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Biochips schmuggeln effizient Wirkstoffe in Zellen ein

Moderne Impfstoffe wie die gegen Sars-CoV-2 nutzen winzige Fettkügelchen, um genetische Informationen in Zellen zu bringen und so eine Immunabwehr gegen das gefährliche Virus aufzubauen. Ein Team von WissenschaftlerInnen hat nun eine ganz neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sich sehr effizient nicht nur Gene, sondern auch Wirkstoffe und andere Substanzen in Zellen transportieren lassen. Das neue Verfahren, das jetzt auch als Patent eingereicht wurde, nennt sich „Progressive Mechanoporation“.

Die ForscherInnen entwickelten einen speziellen Biochip aus einem Kunststoff, auf dem hintereinander immer enger werdende Kanäle, die mehr als zehnmal kleiner sind als ein menschliches Haar, angeordnet sind. Zellen, die durch diese Kanäle gepresst werden, strecken sich dabei immer stärker, bis Löcher in der Plasmamembran entstehen. Durch diese Löcher können dann Moleküle in das Zellinnere gelangen. Haben die Zellen die Kanäle passiert, schließen sich die Löcher von alleine wieder. Die Forschenden haben gezeigt, dass das sogar mit sehr großen Proteinen, wie beispielsweise Antikörper, klappt.

Ein großer Vorteil der Methode: Pro Sekunde können so bis zu 10.000 Zellen durch den Chip geschickt werden. Gleichzeitig ist das Verfahren sehr schonend, nur wenige Zellen werden im Vergleich zu anderen Techniken geschädigt.
Mit Hilfe der neuen Methode könnten Pharmahersteller künftig etwa sehr effizient Wirkstoffe testen, um neue Medikamente zu entwickeln. Krankenhäuser könnten in Zukunft mit der „Progressiven Mechanoporation“ routinemäßig Zellen von Patienten untersuchen und sogar behandeln.

Referenz:
TU Dresden; Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin; ICR, London
Efficient and gentle delivery of molecules into cells with different elasticity via progressive mechanoporation, Lab Chip, 2021, Advance Article;
https://doi.org/10.1039/d0lc01224f

#wirkstoffe #transport #intrazellulär #biochip #membran #medikamentenentwicklung #medizin #medimpressions

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Minimalinvasive Geräte warnen ungenügend vor Unterzuckerung

Eine Unterzuckerung oder Hypoglykämie ist häufig die Nebenwirkung einer Diabetes-Behandlung: Bei der Einnahme blutzuckersenkender Wirkstoffe kommt es leicht zu einer Überdosierung, so dass er Glukosespiegel im Blut zu stark absinkt. Unterzuckerungen können lebensbedrohlich sein und haben langfristig einen nachteiligen Einfluss auf die Gesundheit.

Aktuelle Leitlinien empfehlen daher, dass Diabetes-Patienten ihren Blutzucker mehrmals pro Tag selbst kontrollieren. Das Gebiet der kontinuierlichen Blutzuckerüberwachung entwickelt sich dabei schnell weiter: regelmäßig werden Geräte mit neuen Techniken (minimal oder nicht invasiv) vorgestellt. Diese geben aber nur ein ungefähres Bild des Blutzuckerspiegels wieder und man kann sich nicht darauf verlassen, dass sie eine Unterzuckerung zuverlässig erkennen. Bisher gab es aber keine systematische Analyse, die quantitativ nachweist, wie gut oder schlecht handelsübliche Geräte eine Unterzuckerung anzeigen.

Anhand einer Metastudie, die 15 Studien und insgesamt 733 PatientInnen umfasste, wurde dies nun nachgeholt. Die Übersicht zeigt, dass nichtinvasive und minimalinvasive Blutzuckermessgeräte eine Empfindlichkeit für niedrige Blutzuckerwerte von nur 69 Prozent besitzen. Die Messgenauigkeit unterliegt dabei erheblichen Schwankungen: In den einzelnen Studien liegt die Sensitivität zwischen 33 und 91 Prozent. „Das Ergebnis ist schlechter, als viele erwartet hätten“, konstatiert Erstautorin Dr. Nicole Lindner, Uni Marburg. Plus: Es gibt keinen Beweis dafür, dass Geräte neuerer Generation eine Unterzuckerung mit größerer Genauigkeit erkennen als ältere Hilfsmittel. Die Autoren rechnen daher damit, dass ihre Ergebnisse Auswirkungen auf die Diabetesversorgung haben werden.

