Das Parkinson-Syndrom ist eine der bekanntesten und häufigsten Erkrankungen des Nervensystems.Kann diese Erkrankung bereits frühzeitig erkannt werden? Diese und andere Fragen stellen sich derzeit das Forschungszentrum „Mikrotechnik“ der FH Vorarlberg sowie ihr Forschungspartner die Eliteuniversität Yonsei in Südkorea. Im Rahmen des zweijährigen Forschungsprojektes soll ein Biosensor zur Früherkennung und Überwachung der Krankheit „Morbus Parkinson“ entwickelt werden. Das Projekt wird vom Österreichischen Austauschdienst (OeAD) gefördert.

Das Parkinson-Syndrom ist ein Symptomenkomplex, der durch einen Dopaminmangel verursacht wird. Ein Früherkennungsmerkmal ist dabei die Veränderung der Haut. Der Botenstoff Dopamin kommt auch in der Haut vor und bestimmt das Erscheinungsbild mit. Inwieweit es einen Zusammenhang zwischen dem Dopaminspiegel in der Haut und im Gehirn gibt, ist noch nicht ausreichend erforscht. Ein einfaches Messsystem zur Bestimmung der Dopaminkonzentration könnte einen wertvollen Beitrag leisten. Genau hier setzt das neue Forschungsprojekt an der FH Vorarlberg an.

Biosensor zur Früherkennung
Bei Dopamin handelt es sich um einen wichtigen Botenstoff im menschlichen Körper. „Unser Projektziel ist die Entwicklung eines Sensors zur Messung von Dopamin sowie von Levodopa, einem Vorprodukt zur Erzeugung von Dopamin, im menschlichen Gehirn und in der Haut. Ein zu geringer Gehalt des Neurotransmitters Dopamin im Gehirn führt zu einem Kontrollverlust über die Muskulatur und den typischen Parkinson-Symptomen. Es ist daher ein wichtiger Indikator für die Diagnose und Therapie der Krankheit“, erklärt Dr. Stefan Partel, Projektleiter der FH Vorarlberg.

Levodopa ist ein Wirkstoff, der derzeit für die Therapie von Parkinson eingesetzt wird und für die Produktion von Dopamin eine wichtige Rolle spielt. Beide Substanzen sind elektrochemisch aktiv und können damit auch für die elektrochemische Detektion herangezogen werden. „Es stellt sich die Frage, ob es einen Zusammenhang zwischen dem Dopamingehalt in der Haut und im Gehirn gibt. Finden wir einen Zusammenhang, haben wir eine einfache Früherkennungsmethode gefunden“, so Partel weiter.

Das Forschungsprojekt befasst sich unter anderem mit der Entwicklung eines Sensors, der über Hydrogel-Mikronadeln auf der Oberfläche die Gewebeflüssigkeit (interstitielle Flüssigkeit) zu den Messelektroden leitet. Das Messprinzip basiert dabei auf dem quasireversiblen Redox-Verhalten von Dopamin bzw. Levodopa. Durch das Anordnen von ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen, die dabei nur durch ein paar hundert Nanometer voneinander getrennt sind, kann eine Signalverstärkung erzielt werden. Dabei wird das Oxidationspotential an einer Elektrode und das Reduktionspotential auf der zweiten Elektrode angelegt. Dies bewirkt einen erhöhten Stromfluss. Voraussetzung für diesen Vorgang ist, dass die Substanz oxidiert und auch wieder reduziert werden kann. Dopamin und auch Levodopa zeigen dieses Verhalten. Ziel dieses Verfahrens ist es, die Therapie durch die Messung von Levodopa zu überwachen sowie eine einfache Messmethode für die Früherkennung von „Morbus Parkinson“ zu finden.

Initiatoren und Projektleiter sind Dr. Stefan Partel vom Forschungszentrum Mikrotechnik an der FH Vorarlberg und Univ.-Prof. WonHyoung Ryu vom „Biomedical and Energy System Laboratory“ der Yonsei University.

Nachhaltige Kooperation
Für das Forschungszentrum Mikrotechnik ist dieses über zwei Jahre dauernde Projekt eine exzellente Möglichkeit zum Aufbau einer nachhaltigen, internationalen Partnerschaft mit einer der renommiertesten Universitäten Südkoreas. Den Grundstein für diese Kooperation legte Dr. Stefan Partel bereits 2003 an der Stanford University. Dort knüpfte er während seines Forschungsaufenthaltes am „Nanoscale Prototyping Laboratory“ Kontakt zum damaligen Doktoranden WonHyoung Ryu. 2017 folgte er der Einladung von Professor WonHyoung Ryu an der Universität Yonsei eine Vorlesung zu halten und neue Forschungsergebnisse des Forschungszentrums Mikrotechnik zu präsentieren. Damals entstand die Idee die Expertise des südkoreanischen Projektpartners in der Herstellung biomedizinischer Komponenten mit den hochempfindlichen Biosensoren des Forschungszentrums Mikrotechnik in einem Forschungsprojekt zu kombinieren.

Abgesehen von den fachlichen Zielen soll die Kooperation jungen Forschenden beider Partnerinstitutionen die Möglichkeit bieten, internationale Kontakte zu knüpfen und Erfahrungen zu sammeln. Zudem sind gemeinsame Publikationen bei internationalen Konferenzen wie „Biosensors 2022“, „Eurosensors 2021“ und „Transducers 2021“ geplant.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Biosensors zur Messung von Dopamin in menschlichem Hautgewebe. a) Seitenansicht des Sensors mit Hydrogel Mikronadeln zur Sammlung der Biomoleküle b) Die Mikronadeln der Sensoroberfläche dringen in die menschliche Haut ein und leiten die Biomoleküle zu den Elektroden.

Kontakt

Dr. Stefan Partel
Litographie und Sensorik

+43 5572 792 7204
stefan.partel@fhv.at

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