In unserer alternden Gesellschaft nehmen neurodegenerative Erkrankungen zu. Ein Forschungsteam hat nun ein neues Gerät entwickelt, das frühzeitig Biomarker für Alzheimer und Parkinson in Körperflüssigkeiten erkennt. Die Ergebnisse des Biosensors sind demnach genauso exakt wie bei bisher gängigen Techniken. Anders als diese ist das neue Gerät jedoch tragbar, nicht-invasiv und einfach anzuwenden, wie die Wissenschaftler berichten. Künftig sollen dadurch Tests auf neurodegenerative Erkrankungen zu Hause sowie in Kliniken und Pflegeheimen möglich sein – anhand von Blut-, Speichel- oder Urinproben.
Neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer, bei denen Betroffene schrittweise ihre geistigen und motorischen Fähigkeiten verlieren, nehmen in vielen Ländern zu. Bisher sind diese Krankheiten zwar nicht heilbar, aber je früher sie erkannt werden, desto besser lassen sich die Symptome behandeln und hinauszögern. Doch die Früherkennung ist schwierig, weil die typischen Symptome oft erst viele Jahre nach dem eigentlichen Krankheitsbeginn auftreten. Zudem erfordert die Diagnose invasive Eingriffe, vor denen viele Patienten zurückschrecken oder zu denen sie keinen Zugang haben. Aktuell werden bei Personen mit Verdacht auf Alzheimer oder Parkinson meist verschiedene bildgebende Untersuchungen des Gehirns durchgeführt, außerdem wird Nervenwasser aus dem Rückenmarkskanal entnommen und analysiert.
Nach aktuellem Stand der Forschung wird die Alzheimer-Krankheit durch eigentlich lösliche Amyloidpeptide verursacht, die im Gehirn zusammenkommen und verklumpen. Diese Peptide – Amyloid-Beta- und Tau-Peptide – dienen als diagnostische Moleküle, sogenannte Biomarker, für Alzheimer. Auch bei der Parkinson-Krankheit verursachen bestimmte Amyloidproteine, die Alpha-Synuclein-Proteine, Störungen des Nervensystems. Diese können ebenfalls als Biomarker für die Erkrankung dienen. Eine Forschungsgruppe um Tyler Andrew Bodily von der University of California in San Diego hat nun einen Test entwickelt, mit dem diese Biomarker auf eine schonende, nicht-invasive und leicht anzuwendende Weise nachweisbar sind.
Wie funktioniert der Biosensor?
Für den Biosensor passten Bodily und seine Kollegen ein Gerät an, das sie während der Covid-19-Pandemie entwickelt hatten, um die Proteine des Sars-CoV-2-Virus zu erkennen. Möglich war dies, weil die nötigen Chips und andere Bauteile für Biosensoren in den vergangenen Jahren immer kleiner geworden sind und inzwischen automatisiert hergestellt werden können. Das nun für Parkinson und Alzheimer weiterentwickelte Gerät enthält einen Chip mit speziellen, auf dem Kohlenstoffmaterial Graphen basierenden Transistoren. Diese hochempfindlichen Graphen-Feldeffekt-Transistoren bestehen aus einer einatomigen Graphenschicht und mehreren Elektroden, die mit einer Batterie verbunden sind, um den Strom zu leiten und die Stromflussmenge zu steuern.
Mit einer der Elektroden sind zudem einzelne DNA-Stränge verbunden, die als Sonde dienen und spezifisch an die Biomarker der Krankheiten binden – entweder die Amyloid-Beta-, die Tau- oder die Synuclein-Proteine. Die Bindung dieser Proteine an ihre spezifische DNA-Sonde verändert die Stärke des Stromflusses zwischen den Elektroden. Dieses Signal verwendet das Gerät zur Erkennung der spezifischen Biomarker und überträgt es drahtlos an einen Laptop oder ein Smartphone. Der Biosensor basiert damit auf einer elektrochemischen statt einer nur chemischen Erkennung. Die Ergebnisse können direkt an Ärzte, Patienten sowie deren Betreuer und Familienangehörige übermittelt werden.
Zuverlässige Erkennung von Alzheimer und Parkinson
In der Studie testete das Team das Gerät mit synthetischen Amyloidproteinen sowie Amyloidproteinen aus dem Gehirn von verstorbenen Alzheimer- und Parkinson-Patienten. Die Experimente zeigten, dass die Sensoren die spezifischen Biomarker für beide Erkrankungen mit großer Genauigkeit erkennen. Damit sei die neue Technik den bereits bestehenden Testmethoden ebenbürtig, berichten die Forschenden. Das Gerät kann noch sehr niedrige Konzentrationen an Biomarkern detektieren, sodass für den Test nur geringe Probenmengen erforderlich sind und auch Biomarker in den Körpern von Patienten im Anfangsstadium erkannt werden, wie Bodily und seine Kollegen erläutern.
Darüber hinaus funktioniere das Gerät auch dann gut, wenn die analysierten Proben zusätzlich zu den Biomarkern noch andere, für den Test nicht relevante Proteine enthielten, so das Team. Das verringert das Risiko für falsch positive Diagnosen. Die Tau-Proteine der Alzheimer-Krankheit waren mit dem Biosensor allerdings schwieriger nachzuweisen als die anderen Biomarker. „Da das Gerät jedoch gleichzeitig drei verschiedene Biomarker untersucht, kann es die Ergebnisse aller drei kombinieren, um zu einem zuverlässigen Gesamtergebnis zu gelangen“, sagt Seniorautor Ratnesh Lal von der University of California in San Diego.
Baldige Zulassung geplant
Die University of California hat dem Biotechnologie-Startup Ampera Life bereits eine Lizenz zur Verwendung der neu entwickelten Erkennungstechnologie erteilt. In weiteren Tests in Krankenhäusern und Pflegeheimen wollen die Forschenden und die Firma nun herausfinden, wie zuverlässig der Biosensor die Biomarker für Alzheimer und Parkinson in Blutplasma, Speichel und Urin von Patienten erkennt. Sofern diese Tests gut verlaufen, will Ampera Life nach eigenen Angaben zeitnah eine Zulassung für das Gerät bei der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA beantragen. Ziel sei es, das Gerät in einem Jahr auf den Markt zu bringen.
Theoretisch kann der Biosensor auch weiter modifiziert werden, so dass er Biomarker für andere Erkrankungen erkennt, berichten die Forschenden.
Quelle: Tyler Andrew Bodily (University of California – San Diego) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2311565120
Wie frühkindlicher Zuckerkonsum unser Erkrankungsrisiko beeinflusst
