Graphene as the basis of biological sensors for the diagnosis of neurodegenerative dementia

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Cognitive disorders are currently being considered within the framework of the most pressing problems of modern clinical neurology in particular and medicine in general. Their significance is due to both the significant negative impact on the health and quality of life of patients, as well as the condition of their immediate relatives and society as a whole. In addition, widespread violations of higher cortical functions significantly affect the financial and economic indicators of individual groups of individuals and the state. These provisions determine the need to search for new highly effective ways of managing patients. The solution of this problem is impossible without the introduction of effective diagnostic methods that allow rapid and qualitative verification of the pathological process, especially at its early stages. Given the fact that Alzheimer’s disease plays a major role in the development of dementia in old age, the development of its diagnostic methods is the interest area for the researchers. Currently used diagnostic algorithms, which include, in addition to neuropsychological examination, such methods as the study of the content of β-amyloid and τ-protein in the cerebrospinal fluid, positron emission tomography, a number of others are either invasive or require expensive specialized equipment and have a high financial cost. This leads to a significant limitation of their use in everyday clinical practice. At the same time, certain successes have been achieved recently in the field of the introduction of nanotechnology products into medical science. This is the direction for the further prospects for the development of diagnostic and therapeutic strategies. One of the materials obtained in this direction is graphene, which is a two-dimensional allotropic modification of carbon with a number of specific physical properties. Currently biological sensors based on graphene are being developed, which have high sensitivity and specificity to the biomarkers under study and allow them to be determined in extremely low concentrations. The research in this direction may lead to the creation of a new diagnostic method that allows for the effective diagnosis of Alzheimer’s disease in the early stages, including at the outpatient level.

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Все новые достижения прогресса находят применение как в терапевтических стратегиях, так и в диагностических алгоритмах. При этом существенную роль играют разработки в области нанотехнологий. Среди перспективных материалов, полученных в рамках работ, проводимых в данной области, рассматривается графен. Его весьма специфические физические свойства, такие как высокая электро- и теплопроводность, значительная механическая жесткость, существенная подвижность носителей заряда, максимальное отношение площади к объему, весьма низкий уровень шумов проводимых сигналов, а также достаточная химическая стабильность и совместимость с биологическими тканями, подтвержденная экспериментально, предопределяют попытки использования графена в медицинской науке. Например, разрабатывать на его основе биологические сенсоры, облегчающие диагностику заболеваний, сопровождающихся развитием когнитивной дисфункции. Необходимо отметить, что основной вклад в развитие деменций у пожилых лиц составляют нейродегенеративные процессы, в частности болезнь Альцгеймера. На ее долю приходится до 70 % от общего количества тяжелых когнитивных нарушений [1]. Согласно проведенным исследованиям, болезнью Альцгеймера страдает 3–4 % населения предпенсионного и пенсионного возраста [2]. При этом если в 2015 г. насчитывалось 47 млн человек с зарегистрированной деменцией, то к 2030 г. ожидается увеличение их количества до 75 млн а к 2050 г. — до 132 млн человек [3]. Однако до настоящего времени сохраняются достаточные сложности в верификации болезни Альцгеймера, особенно на ранних стадиях, ввиду несовершенства применяющихся методов. Именно это предопределяет потребность в разработке новых способов диагностики, к которым можно отнести биологические сенсоры на основе графена, позволяющие проводить детекцию биомаркеров в различных биологических средах.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время с целью диагностики болезни Альцгеймера широко применяются критерии NINDS–ADRDA (National Institute of Neurological Disorders and Communicative Disorders and Stroke и Alzheimer's Disease and Related Disorders Association). В то же время необходимо отметить, что они позволяют верифицировать лишь вероятный или возможный диагноз заболевания, которое находится на развернутой стадии. Их чувствительность и специфичность также оставляют желать лучшего, достигая 81 и 70 % соответственно [4]. Установление достоверного диагноза возможно только после проведения патоморфологического исследования головного мозга, что резко снижает его ценность в качестве клинического диагностического инструмента. В 2011 г. научной группой Национального института по проблемам старения и Ассоциации по изучению болезни Альцгеймера разработаны новые критерии диагностики, которые позволили отделить клинические признаки нейродегенерации и ее патоморфологические, а также патофизиологические проявления. На основании данных критериев выделены три стадии патологического процесса: бессимптомная доклиническая, преддементная (аналогичная стадии умеренных когнитивных нарушений — УКН), деменция [5]. При этом диагностику бессимптомной доклинической стадии предложено производить в первую очередь на основании изучения биомаркеров с учетом определенных трудностей обнаружения у пациентов нарушения высших корковых функций при нейропсихологическом обследовании [6]. В качестве таких веществ рассматриваются маркеры амилоидоза и нейродегенерации [7]. Для подтверждения стадии заболевания, а также исследования степени прогрессирования в 2018 г. эти же исследователи предложили рассматривать маркеры амилоидоза, таупатии и нейродегенерации [8, 9].

