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Chitosan in Immunsensoren für die frühzeitige Erkennung von Alzheimer

Durch das steigende Alter der Bevölkerung könnten sich bis 2050 die Zahl der Alzheimer Fälle verdreifachen. Um eine frühe Diagnose zu ermöglichen, sind sensitive und einfach zu handhabende Diagnostik-Plattformen nötig. In der vorgestellten Studie wurde daher ein elektrochemischer Immunsensor mit Chitosan und Goldnanopartikeln funktionalisierten Carbonnanotubes hergestellt.

ELEKTROCHEMISCHER IMMUNSENSOR ZUM FRÜHZEITIGEN NACHWEIS DES β-AMYLOID-BIOMARKERS DER ALZHEIMER-KRANKHEIT AUF DER GRUNDLAGE VON AUSGERICHTETEN KOHLENSTOFF-NANORÖHRCHEN-GOLD-NANOKOMPOSITEN

Ranjan, P.; Khan, R. Electrochemical Immunosensor for Early Detection of β-Amyloid Alzheimer’s Disease Biomarker Based on Aligned Carbon Nanotubes Gold Nanocomposites. Biosensors 2022, 12, 1059. https://doi.org/10.3390/bios12111059

Alzheimer ist eine weitverbreite, neurodegenerative Erkrankung, die zu Demenz und einem frühzeitigen Tod führt. Die Erkrankung ist für 70 % der Demenzfälle verantwortlich und betrifft ca. 35 Millionen Menschen. Bis zum Jahr 2050 soll sich die Zahl verdreifachen, was zukünftig eine große soziale als auch ökonomische Bürde darstellt. Die Erkrankung wird reguliert durch die Ausbildung von β-Amyloid-Peptid Fibrillen im Gehirn. Diese sind hydrophob und selbstaggregierend im Gehirngewebe und gelten als primärer Auslöser von Alzheimer. Daher ist das β-Amyloid-Peptid ein idealer Biomarker und therapeutisches Target.

Bisherige Nachweismethoden wie Kapillar Elektrophorese, ELISA, MRI, MS oder PET sind zu wenig sensitiv, zeitaufwendig, teuer oder laborintensiv. Eine vielversprechende Alternative sind immunsensor-basierte Diagnostikplattformen wie elektrochemische Immunsensoren. Diese bieten eine einfache Handhabung, hohe Sensitivität und Selektivität, ein geringes Detektionslimit, ausreichende Stabilität und eine schnelle Detektion. Durch ihre große Oberfläche, geringes Gewicht und elektrische Leitfähigkeit sind Carbonnanotubes (CNTs) ein bevorzugtes Sensormaterial. Zusätzlich kann deren Oberfläche mit Chitosan (CS) funktionalisiert werden. Durch das Amin und die Hydroxygruppen ist CS in der Lage eine aktive Seite zur Immobilisierung von Antikörpern zu bieten. Zudem bildet es eine gleichmäßige Beschichtung auf der Oberfläche, die für eine stabile Umgebung, eine verbessere Leitfähigkeit und somit für eine verbesserte Empfindlichkeit des Targets sorgt. Zusätzlich kann die Leitfähigkeit und die Oberfläche durch die Zugabe von Gold-Nanopartikeln (AuNPs) erhöht werden.

In der vorgestellten Studie wurde daher ein elektrochemischer Immunsensor für die Detektion von β-Amyloid-Peptiden aus einem AuNP-funktionalisierte CS-aCNT-Nanokomposit auf Glasfaserkohlenstoff-Elektroden (GCEs) hergestellt. Dieses soll mit Anti-β-Amyloid-Antikörpern und BSA modifiziert werden. Darüber hinaus wurden die elektrochemischen Eigenschaften der Nanokomposite und des Immunsensors mit elektroanalytischen Verfahren wie Zyklovoltammetrie (CV) und differentielle Pulsvoltammetrie (DPV) untersucht. Anschließend wurde der hergestellte Immunsensor für die Detektion von β-Amyloid-Peptid in BSA getestet.

ERGEBNISSE

  • Erfolgreiche Immobilisierung von anti-β-Amyloid-Antikörpern und BSA auf der Oberfläche des hergestellten CS-aCNT-Au Nanokomposits
  • Herstellung der Arbeitselektrode durch Modifizierung einer Glasfaserkohlenstoffelektrode und Zusammenfügen des Immunsensors durch Zugabe des CS-aCNT-Au-Nanokomposits
  • Nachweis der Erhöhung der Leitfähigkeit des Immunsensors bzw. Nanokomposits durch die GCE als auch die AuNPs
  • Zugabe von Anti-β-Amyloid-Antikörpern und BSA führten zu einem Abfallen des CV Peaks was auf eine erfolgreiche Immobilisierung auf der Immunsensor Oberfläche schließen lässt
  • DPV-Messungen stimmten mit Erkenntnissen von der CV überein → Schlussfolgerung der hergestellte Immunsensor kann effizient für den elektrochemischen Nachweis von β-Amyloid-Peptid genutzt werden
  • Nachweis einer hohen Sensitivität des BSA/Antikörper/CS-aCNT-Au/GCE Immunsensors zwischen 10,0 pg/ml und 100,0 µg/ml in PBS mittels DPV
  • Konsistente Ergebnisse für den Nachweis von β-Amyloid-Peptiden in biologischen Flüssigkeiten mit ausreichend hoher Selektivität

Zusammenfassung: In der präsentierten Studie wurde erfolgreich ein elektrochemischer Immunsensor zur Detektion von β-Amyloid-Peptiden in BSA und biologischen Flüssigkeiten mit einer ausreichend hohen Sensitivität und Selektivität hergestellt. Die Funktionalisierung mit CS führte zu einer guten Immobilisierung von anti-β-Amyloid-Antikörpern und BSA auf der Oberfläche, während die AuNPs und die GCE die Leitfähigkeit verstärkten. Insgesamt zeigte der hergestellte BSA/Antikörper/CS-aCNT-Au/GCE Immunsensor ein großes Potential für die Detektion des β-Amyloid-Peptids und somit der frühen Erkennung von Alzheimer.

Link zum Artikel: Biosensors | Free Full-Text | Electrochemical Immunosensor for Early Detection of β-Amyloid Alzheimer’s Disease Biomarker Based on Aligned Carbon Nanotubes Gold Nanocomposites (mdpi.com)

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