Новые возможности оценки маркеров болезни Альцгеймера в сыворотке крови

   С учётом стабильного роста числа случаев болезни Альцгеймера, всё более остро встает вопрос повышения уровня её диагностики.

   Цель исследования: разработка нового метода верификации маркеров болезни Альцгеймера в сыворотке крови на основе графеновых сенсоров.

   Материалы и методы. Рост графена осуществлялся методом сублимации. На первом этапе эксперимента оценивали эффективность прикрепления антител к бета-амилоидному пептиду человека 1–42 и общему тау-протеину человека. На втором этапе проводили оценку способности сенсоров осуществлять анализ белков бета-амилоида 1–42 и общего тау-протеина.

   Результаты. Графен, функционализированный сульфогруппами от пиранина, проявляет достаточную способность иммобилизировать антитела. Обработка глутаровым альдегидом графена, функционализированного аминогруппами, значительно повышает способность последнего к иммобилизации антител. Сенсоры проявляют высокую чувствительность при концентрациях белков в растворах от 10–10 до 10–15 г/мл. При небольших концентрациях антигена полученные калибровочные графики круто ниспадают и расходятся незначительно, что позволяет использовать эту область для определения неизвестной концентрации антигена. Концентрация белков в слепом опыте определена с погрешностью в 1,5 раза, то есть примерно в половину шага разведения. Более дробное разведение проб поможет достичь большей точности, что показывает принципиальную применимость использованного нами подхода.

   Заключение. Проведённые нами к настоящему моменту исследования позволили разработать медицинские и физико-химические аспекты действия сенсоров на основе графена для детекции низких концентраций белков бета-амилоида и тау-протеина в средах. Продемонстрирована принципиальная техническая работоспособность данной методики.

1. Pérez Palmer N., Trejo Ortega B., Joshi P. Cognitive Impairment in Older Adults: Epidemiology, Diagnosis, and Treatment. Psychiatr Clin North Am. 2022; 45 (4): 639–661. doi: 10.1016/j.psc.2022.07.010.

2. 2023 Alzheimer's disease facts and figures. Alzheimers Dement. 2023; 19 (4): 1598–1695. doi: 10.1002/alz.13016.

3. Ткачева О. Н., Чердак М. А., Мхитарян Э. А. Обследование пациентов с когнитивными нарушениями. РМЖ. 2017; 25: 1880–1883.

4. Weller J., Budson A. Current understanding of Alzheimer's disease diagnosis and treatment. F1000Res. 2018; 7: F1000FacultyRev-1161. doi: 10.12688/f1000research.14506.1.

5. Dubois B., von Arnim C. A. F., Burnie N., Bozeat S., Cummings J. Biomarkers in Alzheimer's disease: role in early and differential diagnosis and recognition of atypical variants. Alzheimers Res Ther. 2023; 15 (1): 175. doi: 10.1186/s13195-023-01314-6.

6. Meier S. R., Sehlin D., Roshanbin S., Falk V. L., Saito T., Saido T. C. et al. 11C-PiB and 124I-antibody PET provide differing estimates of brain amyloid-β after therapeutic intervention. J Nucl Med. 2022; 63 (2): 302–309. doi: 10.2967/jnumed.121.262083.

7. Matsuda H., Okita K., Motoi Y., Mizuno T., Ikeda M., Sanjo N. et al. Clinical impact of amyloid PET using 18F-florbetapir in patients with cognitive impairment and suspected Alzheimer's disease: a multicenter study. Ann Nucl Med. 2022; 36 (12): 1039–1049. doi: 10.1007/s12149-022-01792-y.

8. Groot C., Villeneuve S., Smith R., Hansson O., Ossenkoppele R. Tau P. E. T Imaging in Neurodegenerative Disorders. J Nucl Med. 2022; 63 (1): 20–26. doi: 10.2967/jnumed.121.263196.

9. McKhann G. M., Knopman D. S., Chertkow H., Hyman B. T., Jack C. R. Jr., Kawas C. H. et al. The diagnosis of dementia due to Alzheimer's disease: recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer's Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer's disease. Alzheimers Dement. 2011; 7 (3): 263–269. doi: 10.1016/j.jalz.2011.03.005.

10. Коберская Н. Н. Болезнь Альцгеймера: новые критерии диагностики и терапевтические аспекты в зависимости от стадии болезни. Медицинский Совет. 2017; 10: 18–24. doi: 10.21518/2079-701x-2017-10-18-24.

11. Bai Y., Xu T., Zhang X. Graphene-Based Biosensors for Detection of Biomarkers. Micromachines (Basel). 2020; 11 (1): 60. doi: 10.3390/mi11010060.

12. Tufail S., Sherwani M. A., Shamim Z., Abdullah, Goh K. W., Alomary M. N. et al. 2D nanostructures: Potential in diagnosis and treatment of Alzheimer's disease. Biomed Pharmacother. 2024; 170: 116070. doi: 10.1016/j.biopha.2023.116070.

