W naszym starzejącym się społeczeństwie wzrasta liczba chorób neurodegeneracyjnych. Zespół badawczy opracował nowe urządzenie wykrywające w płynach ustrojowych wczesne biomarkery choroby Alzheimera i Parkinsona. Wyniki biosensora są zatem tak dokładne, jak wyniki uzyskiwane w przypadku wcześniej popularnych technik. Jednak w przeciwieństwie do tych urządzeń nowe urządzenie jest przenośne, nieinwazyjne i łatwe w użyciu – twierdzą naukowcy. W przyszłości badanie w kierunku chorób neurodegeneracyjnych powinno być możliwe zarówno w domu, jak i w klinikach i domach opieki – z wykorzystaniem próbek krwi, śliny lub moczu.

W wielu krajach wzrasta liczba chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona i Alzheimera, w wyniku których ludzie stopniowo tracą zdolności umysłowe i motoryczne. Obecnie nie ma lekarstwa na te choroby, ale im wcześniej zostaną wykryte, tym łatwiej jest leczyć i opóźniać objawy. Jednak wczesne wykrycie jest trudne, ponieważ typowe objawy często pojawiają się wiele lat po faktycznym wystąpieniu choroby. Ponadto diagnoza wymaga zabiegów chirurgicznych, do których wielu pacjentów boi się lub nie ma dostępu. Obecnie u osób podejrzanych o chorobę Alzheimera lub Parkinsona zazwyczaj poddawane są różnym badaniom obrazowym mózgu, a z kanału kręgowego pobierany jest i analizowany płyn mózgowo-rdzeniowy.

Według aktualnych badań chorobę Alzheimera wywołują rozpuszczalne peptydy amyloidowe, które zlepiają się i zbijają w mózgu. Peptydy te – peptydy amyloidu beta i tau – służą jako cząsteczki diagnostyczne, zwane biomarkerami, w chorobie Alzheimera. W chorobie Parkinsona niektóre białka amyloidu, białka alfa-synukleiny, również powodują zaburzenia w układzie nerwowym. Mogą one również służyć jako biomarkery choroby. Grupa badawcza kierowana przez Tylera Andrew Bodelli z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowała test, który może wykryć te biomarkery w delikatny, nieinwazyjny i łatwy w użyciu sposób.

Jak działa biosensor?

W przypadku biosensora Bodelli i jego współpracownicy zmodyfikowali urządzenie opracowane podczas pandemii COVID-19 w celu wykrywania białek wirusa Sars-CoV-2. Było to możliwe, ponieważ chipy i inne komponenty wymagane do bioczujników stawały się w ostatnich latach coraz mniejsze i obecnie można je wytwarzać automatycznie. Urządzenie, które zostało obecnie udoskonalone do leczenia chorób Parkinsona i Alzheimera, zawiera chip ze specjalnymi tranzystorami na bazie materiału grafenowo-węglowego. Bardzo czułe grafenowe tranzystory polowe składają się z jednoatomowej warstwy grafenu i wielu elektrod podłączonych do akumulatora w celu przewodzenia prądu i kontrolowania wielkości przepływu prądu.

Poszczególne nici DNA wiążą się również z jedną z elektrod, która pełni rolę sondy i specyficznie wiąże się z biomarkerami choroby – białkami beta-amyloidowymi, tau lub synukleiną. Wiązanie tych białek z ich sondą DNA zmienia siłę przepływu prądu pomiędzy elektrodami. Urządzenie wykorzystuje ten sygnał do wykrywania określonych parametrów życiowych i przesyła go bezprzewodowo do laptopa lub smartfona. Dlatego biosensor opiera się na detekcji elektrochemicznej, a nie czysto chemicznej. Wyniki można przesyłać bezpośrednio do lekarzy, pacjentów, ich opiekunów i członków ich rodzin.

Niezawodne wykrywanie chorób Alzheimera i Parkinsona

W badaniu zespół przetestował urządzenie, wykorzystując syntetyczne białka amyloidu, a także białka amyloidu z mózgów zmarłych pacjentów z chorobami Alzheimera i Parkinsona. Eksperymenty wykazały, że czujniki wykrywają specyficzne biomarkery obu chorób z dużą dokładnością. Naukowcy twierdzą, że nowa technologia dorównuje obecnym metodom testowania. Urządzenie może nadal wykrywać biomarkery w bardzo niskich stężeniach, tak że do badania potrzebne są jedynie niewielkie ilości próbek, a także może wykrywać biomarkery w ciałach pacjentów na wczesnym etapie – wyjaśnia Budelli i współpracownicy.

Ponadto, zdaniem zespołu, urządzenie działa dobrze, nawet jeśli analizowane próbki zawierają, oprócz biomarkerów, inne białka niezwiązane z testem. Zmniejsza to ryzyko fałszywie pozytywnych diagnoz. Jednakże białka tau specyficzne dla choroby Alzheimera są trudniejsze do wykrycia za pomocą biosensora niż inne biomarkery. „Ponieważ jednak urządzenie bada jednocześnie trzy różne biomarkery, może połączyć wyniki wszystkich trzech, aby uzyskać wiarygodny wynik ogólny” – mówi główny autor Ratnesh Lal z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.

Zatwierdzenie planowane wkrótce

Uniwersytet Kalifornijski udzielił już start-upowi biotechnologicznemu Ampera Life licencji na korzystanie z nowo opracowanej technologii wykrywania. Podczas dalszych testów w szpitalach i domach opieki naukowcy i firma chcą teraz sprawdzić, na ile niezawodny jest biosensor w wykrywaniu biomarkerów choroby Alzheimera i Parkinsona w osoczu krwi, ślinie i moczu pacjentów. Jeśli testy wypadną pomyślnie, Ampera Life twierdzi, że wkrótce złoży wniosek o zatwierdzenie urządzenia przez FDA. Celem jest wprowadzenie urządzenia na rynek w ciągu roku.

Teoretycznie biosensor można również dalej modyfikować, tak aby wykrywał biomarkery innych chorób – twierdzą naukowcy.

Źródło: Tyler Andrew Bodelli (Uniwersytet Kalifornijski – San Diego) i in., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2311565120

© Wissenschaft.de – Claudia Krapp