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19.06.2013

Den Fingerabdruck des Atems objektivieren

Der Atem von Menschen weist einen charakteristischen Fingerabdruck auf – das konnten Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) zeigen. Diese Erkenntnis wollen die Wissenschaftler nun nutzen, um in Zukunft mit hochpräzisen Analysemethoden in der ausgeatmeten Luft von Patienten Krankheiten zu diagnostizieren.

Körperflüssigkeiten können Bände über die Gesundheit eines Menschen erzählen. So untersuchen Ärzte Blut und Urin, um anhand der darin gelösten Moleküle Hinweise zu finden auf Infektions- oder Stoffwechselkrankheiten, um Krebs oder Organversagen zu diagnostizieren oder um die Dosierung von Medikamenten zu überprüfen. Forschende von der ETH Zürich und des Universitätsspitals Zürich schlagen nun vor, es nicht bei Blut- und Urin-Untersuchungen zu belassen, sondern auch den Atem mithilfe hochauflösender Echtzeit-Analysemethoden in das diagnostische Arsenal der Schulmedizin aufzunehmen.

Die Wissenschaftler nehmen damit ein Prinzip auf, das unter anderem aus der traditionellen chinesischen Medizin bekannt ist. Dort werden aus dem Geruch des Atems eines Patienten Rückschlüsse auf dessen Gesundheitszustand gezogen. Bekannt ist zudem, dass trainierte Hunde und Ratten an gewissen Krebsarten leidende Menschen anhand des Atems von Gesunden unterscheiden können. In diesen Beispielen beurteilt der Mediziner oder das trainierte Tier das komplette Geruchsbild des Atems, was letztlich aber subjektiv ist. Die Wissenschaftler unter der Leitung von Renato Zenobi, Professor am Laboratorium für Organische Chemie, möchten die Atemanalyse deshalb objektivieren und die einzelnen Geruchskomponenten identifizieren. Dadurch könnten Ärzte künftig in äußerst geringer Konzentration vorliegende Atem-Komponenten in die Diagnose einbeziehen.

Mithilfe der MassenspektrometrieMassenspektrometrie
Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung der Masse von Atomen oder Molekülen und damit eine wichtige Methode der analytischen Chemie bei der Aufklärung der Struktur und Zusammensetzung von Verbindungen und Gemischen. Sie ermöglicht die Erkennung von unbekannten Substanzen (qualitativer Nachweis) und die Bestimmung der genauen Substanzmenge, die einer Verbindung ist enthalten ist (quantitativer Nachweis).
Dazu wird für die zu testende Substanz die Häufigkeit, mit der geladene Moleküle (Ionen) und deren Massenfragmente auftreten, bestimmt. Die zu untersuchende Substanz muss dazu in die Gasphase überführt und ionisiert werden. Die Ionen lassen sich dann durch ein elektrisches Feld beschleunigen und einem Analysator zuführen, der sie nach dem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m/q) sortiert. 
lässt sich den ETH-Forschern zufolge dieses Vorhaben umsetzen, In einer Studie, in der sie den Atem von elf Versuchspersonen untersuchten (siehe PlosOne, Online-Veröffentlichung am 3.4.13), konnten sie zeigen, dass sich der Atem bezüglich der darin enthaltenen flüchtigen Komponenten – in der Regel sind es Stoffwechselprodukte – individuell unterscheidet. Jeder Mensch hat also einen charakteristischen Fingerabdruck des Atems, was die Forscher englisch als Breath-Print bezeichnen.

Mit regelmäßigen Messungen über eine Dauer von elf Tagen konnten die Forscher zudem aufzeigen, dass das individuelle Atemmuster konstant bleibt. „Wir haben zwar geringe zeitliche Schwankungen im Tagesverlauf gesehen, das individuelle Muster bleibt jedoch konstant genug, damit es für die medizinische Anwendung brauchbar ist“, erklärt Pablo Martinez-Lozano Sinues, Oberassistent in der Gruppe von Zenobi. Würden Messungen demgegenüber im zeitlichen Verlauf stark schwanken, wären sie für die Krankheitsdiagnose unbrauchbar.