Referenz:
Universität Marburg, Oxford University
Non-invasive and Minimally Invasive Glucose Monitoring Devices: A Systematic Review and Meta-Analysis on Diagnostic Accuracy of Hypoglycaemia Detection, Systematic Reviews Journal 2021, https://doi.org/10.1186/s13643-021-01644-2

#diabetes #blutzucker #minimalinvasiv #nichtinvasiv #unterzuckerung #blutzuckermessung #glukosespiegel #medizin #medimpressions

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Wie man Covid-Kurven zerschmettert

Kleine Unterschiede im Verhalten entscheiden über Erfolg oder völligem Versagen der Seuchenbekämpfung. So lautet die Zusammenfassung einer Untersuchung von WissenschaftlerInnen am IST Austria, die eben in der Zeitschrift Nature Communications erschien.

Ein Team von Strömungsphysikern berechnete, dass schon kleine Unterschiede im Maßnahmenpaket gegen Epidemien einen Sprung bei den Infektionszahlen verursachen können. Infektionsausbreitungen verhalten sich im Grunde wie Turbulenzen in Flüssigkeiten wobei bestimmte Handlungen einen deutlichen Effekt auf diese Turbulenzen zeigen. Im Rahmen der Pandemie erwartete man, dass Erkrankungskurven gemäß dem Grad der sozialen Distanzierung abflachen. Dies war jedoch nicht der Fall. Als entscheidende Schlüsselfaktoren erwiesen sich Kontaktverfolgung und Testung. Ist das Contacttracing nicht überlastet und werden die Kontaktpersonen von Infizierten ausreichend getestet, führt dies dazu, dass die Erkrankungszahlen auf rund drei Prozent der Bevölkerung schrumpfen.

Kommt das Infektionsgeschehen aber an einen Punkt, an dem die Kontaktnachverfolgung überfordert ist, steigt die Zahl der Infizierten rasant. „Wenn das passiert“, so die Forscher, „beginnt sich die Krankheit in den unkontrollierten Gebieten schneller auszubreiten und das führt unweigerlich zu einem superexponentiellen Anstieg der Infektionen.“ Schon exponentielles Wachstum ist immens. Es bedeutet eine Verdoppelung der Infektionen alle paar Tage. Überexponentiell bedeutet aber, dass auch die Rate der Verdopplung immer schneller wird. Dies scheint im letzten Herbst („zweite Welle“) passiert zu sein.

„Die meisten europäischen Länder reagieren erst, wenn die Kapazitäten der Intensivmedizin bedroht sind“, so die Forscher: „Eigentlich müssten die Entscheidungsträger aber auf ihre Kontaktverfolgungsteams achten und abriegeln, bevor dieser Schutzschild zusammenbricht.“

Referenz:
IST Austria, TU Dresden
Discontinuous epidemic transition due to limited testing, Nature Comm 2021;  https://www.nature.com/articles/s41467-021-22725-9

#pandemie #covid #contacttracing #test #infektionszahlen #eindaemmung #massnahmen #medizin #medimpressions

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Demenzrisiko steigt mit frühem Diabetes

Neue Ergebnisse einer vor kurzem veröffentlichten Studie mit über 10 000 Studienteilnehmern legen nahe, dass jüngere Personen mit Diabetes später einmal besonders gefährdet sein könnten, eine Demenzerkrankung zu entwickeln.
Im Detail zeigte sich, dass Personen im Alter von 70 Jahren, bei denen kürzlich Typ-2-Diabetes diagnostiziert wurde, kein höheres Demenzrisiko aufwiesen als Personen ohne Diabetes. Gänzlich anders war das Bild für Personen, bei denen Diabetes mehr als 10 Jahre zuvor diagnostiziert worden waren: Sie wiesen das doppelte Demenzrisiko im Vergleich zu gleichaltrigen Personen ohne Diabetes auf. Insgesamt stieg das Demenzrisiko im Alter von 70 Jahren um 24 % für jeweils fünf Jahre, in denen Personen mit Diabetes gelebt hatten.

