En bedre forståelse af tarm-hjerne-aksen kan føre til nye behandlinger for neurologiske lidelser

Enhver, der har oplevet "sommerfugle i maven", før han holdt et stort oplæg, vil ikke være overrasket over at lære, at der er en fysisk forbindelse mellem deres tarm og deres hjerne.

Neurologer og læger kalder denne forbindelse "tarm-hjerne-aksen" (GBA); en bedre forståelse af GBA kan føre til udvikling af behandlinger og kur mod neurologiske lidelser som depression og angst, såvel som for en række kroniske autoimmune inflammatoriske sygdomme såsom irritabel tarmsyndrom (IBS) og leddegigt.

Lige nu, disse tilstande og sygdomme diagnosticeres primært ved patienters rapporter om deres symptomer. Imidlertid, neurovidenskabsfolk og læger undersøger GBA for at finde såkaldte "biomarkører" for disse sygdomme. I tilfælde af GBA, at biomarkør sandsynligvis er serotonin.

Ved at målrette mod denne komplekse forbindelse mellem tarmen og hjernen, forskere håber, at de kan afdække tarmmikrobiomets rolle i både tarm- og hjernesygdomme.

Med en let identificerbar biomarkør såsom serotonin, der kan være en eller anden måde at måle, hvordan dysfunktion i tarmmikrobiomet påvirker GBA -signalveje.

At have værktøjer, der kan øge forståelsen, hjælpe med sygdomsdiagnose, og give indsigt i, hvordan kost og ernæring påvirker mental sundhed, ville være yderst værdifuld.

Med 1 million dollar i National Science Foundation -finansiering, et team af teknikere fra University of Maryland, neurovidenskab, anvendt mikrobiologi, og fysikken har gjort fremskridt med at opbygge en platform, der kan overvåge og modellere realtidsbehandling af tarmmikrobiom serotoninaktivitet.

Tre nye offentliggjorte papirer beskriver arbejdets forløb, som omfatter innovationer i påvisning af serotonin, vurdere dens neurologiske virkninger, og føler små ændringer i tarmepitelet.

I "Elektrokemisk måling af serotonin ved Au-CNT-elektroder fremstillet på porøse cellekulturmembraner" (https:/ / www. natur. com/ artikler/ s41378-020-00184-4), teamet udviklede en platform, der giver adgang til det specifikke sted for serotoninproduktion.

Platformen inkluderede en porøs membran med en integreret serotoninsensor, hvorpå der kan dyrkes en model af tarmen. Denne innovation gav forskere adgang til både top- og undersider af cellekulturen-vigtigt, fordi serotonin udskilles fra cellens bund.

Arbejdet er det første til at demonstrere en mulig metode til påvisning af redoxmolekyler, såsom serotonin, direkte på et porøst og fleksibelt cellekultursubstrat. Det giver overlegen adgang til cellefrigivne molekyler og skaber et kontrollerbart tarmmiljø til at udføre banebrydende GBA-forskning uden behov for at udføre invasive procedurer på mennesker eller dyr.

Holdets andet papir, "Et hybrid bioovervågningssystem til tarm-neuronkommunikation" (https:/ / ieeexplore. ieee. org/ dokument/ 9123494), bygger på resultaterne af den første:forskerne udviklede serotonin -måleplatformen yderligere, så den kunne vurdere serotonins neurologiske virkninger.

Ved at tilføje og integrere en dissekeret krebsnervenmodel med tarmforingsmodellen, teamet skabte en tarm-neuron-grænseflade, der kan elektrofysiologisk vurdere nerverespons på det elektrokemisk detekterede serotonin.

Dette fremskridt muliggør undersøgelse af molekylær signalering mellem tarm- og nerveceller, muliggør overvågning i realtid af begge GBA-væv for første gang.

Endelig, konceptet, design, og brug for hele biomonitoringsplatformen er beskrevet i et tredje papir, "3D -printede elektrokemiske sensorintegrerede Transwell -systemer" (https:/ / www. natur. com/ artikler/ s41378-020-00208-z).

Dette papir går ind i udviklingen af ​​det 3D-printede hus, vedligeholdelse af en sund lab-on-a-chip tarmcellekultur, og evaluering af de to typer sensorer integreret på celledyrkningsmembranen.

De dobbelte sensorer er særlig vigtige, fordi de giver feedback om flere komponenter i systemet-nemlig, de dele, der modellerer tarmforingens permeabilitet (en stærk indikator for sygdom) og dets serotoninfrigivelse (et mål for kommunikation med nervesystemet).

Ved siden af ​​den elektrokemiske sensor-evalueret ved hjælp af et standard redoxmolekyle ferrocendimethanol-blev der brugt en impedanssensor til at overvåge cellevækst og dækning over membranen.

Brug af begge disse sensorer ville muliggøre overvågning af en tarmcellekultur under forskellige miljø- og kostforhold. Det ville også gøre det muligt for forskere at evaluere ændringer i barrierepermeabilitet (en stærk indikator for sygdom), og serotoninfrigivelse (et mål for kommunikation med nervesystemet).

• Genvarianter kan give spor til vellykket behandling af pædiatrisk eosinofil esophagitis
• Forskere forsøger at stoppe overraskende fakturering for koloskopi