Symptomen allemaal in uw hoofd – of in uw onderbuik? Misschien een beetje van beide.

Iedereen die ooit “vlinders in de maag” heeft meegemaakt voordat hij een grote presentatie gaf, zal niet verbaasd zijn te horen dat er een daadwerkelijke fysieke verbinding is tussen hun darmen en hun hersenen. Neurowetenschappers en medische professionals noemen dit de “gut-brain-axis” (GBA). Een beter begrip van de GBA kan leiden tot behandelingen en genezingen voor neurologische stemmingsstoornissen zoals depressie en angst, maar ook voor een reeks chronische auto-immuun ontstekingsziekten zoals prikkelbare darmsyndroom (IBS) en reumatoïde artritis (RA).

Het probleem is dat tot nu toe alle doktoren met “vlinders” moesten werken om deze GBA-gerelateerde aandoeningen op te sporen. Zelfs vandaag de dag worden deze ziekten voornamelijk gediagnosticeerd door de eigen rapporten van patiënten over hun symptomen. Het vinden van “biomarkers” – objectieve metingen van een stof in het lichaam die de aanwezigheid van een aandoening aangeeft – zou de diagnose drastisch kunnen verbeteren en een enorme last wegnemen van patiënten om hun eigen symptomen correct te identificeren.

Wetenschappers vermoeden dat de chemische neurotransmitter serotonine de biomarker is voor een reeks GBA-aandoeningen. Serotonine spoort het zenuwstelsel aan via de nervus vagus, de fysieke verbinding tussen de hersenen en de dikke darm. Serotonine wordt diep in het slijmvlies van de darmen aangemaakt en beïnvloedt uiteindelijk alles, van stemming en emoties tot slaap, spijsvertering en de afscheiding van hormonen. De productie ervan wordt op de een of andere manier beïnvloed door het bacteriële “microbioom” dat in deze omgeving aanwezig is. Onderzoekers hopen dat het creëren van tools om de productie en disfunctie van serotonine in het darmmicrobioom te analyseren, de mysteries van GBA-gerelateerde aandoeningen zal helpen ontrafelen.

Met $ 1 miljoen aan financiering van de National Science Foundation hebben ingenieurs, neurowetenschappers, microbiologen en natuurkundigen van de University of Maryland (UMD) aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van een platform dat de real-time verwerking van serotonine-activiteit in het darmmicrobioom kan volgen en modelleren. Hun doel is om het platform ooit te verpakken in een inneembare capsule die GBA-ziekten kan detecteren, behandelen en bewaken.

Convergerende disciplines zijn cruciaal, zegt professor Reza Ghodssi, de hoofdonderzoeker van het project. “We brengen neurowetenschappen, moleculaire signalering en micro-nano-apparaten en -systemen samen. Dit stelt ons in staat om gegevens te meten en te onderzoeken op het grensvlak van elk knooppunt van een gesimuleerd GBA-platform – cel tot cel, cel tot molecuul, molecuul tot zenuw – en ontwikkel technische methodologieën om het te analyseren en te interpreteren. “

Het werk bouwt voort op de expertise van opneembare medische hulpmiddelen die is ontwikkeld in het UMD MEMS Sensors and Actuators Laboratory, de Fischell Department of Bioengineering en het Brain and Behavior Initiative.

Drie nieuw gepubliceerde artikelen beschrijven de voortgang bij het detecteren van serotonine, het beoordelen van de neurologische effecten ervan en het waarnemen van minieme veranderingen in het darmepitheel.

In “Elektrochemische meting van serotonine door Au-CNT-elektroden vervaardigd op poreuze celcultuurmembranen”, ontwikkelde het team een ​​platform dat toegang biedt tot de specifieke plaats van serotonineproductie, belangrijk omdat serotonine wordt uitgescheiden uit de bodem van cellen. Een innovatief poreus membraan met een geïntegreerde serotoninesensor waarop een model van de darmwand kan worden gekweekt, gaf onderzoekers toegang tot zowel de boven- als onderkant van de celkweek.

De paper werd online gepubliceerd op 7 september 2020 in de Natuur logboek, Microsystemen en nano-engineering. De auteurs zijn Bioengineering Ph.D. student Ashley Chapin, voormalig ISR postdoctoraal onderzoeker Pradeep Ramiah Rajasekaran, alumnus David N. Quan (BioE Ph.D. 2015), Professor Liangbing Hu (MSE / MEII), Universitair Hoofddocent Jens Herberholz (Psychologie / NACS), Professor William Bentley (BioE / Fischell Institute / IBBR), en professor Reza Ghodssi (ECE / ISR).

Met behulp van metaalafzetting vormden ze een patroon met drie elektroden rechtstreeks op een poreus celcultuurmembraan dat was opgehangen in een op maat gemaakte 3D-geprinte behuizing. Cellen kunnen op de bovenkant van het membraan worden gekweekt met de serotoninesensor op de onderkant gericht voor directe detectie. Het team verbeterde vervolgens de gevoeligheid van de serotoninedetectie door het effectieve oppervlak van de elektrode te vergroten en een klein volume koolstofnanobuisjes op het elektrode-oppervlak te druppelen. Bereide oplossingen van serotonine waren ruim binnen het verwachte fysiologische concentratiebereik detecteerbaar.

