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Ultrafast photonics for the detection and recognition of toxic spine-structures of amyloid aggregates linked to neurodegenerative disease

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Bahnbrechende nicht-invasive Frühdiagnostik für neurodegenerative Erkrankungen

Ursache vieler schwerer chronischer Leiden sind „Verklumpungen“ fehlgefalteter Proteine im Gehirn, was bis vor kurzem allerdings nur in fortgeschrittenen Stadien nachweisbar war. Eine zukunftsweisende Technologie zur Frühdiagnose könnte nun enorme Fortschritte bei der Behandlung bringen und den Krankheitsfortschritt bereits vor Auftreten erster Symptome hemmen.

Gesundheit

Meist bestehen Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion, vor allem bei komplexen, auf mehreren Ebenen organisierten Proteinen. Obwohl fehlgefaltete Proteine in der Regel inaktiv sind, können diese instabilen Proteine oder Proteinkomponenten (Peptide) mitunter stabile Ablagerungen bilden, die die Zellfunktion stören. Unterstützt durch ein Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium entwickelte das Projekt UPRECON unter Piotr Hańczyc von der Universität Warschau eine Technologie, mit der sich diese für neurodegenerative Prozesse typischen Aggregationen schon in frühen Stadien erkennen lassen, noch bevor sich klinische Symptome zeigen. Auf dieser Basis können nun wirksamere Therapien entwickelt werden, die das Fortschreiten neurodegenerativer Erkrankungen verlangsamen oder stoppen, was die Lebensqualität für Millionen Menschen verbessern und auch die Lebensdauer verlängern könnte.

Clusterbildung: ein zu hoher Preis

Einige der schwersten Krankheiten, die auf Proteinfehlfaltungen zurückgehen, sind Amyloidablagerungen. Zu Beginn bilden sich Cluster aus mehreren fehlgefalteten Proteinen oder Peptidmonomeren, die sich dann zu Oligomeren formieren. Diese wiederum können sich selbstständig zu zytotoxischen, stabilen fibrillenartigen Polymeren mit vielen so genannten β-Faltblättern bzw. Plaques zusammenlagern. Die Bildung von Amyloidaggregaten ist ursächlich für viele Krankheiten wie die Alzheimer-, Parkinson- und Huntington-Krankheit sowie Typ-2-Diabetes. Da Menschen immer länger und häufig auch ungesünder leben, könnten diese Erkrankungen mit dem Alter zunehmen. So wird eine genauere Diagnostik und Behandlung nicht nur weltweit Millionen Erkrankten zugute kommen, sondern auch Kosten für Betroffene, Angehörige und das Gesundheitswesen senken.

Zwei Photonen funktionieren besser als eins

Trotz enormer wissenschaftlich-technischer Fortschritte ließen sich in der Forschung bislang nur reife Amyloidfibrillen als typische Anzeichen für fortgeschrittene Krankheitsstadien nachweisen. Diese Hürde konnte Piotr Hańczyc nun nehmen, indem er ultraschnelle Laserspektroskopie mit Zwei-Photonen-Anregung im Nahinfrarotbereich kombinierte. Dabei wird eine starke Lichtabsorption in Amyloiden induziert, nicht jedoch in gesunden Proteinen. Wie Piotr Hańczyc erläutert, „beobachtete ich, dass Amyloidaggregate im Frühstadium ein anderes optisches Signal abgeben als reifere Aggregate und sich so von ihnen unterscheiden lassen.“ Da Licht im Nahinfrarotbereich in tiefere Gewebe eindringen kann und die Absorption keine Zellschäden bewirkt, könnte dies zur Standardmethode für die Gehirnbildgebung und Früherkennung von Proteinaggregaten werden.

Frühdiagnose neurodegenerativer Erkrankungen

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelte Piotr Hańczyc eine patentierte Methodik, die in einer Unternehmensausgründung resultierte. „Mit dieser Technologie kann in der Hirnflüssigkeit eines an Alzheimer erkrankten Gehirns bereits in sehr frühem Aggregationsstadium die Zusammenlagerung von Amyloidfibrillen zu Oligomeren erkannt werden“, sagt er. Sein Unternehmen will die Technologie nun an einer größeren Gruppe freiwilliger Probanden validieren, die in 10 bis 15 Jahren mit ersten kognitiven Symptomen rechnen. Fördermittel aus dem MSCA-Programm sind hochbegehrt, da sie Projekte mit hohem Risiko finanzieren, die bei Erfolg aber von enormer gesellschaftlicher Relevanz sind. Piotr Hańczyc entsprach den hohen Erwartungen und entwickelte sichere, nicht-invasive optische Instrumente zur Diagnose von Neurodegeneration. „Da wir die molekularen Mechanismen als Ursache für Neurodegeneration nun besser verstehen, können wir neue Techniken zur Erkennung, Behandlung und Beseitigung von Risikofaktoren entwickeln. So fördern die leistungsstarken neuen Methoden die personalisierte Diagnostik und Therapie“, schließt Hańczyc.

Schlüsselbegriffe

UPRECON, Protein, Amyloid, Aggregate, Neurodegeneration, Fibrillen, Alzheimer, Nahinfrarot, Spektroskopie, Zwei-Photonen

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