p Qualquer pessoa que já experimentou "frio na barriga" antes de fazer uma grande apresentação não ficará surpresa em saber que existe uma conexão física real entre seu intestino e seu cérebro. Neurocientistas e profissionais médicos chamam isso de "eixo intestino-cérebro" (GBA). Uma melhor compreensão do GBA pode levar a tratamentos e curas para transtornos neurológicos do humor, como depressão e ansiedade, bem como para uma gama de doenças inflamatórias auto-imunes crônicas como a síndrome do intestino irritável (IBS) e artrite reumatóide (AR). p O problema é que até agora "borboletas" têm sido tudo com que os médicos tiveram que trabalhar na detecção desses distúrbios relacionados ao GBA. Mesmo hoje, essas doenças são diagnosticadas principalmente pelos próprios relatos dos pacientes sobre seus sintomas. Encontrar "biomarcadores" - medições objetivas de uma substância no corpo que indica a presença de um distúrbio - poderia melhorar drasticamente o diagnóstico e tirar um enorme fardo dos pacientes para identificar corretamente seus próprios sintomas.

p Os cientistas suspeitam que o neurotransmissor químico serotonina é o biomarcador para uma série de distúrbios de GBA. A serotonina estimula o sistema nervoso a entrar em ação através do nervo vago, o conector físico entre o cérebro e o cólon. Gerado profundamente no revestimento do intestino, a serotonina, em última análise, influencia tudo, desde o humor e as emoções até o sono, digestão e secreção de hormônios. Sua produção é de alguma forma afetada pelo "microbioma" bacteriano presente neste ambiente. Os pesquisadores esperam que a criação de ferramentas para analisar a produção e disfunção da serotonina no microbioma intestinal ajude a desvendar os mistérios dos distúrbios relacionados ao GBA.

p Com US $ 1 milhão em financiamento da National Science Foundation, Engenheiros da Universidade de Maryland (UMD), neurocientistas, microbiologistas e físicos fizeram progressos significativos no desenvolvimento de uma plataforma que pode monitorar e modelar o processamento em tempo real da atividade da serotonina do microbioma intestinal. O objetivo deles é um dia embalar a plataforma em uma cápsula ingerível capaz de detectar, tratamento e monitoramento de doenças de GBA.

p Disciplinas convergentes é a chave, diz o professor Reza Ghodssi, investigador principal do projeto. "Estamos convergindo a neurociência, sinalização molecular, e dispositivos e sistemas micro-nano. Isso nos permite medir e investigar os dados na interface de cada junção de uma plataforma GBA simulada - célula a célula, célula para molécula, molécula para nervo - e desenvolver metodologias de engenharia para analisá-lo e interpretá-lo. "

p O trabalho baseia-se na experiência em dispositivos médicos ingeríveis que foi desenvolvida no Laboratório de Sensores e Atuadores UMD MEMS, o Departamento de Bioengenharia Fischell, e a Iniciativa Cérebro e Comportamento.

p Três novos artigos publicados detalham o progresso na detecção de serotonina, avaliando seus efeitos neurológicos, e detectar mudanças mínimas no epitélio intestinal.

p Em "Medição Eletroquímica de Serotonina por Eletrodos de Au-CNT Fabricados em Membranas de Cultura de Células Porosas, "a equipe desenvolveu uma plataforma que fornece acesso ao local específico de produção de serotonina, importante porque a serotonina é secretada da parte inferior das células. Uma membrana porosa inovadora com um sensor de serotonina integrado, no qual um modelo do revestimento do intestino pode ser cultivado, permitiu que os pesquisadores acessassem os lados superior e inferior da cultura de células.

p O artigo foi publicado online em 7 de setembro, 2020 na Natureza Diário, Microssistemas e Nanoengenharia. Os autores são Ph.D. em Bioengenharia. estudante Ashley Chapin, ex-pesquisador de pós-doutorado do ISR Pradeep Ramiah Rajasekaran, ex-aluno David N. Quan (BioE Ph.D. 2015), Professor Liangbing Hu (MSE / MEII), Professor Associado Jens Herberholz (Psicologia / NACS), Professor William Bentley (BioE / Fischell Institute / IBBR), e Professor Reza Ghodssi (ECE / ISR).

p Usando deposição de metal, eles modelaram um sistema de três eletrodos diretamente em uma membrana porosa de cultura de células suspensa dentro de um invólucro impresso em 3-D personalizado. As células podem ser cultivadas na parte superior da membrana com o sensor de serotonina orientado na parte inferior para detecção direta. A equipe então aumentou a sensibilidade da detecção de serotonina, aumentando a área de superfície efetiva do eletrodo, soltar um pequeno volume de nanotubos de carbono na superfície do eletrodo. As soluções preparadas de serotonina foram detectáveis ​​bem dentro da faixa de concentração fisiológica esperada.

p O trabalho é o primeiro a demonstrar um método viável para detectar moléculas redox - como a serotonina - diretamente em um substrato de cultura de células poroso e flexível. Ele concede acesso superior a moléculas liberadas por células e cria um ambiente intestinal modelo controlável sem recorrer a procedimentos invasivos em humanos ou animais.

p O segundo artigo da equipe, "A Hybrid Biomonitoring System for Gut-Neuron Communication, "baseia-se nas descobertas do primeiro:os pesquisadores desenvolveram ainda mais a plataforma de medição de serotonina para que pudesse avaliar os efeitos neurológicos da serotonina. Ao adicionar e integrar um modelo de nervo de lagostim dissecado com o modelo de revestimento do intestino, a equipe criou uma interface intestino-neurônio que pode avaliar eletrofisiologicamente a resposta do nervo à serotonina detectada eletroquimicamente. Esse avanço permite o estudo da sinalização molecular entre as células intestinais e nervosas, possibilitando o monitoramento em tempo real de ambos os tecidos GBA pela primeira vez.

p O artigo foi publicado online em junho de 2020 IEEE Journal of Microelectromechanical Systems . Foi escrito por Chapin, Doutor em Engenharia Elétrica e de Computação estudante Jinjing Han, Neurociência e Ciências Cognitivas Ph.D. estudante Ta-Wen Ho, Herberholz and Ghodssi.

p Finalmente, 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 the Natureza Diário Microsistemas e Nanoengenharia . The paper was written by Rajasekaran, Chapin, Quan, Herberholz, Bentley and Ghodssi.

p 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).

p "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."

p 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.

p Com esta informação, 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.

p "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."