马里兰大学 肠脑轴(左)和3D打印体外平台(右)的图形摘要
学分:马里兰大学 任何在做大型报告之前经历过“紧张不安”的人，在得知他们的肠道和大脑之间存在实际的物理联系时，都不会感到惊讶
神经科学家和医学专家称之为“肠脑轴”
对GBA的更好理解可以导致对抑郁和焦虑等神经情绪障碍的治疗和治愈，以及对肠易激综合征和类风湿性关节炎等一系列慢性自身免疫炎症疾病的治疗和治愈
问题是，到目前为止，“蝴蝶”一直是所有医生在检测这些与GBA相关的疾病时不得不合作的对象
即使在今天，这些疾病主要是由患者自己的症状报告来诊断的
寻找“生物标志物”——对身体中指示疾病存在的物质进行客观测量——可以显著提高诊断水平，并为患者正确识别自己的症状减轻巨大负担
科学家怀疑化学神经递质血清素是一系列GBA疾病的生物标志物
血清素通过迷走神经刺激神经系统，迷走神经是大脑和结肠之间的物理连接器
血清素在内脏深处产生，最终影响从情绪和情绪到睡眠、消化和激素分泌的一切
它的产生在某种程度上受到这种环境中存在的细菌“微生物群”的影响
研究人员希望创造工具来分析肠道微生物群中血清素的产生和功能障碍，将有助于解开GBA相关疾病的谜团
在美国国家科学基金会100万美元的资助下，马里兰大学(UMD)的工程师、神经科学家、微生物学家和物理学家在开发一个平台方面取得了重大进展，该平台可以对肠道微生物群血清素活性的实时处理进行监控和建模
他们的目标是有朝一日将该平台包装成能够检测、治疗和监测GBA疾病的可摄入胶囊
该项目的首席研究员雷扎·古德西教授说，学科融合是关键
“我们正在融合神经科学、分子信号、微纳设备和系统
这使我们能够测量和研究模拟GBA平台每个连接处的数据——细胞与细胞、细胞与分子、分子与神经——并开发工程方法来分析和解释它
" 这项工作建立在UMD微机电系统传感器和执行器实验室、费谢尔生物工程系和大脑与行为倡议开发的可摄取医疗设备专业知识的基础上
三篇新发表的论文详细介绍了在检测血清素、评估其神经影响和感知肠道上皮微小变化方面的进展
在“通过在多孔细胞培养膜上制造的金-碳纳米管电极对血清素的电化学测量”中，该团队开发了一个平台，该平台提供了对血清素产生的特定位点的访问，这一点很重要，因为血清素是从细胞底部分泌的
一种具有集成血清素传感器的创新性多孔膜，可以在其上生长肠内膜模型，使研究人员能够接触细胞培养物的顶部和底部
该论文于9月20日在网上发表
7，2020年发表在自然杂志《微系统和纳米工程》上
作者是生物工程博士
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学生阿什利·查平，前ISR博士后研究员帕拉德普·拉米亚·拉贾塞卡兰，校友大卫·N
quan(BioA Ph
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2015年)胡教授(MSE/)，詹斯·赫伯霍尔茨副教授(心理学/)，威廉·本特利教授(生物工程/费谢尔研究所/)，雷扎·高兹教授(欧洲经委会/国际空间研究中心)
学分:马里兰大学 利用金属沉积，他们在一个定制的三维印刷外壳内悬挂的多孔细胞培养膜上直接形成了一个三电极系统
细胞可以在膜的顶部生长，血清素传感器位于底部，用于直接检测
研究小组随后通过增加电极有效表面积，在电极表面滴加少量碳纳米管，提高了血清素检测的灵敏度
制备的血清素溶液可在预期的生理浓度范围内检测到
这项工作首次证明了一种可行的方法，可以直接在多孔的柔性细胞培养基质上检测氧化还原分子，如血清素
它允许更好地接触细胞释放的分子，并创造了一个可控的模型肠道环境，而不需要对人或动物进行侵入性操作
该小组的第二篇论文“肠道神经元交流的混合生物监测系统”建立在第一篇论文的发现基础上:研究人员进一步开发了血清素测量平台，以便评估血清素的神经影响
通过添加和整合解剖的小龙虾神经模型和肠道内层模型，该团队创建了一个肠道神经元界面，可以用电生理学方法评估神经对电化学检测到的血清素的反应
这一进展使得研究肠道和神经细胞之间的分子信号成为可能，首次实现了对两种GBA组织的实时监测
这篇论文发表在2020年6月的《微机电系统》杂志上
是电气和计算机工程博士查平写的
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学生韩尽京，神经科学和认知科学博士
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学生何大文、赫伯霍尔兹和古斯
最后，整个生物监测平台的概念、设计和使用在第三篇论文《三维印刷电化学传感器集成Transwell系统》中进行了描述，该论文于10月10日在线发表
5，2020年发表在自然杂志《微系统和纳米工程》上
这篇论文的作者是拉贾塞卡兰、查平、全、赫伯霍尔茨、本特利和古斯
本文深入研究了三维打印外壳的开发、健康芯片实验室肠道细胞培养的维护以及集成在细胞培养膜上的两种类型传感器的评估
双传感器特别重要，因为它们提供了关于系统多个组成部分的反馈——即模拟肠道内壁渗透性(疾病的一个强有力的指标)和血清素释放(与神经系统沟通的一个指标)的部分。
除了电化学传感器(使用标准氧化还原分子二茂铁二甲醇进行评估)之外，还使用阻抗传感器来监测细胞生长和膜覆盖情况
使用这两种传感器可以监测各种环境和饮食条件下的肠道细胞培养
它还将使研究人员能够评估屏障通透性(疾病的一个强有力的指标)和血清素释放(与神经系统沟通的一个指标)的变化
康奈尔大学生物与环境工程系主任约翰·马奇说:“这些工作代表着我们对肠道/大脑轴的理解向前迈出了一大步。”
“该领域的局限性之一是无法在‘接近体内’的系统中进行高度受控的实验
这些论文通过简单优雅的实验提供了解决这个问题的方法，这些实验非常容易理解
我预计这些将被频繁使用
" 由于该平台的工程方面进展顺利，研究人员正在约翰·霍普金斯大学的杰伊·帕里希和苏巴什·库尔卡尼的帮助下，努力培养多组织界面
最终将建立多个平台，每个平台都有不同的肠道细菌组合，以测量不同微生物环境中血清素产生的神经生理学效应
有了这些信息，沃尔夫冈·洛斯特教授(物理学/IPST/国际可再生能源机构)将领导一项机器学习工作，通过一个可以模拟不同微生物群结果的计算机模型来处理传感器数据
这将提供迄今为止最清晰的画面，展示像肠道微生物群这样复杂且独特的系统是如何影响肠道和大脑健康的
这也可能有助于研究人员更好地理解营养和心理健康之间的联系
加州大学伯克利分校的艾米·赫尔说:“在整个生物体水平上理解生物学是生物学的一个前沿，对形成精确医学的基础至关重要。”
&凯瑟琳T
麦克阿瑟生物工程教授
“通过利用工程的特征——集成的系统级设计——Ghodsi-Bentley-Herberholz团队的新研究提出了一种集成的方法，可以优雅地扰动并探测电子和分子，这些电子和分子是整个生物体中信息流的关键管道
"
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