Необходимо отметить, что изучение биомаркеров в настоящее время проводится либо при оценке их содержания в ликворе, либо посредством визуализации в структурах головного мозга с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) с соответствующими лигандами (например, с фторбетапиром (18F-AV-45) или Питтсбургской субстанцией (PiB) для определения амилоида или 18F-AV-1451 для определения белка тау) [10, 11]. Также дополнительно для верификации степени выраженности нейродегенерации используется ПЭТ с 18F-фтордезоксиглюкозой. Однако такой подход, безусловно повысивший качество диагностики болезни Альцгеймера, оказался крайне недостаточным, зачастую не позволяя эффективно проводить дифференциальную диагностику и выявлять патологию на ранних стадиях. Кроме того, технологическая сложность используемого в этих целях оборудования, особенности получения лигандов, высокая цена, а также особенности накопления изучаемых белков на разных этапах заболевания затрудняют диагностику болезни Альцгеймера [12–14]. Таким образом, на сегодняшний день крайне важно разработать принципиально новый метод диагностики, который можно применять как в амбулаторно-поликлиническом звене, так и в стационаре. Данный метод должен обладать несколькими качествами, а именно незначительной инвазивностью, технически простой при проведении и анализе результатов, позволяющих применять его в рамках имеющихся лабораторий, проявлять достаточную чувствительность и специфичность, а также иметь приемлемую цену.

Именно такие вопросы можно попытаться решить при использовании графена, за открытие которого К. Новоселову и А. Гейму в 2010 г. была присуждена Нобелевская премия. Сочетание его свойств обеспечивает значимое изменение электропроводимости графена при осаждении на нем даже незначительных, исчезающе малых концентраций посторонних веществ [15, 16]. Это определяет попытки разработки биосенсоров на основе графена для диагностики различных заболеваний, в том числе и болезни Альцгеймера. Также изучается возможность использования графена в системах адресной доставки лекарственных препаратов как элемента фототермической терапии. Рядом проведенных исследований продемонстрировано, что графен может выступать в качестве эффективного средства усиления дифференцировки стволовых клеток [17–22]. В то же время возможность детекции крайне низких количеств веществ делают наиболее перспективным именно создание на его основе биосенсоров для исследования содержания отдельных биомаркеров не только в ликворе, но и в плазме крови в рамках диагностического поиска при болезни Альцгеймера.

В качестве маркеров, предложенных для исследования сыворотки крови с учетом классических современных представлений о патогенезе болезни Альцгеймера, предлагается использовать как τ-протеин, так и β-амилоид. Однако оказалось, что исследования этих двух белков не позволяют диагностировать нейродегенеративную деменцию с достаточной чувствительностью и специфичностью. При этом полученные данные зачастую носят противоречивый характер [13, 14, 23]. Для повышения эффективности диагностического поиска предлагается совместно с определением τ-протеина и β-амилоида осуществлять детекцию других веществ, таких как неприлизин, никастрин, рецепторы конечных продуктов гликозилирования, нейрогранин, бета-секретаза, легкие цепи нейрофиламентов, синаптофизин, отражающих патогенетические особенности развития заболевания.

В Физико-техническом институте им А.Ф. Иоффе освоен метод получения графена посредством термодеструкции поверхности монокристаллических подложек SiC. Дополнительно разработана и внедрена в практику методика предростового отжига кремниевых подложек, что, в свою очередь, позволило резко повысить качество вырабатываемого графена. Кроме того, для целей контроля производства графеновых пленок применяется ряд высокотехнологичных методик, таких как спектроскопия комбинационного рассеяния света, Кельвин-зондовая силовая и атомно-силовая микроскопия.