13. Лебедев А. А., Лебедев С. П., Новиков С. Н., Давыдов В. Ю., Смирнов А. Н., Литвин Д. П., и др. Сверхчувствительный газовый сенсор на основе графена. Журнал технической физики. 2016; 86 (3): 135–139. doi: 10.1134/S1063784216030130.

14. Воробьев С. В., Терновых И. К., Плеханов А. Ю., Лебедев А. А., Смирнов А. Н., Усиков А. С., и др. Графен как основа биологических сенсоров для определения маркеров нейродегенеративной деменции. Медицинский алфавит. 2023; 33: 28–33. doi: 10.33667/2078-5631-2023-33-28-33.

15. Xu Y., Bai H., Lu G., Li C., Shi G. Flexible graphene films via the filtration of water-soluble noncovalent functionalized graphene sheets. JACS. 2008; 130 (18): 5856–5857. doi: 10.1021/ja800745y.

16. Rong G. X., Lv Z.X., Pan Z. J., Zhang S. L., Deng P. Covalent immobilization of cellulase onto amino and graphene oxide functionalized magnetic Fe₂O₃/Fe₃O₄@SiO₂. Nanocomposites. J Nanosci Nanotechnol. 2021; 21 (9): 4749–4757. doi: 10.1166/jnn.2021.19127.

17. Плеханов А. Ю., Пузык М. В., Усиков А. С., Роенков А. Д., Лебедев А. А., Лебедев С. П., и др. Хемилюминесценция функционализированной поверхности графена. Оптика и спектроскопия. 2022; 130 (9): 1417–1422. doi: 10.21883/OS.2022.09.53305.3628-22.

18. Патент Р. Ф. на изобретение № 2022128732/2022. Плеханов А. Ю., Пузык М. В., Усиков А. С., Роенков А. Д., Лебедев А. А., Лебедев С. П., и др. Способ восстановления способности графена связывать белки.

19. Бородин Е. А. ИФА и ПЦР – современные методы клинической лабораторной диагностики. Поликлиника. 2012; 2: 16–22.

20. Arranz J., Zhu N., Rubio-Guerra S., Rodríguez-Baz Í., Ferrer R., Carmona-Iragui M. et al. Diagnostic performance of plasma pTau217, pTau181, Aβ1-42 and Aβ1-40 in the LUMIPULSE automated platform for the detection of Alzheimer disease. Alzheimers Res Ther. 2024; 16 (1): 139. doi: 10.1186/s13195-024-01513-9.

21. Dai Y., Molazemhosseini A., Liu C. C. In vitro quantified determination of β-amyloid 42 peptides, a biomarker of neuro-degenerative disorders, in PBS and human serum using a simple, cost-effective thin gold film biosensor. Biosensors (Basel). 2017; 7 (3): 29. doi: 10.3390/bios7030029.

22. Rosén A., Gennser M., Oscarsson N., Kvarnström A., Sandström G., Seeman-Lodding H. et al. Protein tau concentration in blood increases after SCUBA diving: an observational study. Eur J Appl Physiol. 2022; 122 (4): 993–1005. doi: 10.1007/s00421-022-04892-9.

23. Janelidze S., Bali D., Ashton N. J., Barthélemy N. R., Vanbrabant J., Stoops E. et al. Head-to-head comparison of 10 plasma phospho-tau assays in prodromal Alzheimer's disease. Brain. 2023; 146 (4): 1592–1601. doi: 10.1093/brain/awac333.

24. Zecca C., Pasculli G., Tortelli R., Dell'Abate M.T., Capozzo R., Barulli M. R. et al. The role of age on beta-amyloid1-42 plasma levels in healthy subjects. Front Aging Neurosci. 2021; 13: 698571. doi: 10.3389/fnagi.2021.698571.

25. Смирнов А. Н., Плеханов А. Ю., Пузык М. В., Воробьев С. В., Усиков А. С., Дунаевский М. С., и др. Особенности функционализации графена в биосенсорах. Международная конференция «Наноуглерод и алмаз»; Июль 1–5, 2024; Санкт-Петербург. СПб.: Медиапапир, 2024; Р5-4-25. Доступно по: https://ncd2024.ioffe.ru. Ссылка активна на 28. 08. 2024.

26. McGeer P. L., Guo J. P., Lee M., Kennedy K., McGeer E. G. Alzheimer's Disease Can Be Spared by Nonsteroidal Anti-Inflammatory Drugs. J Alzheimers Dis. 2018; 62 (3): 1219–1222. doi: 10.3233/JAD-170706.

27. Tvarijonaviciute A., Zamora C., Ceron J. J., Bravo-Cantero A. F., Pardo-Marin L., Valverde S., Lopez-Jornet P. Salivary biomarkers in Alzheimer's disease. Clin. Oral Investig. 2020; 24 (10): 3437–3444. doi: 10.1007/s00784-020-03214-7.

28. Pekeles H., Qureshi H. Y., Paudel H. K., Schipper H. M., Gornistky M., Chertkow H. Development and validation of a salivary tau biomarker in Alzheimer's disease. Alzheimers Dement (Amst). 2018; 11: 53–60. doi: 10.1016/j.dadm.2018.03.003.