Offensichtlich bedingt die längere Krankheitsdauer eine Zunahme der Schäden, die durch Diabetes ausgelöst werden. Die Forscher nehmen an, dass ein chronisch erhöhter Blutzuckerspiegel im Laufe der Zeit sowohl große als auch kleine Blutgefäße im Körper schädigen kann. Diese Auswirkungen, die auch den Blutfluss zum Gehirn beeinträchtigen, sind vermutlich ein Grund, warum Diabetes mit Demenz verknüpft ist. Die Behandlung von Diabetes wiederum kann Episoden von niedrigen Blutzuckerspiegeln verursachen, was sich über längere Zeiträume ebenfalls nachteilig auf das Gehirn auswirken könnte.

Die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit da die Häufigkeit von Diabetes weiterhin zunimmt und das Alter bei Krankheitsbeginn sinkt. Andere Studien zum Thema zeigen jedoch auch, dass Personen mit gut kontrolliertem Diabetes einen langsameren geistigen Verfall zeigen als diejenigen mit schlechter Krankheitskontrolle.

Referenz:
Université de Paris; University College London; Semmelweis University, Budapest
Association Between Age at Diabetes Onset and Subsequent Risk of Dementia, JAMA 2021; https://media.jamanetwork.com/news-item/investigating-association-between-age-at-diabetes-onset-subsequent-risk-of-dementia/

#demenz #diabetes #risikofaktoren #blutgefaesse #gehirn #alter #krankheitsdauer #medizin #medimpressions

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Ultraleichtes Sensorpflaster ersetzt Kabel und Geräte

Für viele Menschen ist es ein notwendiges Übel – das dreimal tägliche Messen von Blutdruck und Puls. Stress verursachen auch die eingesetzten Messgeräte, die hinsichtlich Größe und Gewicht, als auch Messvorgang meist als unhandlich empfunden werden, was folglich sogar die Blutdruckwerte verfälschen kann.

Diese Situation inspirierte Forscher des Joanneum Research, gemeinsam mit Kollegen der Osaka Universität, ein elektronisches Sensorpflaster für Gesundheitsparameter zu entwickeln, das so dünn ist, dass man es kaum spürt. Insgesamt ist das Pflaster nicht mehr als 0,0025 mm dick und enthält ein ferroelektrisches Polymer zwischen zwei Elektrodenflächen, das auf einer hauchdünnen Trägerfolie aufgebracht wurde. Es schmiegt sich komplett an die Haut an und ist damit der weltweit erste, ultraflexible piezoelektrische Sensor. Neben der Pulsrate kann das Sensorpflaster Aussagen über die Elastizität der menschlichen Blutgefäße machen und über die Pulswellengeschwindigkeit den Blutdruck messen. Die Messdaten können dank eines Elektronikmoduls auch an ein Smartphone drahtlos übertragen werden.

Besonders faszinierend ist, dass das Sensorpflaster kabellos und komplett energieautark eingesetzt werden kann, da die Gewinnung der elektrischen Energie – mittels entsprechender Schaltung – über biomechanische Bewegungen, etwa während des Stufensteigens, gewonnen werden kann. Dies würde für eine dreimal tägliche Blutdruckmessung ausreichen, so die Forscher, vorausgesetzt, es findet sich ein leichtes  verbrauchsarmes Elektronikmodul für kabellose Datenübertragung, die derzeit noch rar gesät sind.

Elektronische Sensorpflaster könnten künftig als Teil des Screenings bei weiteren Herz-Kreislauferkrankungen, Stressfaktoren und Schlafapnoe eingesetzt werden.