Полученные графеновые пленки используются для создания биологических сенсоров, способных определять биомолекулы в концентрациях, недоступных для методов, применяющихся в стандартной лабораторной практике (иммуноферментный анализ, иммунопреципитация, флуориметрический метод). Физическую основу работы графенового сенсора составляет способность последнего значимо менять показатели электрического сопротивления при осаждении на нем молекул любых веществ. Технически сенсор состоит из полоски графена, размещенной на изолирующей кремниевой подложке SiC и обладающей двумя омическими контактами. Данные контакты предназначены для создания электрического соединения между графеном и контактными выводами измерительного оборудования, позволяющего оценить электрическое сопротивление.

Однако с учетом отсутствия у исходной пленки графена способности по направленному определению тех или иных биологических молекул для практического применения необходимо придание ей селективных свойств. Для этого выполняют вторичную обработку ее поверхности, получившую название функционализации. В ходе нее создаются дополнительные ковалентные связи с последующей иммобилизацией специфических антител. За счет этого становится возможной детекция строго определенных биологических веществ (антигенов), прикрепляемых к комплементарным антителам посредством сайтов связывания. Таким образом, в основе работы графенового биосенсора лежит фундаментальная реакция иммунной системы, реализующая принцип взаимодействия соответствующих друг другу антител и антигенов с формированием комплекса по принципу ключ–замок (key-lock) [24]. На фоне данной реакции наблюдается резкое изменение электрического сопротивления графена, что и фиксируется электронным оборудованием. Данная концепция носит универсальный характер и может использоваться для определения различных белковых соединений в зависимости от наличия в сенсоре соответствующего антитела. Предварительная калибровка биологического сенсора с заранее известными концентрациями искомого биомаркера позволяет выполнять не только качественный, но и количественный анализ в представленном биологическом образце [25].

В настоящее время в литературных источниках имеются сведения, указывающие на принципиальную возможность применения графеновых биосенсоров при диагностике болезни Альцгеймера. В частности, в эксперименте показана возможность определения в растворах как β-амилоида, так и τ-белка. При этом установлена высокая селективность данного метода, составляющая 98 %. Нижний порог определяемых веществ находился на уровне 100 фемтограмм на мл, что практически в 1 млн раз ниже, чем при использовании иммуноферментного анализа, для которого чувствительность не превышала 150 нанограмм на мл [18]. Аналогичные результаты были получены и в другом исследовании, где было установлено, что чувствительность метода позволяет определять концентрации β-амилоида, значительно уступающие его содержанию в плазме крови. Также был определен характер ответа сенсоров в виде изменения сопротивления на различные концентрации белка, который показал линейную корреляцию с концентрацией растворенного амилоида [26]. В других исследованиях предпринимались успешные попытки определения с помощью графеновых биосенсоров иных веществ, играющих важную роль в патогенезе болезни Альцгеймера. В частности, проводилось определение ряда нейротрансмиттеров, биохимических показателей оксидантного стресса и др. [27].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо констатировать, что, несмотря на видимые успехи, до настоящего времени не разработаны доступные методы, позволяющие проводить диагностику болезни Альцгеймера на приемлемом уровне. Для исследования содержания β-амилоида и τ-белка в ликворе необходима госпитализация пациента с целью проведения инвазивного вмешательства в виде люмбальной пункции. ПЭТ стоит весьма дорого и может быть проведена только в специализированных центрах. Другие методы, в частности магнитно-резонансная морфометрия, носят зачастую исследовательский характер. Кроме того, с учетом особенностей клинической картины заболевания эти методы применяются практически исключительно на стадии деменции, в то же время пациенты с амнестическим вариантом УКН остаются зачастую за рамками диагностического поиска. Внедрение методик, позволяющих качественно повысить верификацию болезни Альцгеймера на ранних стадиях, в том числе на уровне амбулаторно-поликлинического звена, даст возможность поднять диагностику на качественно новый уровень. Именно таким потенциалом обладают биосенсоры на основе графена, с помощью которых можно определять маркеры заболевания в плазме крови. С учетом этого аспекта, а также проявляемой потенциально высокой чувствительности и специфичности графеновых сенсоров разработка концепции их использования, решение технических вопросов, связанных с их применением в клинической практике, позволят, с одной стороны, детально изучить биохимические процессы, протекающие в клетках в рамках патогенеза болезни Альцгеймера, а с другой — значимо улучшить диагностику заболевания, в том числе на ранних стадиях.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Работа поддержана грантом РНФ № 22-12-00134.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Этическая экспертиза. Статья носит обзорный характер.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

