Alla som någonsin har upplevt "fjärilar i magen" innan de höll en stor presentation kommer inte att bli förvånad över att få veta att det finns en faktisk fysisk koppling mellan deras tarm och hjärna. Neurovetenskapsmän och läkare kallar detta "gut-brain-axis" (GBA). En bättre förståelse av GBA kan leda till behandlingar och botemedel för neurologiska humörstörningar som depression och ångest, såväl som för en rad kroniska autoimmuna inflammatoriska sjukdomar som irritabel tarm (IBS) och reumatoid artrit (RA).

Problemet är att hittills har "fjärilar" varit alla läkare har haft att arbeta med för att upptäcka dessa GBA-relaterade störningar. Än idag diagnostiseras dessa sjukdomar främst av patienternas egna rapporter om sina symtom. Att hitta "biomarkörer" - objektiva mätningar av ett ämne i kroppen som indikerar en sjukdoms närvaro - kan dramatiskt förbättra diagnosen och ta en enorm börda av patienterna att korrekt identifiera sina egna symtom.

Forskare misstänker att den kemiska signalsubstansen serotonin är biomarkören för en rad GBA-störningar. Serotonin sporrar nervsystemet till handling via vagusnerven, den fysiska kontakten mellan hjärnan och tjocktarmen. Genereras djupt inne i tarmens slemhinna, serotonin påverkar i slutändan allt från humör och känslor till sömn, matsmältning och utsöndring av hormoner. Dess produktion påverkas på något sätt av det bakteriella "mikrobiom" som finns i denna miljö. Forskare hoppas att skapa verktyg för att analysera serotonins produktion och dysfunktion i tarmmikrobiomet kommer att hjälpa till att låsa upp mysterierna med GBA-relaterade sjukdomar.

Med 1 miljon dollar i finansiering från National Science Foundation, University of Maryland (UMD) ingenjörer, neurovetare, mikrobiologer och fysiker har gjort betydande framsteg i att utveckla en plattform som kan övervaka och modellera realtidsbearbetningen av tarmmikrobiomets serotoninaktivitet. Deras mål är att en dag paketera plattformen till en intagbar kapsel som kan upptäcka, behandling och övervakning av GBA-sjukdomar.

Konvergerande discipliner är nyckeln, säger professor Reza Ghodssi, projektets huvudutredare. "Vi konvergerar neurovetenskap, molekylär signalering, och mikronano-enheter och system. Detta gör det möjligt för oss att mäta och undersöka data vid gränssnittet för varje korsning av en simulerad GBA-plattform - cell till cell, cell till molekyl, molekyl till nerv – och utveckla tekniska metoder för att analysera och tolka det."

Arbetet bygger på intagbar medicinsk utrustningsexpertis som har utvecklats i UMD MEMS Sensors and Actuators Laboratory, Fischell Department of Bioengineering, och Brain and Behaviour Initiative.

Tre nya publicerade artiklar beskriver framstegen med att upptäcka serotonin, bedöma dess neurologiska effekter, och känna av små förändringar i tarmepitelet.

I "Elektrokemisk mätning av serotonin med Au-CNT-elektroder tillverkade på porösa cellkulturmembran, "teamet utvecklade en plattform som ger tillgång till den specifika platsen för serotoninproduktion, viktigt eftersom serotonin utsöndras från botten av celler. Ett innovativt poröst membran med en integrerad serotoninsensor på vilken en modell av tarmslemhinnan kan odlas tillät forskare att komma åt både över- och undersidan av cellkulturen.

Tidningen publicerades online den 7 september, 2020 i Natur tidning, Mikrosystem och nanoteknik. Författarna är Bioengineering Ph.D. student Ashley Chapin, tidigare postdoktor vid ISR Pradeep Ramiah Rajasekaran, alumn David N. Quan (BioE Ph.D. 2015), Professor Liangbing Hu (MSE/MEII), Docent Jens Herberholz (psykologi/NACS), Professor William Bentley (BioE/Fischell Institute/IBBR), och professor Reza Ghodssi (ECE/ISR).

Med hjälp av metallavsättning, de mönstrade ett system med tre elektroder direkt på ett poröst cellkulturmembran upphängt i ett anpassat 3-D-tryckt hölje. Celler kan odlas på toppen av membranet med serotoninsensorn orienterad på botten för direkt detektering. Teamet förbättrade sedan känsligheten för serotonindetektion genom att öka elektrodens effektiva yta, droppgjutning av en liten volym kolnanorör på elektrodytan. Beredda lösningar av serotonin kunde detekteras väl inom det förväntade fysiologiska koncentrationsintervallet.

Arbetet är det första som demonstrerar en genomförbar metod för att detektera redoxmolekyler – som serotonin – direkt på ett poröst och flexibelt cellodlingssubstrat. Det ger överlägsen tillgång till cellfrisatta molekyler och skapar en kontrollerbar modell av tarmmiljön utan att tillgripa invasiva procedurer på människor eller djur.

Lagets andra tidning, "Ett hybridt bioövervakningssystem för tarm-neuronkommunikation, " bygger på resultaten från den första:forskarna utvecklade serotoninmätplattformen ytterligare så att den kunde bedöma serotonins neurologiska effekter. Genom att lägga till och integrera en dissekerad nervmodell för kräftor med tarmslemningsmodellen, teamet skapade ett tarm-neuron-gränssnitt som kan elektrofysiologiskt bedöma nervsvar på det elektrokemiskt detekterade serotoninet. Detta framsteg möjliggör studiet av molekylär signalering mellan tarm- och nervceller, möjliggör realtidsövervakning av båda GBA-vävnaderna för första gången.

Tidningen publicerades online i juni 2020 IEEE Journal of Microelectromechanical Systems . Det skrevs av Chapin, Elektro- och datateknik Ph.D. student Jinjing Han, Neurovetenskap och kognitionsvetenskap Ph.D. student Ta-Wen Ho, Herberholz och Ghodssi.

Till sist, konceptet, design och användning för hela bioövervakningsplattformen beskrivs i en tredje artikel, "3D-tryckta elektrokemiska sensorintegrerade transwellsystem, " publicerad online 5 oktober, 2020 i Natur tidning Mikrosystem och nanoteknik . 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.

Med denna 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."