Referenz:
Joanneum Research Weiz/Graz; Osaka University
Imperceptible energy harvesting device and biomedical sensor based on ultraflexible ferroelectric transducers and organic diodes, Nature Comm 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22663-6

#messpflaster #sensoren #blutdruckmessung #puls #datenaufzeichnung #smartphone #medizin #medimpressions

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Krankheiten statistisch vorhersagen

Eine Reihe genetischer Faktoren kann das Auftreten von Krankheiten wie Bluthochdruck, Herzerkrankungen und Typ-2-Diabetes beeinflussen. Wüsste man, welche Auswirkungen die individuelle Genausstattung auf ein eventuelles Krankheitsgeschehen hat, könnte man Patienten warnen, damit sie rechtzeitig Maßnahmen ergreifen können. Diese würden nicht nur ihre Lebensqualität verbessern, sondern auch Kosten einsparen.

Ein Forscherteam um Matthew Robinson vom Institute of Science and Technology Austria, erstellte nun ein mathematisches Modell, um mit großen Mengen von DNA-Daten das altersabhängige Krankheitsrisiko für Personen zu berechnen. Dieses kann zwar keine direkten Beziehungen zwischen bestimmten Genen und dem Ausbruch einer Krankheit etablieren, liefert aber eine gute Vorhersage der Wahrscheinlichkeit für den Ausbruch der Krankheit. Es lässt sich also nicht mit Sicherheit vorhersagen, dass der Betreffende erkranken wird, aber sein Risiko dafür abschätzen.

Anhand des Modells ließ sich das Alter von Patienten (die ihre Gesundheitsdaten dafür freigaben), bei dem Bluthochdruck oder Diabetes-Typ-II auftritt, relativ exakt berechnen Bei Herzerkrankungen war der Zusammenhang zwischen den Genen und Auftreten der Erkrankung geringer, da hier umwelt- und ernährungsbedingte Risikofaktoren stärker durchschlagen. Trotzdem lassen sich auch hier Menschen mit hohem und niedrigem Risiko unterscheiden.
Rund 3000 Studienteilnehmer haben auf Anfrage ihr persönliches genetisches Profil inzwischen sogar erhalten, wobei ihnen die Ergebnisse der Analyse von Experten erklärt wurde. Wie mit diesen sensiblen in Zukunft umgegangen werden soll, muss jedoch noch in mehrfacher Hinsicht (Ethik, Recht, Datenschutz) geklärt werden.

Referenz:
IST Austria, Universität Lausanne, University of Tartu
Pressemeldung APA; Original: Genomic architecture and prediction of censored time-to-event phenotypes with a Bayesian genome-wide analysis, Nature Comm 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22538-w

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Warum manche immer hungrig sind

Eine in „Nature Metabolism“ veröffentlichte Studie untersuchte kürzlich, warum es manchen Menschen schwerer fällt als anderen, Gewicht zu verlieren und diese sich auch scheinbar „immer“ hungrig fühlen.
Nach Auswertung von detaillierten Daten, die mittels aufklebbaren Glukosemessgerät sowie tragbaren Geräten zur Überwachung von Aktivität und Schlaf erhoben wurden, zeigten sich deutliche Unterschiede im Blutzuckerspiegel. Während ein Anstieg der Blutzuckerwerte nach dem Essen bei allen Teilnehmern beobachtet werden konnte und dieser auch eine natürliche Reaktion auf eine Kalorienzufuhr darstellt, kam es bei einigen Personen nach dem Peak zu erheblichen Einbrüchen der Blutzuckerwerte, die auch unter den Ausgangswert fielen, bevor sie wieder leicht anstiegen. Diese Personen waren generell schneller wieder hungrig und nahmen insgesamt auch mehr Kalorien pro Tag zu sich (312 kcal täglich).  Ein Muster, das im Laufe eines Jahres zu einer Gewichtszunahme von 10kg pro Jahr führen kann, meinen die Forscher.

