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Puste-Test: Rasterfahndung nach Krankheiten

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Der Atem ist ein Spiegel der Gesundheit: Tausende Marker verraten, was man gegessen hat, ob man geraucht hat oder welche Krankheiten in einem schlummern. Optische Spürnasen könnten in Zukunft helfen, bedrohliche Erkrankungen sehr früh zu erkennen. Sogar Krebs.

Die menschliche Lunge ist ein gewaltiges Organ - seine Gesamtoberfläche: 100 Quadratmeter. Das ermöglicht einen regen Austausch zwischen Atemluft und Blut. In den Lungen wird nicht nur das Blut mit Sauerstoff angereichert. In den Lungenbläschen wird auch die Luft mit allen möglichen Substanzen aus dem Blut beladen. Die Ausatemluft wird damit zu einem charakteristischen Fingerabdruck des menschlichen Stoffwechsels. Über 3000 verschiedene Moleküle schwirren darin herum.

Optische Schnüffler

Schon vor 2500 Jahren verwendete Hippokrates seine Nase zu Diagnosezwecken: Ammoniakgeruch war ein Zeichen für Leber- oder Nierenversagen und wer aus dem Mund nach frischem Brot roch, hatte möglicherweise Typhus. Heute übernehmen das optische Schnüffelnasen. Sie können erste Hinweise auf Krankheiten wie Asthma, Diabetes, Leber- und Nierenleiden, verschiedene Infektionskrankheiten oder Krebserkrankungen wie Lungen- oder Brustkrebs liefern. Und zwar früher als bisherige Methoden – und sehr viel angenehmer für den Patienten. Denn alles was er tun muss, ist in ein Röhrchen pusten. So wie beim Alkoholtest auf der Straße.

Warum das funktioniert? Für manche Erkrankungen gibt es einen spezifischen Marker in der Ausatemluft: Viel Stickstoffmonoxid entlarvt beispielsweise Asthma, bei Brustkrebspatienten ist der Atem mit Pentan angereichert, bei Lungenkrebspatienten mit Acetaldehyd. „Oftmals sind es allerdings Kombinationen aus mehreren Molekülen, die charakteristisch für eine bestimme Krankheit sind“, erklärt Prof. Boris Mizaikoff vom Institute of Analytical and Bioanalytical Chemistry an der Universität Ulm im Gespräch mit e-happiness. Solche Marker-Kombinationen gebe es für sehr viel mehr Krankheiten als bisher bekannt. Sie müssten allerdings erst Stück für Stück entschlüsselt werden.

Atemgas-Fingerabdruck

Mizaikoff und sein Team feilen derzeit an einer Messmethode für die Atemluft, die besonders empfindlich ist und klein verpackt werden kann. „So ein Messgerät, das man in einer Arztpraxis verwenden könnte, wäre dann gerade mal handtellergroß.“ Bisherige Geräte seien zu sperrig und zu teuer – für den routinemäßigen Einsatz also nicht geeignet.

Bei Mizaikoffs Messsystem wird die Atemluft mit Infrarotlicht bestrahlt. Die Moleküle im Atemgas werden dadurch in Schwingungen versetzt. Und jedes Molekül schwingt anders – je nachdem, wie es aufgebaut ist. „Man nennt das den charakteristischen Infrarot-Fingerabdruck des Moleküls“, so Mizaikoff. Mit dem Verfahren könne man innerhalb weniger Minuten mehrere Spurengase mit hoher Nachweisempfindlichkeit messen.

So sensitiv wie Mammografie

Testen wollen die Ulmer Forscher ihre Messmethodik langfristig auch für Brustkrebspatientinnen. Der größte Vorteil: Die Atemgasanalyse erspart den Frauen die Strahlenbelastung einer Mammografie. Außerdem muss die Brust nicht flach zwischen die Röntgenplatten gepresst werden, was für die Patientinnen sehr unangenehm sein kann. Und: Das tagelange Warten auf das Ergebnis würde mit dem Infrarot-Schnüffeltest ebenfalls der Vergangenheit angehören.

In einem ersten Test diagnostizierte die Analyse 70-80 Prozent der Frauen anhand leicht flüchtiger, kleiner Moleküle korrekt, allerdings noch mit Labormessverfahren. Eine frühere Untersuchung amerikanischer Wissenschaftler erzielte mit einem anderen Messsystem ein ähnlich gutes Ergebnis: 48 von 51 Patientinnen wurden richtig erkannt. Damit kann der Atemtest mit dem Mammografie-Screening locker mithalten, was die Aussagekraft anbelangt.

Trotzdem wollen Mizaikoff und seine Kollegen ihr Verfahren noch verbessern – indem sie es mit anderen Messmethoden kombinieren, etwa einer Fluoreszenzmessung. Die Forscher hoffen, so noch einmal kräftig an der Sensitivitäts-Schraube drehen zu können. „Wenn man irgendwann sehr kleine Unterschiede messen kann, könnte man nicht nur die Erkrankung selbst nachweisen, sondern auch den Erfolg der Behandlung mit dieser schonenden Untersuchung kontrollieren“, hofft Mizaikoff.

Störfaktor Ernährung

Ein Problem gibt es allerdings noch: Das Atemgas wird nicht nur durch Krankheiten beeinflusst. Viele andere Faktoren spielen ebenfalls eine Rolle: zum Beispiel, was man gegessen hat, ob man raucht oder nicht, welche Umgebungsluft man geatmet hat oder ob sich der Kreislauf verändert hat.

„Das System muss lernen, solche Ursachen von den krankheitsrelevanten Informationen zu unterscheiden“, so Mizaikoff. Dazu wollen die Forscher im nächsten Schritt das Messsystem mit den Daten sehr vieler Probanden füttern. „Für unsere klinischen Studien brauchen wir nicht nur kranke und nicht kranke Personen, sondern in beiden Gruppen auch möglichst viele verschiedene Lebensstile, was die Ernährung, das Rauchen und andere Faktoren betrifft.“

Einmal pusten, bitte

Bis der Pustetest beim Arzt zur Routineuntersuchung wird, werde es also noch ein paar Jahre dauern. „Für leichter zu messende Veränderungen könnte es aber schon in ein, zwei Jahren soweit sein“, sagt Mizaikoff. Ein Beispiel sei der Leberfunktionstest, den die Forscher an Mäusen schon erfolgreich getestet haben: Die Tiere bekamen Glukose mit markierten Kohlenstoffatomen ins Futter. Wird die Glukose verstoffwechselt, erkennt das Infrarot-Messgerät die Markierung in der Atemluft. Und liefert ein direktes Maß dafür, wie gut die Leber arbeitet.

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Autor:
Dr. Andrea Bannert
Quellen:
  • Pressemeldung der Universität Ulm: Was der Atem verrät: Mit Infrarotsensoren Krankheiten aufspüren / Preis für Ulmer Chemiker, 11.07.2016.
  • Mizaikoff b. et al.: R-ATR Chemical Sensors Based on Planar Silver Halide Waveguides Coated with an Etyhlene/Propylene Copolymer for Detection of Multiple Organic Contaminants in Water. Angewandte Chemie, Vol. 125, Issue 8, pages 2321 – 2324, 18. Februar
  • Mizaikoff et al.: On-Chip Integrated Mid-Infrared GaAs/AlGaAs Mach-Zehnder Interferometer, Analytical Chemistry 2013, Vol. 85, Nr. 6, pages 3050 – 3052.
  • Pressemeldung der Universität Ulm: Infrarotsensoren als Titelstory – Ulmer Chemiker publizieren in angesehen Fachzeitschriften, 10. April 2013.
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