En bättre förståelse av tarm-hjärnans axel kan leda till nya behandlingar för neurologiska störningar

Alla som har upplevt "fjärilar i magen" innan de höll en stor presentation kommer inte att bli förvånad över att lära sig att det finns ett fysiskt samband mellan deras tarm och deras hjärna.

Neurovetare och läkare kallar denna koppling för "tarm-hjärnaxeln" (GBA); en bättre förståelse av GBA kan leda till utveckling av behandlingar och botemedel mot neurologiska störningar som depression och ångest, liksom för en rad kroniska autoimmuna inflammatoriska sjukdomar som irritabelt tarmsyndrom (IBS) och reumatoid artrit.

Just nu, dessa tillstånd och sjukdomar diagnostiseras främst av patienternas rapporter om deras symtom. Dock, neurovetenskapare och läkare undersöker GBA för att hitta så kallade "biomarkörer" för dessa sjukdomar. När det gäller GBA, den biomarkören är sannolikt serotonin.

Genom att rikta in denna komplexa koppling mellan tarmen och hjärnan, forskare hoppas att de kan avslöja tarmmikrobiomets roll i både tarm- och hjärnstörningar.

Med en lätt identifierbar biomarkör som serotonin, det kan finnas något sätt att mäta hur dysfunktion i tarmmikrobiomet påverkar GBA -signalvägarna.

Med verktyg som kan öka förståelsen, hjälp med diagnos av sjukdomar, och ge insikt om hur kost och näring påverkar mental hälsa skulle vara extremt värdefullt.

Med 1 miljon dollar i National Science Foundation -finansiering, ett team av tekniker från University of Maryland, neurovetenskap, tillämpad mikrobiologi, och fysiken har gjort framsteg när det gäller att bygga en plattform som kan övervaka och modellera realtidsprocessen av tarmmikrobiom serotoninaktivitet.

Tre nya publicerade artiklar beskriver hur arbetet fortskrider, som inkluderar innovationer för att upptäcka serotonin, bedömer dess neurologiska effekter, och känner av små förändringar i tarmepitelet.

I "Elektrokemisk mätning av serotonin med Au-CNT-elektroder tillverkade på porösa cellodlingsmembran" (https:/ / www. natur. com/ artiklar/ s41378-020-00184-4), laget utvecklade en plattform som ger tillgång till den specifika platsen för serotoninproduktion.

Plattformen inkluderade ett poröst membran med en integrerad serotoninsensor på vilken en modell av tarmfodret kan odlas. Denna innovation gav forskare tillgång till både övre och nedre sidorna av cellkulturen-viktigt eftersom serotonin utsöndras från cellens botten.

Arbetet är det första som visar en genomförbar metod för detektion av redoxmolekyler, såsom serotonin, direkt på ett poröst och flexibelt cellodlingssubstrat. Det ger överlägsen tillgång till cellfrisatta molekyler och skapar en kontrollerbar modell i tarmmiljön för att utföra banbrytande GBA-forskning utan att behöva utföra invasiva procedurer på människor eller djur.

Lagets andra uppsats, "Ett hybridbiomonitoringssystem för tarm-neuronkommunikation" (https:/ / ieeexplore. ieee. org/ dokumentera/ 9123494), 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 kräftnerven -modell med tarmfodermodellen, laget skapade ett tarm-neuron-gränssnitt som kan elektrofysiologiskt bedöma nervresponsen mot det elektrokemiskt detekterade serotoninet.

Detta framsteg möjliggör studier av molekylär signalering mellan tarm- och nervceller, möjliggör realtidsövervakning av båda GBA-vävnaderna för första gången.

Till sist, konceptet, design, och användning för hela biomonitoringsplattformen beskrivs i en tredje uppsats, "3D -tryckta elektrokemiska sensorer integrerade Transwell -system" (https:/ / www. natur. com/ artiklar/ s41378-020-00208-z).

Detta papper fördjupar sig i utvecklingen av det 3D-tryckta huset, upprätthållandet av en hälsosam lab-on-a-chip tarmcellodling, och utvärdering av de två typerna av sensorer integrerade på cellodlingsmembranet.

De dubbla sensorerna är särskilt viktiga eftersom de ger feedback om flera komponenter i systemet-nämligen de delar som modellerar tarmfoderets permeabilitet (en stark indikator på sjukdom) och dess serotoninfrisättning (ett mått på kommunikation med nervsystemet).

Vid sidan av den elektrokemiska sensorn-utvärderad med hjälp av en standard redoxmolekyl ferrocendimetanol-användes en impedanssensor för att övervaka celltillväxt och täckning över membranet.

Att använda båda dessa sensorer skulle möjliggöra övervakning av en tarmcellkultur under olika miljö- och kostförhållanden. Det skulle också göra det möjligt för forskare att utvärdera förändringar av barriärpermeabilitet (en stark indikator på sjukdom), och serotoninfrisättning (ett mått på kommunikation med nervsystemet).

• Genvarianter kan ge ledtrådar till framgångsrik behandling av pediatrisk eosinofil esofagit
• Forskare försöker stoppa överraskande fakturering för koloskopi