Krankheitsdiagnostik per Atemluftanalyse Zum Krebstest, bitte ins Röhrchen pusten

Krebs kann in vielen Fällen gut behandelt werden – vorausgesetzt er wird frühzeitig erkannt. Um eine einfachere Diagnose zu ermöglichen, entwickeln Fraunhofer Forscher ein neues Verfahren, mit dem sich Krankheiten anhand der Atemluft identifizieren lassen. Die Technik könnte perspektivisch auch zum Erkennen von Corona-Infizierten genutzt werden, etwa für das Screening von Fluggästen.

Erfurt – Manche Krankheiten kann man riechen. Ein leicht süßlich-fruchtiger Acetongeruch etwa deutet auf Diabetes hin. Bereits im antiken Griechenland berichteten Ärzte, Krankheiten im ausgeatmeten Atem zu erkennen. Die charakteristischen Gerüche entstehen durch spezifische flüchtige organische Verbindungen (VOC). Diese werden durch die erkrankten Gewebe oder die Krankheitserreger selbst freigesetzt, noch bevor Symptome auftreten.

„Bei einer Vielzahl von Erkrankungen verändert sich die Zusammensetzung der flüchtigen organischen Spurengase in der Atemluft, die als Biomarker verwendet werden können“, sagt Dr. Jessy Schönfelder, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Projektzentrum für Mikroelektronische und Optische Systeme für die Biomedizin MEOS. „Oftmals sind es Kombinationen aus mehreren Spurengasen in einer deutlich erhöhten oder deutlich erniedrigten Konzentration, die charakteristisch für eine bestimme Krankheit sind. Man spricht hier auch von einem VOC-Fingerprint oder einem Muster an VOCs.“

Gemeinsam mit Kollegen der Fraunhofer-Institute für Zelltherapie und Immunologie IZI, für Photonische Mikrosysteme IPMS und für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF suchen die Wissenschaftler des MOES nach einer Lösung, um Krebserkrankungen über die Atemluft frühzeitig zu diagnostizieren.

Fingerabdruck des menschlichen Stoffwechsels

Marker-Kombinationen in der ausgeatmeten Luft gibt es für sehr viel mehr Krankheiten als bisher bekannt. Sie müssen Stück für Stück entschlüsselt werden. Darin bestehe auch die Herausforderung für Schönfelder und ihr Team. Sie entwickeln ein spezielles Ionenmobilitätspektrometer (IMS), um solche Muster an VOCs zu erkennen. Keine leichte Aufgabe, bedenkt man, dass jeder Mensch etwa 200 VOCs in der Atemluft hat. Im Mittelpunkt der Forschung stehen Krebsleiden, insbesondere Lungenkrebs.

Thermodesorptionsanalyse

Was der Atem verrät: Krankheiten per Atemluft-Analyse erkennen

Ziel des Forscherteams am Fraunhofer MEOS ist es, mit der neuen Technologie eine große Bandbreite an Biomarkern zu detektieren. Künftig wollen die Forscher das Messsystem auch zum Unterscheiden von Covid-19 und anderen Atemwegsinfektionen nutzen. Zudem soll die Atemanalytik künftig erste Hinweise auf neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer liefern – und zwar früher und angenehmer als bisherige Methoden wie die Blutabnahme – schließlich müsste der Patient dann nur noch in ein Röhrchen pusten. „Das Potenzial der Atemluftsensorik ist groß“, sagt Schönfelder. „Die nicht invasive IMS-Technologie ist sensitiv und selektiv, schnell, kostengünstig und zudem klein und mobil, sodass sie problemlos in Arztpraxen und Krankenhäusern eingesetzt werden kann. Das fertige System wird die Größe eines Schuhkartons haben.“.

Die Technik der Luftanalyse

Herzstück des neuartigen Ionenmobilitätsspektrometers ist ein miniaturisierter Chip für die so genannte High Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS). Das Mikro-Bauelement umfasst einen Ionenfilter und einen Detektor. Eine UV-Lampe komplettiert das Gerät.

Für die Analyse der flüchtigen Verbindungen, werden sie zunächst in einem Trägergasstrom in das Spektrometer gepumpt, wo sie im nächsten Schritt mithilfe des UV-Lichts ionisiert werden. Diese elektrisch geladenen Moleküle werden an den FAIMS-Chip weitergeleitet. Dann kommt eine alternierende Spannung an den Filterelektroden dazu. „Durch das Einstellen der Spannung am Filter kann man auswählen, welche VOCs zum Detektor gelangen“, erklärt Schönfelder. „Auf diese Weise erhalten wir unseren VOC-Fingerprint, anhand dessen wir die Erkrankung erkennen können.“

Atemtest als Corona-Screening?

Derzeit arbeitet das Forscherteam an einer optimierten elektronischen Steuerung und einer verbesserten Probenentnahme und Probenführung. Referenzmessungen an Zellkulturen wurden erfolgreich durchgeführt, weitere Untersuchungen mit humanen Proben aus der Klinik sind geplant. Am Fraunhofer IZI haben Wissenschaftler mit einer ähnlichen Technik wie der nun entwickelten bereits sieben verschiedene Bakterienstämme unterschieden.

Darüber hinaus sollen eigens entwickelte KI-Algorithmen die Auswertung der VOC-Fingerprints erleichtern. „Pro Messung erhalten wir eine halbe Million Messwerte. Diese hohe Datenmenge wollen wir per Machine Learning auswerten“, sagt die Forscherin. Dazu wird ein Algorithmus mit Proben von gesunden Probanden und Krebspatienten trainiert. Das Ergebnis der Atemluftanalyse liegt dann innerhalb weniger Minuten vor. „Wir können uns auch vorstellen, dass unser Ionenmobilitätspektrometer in Zukunft zum Screening von Fluggästen eingesetzt wird, um zu prüfen, ob sie mit dem Coronavirus infiziert sind“, blickt die Chemikerin auf mögliche Anwendungen.

* Dr. M. Scholles, Fraunhofer-Projektzentrum Mikroelektronische und Optische Systeme für die Biomedizin MEOS, 99099 Erfurt

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