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Verwendung von Graphen zum Nachweis von ALS und anderen neurodegenerativen Erkrankungen

06.12.2018

Berry Research Laboratory, UIC

Wie Graphen zum Nachweis von ALS-Biomarkern aus dem Liquor verwendet werden kann

Die Wunder des Graphens sind zahlreich - es kann flexible elektronische Komponenten ermöglichen, die Kapazität der Solarzellen erhöhen, feinste subatomare Partikel filtern und die Batterien revolutionieren. Jetzt kann das "Supermaterial" eines Tages verwendet werden, um auf amyotrophe Lateralsklerose oder ALS zu testen - eine progressive, neurodegenerative Erkrankung, die hauptsächlich durch den Ausschluss anderer Erkrankungen diagnostiziert wird, so neue Forschungen der University of Illinois in Chicago.

Wenn dem Graphen zerebrospinale Flüssigkeit von Patienten mit ALS zugesetzt wurde, führte dies zu einer deutlichen und unterschiedlichen Veränderung der Schwingungseigenschaften des Graphens im Vergleich zu der Zeit, als Flüssigkeit von einem Patienten mit Multipler Sklerose zugesetzt wurde oder als Flüssigkeit von einem Patienten ohne neurodegenerative Erkrankung dem Graphen zugesetzt wurde. Diese ausgeprägten Veränderungen sagten genau voraus, von welcher Art von Patient die Flüssigkeit kam - einer mit ALS, MS oder keiner neurodegenerativen Erkrankung.

Graphen ist ein einatomiges Material, das aus Kohlenstoff besteht. Jedes Kohlenstoffatom ist durch chemische Bindungen an seine benachbarten Kohlenstoffatome gebunden. Die Elastizität dieser Bindungen erzeugt resonante Schwingungen, auch Phononen genannt, die sehr genau gemessen werden können. Wenn ein Molekül mit Graphen interagiert, verändert es diese Resonanzschwingungen auf sehr spezifische und quantifizierbare Weise.

"Graphen ist nur ein Atom dick, so dass ein Molekül auf seiner Oberfläche im Vergleich dazu enorm ist und eine spezifische Veränderung der Phononenenergie des Graphen hervorrufen kann, die wir messen können", sagt Vikas Berry, außerordentlicher Professor und Leiter der Chemieingenieurwesen am UIC College of Engineering und Autor des Beitrags. Änderungen der Schwingungseigenschaften von Graphen hängen von den einzigartigen elektronischen Eigenschaften des zugesetzten Moleküls ab, dem so genannten "Dipolmoment".

"Wir können das Dipolmoment des dem Graphen zugesetzten Moleküls bestimmen, indem wir Veränderungen in der Phononenenergie des Graphen messen, die durch das Molekül verursacht werden", erklärte Berry.

Berry und seine Kollegen benutzten Graphen, um zu identifizieren, ob die zerebrospinale Flüssigkeit von einem Patienten mit ALS oder Multipler Sklerose - zwei progressiven neurodegenerativen Störungen - oder von jemandem ohne neurodegenerative Krankheit stammt. Da es keinen endgültigen Test für ALS gibt, würde ein objektiver diagnostischer Test den Patienten helfen, früher mit der Behandlung zu beginnen, um die Krankheit zu verlangsamen.

Die zerebrospinale Flüssigkeit wurde aus dem Human Brain and Spinal Fluid Resource Center gewonnen, das Flüssigkeit und Gewebe von verstorbenen Personen bindet. Berry, Dr. Ankit Mehta, Assistenzprofessor für Neurochirurgie und Direktor für Wirbelsäulenonkologie am UIC College of Medicine, und ihre Kollegen testeten die Liquorflüssigkeit von sieben Menschen ohne neurodegenerative Erkrankung, von 13 Menschen mit ALS, von drei Menschen mit Multipler Sklerose und von drei Menschen mit einer unbekannten neurodegenerativen Erkrankung.

"Wir sahen einzigartige und deutliche Veränderungen in den Phononenenergien von Graphen, je nachdem, ob die Flüssigkeit von jemandem mit ALS, Multipler Sklerose oder jemandem ohne neurodegenerative Krankheit stammt", sagte Berry. "Wir konnten auch feststellen, ob die Flüssigkeit von jemandem über 55 Jahre oder jünger als 55 Jahre stammt, als wir Zerebrospinalflüssigkeit von ALS-Patienten testeten. Wir denken, dass der Unterschied zwischen älteren und jüngeren ALS-Patienten durch einzigartige biochemische Signaturen bedingt ist, die wir aufgreifen, die mit vererbter ALS korrelieren, die in der Regel Symptome vor dem 55. Lebensjahr hervorruft, und der so genannten sporadischen ALS, die später im Leben auftritt".

Berry glaubt, dass das Graphen die einzigartigen Biosignaturen - Kombinationen von Proteinen und anderen Biomolekülen - aufgreift, die in der Liquorflüssigkeit von Individuen mit unterschiedlichen Krankheiten vorhanden sind.

"Die elektronischen Eigenschaften von Graphen wurden eingehend untersucht, aber erst kürzlich haben wir begonnen, seine phonononischen Eigenschaften zu untersuchen, um Krankheiten zu erkennen", sagte Berry. "Und es stellt sich heraus, dass Graphen ein äußerst vielseitiger und genauer Detektor für Biosignaturen von Krankheiten ist, die sowohl in zerebrospinalen Flüssigkeiten als auch in ganzen Zellen vorkommen."

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