Ein Vergleich dessen, was passiert, wenn die Teilnehmer dieselben Testmahlzeiten zu sich nehmen, ergab auch individuelle Unterschiede in den Blutzuckerreaktionen zwischen den Teilnehmern mit deutlichem Blutzuckerabfall. Was darauf hindeutet, dass es vermutlich noch weitere individuelle Unterschiede im Stoffwechsel jeder Person geben muss, die tageszeit- oder aktivitätsabhängig sein könnten.

Jetzt hofft man, mittels Daueraufzeichnungen diese Muster näher identifizieren zu können, um Menschen auf Basis ihrer individuellen Daten beraten zu können. Idealweise lassen sich damit Lebensmittel finden, die den jeweiligen Stoffwechsel am besten beeinflussen und am längsten satt machen.

Referenz:
King´s College London, Harvard Medical School, Nottingham University, Lund University
Postprandial glycaemic dips predict appetite and energy intake in healthy individuals; Nature Metabolism 2021; https://www.nature.com/articles/s42255-021-00383-x?fbclid=IwAR0epQsScJs_jQOdrxCFLdPPBcrVF1YDKd9kf542T4UuMz7C-hcg65O0DnY

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Deep Learning identifiziert 165 neue Krebsgene

Wenn Krebszellen außer Kontrolle geraten, sind in aller Regel DNA-Veränderungen in Krebsgenen daran schuld. Doch einige Krebsarten entstehen bereits bei nur sehr wenigen mutierten Genen. In diesen Fällen führen andere, wenig verstandene Ursachen zur Erkrankung.

Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin und das Institut für Computational Biology des Helmholtz Zentrums München hat nun einen neuen Algorithmus entwickelt, der mit Hilfe von maschinellem Lernen 165 zuvor unbekannte Krebsgene identifizierte. Von diesen Genen sind längst nicht alle mutiert – die neu entdeckten Gene stehen jedoch alle in engem Austausch mit bereits bekannten Krebsgenen. Überdies sind sie überlebenswichtig für Tumorzellen, wie sich im Zellkulturexperiment herausstellte.

Das auf den Namen „EMOGI“ getaufte Programm kann auch erklären, welche zellulären Zusammenhänge jedes der identifizierten Gene zu einem Krebsgen machen. Dazu kombiniert das Programm zehntausende Datensätze aus Patientenproben. Diese enthalten neben Sequenzdaten mit Mutationen auch Informationen über DNA-Methylierungen, die Aktivität einzelner Gene und Interaktionen von Proteinen, die an zellulären Signalwegen beteiligt sind. Ein Deep-Learning-Algorithmus erkennt in diesen Daten die Muster und molekularen Gesetzmäßigkeiten, die zu Krebs führen. So wurden z. B. Gene identifiziert, deren Sequenz bei Krebs meist unverändert bleibt, die jedoch trotzdem für den Tumor unverzichtbar sind, weil sie beispielsweise die Energiezufuhr regulieren.
In der Klinik helfen diese Daten für Erkrankte die jeweils beste Therapie zu finden – also die wirksamste Behandlung mit den wenigsten Nebenwirkungen. Zudem lässt sich anhand der molekularen Eigenschaften eine Krebserkrankung schon frühzeitig erkennen.

Referenz:
MPIMG Berlin, Helmholtz Zentrum München
Integration of Multi-Omics Data with Graph Convolutional Networks to Identify New Cancer Genes and their Associated Molecular Mechanisms, Nature Mach Intell 2021;

https://www.nature.com/articles/s42256-021-00325-y

#krebs #krebsgene #deeplearning #tumor #methylierung #mutation #multiomics #medizin #medimpressions

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Migräne häufig übersehen

Von November 2020 bis Januar 2021 hat die Initiative „Attacke! Gemeinsam gegen Kopfschmerzen“ der DMKG e.V. mit zwei Online-Umfragen Hausärzte (n=150, 65% Allgemeinmedizin, 35% Innere Medizin) und Kopfschmerzspezialisten (n=81) zu Diagnose und Behandlung von Kopfschmerzpatienten befragt.

