Krankheiten in der Atemluft diagnostizieren

ETH-Forscher entwickeln Geräte, die beim Ausatmen die Gesundheit checken.

Der Atem enthält ein Cocktail von Hunderten verschiedenen Substanzen. Foto: Adie Bush (Prisma)

Der Atem enthält ein Cocktail von Hunderten verschiedenen Substanzen. Foto: Adie Bush (Prisma)

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Bluttests gehören heute zur Standarduntersuchung beim Arzt. Cholesterinwerte, Enzyme, Hormone oder Stoffwechselprodukte geben Auskunft darüber, wie es einem Patienten geht. In Zukunft sollen Atemanalysen einmal ähnlich wertvoll sein, um den Gesundheitszustand zu überprüfen, hoffen Zürcher Forscher, die sich im Forschungsverbund «Zurich Exhalomics» zusammengetan haben. Das Gute daran: Der lästige Piks beim Blutabnehmen entfällt. Es genügt, kräftig in ein Röhrchen zu pusten – wie heute schon bei einem Alkoholtest.

Schliesslich setzen wir bei jedem Ausatmen mehr als 870 flüchtige Substanzen frei. Darunter sind auch Stoffwechselprodukte, die auf Krankheiten hindeuten oder einmal Auskunft darüber geben können, wie eingenommene Medikamente im Körper umgesetzt werden. Sie können also wie die Faktoren im Blut zeigen, welche Prozesse im Körper ablaufen. Während Ärzte das Blut jedoch seit hundert Jahren überprüfen, steht die Entwicklung von Atemtests noch relativ am Anfang.

Auch für Laien tauglich

«Das Potenzial ist enorm», sagt Andreas Güntner vom Institut für Verfahrenstechnik der ETH Zürich und Mitglied im Projekt Zurich Exhalomics. Der Materialforscher ist dabei, zusammen mit seinem Team die Atemanalyse zu revolutionieren. Die Wissenschaftler entwickeln Sensoren, die ganz spezifisch einzelne Substanzen aus der Atemluft fischen und erkennen können. Die Chips liefern sofort die Messergebnisse, sind günstig herzustellen und so klein, dass sie in Kürze in tragbare Messgeräte eingebaut werden. So können auch Laien die Apparate künftig nutzen.

Weit fortgeschritten ist bereits ein von den ETH-Forschern entwickeltes Gerät, mit dem sie die Fettverbrennung messen. Damit können zum Beispiel Sportler feststellen, in welchem Trainingsmodus sie Fette abbauen. Oder Übergewichtige können die Messwerte nutzen, um effizienter abzunehmen. Erste Tests mit dem Gerät in kleinen Studien sind vielversprechend. So strampelten 20 Freiwillige am Unispital Zürich auf einem Fahrradergometer und pusteten alle 30 Minuten in das neue Messgerät.

In dem Sensor, der so klein ist wie eine SIM-Karte in einem Handy, steckt das Knowhow einer achtjährigen Entwicklungszeit. Gemessen wird ein flüchtiges Abbauprodukt von Fettsäuren, das Azeton. Die Vorarbeit hat die Arbeitsgruppe um Sotiris Pratsinis im Labor für Partikeltechnologie der ETH Zürich geleistet. Das Team prüfte zunächst, an welches Substrat sich Azeton bindet. Dazu untersuchten die Materialforscher mehrere Komponenten und fanden, dass sich Nanopartikel aus Wolframtrioxid zusammen mit Siliziumatomen am besten eignen. «Die Anforderungen an das Material sind hoch», sagt Andreas Güntner, der als Postdoc bei Pratsinis eine eigene Arbeitsgruppe leitet. «Die Nanopartikel müssen selektiv Azeton binden, und zwar in kleinsten Mengen. Sie müssen hitzestabil sein und mit der hohen Luftfeuchtigkeit sowie den vielen anderen Komponenten in der Atemluft zurechtkommen.»

Ersatz für Massenspektrometer

Bei der Studie am Unispital massen die Materialwissenschaftler um Güntner zusammen mit Medizinern aus der Forschungsgruppe von Malcolm Kohler vom Unispital Zürich den Atem ihrer Testpersonen. Als Kontrolle zum neuen Messgerät diente ein Massenspektrometer, der bisherige Standard bei Atemmessungen. Allerdings ist diese herkömmliche Apparatur so gross wie eine Waschmaschine und kostet mehrere Hunderttausend Franken. Ein wichtiges Ergebnis für die Materialforscher war, dass die Messungen mit dem neuen Gerät fast genauso exakt waren wie die mit dem Massenspektrometer.

