Una migliore comprensione dell'asse intestino-cervello può portare a nuovi trattamenti per i disturbi neurologici

Chiunque abbia sperimentato "farfalle nello stomaco" prima di fare una grande presentazione non sarà sorpreso di apprendere che esiste una connessione fisica tra il loro intestino e il loro cervello.

Neuroscienziati e professionisti medici chiamano questa connessione "asse intestino-cervello" (GBA); una migliore comprensione del GBA potrebbe portare allo sviluppo di trattamenti e cure per disturbi neurologici come depressione e ansia, così come per una serie di malattie infiammatorie croniche autoimmuni come la sindrome dell'intestino irritabile (IBS) e l'artrite reumatoide.

Proprio adesso, queste condizioni e malattie sono principalmente diagnosticate dalle segnalazioni dei pazienti dei loro sintomi. Però, neuroscienziati e medici stanno studiando il GBA per trovare i cosiddetti "biomarcatori" per queste malattie. Nel caso del GBA, quel biomarcatore è probabilmente la serotonina.

Prendendo di mira questa complessa connessione tra l'intestino e il cervello, i ricercatori sperano di poter scoprire il ruolo del microbioma intestinale sia nei disturbi intestinali che in quelli cerebrali.

Con un biomarcatore facilmente identificabile come la serotonina, potrebbe esserci un modo per misurare come la disfunzione nel microbioma intestinale influenzi le vie di segnalazione del GBA.

Avere strumenti che potrebbero aumentare la comprensione, aiuto nella diagnosi delle malattie, e offrire informazioni su come la dieta e la nutrizione influiscano sulla salute mentale sarebbe estremamente prezioso.

Con 1 milione di dollari in finanziamenti della National Science Foundation, un team di esperti di ingegneria dell'Università del Maryland, neuroscienza, microbiologia applicata, e la fisica ha fatto progressi nella costruzione di una piattaforma in grado di monitorare e modellare l'elaborazione in tempo reale dell'attività della serotonina del microbioma intestinale.

Tre nuovi articoli pubblicati descrivono in dettaglio lo stato di avanzamento dei lavori, che include innovazioni nel rilevamento della serotonina, valutare i suoi effetti neurologici, e percependo piccoli cambiamenti nell'epitelio intestinale.

In "Misurazione elettrochimica della serotonina mediante elettrodi Au-CNT fabbricati su membrane di coltura cellulare porosa" (https:/ / www. natura. com/ articoli/ s41378-020-00184-4), il team ha sviluppato una piattaforma che fornisce l'accesso al sito specifico di produzione di serotonina.

La piattaforma includeva una membrana porosa con un sensore di serotonina integrato su cui è possibile coltivare un modello del rivestimento dell'intestino. Questa innovazione ha permesso ai ricercatori di accedere a entrambi i lati superiore e inferiore della coltura cellulare, importante perché la serotonina viene secreta dal fondo delle cellule.

Il lavoro è il primo a dimostrare un metodo fattibile per il rilevamento di molecole redox, come la serotonina, direttamente su un substrato di coltura cellulare poroso e flessibile. Garantisce un accesso superiore alle molecole rilasciate dalle cellule e crea un ambiente intestinale modello controllabile per eseguire ricerche GBA rivoluzionarie senza la necessità di eseguire procedure invasive su esseri umani o animali.

Il secondo documento della squadra, "Un sistema di biomonitoraggio ibrido per la comunicazione tra intestino e neurone" (https:/ / ieexplore. ieee. org/ documento/ 9123494), si basa sui risultati della prima:i ricercatori hanno sviluppato ulteriormente la piattaforma di misurazione della serotonina in modo che potesse valutare gli effetti neurologici della serotonina.

Aggiungendo e integrando un modello di nervo di gambero sezionato con il modello di rivestimento intestinale, il team ha creato un'interfaccia intestino-neurone in grado di valutare elettrofisiologicamente la risposta nervosa alla serotonina rilevata elettrochimicamente.

Questo progresso consente lo studio della segnalazione molecolare tra cellule intestinali e nervose, rendendo possibile per la prima volta il monitoraggio in tempo reale di entrambi i tessuti GBA.

Finalmente, il concetto, design, e l'uso per l'intera piattaforma di biomonitoraggio è descritto in un terzo documento, "Sistemi Transwell integrati con sensori elettrochimici stampati in 3D" (https:/ / www. natura. com/ articoli/ s41378-020-00208-z).

Questo documento approfondisce lo sviluppo dell'alloggiamento stampato in 3D, il mantenimento di una sana coltura di cellule intestinali lab-on-a-chip, e la valutazione dei due tipi di sensori integrati sulla membrana di coltura cellulare.

I doppi sensori sono particolarmente importanti perché forniscono feedback su più componenti del sistema, vale a dire, le porzioni che modellano la permeabilità del rivestimento intestinale (un forte indicatore di malattia) e il suo rilascio di serotonina (una misura della comunicazione con il sistema nervoso).

Accanto al sensore elettrochimico, valutato utilizzando una molecola redox standard di ferrocene dimetanolo, è stato utilizzato un sensore di impedenza per monitorare la crescita cellulare e la copertura sulla membrana.

L'utilizzo di entrambi questi sensori consentirebbe il monitoraggio di una coltura di cellule intestinali in varie condizioni ambientali e dietetiche. Inoltre, consentirebbe ai ricercatori di valutare i cambiamenti nella permeabilità della barriera (un forte indicatore di malattia), e rilascio di serotonina (una misura di comunicazione con il sistema nervoso).

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