekt.

Forskere formoder, at den kemiske neurotransmitter serotonin er biomarkøren for en række GBA-lidelser. Serotonin ansporer nervesystemet til at virke via vagusnerven, den fysiske forbindelse mellem hjernen og tyktarmen. Genereret dybt inde i tarmens slimhinde, serotonin påvirker i sidste ende alt fra humør og følelser til søvn, fordøjelse og udskillelse af hormoner. Dets produktion er på en eller anden måde påvirket af det bakterielle "mikrobiom", der er til stede i dette miljø. Forskere håber, at skabelse af værktøjer til at analysere serotonins produktion og dysfunktion i tarmmikrobiomet vil hjælpe med at låse op for mysterierne bag GBA-relaterede lidelser.

Med $1 million i finansiering fra National Science Foundation, University of Maryland (UMD) ingeniører, neurovidenskabsmænd, mikrobiologer og fysikere har gjort betydelige fremskridt med at udvikle en platform, der kan overvåge og modellere realtidsbehandlingen af ​​tarmmikrobiomets serotoninaktivitet. Deres mål er en dag at pakke platformen ind i en indtagelig kapsel, der er i stand til at opdage, behandling og overvågning af GBA-sygdomme.

Konvergerende discipliner er nøglen, siger professor Reza Ghodssi, projektets hovedefterforsker. "Vi konvergerer neurovidenskab, molekylær signalering, og mikro-nano-enheder og -systemer. Dette sætter os i stand til at måle og undersøge data ved grænsefladen af ​​hvert kryds i en simuleret GBA-platform - celle til celle, celle til molekyle, molekyle til nerve - og udvikle tekniske metoder til at analysere og fortolke det."

Arbejdet bygger på indtagelig medicinsk udstyrsekspertise, der er udviklet i UMD MEMS Sensors and Actuators Laboratory, Fischell Department of Bioengineering, og Brain and Behavior Initiative.

Tre nye publicerede artikler beskriver fremskridtet med at påvise serotonin, vurdere dets neurologiske virkninger, og sansning af små ændringer i tarmepitelet.

I "Elektrokemisk måling af serotonin med Au-CNT-elektroder fremstillet på porøse cellekulturmembraner, "teamet udviklede en platform, der giver adgang til det specifikke sted for serotoninproduktion, vigtigt, fordi serotonin udskilles fra bunden af ​​celler. En innovativ porøs membran med en integreret serotoninsensor, hvorpå en model af tarmslimhinden kan dyrkes, gav forskerne adgang til både top- og bundsiden af ​​cellekulturen.

Avisen blev offentliggjort online 7. september, 2020 i Natur tidsskrift, Mikrosystemer og nanoteknik. Forfatterne er Bioengineering Ph.D. studerende Ashley Chapin, tidligere ISR postdoc-forsker Pradeep Ramiah Rajasekaran, alumnus David N. Quan (BioE Ph.D. 2015), Professor Liangbing Hu (MSE/MEII), Lektor Jens Herberholz (Psykologi/NACS), Professor William Bentley (BioE/Fischell Institute/IBBR), og professor Reza Ghodssi (ECE/ISR).

Ved hjælp af metalaflejring, de mønstrede et tre-elektrodesystem direkte på en porøs cellekulturmembran suspenderet i et tilpasset 3-D-printet hus. Celler kan dyrkes på toppen af ​​membranen med serotoninsensoren orienteret på bunden til direkte detektion. Holdet forbedrede derefter følsomheden af ​​serotonin-detektion ved at øge elektrodeeffektive overfladeareal, dråbestøbning af en lille mængde kulstofnanorør på elektrodeoverfladen. Fremstillede opløsninger af serotonin kunne påvises godt inden for det forventede fysiologiske koncentrationsområde.

Arbejdet er det første til at demonstrere en gennemførlig metode til påvisning af redoxmolekyler - såsom serotonin - direkte på et porøst og fleksibelt cellekultursubstrat. Det giver overlegen adgang til cellefrigivne molekyler og skaber et kontrollerbart model-tarmmiljø uden at ty til invasive procedurer på mennesker eller dyr.

Holdets andet papir, "Et hybridt bioovervågningssystem til tarm-neuronkommunikation, " bygger på resultaterne af den første:forskerne udviklede serotonin-måleplatformen yderligere, så den kunne vurdere serotonins neurologiske virkninger. Ved at tilføje og integrere en dissekeret krebsnervemodel med tarmforingsmodellen, holdet skabte en tarm-neuron-grænseflade, der elektrofysiologisk kan vurdere nerverespons på det elektrokemisk detekterede serotonin. Dette fremskridt muliggør studiet af molekylær signalering mellem tarm- og nerveceller, muliggør realtidsovervågning af begge GBA-væv for første gang.

Bladet blev offentliggjort online i juni 2020 IEEE Journal of Microelectromechanical Systems . It was written by Chapin, Electrical and Computer Engineering Ph.D. student Jinjing Han, Neuroscience and Cognitive Science Ph.D. student Ta-Wen Ho, Herberholz and Ghodssi.

Endelig, the concept, design and use for the entire biomonitoring platform is described in a third paper, "3-D Printed Electrochemical Sensor Integrated Transwell Systems, " published online Oct. 5, 2020 i Natur tidsskrift Microsystems and Nanoengineering . The paper was written by Rajasekaran, Chapin, Quan, Herberholz, Bentley and Ghodssi.

This paper delves into the development of the 3-D-printed housing, the maintenance of a healthy lab-on-a-chip gut cell culture, and the evaluation of the two types of sensors integrated on the cell culture membrane. The dual sensors are particularly important because they provide feedback about multiple components of the system—namely, the portions that model the gut lining's permeability (a strong indicator of disease) and its serotonin release (a measure of communication with the nervous system). Alongside the electrochemical sensor—evaluated using a standard redox molecule ferrocene dimethanol—an impedance sensor was used to monitor cell growth and coverage over the membrane. Using both these sensors would allow monitoring of a gut cell culture under various environmental and dietary conditions. It also would enable researchers to evaluate changes to barrier permeability (a strong indicator of disease), and serotonin release (a measure of communication with the nervous system).

"These works represent a big step forward in our understanding of the gut/brain axis, " says Cornell University's John March, Chair of the Department of Biological and Environmental Engineering. "One of the limitations of this field is the inability to perform highly controlled experiments in a 'close to in vivo' system. These papers provide ways around this problem with simple, elegant experiments that are highly accessible. I expect these will be used frequently."

Because the engineering aspects of the platform are well underway, the researchers are working towards culturing multi-tissue interfaces with the help of Jay Pasricha and Subhash Kulkarni at Johns Hopkins University. Eventually multiple platforms will be created, each colonized with a different combination of gut bacteria, to measure the neurophysiological effects of serotonin production in varying microbiome environments.

With this information, Professor Wolfgang Losert (Physics/IPST/IREAP) will lead a machine learning effort to process the sensor data through a computer model that can simulate the outcomes of the different microbiomes. This will provide the clearest picture yet of how a system as complex and individually unique as the gut microbiome affects both gut and brain health. It also may help researchers better understand the connection between nutrition and mental health.

"Understanding biology at the level of whole organisms is a frontier in biology, and essential to forming a basis for precision medicine, " says the University of California, Berkeley's Amy Herr, the John D. &Catherine T. MacArthur Professor of Bioengineering. "By harnessing hallmarks of engineering—integrated, systems-level design—the new research from the Ghodssi-Bentley-Herberholz team presents an integrated approach to elegantly perturb and then probe the electrons and molecules that are key conduits of information flow in whole organisms."