Iedereen die ooit "vlinders in de maag" heeft meegemaakt voordat hij een grote presentatie gaf, zal niet verbaasd zijn om te horen dat er een daadwerkelijke fysieke verbinding is tussen hun darmen en hun hersenen. Neurowetenschappers en medische professionals noemen dit de "darm-hersen-as" (GBA). Een beter begrip van de GBA zou kunnen leiden tot behandelingen en genezingen voor neurologische stemmingsstoornissen zoals depressie en angst, evenals voor een reeks chronische auto-immuun ontstekingsziekten zoals het prikkelbare darm syndroom (PDS) en reumatoïde artritis (RA).

Het probleem is dat tot nu toe "vlinders" het enige waren waar artsen mee moesten werken bij het opsporen van deze GBA-gerelateerde aandoeningen. Zelfs vandaag de dag worden deze ziekten voornamelijk gediagnosticeerd door patiënten die hun symptomen zelf melden. 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 de patiënten een enorme last kunnen ontlasten om hun eigen symptomen correct te identificeren.

Wetenschappers vermoeden dat de chemische neurotransmitter serotonine de biomarker is voor een reeks GBA-stoornissen. Serotonine zet het zenuwstelsel aan tot actie via de nervus vagus, de fysieke connector tussen de hersenen en de dikke darm. Gegenereerd diep in het slijmvlies van de darm, serotonine 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 hulpmiddelen 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, Ingenieurs van de Universiteit van Maryland (UMD), neurowetenschappers, microbiologen en natuurkundigen hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van een platform dat de realtime verwerking van serotonine-activiteit in het darmmicrobioom kan volgen en modelleren. Hun doel is om het platform op een dag te verpakken in een opneembare capsule die in staat is om te detecteren, behandeling en monitoring van GBA-ziekten.

Convergerende disciplines zijn de sleutel, zegt professor Reza Ghodssi, hoofdonderzoeker van het project. "We convergeren neurowetenschap, moleculaire signalering, en micro-nano-apparaten en -systemen. Dit stelt ons in staat om gegevens te meten en te onderzoeken op de interface van elk knooppunt van een gesimuleerd GBA-platform - cel tot cel, cel naar molecuul, molecuul tot zenuw - en ontwikkel technische methoden om het te analyseren en te interpreteren."

Het werk bouwt voort op expertise op het gebied van opneembare medische hulpmiddelen die is ontwikkeld in het UMD MEMS Sensors and Actuators Laboratory, de Fischell-afdeling Bio-engineering, en het Hersen- en Gedragsinitiatief.

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

In "Elektrochemische meting van serotonine door Au-CNT-elektroden vervaardigd op poreuze celcultuurmembranen, " het team ontwikkelde een platform dat toegang geeft tot de specifieke site van serotonineproductie, belangrijk omdat serotonine wordt uitgescheiden door 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 celcultuur.

Het artikel werd op 7 september online gepubliceerd, 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, ze vormden een systeem met drie elektroden rechtstreeks op een poreus celcultuurmembraan dat was opgehangen in een aangepaste 3D-geprinte behuizing. Cellen kunnen op de bovenkant van het membraan worden gekweekt met de serotoninesensor op de bodem gericht voor directe detectie. Het team verbeterde vervolgens de gevoeligheid van serotoninedetectie door het effectieve oppervlak van de elektrode te vergroten, drop-casting van een klein volume koolstof nanobuisjes op het elektrode-oppervlak. Bereide oplossingen van serotonine waren ruim binnen het verwachte fysiologische concentratiebereik detecteerbaar.

Het werk is de eerste die een haalbare methode aantoont voor het detecteren van redoxmoleculen, zoals serotonine, rechtstreeks op een poreus en flexibel celcultuursubstraat. Het geeft superieure toegang tot door cellen afgegeven moleculen en creëert een controleerbare darmomgeving zonder toevlucht te nemen tot invasieve procedures bij mensen of dieren.

De tweede paper van het team, "Een hybride biomonitoringsysteem voor darm-neuroncommunicatie, " 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 darmwandmodel, het team creëerde een darm-neuron-interface die de zenuwrespons op de elektrochemisch gedetecteerde serotonine elektrofysiologisch kan beoordelen. Deze vooruitgang maakt de studie mogelijk van moleculaire signalering tussen darm- en zenuwcellen, waardoor voor het eerst realtime monitoring van beide GBA-weefsels mogelijk is.

The paper was published online in the June 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.

Eindelijk, 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 in de Natuur logboek 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."