Mit dem Kernbefund, dass 69% der Hausärzte bei ihren Patienten häufig zervikogenen Kopfschmerz (an zweiter Position nach Spannungskopfschmerz) diagnostizieren. Patienten werden daher am zweithäufigsten an Orthopäden überwiesen. Dieses Ergebnis passt jedoch nicht zur epidemiologischen Datenlage, meinen Kopfschmerzspezialisten: „Migräne tritt deutlich häufiger auf als ein zervikogener Kopfschmerz. Das Ergebnis lässt befürchten, dass in vielen Fällen eine Migräne mit einem zervikogenen Kopfschmerz verwechselt wird.“ Die Prävalenz zervikogener Kopfschmerzen wird auf etwa 0,4‒2,5 Prozent geschätzt und liegt damit deutlich unter der Prävalenz der Migräne, die im Mittel bei ca. 10 Prozent liegt.

Warum zuerst an zervikogenen Kopfschmerz gedacht wird, liegt vermutlich daran, dass Patienten über Nackenschmerzen klagen. Jedoch ist das häufige Vorkommen von Nackenschmerz bei mehr als zwei Drittel der Migränepatienten wissenschaftlich belegt. Diese sind Folge, nicht Ursache der Migräne.

Referenz:
DMKG
Pressemeldung der Deutschen Migräne- und Kopfschmerzgesellschaft e. V. 17.3.2021;https://www.dmkg.de/files/dmkg.de/Presse/Pressemitteilung_17.3.2021.pdf

#kopfschmerz #migräne #diagnostik #allgemeinmedizin #zervikogen #neurologie #medizin #medimpressions

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Milch und Rindfleisch als Krebsauslöser?

Vor wenigen Jahren haben Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums eine neuartige Form infektiöser Erreger in Milchprodukten und Rinderseren entdeckt. Dabei handelt es sich um ringförmige DNA-Elemente, die Ähnlichkeiten mit Sequenzen bestimmter bakterieller Plasmide aufweisen. Nach ihrem „Fundort“ wurden sie als „Bovine Meat and Milk Factors“(BMMFs) bezeichnet.

Mittlerweile wurden über hundert verschiedene dieser DNA-Ringe aus Milchprodukten isoliert, die sich in menschlichen Zellen vermehren und dazu ein bestimmtes Protein (Rep) benötigen. Neuere Untersuchungen belegen jetzt, dass sich BMMFs in 15 von 16 Darmkrebs-Gewebeproben nachweisen lassen. Betroffen sind dabei nicht die Krebszellen selbst, sondern die Zellen in der nächsten Umgebung der Tumoren. Dies erhärtet den Verdacht, dass BMMFS ursächlich an der Entstehung von Tumoren beteiligt sein könnten.

Ein Indiz dafür ist die Anwesenheit entzündungsfördernder Makrophagen (Fresszellen) in direkter Umgebung der Tumoren, wobei chronische Entzündungen als Krebstreiber bekannt sind. Tatsächlich wurden bei 7,3 Prozent aller Darmzellen in der Tumorumgebung typische Genveränderungen nachgewiesen (Kontrollgruppe: 1,7 Prozent). Nachgewiesenen wurden auch erhöhte Spiegel an reaktiven Sauerstoffverbindungen, die Erbgutveränderungen in den Stammzellen, die für die ständige Regeneration der Darmschleimhaut verantwortlich sind, auslösen könnten.

BMMFs werden von den Forschern nun als indirekte Krebserreger eingestuft, die über lange Zeit auf die sich teilenden Zellen der Darmschleimhaut einwirken. Dieses Wissen ließe sich auch präventiv nutzen, so könnte bspw. ein frühzeitiger Nachweis von Genveränderungen besonders gefährdete Personen identifizieren, die dann rechtzeitig die Darmkrebsvorsorge in Anspruch nehmen könnten.

Referenz:
DKFZ, HeidelbergAnalysis of chronic inflammatory lesions of the colon for BMMF Rep antigen expression and CD68 macrophage interactions, PNAS 2021; https://www.pnas.org/content/118/12/e2025830118/tab-article-info

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