×

About the authors

Sergey V. Vorobev

Almazov National Medical Research Centre; Ioffe Physico-Technical Institute; Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Author for correspondence.
Email: sergiognezdo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4830-907X
SPIN-code: 3426-6511
Scopus Author ID: 37066664500
ResearcherId: I-4445-2016

M.D., D.Sc. (Medicine), Chief researcher of the Neurology and Neurorehabilitation Research Laboratory; Professor of the Clinical Laboratory Diagnostics Department

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Saint Petersburg

Ivan K. Ternovykh

Almazov National Medical Research Centre; Ioffe Physico-Technical Institute

Email: rik.2006@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0074-4021
SPIN-code: 8208-9241

M.D., Assistant of the Neurology and Psychiatry Department with the clinic of IMO

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Aleksandr A. Lebedev

Ioffe Physico-Technical Institute

Email: shura.lebe@mail.ioffe.ru
ORCID iD: 0000-0003-0829-5053
SPIN-code: 9912-3526

D.Sc. (Physical and Mathematical), Professor, the Head of the Solid-state Electronics Department

Russian Federation, Saint Petersburg

Aleksandr N. Smirnov

Ioffe Physico-Technical Institute

Email: alex.smirnov@mail.ioffe.ru
ORCID iD: 0000-0001-9709-5138

Ph.D. (Physical and Mathematical), Senior Researcher

Russian Federation, Saint Petersburg

Aleksandr S. Usikov

Ioffe Physico-Technical Institute; Nitride Crystals Aluminum-N

Email: alexander.usikov@nitride-crystals.com
ORCID iD: 0000-0002-5320-3632
SPIN-code: 2035-7935

Ph.D. (Physical and Mathematical), Leading researcher

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Sergey P. Lebedev

Ioffe Physico-Technical Institute

Email: lebedev.sergey@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5078-1322
SPIN-code: 2308-7971