Het werk is het eerste dat een haalbare methode demonstreert om redoxmoleculen – zoals serotonine – rechtstreeks op een poreus en flexibel celkweeksubstraat te detecteren. Het geeft superieure toegang tot cel-vrijgekomen moleculen en creëert een controleerbaar model darmomgeving zonder toevlucht te nemen tot invasieve procedures bij mens of dier.

De tweede paper van het team, “A Hybrid Biomonitoring System for Gut-Neuron Communication”, bouwt voort op de bevindingen van de eerste: de onderzoekers ontwikkelden het serotonine-meetplatform verder zodat het de neurologische effecten van serotonine kon beoordelen. Door een ontleed rivierkreeftzenuwmodel toe te voegen en te integreren met het darmbekledingsmodel, creëerde het team een ​​darm-neuron-interface die elektrofysiologisch de zenuwrespons op het elektrochemisch gedetecteerde serotonine kan beoordelen. Deze vooruitgang maakt de studie van moleculaire signalering tussen darm- en zenuwcellen mogelijk, waardoor voor het eerst real-time monitoring van beide GBA-weefsels mogelijk wordt.

De paper is online gepubliceerd in juni 2020 IEEE Journal of Microelectromechanical Systems. Het is geschreven door Chapin, Electrical and Computer Engineering Ph.D. student Jinjing Han, Neurowetenschappen en Cognitiewetenschappen Ph.D. student Ta-Wen Ho, Herberholz en Ghodssi.

Ten slotte worden het concept, het ontwerp en het gebruik van het volledige biomonitoringplatform beschreven in een derde paper, “3D Printed Electrochemical Sensor Integrated Transwell Systems”, online gepubliceerd op 5 oktober 2020 in de Natuur logboek Microsystemen en nano-engineering. Het artikel is geschreven door Rajasekaran, Chapin, Quan, Herberholz, Bentley en Ghodssi.

Dit artikel gaat in op de ontwikkeling van de 3D-geprinte behuizing, het behoud van een gezonde lab-on-a-chip darmcelcultuur en de evaluatie van de twee soorten sensoren die op het celcultuurmembraan zijn geïntegreerd. De dubbele sensoren zijn vooral belangrijk omdat ze feedback geven over meerdere componenten van het systeem, namelijk de delen die de doorlaatbaarheid van de darmwand modelleren (een sterke indicator van ziekte) en de afgifte van serotonine (een maat voor communicatie met het zenuwstelsel). Naast de elektrochemische sensor – geëvalueerd met behulp van een standaard redoxmolecuul ferroceendimethanol – werd een impedantiesensor gebruikt om de celgroei en dekking over het membraan te volgen. Het gebruik van beide sensoren zou het mogelijk maken om een ​​darmcelcultuur onder verschillende omgevings- en voedingsomstandigheden te volgen. Het zou onderzoekers ook in staat stellen veranderingen in de barrièrepermeabiliteit (een sterke indicator van ziekte) en de afgifte van serotonine (een maatstaf voor communicatie met het zenuwstelsel) te evalueren.

“Deze werken vertegenwoordigen een grote stap voorwaarts in ons begrip van de darm / hersen-as”, zegt John March van Cornell University, voorzitter van de afdeling Biologische en Milieutechniek. “Een van de beperkingen van dit veld is het onvermogen om zeer gecontroleerde experimenten uit te voeren in een ‘bijna in vivo’-systeem. Deze documenten bieden manieren om dit probleem te omzeilen met eenvoudige, elegante experimenten die zeer toegankelijk zijn. Ik verwacht dat deze vaak zullen worden gebruikt. . “

Omdat de technische aspecten van het platform in volle gang zijn, werken de onderzoekers met behulp van Jay Pasricha en Subhash Kulkarni van de Johns Hopkins University aan het kweken van multi-tissue interfaces. Uiteindelijk zullen meerdere platforms worden gecreëerd, elk gekoloniseerd met een andere combinatie van darmbacteriën, om de neurofysiologische effecten van serotonineproductie in verschillende microbioomomgevingen te meten.

Met deze informatie zal professor Wolfgang Losert (Physics / IPST / IREAP) een machine learning-inspanning leiden om de sensorgegevens te verwerken via een computermodel dat de uitkomsten van de verschillende microbiomen kan simuleren. Dit zal het duidelijkste beeld geven van hoe een systeem dat zo complex en individueel uniek is als het darmmicrobioom, zowel de darm- als de hersengezondheid beïnvloedt. Het kan onderzoekers ook helpen het verband tussen voeding en geestelijke gezondheid beter te begrijpen.

“Het begrijpen van biologie op het niveau van hele organismen is een grens in de biologie en essentieel voor het vormen van een basis voor precisiegeneeskunde”, zegt de University of California, Amy Herr van Berkeley, de John D. & Catherine T. MacArthur hoogleraar Bioengineering. “Door gebruik te maken van technische kenmerken – geïntegreerd ontwerp op systeemniveau – presenteert het nieuwe onderzoek van het Ghodssi-Bentley-Herberholz-team een ​​geïntegreerde benadering om op elegante wijze de elektronen en moleculen te onderzoeken die de belangrijkste kanalen zijn voor de informatiestroom in hele organismen. ”