Cualquiera que haya experimentado "mariposas en el estómago" antes de dar una gran presentación no se sorprenderá al saber que existe una conexión física real entre su intestino y su cerebro. Los neurocientíficos y los profesionales médicos llaman a esto el "eje intestino-cerebro" (GBA).
Una mejor comprensión del GBA podría conducir a tratamientos y curas para los trastornos neurológicos del estado de ánimo como la depresión y la ansiedad, así como para una variedad de enfermedades inflamatorias autoinmunes crónicas como el síndrome del intestino irritable (SII) y la artritis reumatoide (AR).
El problema es que hasta ahora las ''mariposas'' han sido todo lo que los médicos han tenido que trabajar para detectar estos trastornos relacionados con GBA. Incluso hoy en día, estas enfermedades se diagnostican principalmente por los propios informes de los pacientes sobre sus síntomas. Encontrar ''biomarcadores'' -medidas objetivas de una sustancia en el cuerpo que indica la presencia de un trastorno- podría mejorar drásticamente el diagnóstico y aliviar la enorme carga de los pacientes para identificar correctamente sus propios síntomas.
Ahora, los ingenieros, neurocientíficos, microbiólogos y físicos de la Universidad de Maryland (UMD) han logrado un progreso significativo en el desarrollo de una plataforma que puede monitorear y modelar el procesamiento en tiempo real de la actividad de la serotonina del microbioma intestinal. Su objetivo es empaquetar algún día la plataforma en una cápsula ingerible capaz de detectar, tratar y monitorear las enfermedades de GBA.
La convergencia de disciplinas es clave, señala el profesor Reza Ghodssi, investigador principal del proyecto. ''Estamos convergiendo neurociencia, señalización molecular y dispositivos y sistemas micro-nano. Esto nos permite medir e investigar datos en la interfaz de cada unión de una plataforma GBA simulada (célula a célula, célula a molécula, molécula a nervio) y desarrollar metodologías de ingeniería para analizarla e interpretarla'', explica.
El trabajo se basa en la experiencia en dispositivos médicos ingeribles que se ha desarrollado en el Laboratorio de Sensores y Actuadores MEMS de UMD, el Departamento de Bioingeniería de Fischell y la Iniciativa Cerebro y Comportamiento.
Tres nuevos artículos publicados detallan el progreso en la detección de la serotonina, la evaluación de sus efectos neurológicos y la detección de cambios mínimos en el epitelio intestinal.
Los científicos sospechan que el neurotransmisor químico serotonina es el biomarcador de una variedad de trastornos de GBA
En ''Medición electroquímica de serotonina mediante electrodos de Au-CNT fabricados en membranas de cultivo celular poroso", el equipo desarrolló una plataforma que proporciona acceso al sitio específico de producción de serotonina, importante porque la serotonina se secreta desde el fondo de las células. Una innovadora membrana porosa con un sensor de serotonina integrado en el que se puede cultivar un modelo del revestimiento intestinal permitió a los investigadores acceder a los lados superior e inferior del cultivo celular.
Usando deposición de metal, modelaron un sistema de tres electrodos directamente sobre una membrana de cultivo celular porosa suspendida dentro de una carcasa personalizada impresa en 3D. Las células se pueden cultivar en la parte superior de la membrana con el sensor de serotonina orientado hacia la parte inferior para una detección directa. Luego, el equipo mejoró la sensibilidad de la detección de serotonina al aumentar el área de superficie efectiva del electrodo, lanzando un pequeño volumen de nanotubos de carbono sobre la superficie del electrodo. Las soluciones preparadas de serotonina se detectaron bien dentro del rango de concentración fisiológica esperado.
El trabajo es el primero en demostrar un método factible para detectar moléculas redox, como la serotonina, directamente sobre un sustrato de cultivo celular poroso y flexible. Otorga un acceso superior a las moléculas liberadas por las células y crea un entorno intestinal modelo controlable sin recurrir a procedimientos invasivos en humanos o animales.
Usando deposición de metal, modelaron un sistema de tres electrodos directamente sobre una membrana de cultivo celular porosa suspendida dentro de una carcasa personalizada impresa en 3D
El segundo artículo del equipo, "Un sistema de biomonitoreo híbrido para la comunicación entre las neuronas y el intestino", se basa en los hallazgos del primero: los investigadores desarrollaron aún más la plataforma de medición de la serotonina para que pudiera evaluar los efectos neurológicos de la serotonina. Al agregar e integrar un modelo de nervio de cangrejo de río disecado con el modelo de revestimiento intestinal, el equipo creó una interfaz intestino-neurona que puede evaluar electrofisiológicamente la respuesta nerviosa a la serotonina detectada electroquímicamente. Este avance permite el estudio de la señalización molecular entre el intestino y las células nerviosas, haciendo posible la monitorización en tiempo real de ambos tejidos de GBA por primera vez.
Finalmente, el concepto, diseño y uso de toda la plataforma de biomonitoreo se describe en un tercer artículo, ''Sistemas Transwell integrados con sensor electroquímico impreso en 3D''.
Este artículo profundiza en el desarrollo de la carcasa impresa en 3D, el mantenimiento de un cultivo de células intestinales de laboratorio en un chip saludable y la evaluación de los dos tipos de sensores integrados en la membrana del cultivo celular. Los sensores duales son particularmente importantes porque brindan información sobre múltiples componentes del sistema, es decir, las porciones que modelan la permeabilidad del revestimiento intestinal (un fuerte indicador de enfermedad) y su liberación de serotonina (una medida de comunicación con el sistema nervioso).
Junto con el sensor electroquímico, evaluado utilizando una molécula redox estándar de ferroceno dimetanol, se utilizó un sensor de impedancia para controlar el crecimiento celular y la cobertura sobre la membrana. El uso de estos dos sensores permitiría monitorear un cultivo de células intestinales en diversas condiciones ambientales y dietéticas.