Für die Messungen haben Zenobi und seine Kollegen handelsübliche Massenspektrometer umgebaut. So konnten die Versuchspersonen über ein Mundstück direkt in das Analysegerät pusten. Die Forscher erhielten auf diese Weise Hinweise auf etwa hundert Atem-Komponenten. Identifizieren konnten die Forscher beispielsweise Aceton, ein Abbauprodukt des Zuckerstoffwechsels. Von den meisten anderen Stoffen, die sie im Atem finden konnten, wissen die Wissenschaftler noch nicht, um welche Verbindungen es sich handelt. Diese sind in weiteren Forschungsarbeiten zu identifizieren.

Als Nächstes werden die ETH-Chemiker versuchen, nicht nur persönliche Fingerabdrücke des Atems einzelner Personen zu ermitteln, sondern mit derselben Technik charakteristische Fingerabdrücke von Krankheiten zu erkennen. Sie arbeiten dazu mit Ärzten der Klinik für PneumologiePneumologie
Die Atemwegs- und Lungenheilkunde (Pneumologie) ist ein Teilgebiet der Inneren Medizin, das sich mit der Vorbeugung, Erkennung und fachärztlichen Behandlung von Krankheiten der Lunge, der Bronchien, des Mediastinums (Mittelfell) und der Pleura (Rippen- und Lungenfell) befasst.
am Universitätsspital Zürich zusammen. „Wenn wir bei Patienten mit einer bestimmten Lungenkrankheit ein übereinstimmendes Muster finden, können wir damit eine Diagnosemöglichkeit entwickeln“, erklärt Sinues. Bei Lungenkrankheiten erwarten die Wissenschaftler am ehesten sogenannte Biomarker im Atem zu detektieren. Daher stehen diese Krankheiten zunächst im Zentrum der Forschungsaktivitäten. Die Methode könnte in Zukunft aber auch auf weitere Krankheiten ausgeweitet werden.

Obschon die Bedeutung der Atemanalyse für die medizinische Diagnostik bekannt ist, wurde sie in der Schulmedizin nur selten angewandt. „Ein Grund dafür ist, dass mit den meisten bisherigen Methoden nur wenige Substanzen untersucht werden konnten und dass diese Methoden langsamer waren“, sagt Sinues. Ein bedeutender Vorteil des Vorgehens der ETH-Forscher gegenüber Blut- und Urin-Untersuchungen ist, dass der Atem-Fingerabdruck Sekunden nach der Beprobung vorliegt. Die Analysen von Urin und Blut dauern in der Regel selbst in spezialisierten Labors deutlich länger. Ein weiterer Vorteil: In ein Atem-Analysegerät zu pusten, ist im Gegensatz zur Entnahme einer Blutprobe nicht-invasiv. Unser Ziel ist, die Atemanalyse auf dieselbe Ebene zu bringen wie die etablierten Blut- und Urin-Untersuchungen“, sagt Malcolm Kohler, Professor am Universitätsspital Zürich, der an der Forschungsarbeit beteiligt war. Regelmäßige Atemproben würden sich beispielsweise auch als Frühwarnsystem für gesunde Personen mit einem bekannten Krankheitsrisiko eignen. Oder man könnte damit den Fortschritt und die Nebenwirkungen einer Therapie überwachen.

Damit sich die Methode in der Klinik durchsetzen kann, müssen die Instrumente verbessert werden. Die für die Analyse verwendeten, präzisen Massenspektrometer füllen derzeit noch ganze Labors. Wenn kleine, tragbare Geräte, die es schon gibt, in Zukunft leistungsfähiger würden, könnten diese beispielsweise in Arztpraxen eingesetzt werden, meint Zenobi.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)