Симптомы в голове или в кишечнике? Возможно, и то, и другое
Связь между кишечником и мозгом, известная как «ось кишечник-мозг» (gut-brain-axis, GBA), может быть ключом к лечению неврологических расстройств настроения (депрессия, тревога) и хронических аутоиммунных воспалительных заболеваний (синдром раздраженного кишечника, ревматоидный артрит). Однако эти расстройства до сих пор диагностируются в основном по субъективным жалобам пациентов.
Ученые считают, что нейромедиатор серотонин может служить биомаркером для GBA-расстройств. Он вырабатывается в слизистой оболочке кишечника, влияет на настроение, сон, пищеварение и гормоны, а его производство связано с кишечным микробиомом. Мониторинг активности серотонина в реальном времени мог бы революционизировать диагностику.
Инженеры, нейробиологи и микробиологи Университета Мэриленда при поддержке NSF ($1 млн) разрабатывают платформу для такого мониторинга, которую в будущем планируется поместить в проглатываемую капсулу.
Достижения, описанные в трех новых статьях
Платформа для детектирования серотонина («Electrochemical Measurement of Serotonin by Au-CNT Electrodes...», Microsystems and Nanoengineering, 07.09.2020).
- Создан пористый мембранный субстрат с интегрированным трехэлектродным сенсором.
- На мембране можно выращивать модель слизистой кишечника, а сенсор, расположенный снизу, напрямую детектирует серотонин, который выделяется из основания клеток.
- Чувствительность повышена за счет нанесения углеродных нанотрубок. Система обнаруживает серотонин в физиологически значимом диапазоне концентраций.
Гибридная система «кишечник-нейрон» («A Hybrid Biomonitoring System for Gut-Neuron Communication», IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, июнь 2020).
- Платформу для измерения серотонина интегрировали с моделью нервного ганглия рака.
- Это позволило впервые в реальном времени одновременно отслеживать выброс серотонина и электрический ответ нервной ткани, изучая межклеточную сигнализацию.
Полная сенсорная платформа («3-D Printed Electrochemical Sensor Integrated Transwell Systems», Microsystems and Nanoengineering, 05.10.2020).
- Описана конструкция 3D-печатного корпуса системы.
- В нее интегрированы два типа сенсоров: электрохимический (для детектирования молекул, например, серотонина) и импедансный (для контроля роста клеток и проницаемости барьера — важного индикатора болезни).
Дальнейшие планы и значение работы
- Исследователи работают над созданием культур с несколькими типами тканей.
- Планируется создать несколько платформ, заселенных разными комбинациями кишечных бактерий, чтобы изучить влияние микробиома на выработку серотонина.
- Данные с сенсоров будут обрабатываться с помощью машинного обучения для моделирования эффектов разных микробиомов.
Эксперты высоко оценили работу. Джон Марч (Корнеллский университет) отметил, что она предлагает простые и элегантные эксперименты для высококонтролируемых исследований, близких к условиям in vivo. Эми Херр (Калифорнийский университет в Беркли) подчеркнула, что этот интегрированный инженерный подход позволяет исследовать потоки информации в целых организмах, что важно для прецизионной медицины.