Die Mediziner fanden heraus, dass die Fettverbrennung bei den Probanden sehr individuell einsetzte. Bemerkenswert sei aber gewesen, dass die höchsten Azeton-Werte typischerweise drei Stunden nach der sportlichen Leistung zu messen gewesen seien, schrieb das Team in seiner Veröffentlichung in der Fachzeitschrift «Analytical Chemistry». Sie haben den sogenannten Nachbrenneffekt, wie er nach dem Sport auftritt, bestätigt.

In einer aktuellen Studie testet Güntner zusammen mit dem Sportmediziner Arno Schmidt-Trucksäss von der Universität Basel mit dem Azeton-Messgerät, ob Übergewichtige im Vergleich zu Normalgewichtigen anders Fett verbrennen.

Die Fragestellungen von Forschern aus Medizin und Sportwissenschaft seien vielfältig, sagt Güntner. Neben der Forschung ist der Materialwissenschaftler dabei, das Gerät weiter zu verkleinern, um es auch ausserhalb von Studien Anwendern zur Verfügung zu stellen.

Mini-Sensor für Smartphones

Sebastian Abegg aus seiner Gruppe ist es bereits gelungen, die Sensoren auf eine Grösse zu schrumpfen, dass sie auf die Spitze eines Kugelschreibers passen würden. «Man könnte einen solchen Minisensor zum Beispiel in ein Smartphone einbauen», sagt Abegg, «oder in ein anderes tragbares Gerät.»

In sechs bis neun Monaten werde es so weit sein, versprechen die ETH-Maschinenbauer. Dann werden sie tragbare Prototypen hergestellt haben. Zudem sind sie auf der Suche nach Investoren, um die kleinen Geräte zu produzieren und die Technik Sportlern und Abnehmwilligen zur Verfügung zu stellen.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 28.05.2018, 09:27 Uhr

Sensoren

Mit sensibler Technologie Verschüttete suchen

Da die Substanzen in der Atemluft oft in sehr kleinen Konzentrationen vorliegen, müssen die Sensoren sehr spezifisch sein. Sotiris Pratsinis und sein Team entwickelten vor einigen Jahren an der ETH in Zürich ein günstiges, nanotechnologisches Verfahren, um hochsensible Sensoren herzustellen.

Dazu erzeugen die Forscher Nanopartikel in einer über 2000 Grad Celsius heissen Flamme und fangen die hochsteigenden Teilchen mit einem gekühlten Sensorträger auf. Dort lagern sich die Nanopartikel als hochporöser Film mit einer riesigen Oberfläche ab. An diese Partikel binden bei der Atemanalyse die flüchtigen Substanzen, wie zum Beispiel Azeton, das die Fettverbrennung anzeigt. Je mehr Azeton-Moleküle binden, umso stärker ist das elektronische Sensorsignal.

Nach dem gleichen Prinzip sind die Tüftler dabei, weitere Sensoren zu entwickeln, um andere Bestandteile im Atem zu detektieren: Ammoniak zum Beispiel, mit dem in der Atemluft überprüft werden kann, wie die Nieren arbeiten. Einen entsprechenden Sensor, der mit einer Molybdäntrioxid-Verbindung beschichtet ist, gibt es bereits. Ebenso einen, um Isopren in der Atemluft nachzuweisen. Dieses zeigt an, wie der Cholesterinstoffwechsel funktioniert.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind zahlreich: Atemtests, um frühzeitig Asthma zu diagnostizieren, um Patienten an ihre Medikamente zu erinnern und um Raucher oder gedopte Sportler zu überführen.
Und nicht nur in der Medizin werden die Sensoren eingesetzt. Andreas Güntner von der ETH Zürich könnte sich auch ein tragbares Gerät vorstellen, das Spuren von Formaldehyd misst. Diese giftige Substanz kann in Häusern aus Baumaterialien freigesetzt werden.

Ein eigentlich ärgerlicher Nebeneffekt führte sogar zu einer weiteren Anwendung. «Da unsere Sensoren inzwischen so geringe Mengen von flüchtigen Substanzen wahrnehmen können, haben wir immer wieder Ausschläge gesehen, wenn jemand das Labor betrat», erzählt Güntner. Dabei kam den Forschern die Idee, ein Gerät zu bauen, das ganz allgemein menschliche Ausdünstungen wahrnehmen und somit verschüttete Überlebende nach einem Erdbeben oder Lawinenabgang finden kann.
Dazu kombinierten die Zürcher verschiedene Sensoren, die neben Azeton, Ammoniak und Isopren in der Atemluft auch Kohlendioxid und Feuchtigkeit messen. Derartige Geräte könnten einmal Spürhunde ersetzen oder in Drohnen eingebaut grosse Gebiete absuchen. (afo)

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