Графен, используемый для обнаружения БАС и других нейродегенеративных заболеваний

Чудеса графена многочисленны – он может улучшить емкость солнечного элемента, создать гибкие электронные компоненты, отфильтровать мельчайшие субатомные частицы и преобразовать батареи. Теперь «суперматериал» может в будущем использоваться для тестирования на боковой амиотрофический склероз (БАС) – прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое диагностируется, как правило, путем исключения других заболеваний, согласно новому исследованию из Университета Иллинойса в Чикаго сообщается в ACS Applied Materials & Interfaces .

Как графен может использоваться для обнаружения биомаркеров ALS в спинномозговой жидкости. (Фото: Исследовательская лаборатория Берри, МСЖД)

Когда цереброспинальная жидкость от пациентов с БАС была добавлена ​​к графену, она вызывала уникальное и отличающееся изменение вибрационных особенностей графена по сравнению с тем, когда добавлялась жидкость от пациента без нейродегенеративного заболевания или когда жидкость от пациента с рассеянным склерозом был добавлен к графену. Эти отличающиеся различия точно предсказывали, от какого пациента поступила жидкость – у больного с МС, БАС или нейродегенеративным заболеванием.

Графен представляет собой материал толщиной в один атом, состоящий из углерода. Каждый атом углерода связан с соседними атомами углерода химическими связями. Эластичность этих связей дает резонансные колебания, также называемые фононами, которые можно измерять с высокой точностью. Когда молекула взаимодействует с графеном, она очень точно и количественно изменяет эти резонансные колебания.

«Графен имеет толщину всего в один атом, поэтому молекула на его поверхности по сравнению с ним огромна и может вызвать специфическое изменение энергии фононов графена, которое мы можем измерить», сказал Викас Берри, доцент и руководитель химического машиностроения в Инженерном колледже МСЖД и автор статьи. Изменения вибрационных свойств графена основаны на уникальных электронных особенностях добавленной молекулы, называемой ее «дипольным моментом».

«Мы можем определить дипольный момент молекулы, добавленной к графену, путем измерения изменений энергии фононов графена, вызванных молекулой», объяснил Берри.

Берри и его коллеги использовали графен, чтобы определить, была ли цереброспинальная жидкость от пациента с БАС или рассеянным склерозом – два прогрессирующих нейродегенеративных расстройства – или от кого-то, у кого нет нейродегенеративного заболевания. Поскольку не существует окончательного теста на БАС, объективный диагностический тест поможет пациентам начать лечение раньше, чтобы замедлить заболевание.

Цереброспинальная жидкость была получена из Центра ресурсов спинного мозга и головного мозга человека, в котором хранятся ткани и жидкости от умерших людей. Берри, доктор Анкит Мехта, доцент кафедры нейрохирургии и директор по онкологии позвоночника в Медицинском колледже МСЖД, и их коллеги проанализировали спинномозговую жидкость от семи человек без нейродегенеративного заболевания; из 13 человек с БАС; от трех человек с рассеянным склерозом и от трех человек с неопознанным нейродегенеративным заболеванием.

«Мы видели уникальные и отчетливые изменения в энергии фононов графена в зависимости от того, была ли жидкость у кого-то с БАС, рассеянным склерозом или у кого-то без нейродегенеративного заболевания» Берри. «Мы также смогли определить, была ли жидкость от кого-то старше 55 лет или моложе 55 лет, когда мы исследовали спинномозговую жидкость от пациентов с БАС. Мы считаем, что различия, которые мы видим между пожилыми и младшими пациентами с БАС, обусловлены уникальными биохимическими признаками, которые мы собираем и которые соответствуют наследственной БАС, которая обычно вызывает симптомы до 55 лет, и так называемой спорадической БАС, возникающей в более позднем возрасте »

Берри уверен, что графен обнаруживает эксклюзивные биосигнатуры – смеси белков и других биомолекул, которые присутствуют в спинномозговой жидкости людей с различными заболеваниями.

Электронные свойства графена были тщательно изучены, но только недавно мы начали изучать его фононные свойства как способ выявления заболеваний . И оказывается, что графен является чрезвычайно универсальным и точным детектором биосигнатур заболеваний, обнаруживаемых как в спинномозговой жидкости, так и в целых клетках.

Викас Берри, автор исследования, доцент и руководитель отдела химической инженерии, Инженерный колледж МСЖД

Бижентимала Кейшем из Инженерного колледжа МСЖД; Стивен Дениер, Пуян Хейрхан, Грегори Арноне, Абхирадж Бхимани и доктор Анкит Мехта из отделения нейрохирургии Медицинского колледжа МСЖД, Акоп Сексенян из Университета медицины и науки им. Розалинд Франклин, Чикаго, и Клайв Свендсен из Сидарс-Синай Медицинский центр, Лос-Анджелес, являются соавторами статьи.

Это исследование было поддержано грантом N00014-18-2583 из Управления военно-морских исследований, грантом CMMI-1503681 от Национального научного фонда и Университета Иллинойса в Чикаго, Seed Grant.

Source link