Ph.D. (Physical and Mathematical), Researcher

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Reitz C, Brayne C, Mayeux R. Epidemiology of Alzheimer disease. Nat Rev Neurol. 2011;7(3):137–152. doi: 10.1038/nrneurol.2011.2
  2. Tahami Monfared AA, Byrnes MJ, White LA, Zhang Q. Alzheimer’s Disease: Epidemiology and Clinical Progression. Neurol Ther. 2022;11(2):553–569. doi: 10.1007/s40120-022-00338-8
  3. Elonheimo HM, Andersen HR, Katsonouri A, Tolonen H. Environmental Substances Associated with Alzheimer’s Disease-A Scoping Review. Int J Environ Res Public Health. 2021;18(22):11839. doi: 10.3390/ijerph182211839
  4. McKhann GM, Knopman DS, Chertkow 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. Alzheim dement. 2011;7(3):263–269. doi: 10.1016/j.jalz.2011.03.005
  5. Jack CR, Albert MS, Knopman DS, et al. Introduction to the recommendations from the National Institute on Aging–Alzheimer’s Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer’s disease. Alzheim dement. 2011;7(3):257–262. doi: 10.1016/j.jalz.2011.03.004
  6. Sperling RA, Aisen PS, Beckett LA, et al. Toward defining the preclinical stages of Alzheimer’s disease: recommendations from the National Institute on Aging–Alzheimer’s Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer’s disease. Alzheim dement. 2011;7(3):280–292. doi: 10.1016/j.jalz.2011.03.003
  7. Albert MS, DeKosky ST, Dickson D, et al. The diagnosis of mild cognitive impairment due to Alzheimer’s disease: recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer’s Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer’s disease. Alzheim Dement. 2011;7(3):270–279. doi: 10.1016/j.jalz.2011.03.008
  8. Emelin AYu, Lobzin VYu, Vorob’ev SV. Cognitive disorders: a guide for doctors. Moscow: T8 Izdatel’skiуe Tekhnologii Publishing House; 2019. 416 p. (In Russ.)
  9. d’Abramo C, D’Adamio L, Giliberto L. Significance of Blood and Cerebrospinal Fluid Biomarkers for Alzheimer’s Disease: Sensitivity, Specificity and Potential for Clinical Use. J Pers Med. 2020;10(3):116. doi: 10.3390/jpm10030116
  10. Harada R, Okamura N, Furumoto S, et al. Characteristics of Tau and Its Ligands in PET Imaging. Biomolecules. 2016;6(1):7. doi: 10.3390/biom6010007
  11. Camus V, Payoux P, Barré L, et al. Using PET with 18F-AV-45 (florbetapir) to quantify brain amyloid load in a clinical environment. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2012;39(4):621–631. doi: 10.1007/s00259-011-2021-8
  12. Mielke MM, Hagen CE, Wennberg AMV, et al. Association of plasma total tau level with cognitive decline and risk of mild cognitive impairment or dementia in the mayo clinic study on aging. JAMA Neurol. 2017;74:1073–1080. doi: 10.1001/jamaneurol.2017.1359
  13. Hanon O, Vidal JS, Lehmann S, et al. Plasma amyloid levels within the Alzheimer’s process and correlations with central biomarkers. Alzheimers Dement. 2018;14:858–868. doi: 10.1016/j.jalz.2018.01.004
  14. Jia L, Qiu Q, Zhang H, et al. Concordance between the assessment of Aβ42, T-tau, and P-T181-tau in peripheral blood neuronal-derived exosomes and cerebrospinal fluid. Alzheimers Dement. 2019;15:1071–1080. doi: 10.1016/j.jalz.2019.05.002
  15. Lebedev AA, Davydov VYu, Novikov SN, et al. Graphene-based biosensors. Technical Physics Letters. 2016;42(14):28–35. (In Russ.) DOI: journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43411
  16. Chauhan N, Maekawa T, Kumar DNS. Graphene based biosensors-Accelerating medical diagnostics to new-dimensions. J Mater Res. 2017;32(15):2860–2882. doi: 10.1557/jmr.2017.91
  17. Li M, Yang X, Ren J, et al. Using graphene oxide high near-infrared absorbance for photothermal treatment of Alzheimer’s disease. Adv Mater. 2012;24(13):1722–1728. doi: 10.1002/adma.201104864
  18. Demeritte T, Nellore BP, Kanchanapally R, et al. Hybrid Graphene Oxide Based Plasmonic-Magnetic Multifunctional Nanoplatform for Selective Separation and Label-Free Identification of Alzheimer’s Disease Biomarkers. ACS Appl Mater Interfaces. 2015;7(24): 13693–13700. doi: 10.1021/acsami.5b03619
  19. Chae MS, Kim J, Jeong D, et al. Enhancing surface functionality of reduced graphene oxide biosensors by oxygen plasma treatment for Alzheimer’s disease diagnosis. Biosens Bioelectron. 2017;92: 610–617. doi: 10.1016/j.bios.2016.10.049
  20. Leszek J, Md Ashraf G, Tse WH, et al. Nanotechnology for Alzheimer Disease. Curr Alzheimer Res. 2017;14(11):1182–1189. doi: 10.2174/1567205014666170203125008
  21. Speranza G. Carbon Nanomaterials: Synthesis, Functionalization and Sensing Applications. Nanomaterials (Basel). 2021;11(4):967. doi: 10.3390/nano11040967
  22. Sainz-Urruela C, Vera-López S, San Andrés MP, Díez-Pascual AM. Graphene-Based Sensors for the Detection of Bioactive Compounds: A Review. Int J Mol Sci. 2021;22(7):3316. doi: 10.3390/ijms22073316
  23. Rembach A, Faux NG, Watt AD, et al. Changes in plasma amyloid beta in a longitudinal study of aging and Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement. 2014;10:53–61. doi: 10.1016/j.jalz.2012.12.006
  24. Davies DR, Sheriff S, Padlan EA. Antibody-Antigen Complexes. J Biological Chemistry. 1988.263(22):10541–10544. doi: 10.1146/annurev.biochem.59.1.439
  25. Usikov AS, Lebedev SP, Roenkov AD, et al. Investigation of the sensitivity of graphene for use as biosensors. Technical Physics Letters. 2020; 46(10): 3–6. (In Russ.) doi: 10.21883/PJTF.2020.10.49421.18250
  26. Sun L, Zhong Y, Gui J, et al. A hydrogel biosensor for high selective and sensitive detection of amyloid-beta oligomers. Int J Nanomedicine. 2018;13:843–856. doi: 10.2147/IJN.S152163
  27. Toyos-Rodríguez C, García-Alonso FJ, de la Escosura-Muñiz A. Electrochemical Biosensors Based on Nanomaterials for Early Detection of Alzheimer’s Disease. Sensors (Basel). 2020;20(17):4748. doi: 10.3390/s20174748

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 77760 от 10.02.2020.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies