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Fingerschweiß zeigt Stoffwechselprofil

Die Analyse von Blut, Plasma oder Urin eines Menschen dient dazu, Stoffwechselprodukte sowie körpereigene Schadstoffbelastungen zu bestimmen. Ein Forschungsteam um Christopher Gerner von der Fakultät für Chemie der Universität Wien hat nun eine Methode entwickelt, die Fingerschweiß für die Messung individueller metabolomischer Profile und Stoffwechselprozesse nutzt.

„Der wichtigste Vorteil gegenüber Blut- oder Urinanalysen besteht in der sehr einfachen risiko- und schmerzlosen Probengewinnung. So können wir metabolische Zeitreihenanalysen durchführen, die so bisher noch nicht möglich waren“, so der Chemiker.
Die Gewinnung der Schweißproben erfolgt durch ein spezielles Filterpapier, das für eine Minute zwischen Daumen und Zeigefinger gehalten wird. Die im Schweiß enthaltenen Moleküle werden dann extrahiert und mittels massenspektrometrischer Analysen innerhalb von wenigen Minuten prozessiert.
In der aktuellen Studie wurde der kinetische Verlauf von Koffein-Metaboliten nach Kaffeekonsum untersucht. Daraus konnte das Team schließlich individuelle Profile in Bezug auf Koffeinaufnahme und -Verstoffwechslung erstellen und sogar auf die Aktivität von Leberenzymen schließen.

In einer begleitenden Studie hatte das Team bereits weitere Beispiele dafür gezeigt, welche Daten aus Fingerschweiß ablesbar sind: „Man kann damit unmittelbar verfolgen, was jemand gegessen hat“, so Studienautorin Julia Brunmair: „Es ist zum Teil auch verblüffend: Nach dem Konsum von Erdbeeren war etwa ein nicht mehr zugelassenes Insektizid nachweisbar.“

Das hochempfindliche Verfahren könnte auch dazu eingesetzt werden, um zu beurteilen, ob Medikamente von PatientInnen so wie vorgeschrieben eingenommen wurden und auch ob die erwarteten Konzentrationswerte im Körper tatsächlich erreicht werden. Eine solche Compliance-Kontrolle könnte speziell auch für klinische Studien relevant sein.

Referenz:
Universität Wien
Finger Sweat Analysis Enables Short Interval Metabolic Biomonitoring in Humans, Nature Comm 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-26245-4

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Covid-19: Genetische Risikofaktoren entdeckt

Eine Coronavirus-Infektion trifft nicht alle Patienten gleich schwer. Übergewichtige, Patienten mit bestimmten Vorerkrankungen und ältere Personen haben ein erhöhtes Risiko für einen schweren Krankheitsverlauf. Eine Rolle scheint auch die genetische Veranlagung zu spielen. Das ist das Ergebnis einer internationalen Studie unter der Leitung der Charité Berlin.

Die Studie umfasste 435 Patienten über 18 Jahren aus Deutschland, Spanien, der Schweiz und den USA, von denen manche kaum, andere schwer erkrankt waren. Die Wissenschaftler konzentrierten sich bei ihrer Suche auf das Humane Leukozytenantigen-System (HLA-System). Dabei handelt es sich um eine Gruppe menschlicher Gene, die für die Funktion des Immunsystems zentral sind und eine wichtige Rolle bei der Immunabwehr spielen. Deren Moleküle befinden sich auf der Oberfläche von weißen Blutkörperchen.

Die Wissenschaftler fanden nun Hinweise darauf, dass ein bestimmter HLA-Subtyp namens HLA-C*04:01 mit einem schweren klinischen Verlauf von Covid-19 einhergeht. Träger dieser Genvariante haben offenbar ein doppelt so hohes Risiko, im Krankheitsfall künstlich beatmet werden zu müssen. Dieses Wissen bietet jetzt die Möglichkeit, Patientengruppen mit einem erhöhten Risiko für schwere Krankheitsverläufe zu identifizieren. Die Allelhäufigkeit in Spanien, der Schweiz und Deutschland wird mit etwa 16 Prozent angegeben.

Referenz:
Charité Berlin
Increased risk of severe clinical course of COVID-19 in carriers of HLA-C*04:01; EClinicalMedicine 2021; https://www.thelancet.com/journals/eclinm/article/PIIS2589-5370(21)00379-5/fulltext

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Studie findet Biomarker für Depression

Depressionen gehören zu den häufigsten und hinsichtlich ihrer Schwere meist unterschätzten Erkrankungen. Trotz umfangreicher Forschung ist bisher nicht wirklich verstanden, was biologisch während einer Depression abläuft. Neue Ansätze zum Verständnis der Krankheitsmechanismen liefert die Metabolomik, bei der die Produkte (Metabolite) von Stoffwechselreaktionen untersucht werden.

„Es ist quasi der „metabolische Fingerabdruck“ des körperlichen Zustands und bietet neue Einblicke in Krankheitsmechanismen oder den weiteren Krankheitsverlauf“, erklärt Helena Zacharias von der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).
Um metabolische Faktoren zu identifizieren, die mit Depressionen verknüpft sind, hat die Wissenschaftlerin in Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen das Blutmetabolom von Personen mit und ohne Depressionen verglichen. Im Ergebnis zeigten sich bei Menschen mit Depression im Vergleich zu Gesunden signifikant niedrigere Spiegel des Metaboliten Laurylcarnitin. Dieses Molekül war bisher nicht als wichtiger Akteur bei Depression bekannt.

Die erniedrigten Konzentrationen dieses Metaboliten im Blut könnten auf eine beeinträchtigte Fettsäureoxidation oder eine Störung der Mitochondrienfunktion (dienen unter anderem der Energiegewinnung der Zellen) hinweisen und stellen möglicherweise ein neues therapeutisches Ziel bei Depression dar. Auch könnte aufbauend auf den Ergebnissen ein diagnostischer Marker für Depressionen entwickelt werden.

Referenz:
CAU, Kiel; TU München; Helmholtz Zentrum München; Uni Greifswald
A metabolome-wide association study in the general population reveals decreased levels of serum laurylcarnitine in people with depression, Mol Psychiatry 2021;  https://www.nature.com/articles/s41380-021-01176-0

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Bluttest erkennt kindliche Tumore

Eine Forschungsgruppe der St. Anna Kinderkrebsforschung in Wien hat einen neuen Bluttest entwickelt, der kindliche Tumore anhand ihrer „epigenetischen Fußabdrücke“  (Aktivitätsmuster der Erbsubstanz) erkennt. Dazu analysierten die WissenschaftlerInnen kleine Fragmente der Tumor-DNA im Blut. Mit diesem Ansatz lassen sich kindliche Tumore wie das Ewing-Sarkom, ein Knochentumor, nachweisen.

Der neue Ansatz kann aber auch als prognostischer Marker eingesetzt werden, der überwacht, welche Patientin bzw. welcher Patient auf eine Therapie anspricht. Darüber hinaus könnte er als Vorhersage-Marker während der neoadjuvanten Therapie, also der Therapie vor einer Operation, dienen und eine Dosisanpassung je nach Ansprechen auf die Behandlung ermöglichen. So erhalten die meisten Kinder bzw. Jugendlichen mit Ewing-Sarkomen derzeit eine sehr hoch dosierte Chemotherapie, obwohl einige Patientinnen und Patienten bereits mit einer weniger starken Therapie geheilt werden könnten. Letztere würde ihr Risiko verringern, später an anderen Krebsarten zu erkranken.

Krebszellen in Tumoren teilen sich unentwegt und einige sterben dabei ab. Diese absterbenden Zellen geben ihre DNA häufig in die Blutbahn ab, wo sie zirkuliert und mit genomischen Methoden wie der Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung analysiert werden kann. Solche so genannten Flüssigbiopsie-Analysen stellen eine minimalinvasive Alternative zu herkömmlichen Tumorbiopsien dar, die oft eine Operation erfordern. Nun können molekulare Veränderungen der Tumorzellen laufend mittels Bluttests ermittelt werden. Diese wurden bei Krebs im Kindesalter bisher dadurch begrenzt, dass viele kindliche Tumore nur wenige genetische Veränderungen aufweisen, die in der DNA im Blut nachweisbar wären.

Referenz:
St. Anna Kinderkrebsforschung Wien, CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin
Multimodal analysis of cell-free DNA whole genome sequencing for pediatric cancers with low mutational burden; Nature Comm 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-23445-w

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Bipolare Störungen: Welchen Einfluss haben Gene?

Um herauszufinden welche genetischen Faktoren zur Entstehung von bipolaren Störungen beitragen, haben 320 Forschende weltweit mehr als 40.000 Betroffene und 370.000 Kontrollen untersucht. Als Risikofaktoren für die „manische Depression“ gelten frühkindliche traumatische Erfahrungen, ein stressiger Lebensstil oder der Konsum bestimmter Drogen. Zu einem überwiegenden Teil ist die bipolare Störung jedoch eine Frage der Gene: Auf 60 bis 85 Prozent schätzen Experten den Beitrag der Erbanlagen und vermutlich sind Hunderte von Genen beteiligt.

Nachdem die Forscher die DNA ihrer Probanden verglichen, konnten sie insgesamt 64 Genorte identifizieren, die mit der Erkrankung in Verbindung stehen, wovon 33 bisher unbekannt waren. Diese Gene enthalten oft Bauanleitungen für sogenannte Ionen-Kanäle, die für die Entstehung elektrischer Pulse im Gehirn wichtig sind, der Aktionspotenziale. In den Fokus der Forschung rücken nun insbesondere Kalziumkanäle. Da es bereits Medikamente gibt, die die Funktion dieser Kanäle beeinflussen, bieten sich diese als eine neuen Therapie-Option an.

Die Daten erlauben es auch, besser zwischen verschiedenen Formen der Erkrankung zu differenzieren. Eine häufig sehr schwer verlaufende Form der bipolaren Störung, Typ I genannt, hängt auf genetischer Ebene stärker mit der Schizophrenie zusammen. Eine etwas „milder“ verlaufende Variante, Typ II, scheint dagegen eher mit der Depression verwandt zu sein.“ Die Forscher stießen auch auf weitere interessante Zusammenhänge: So scheint Rauchen das Risiko für eine bipolare Störung signifikant zu erhöhen und auch der Alkoholkonsum spielt eine Rolle. Die Zusammenhänge zwischen Verhaltensweisen und bipolarer Störung müssen aber noch in weiteren, großen Studien untersucht werden.

Referenz:
Icahn School of Medicine, NY; Universität Bonn, Oslo University…
Genome-wide association study of more than 40,000 bipolar disorder cases provides new insights into the underlying biology, Nature Genetics 2021, https://www.nature.com/articles/s41588-021-00857-4

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Dreidimensionale Darstellung von roten Blutzellen

Es gibt Krankheiten, die sich auf die Anzahl und Form der roten Blutzellen (Erythrozyten) auswirken. Im gesunden Zustand präsentieren sie sich als dellenartig eingedrückte Scheiben, bei gewissen Erkrankungen können sie aber auch gezackt, kugelförmig oder sichelförmig sein. Einem internationalen Team ist es nun gelungen, Blutzellen dreidimensional darzustellen und die Verteilung der Formen in einer Blutprobe zu messen.

Üblicherweise werden Blutzellen im Mikroskop nur von oben betrachtet. Diese einseitige Sicht kann aber täuschen. Denn was rund erscheint, muss in Wirklichkeit gar keine kugelförmige Gestalt haben. Wissenschaftler haben daher rote Blutzellen von Patienten untersucht, die an hämatologischen Krankheiten leiden und diese mit einem Konfokalmikroskop Schicht für Schicht aufgenommen und so ein dreidimensionales Bild erstellt. Mithilfe leistungsfähiger künstlicher Intelligenz können auf diese Weise tausende Zellen einer Blutprobe in wenigen Sekunden dargestellt und die Verteilung der einzelnen Formen im Blut gemessen werden. Weicht dann die Zusammensetzung der Blutprobe von der Normalverteilung in gesunden Blutproben ab, können Mediziner weiter untersuchen, um welche Krankheit es sich genau handelt.

Die Form der roten Blutzellen genau zu kennen, ist auch sehr wichtig für die Kenntnis des Fließverhaltens des Blutes im Körper. Durch Verformungen der roten Blutzellen strömt das Blut mitunter anders als in gesunden Körpern, so dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen die Folge sein können. Mit dieser Methode können nun nicht nur Therapieerfolge gemessen und überwacht werden oder der Schweregrad einer Krankheit genau bestimmt werden, auch  Blutbanken könnten so die Qualität des bei ihnen gelagerten Blutes untersuchen.

Referenz:
Uni Saarland, Utrecht University, Grenoble University, University of Luxemburg
Red blood cell phenotyping from 3D confocal images using artificial neural networks. PLoS Comput Biol 2021; https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008934

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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

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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

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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

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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/

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