Atemgasanalytik mit Infrarotsensoren

Einatmen, ausatmen – die Diagnose steht

Eine transparente menschliche Silhouette. Im Inneren sind Lunge, Herz und andere Organe erkennbar. Um die Person herum schweben symbolische Moleküle oder Krankheitserreger in Giftgrün.

Um Krankheiten aufzuspüren, sind oft teure und aufwändige Untersuchungen wie Röntgen oder Gewebeentnahmen nötig. Krankheiten stattdessen über die Atemluft diagnostizieren zu können - das wäre ein riesiger Fortschritt.

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Krankheiten hinterlassen Spuren – im Blut oder im Urin, aber auch in unserer Atemluft. Statt aufwändiger Blutabnahmen und langwieriger Laboruntersuchungen könnte in Zukunft eine Atemgasanalyse die Diagnose von bestimmten Krankheiten deutlich vereinfachen und beschleunigen. Das Problem – die Moleküle, die als Biomarker für Krankheiten in Frage kommen, liegen in der Atemluft nur in winzigen Spuren vor. Chemiker der Universität Ulm experimentieren mit Infrarotsensoren, um diese auf einfache und kostengünstige Art und Weise aufzuspüren. von Lisa Kempe

Eine durchzechte Nacht lässt sich schwer leugnen. Verräterisch sind nicht nur dunkle Augenringe, sondern auch eine Fahne, die empfindliche Nasen mühelos wahrnehmen. Ohnehin enthält die Atemluft einen ganzen Cocktail gasförmiger Substanzen. Anders als bei einer Alkoholfahne sind jedoch aufwändige Messmethoden und komplexe Analysegeräte wie Massenspektrometer oder Gas-Chromatographen notwendig, um diese Spurengase nachzuweisen.

Ein dunkelhaariger Mann mit leicht ergrauten Schläfen, Ende 40

Professor Boris Mizaikoff

Quelle: Privat

Professor Boris Mizaikoff von der Universität Ulm und sein Team wollen eine einfachere und deutlich kostengünstigere Methode für die Atemgasanalyse auf Basis der Infrarotspektroskopie entwickeln. „Die Zusammensetzung unserer Atemluft reflektiert den Stoffwechsel des Körpers“, erklärt Professor Boris Mizaikoff. Er glaubt, dass zukünftig Patienten mit Lungen-, Leber-, oder Nierenkrankheiten, aber auch mit Krebserkrankungen von der Atemgasanalyse profitieren können. Zum einen, weil die neuartigen Analysegeräte die Diagnostik vereinfachen und kostengünstig zum Screening von Patienten eingesetzt werden könnten. Zum anderen machen sich die Veränderungen in der Atemluft bei bestimmten Krankheiten schon in einem sehr frühen Stadium bemerkbar, so dass Patienten bei einer frühzeitigen Diagnose auch früher eine Therapie beginnen könnten.

Ein Hauch genügt

Grundlage für das neuartige, nicht-invasive Diagnoseverfahren ist die optische Analyse von Spurengasen in der Atemluft mittels Infrarotspektroskopie. Die Analytik muss auf kleinstem Raum stattfinden, damit am Ende ein ultrakompaktes Gerät dabei herauskommt. Denn es soll mit einem minimalen Probenvolumen auskommen und sich in andere Geräte, wie zum Beispiel ein Beatmungsgerät, integrieren lassen. Mizaikoff und sein Team experimentieren deshalb mit hohlen Lichtwellenleitern (substrate-integrated hollow waveguide – iHWG), in die das Atemgas gepumpt wird. Diese dienen gleichzeitig als miniaturisierte Gaszelle und als optischer Lichtwellenleiter für die Spektroskopie. Als Probenvolumen reichen dem iHWG wenige hundert Mikroliter aus.

Ein bronze glänzendes Gerät mit transparenten Schläuchen und blauen Ventilen

Der Prototyp des Atemgasgeräts

Quelle: Eberhardt/Uni Ulm

Mizaikoff ließ den Prototypen der optischen Schnüffelnase aus Messing fertigen. Der iHWG ist 15 Zentimeter lang und 2,5 Zentimeter breit. Die Querschnittsfläche des Lichtwellenkanals beträgt zwei Quadratmillimeter. Damit die Lichtwellen optimal geleitet werden, polierte Mizaikoff das Messing mit Hilfe einer Diamant-Suspension spiegelblank. Eine anschließende galvanische Beschichtung verhindert, dass die Oberfläche oxidiert. Als Lichtquelle für die Spektroskopie dient ein sogenannter Quantenkaskadenlaser (Quantum cascade lasers – QCL), dessen Licht durch das Probengas im hohlen Lichtwellenleiter geführt wird. Quantenkaskadenlaser emittieren Licht von definierter Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich (MIR), der Wellenlängen von 2,5 bis 25 Mikrometer abdeckt. Werden die Spurengase im Lichtwellenleiter „beleuchtet“, absorbieren sie das Infrarotlaserlicht auf charakteristische Art und Weise. Anhand ihres Absorbtionsspektrums können sie eindeutig identifiziert werden.

Ausgezeichnetes Verfahren

Mizaikoffs Forschungsarbeiten sind Bestandteil eines deutsch-österreichischen Verbundprojektes namens Aposema (Advanced Photonic Sensor Materials). Partner der Ulmer Wissenschaftler sind dabei Forschungseinrichtungen wie die Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH in Österreich sowie klein- und mittelständische Unternehmen wie die Optoprecision, die nanoplus Nanosystems and Technologies GmbH oder die TecSense GmbH, die bereits Erfahrung mit der Anwendung ähnlicher Systeme haben. Das  Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beteiligt sich im Rahmen des Programms M-era.net mit 1,2 Millionen Euro an der Förderung des Projektes, für das im Verlauf von drei Jahren insgesamt 1,9 Millionen Euro zur Verfügung stehen.

In einem nächsten Schritt möchte Mizaikoff den Protoptypen noch weiter verkleinern, in dem die einzelnen Komponenten wie Laser und Detektor direkt in den Lichtwellenleiter integriert werden. Langfristiges Ziel der Projektpartner ist die Entwicklung marktfähiger Produkte.

Drei distinguierte Herren vor einem blau leuchtendem Hintergrnud. Der mittlere hält eine Urkunde in seinen Händen.

Der Berufsverband der britischen Chemiker hat Professor Boris Mizaikoff (Mitte) für seine anwendungsnahe Forschung ausgezeichnet.

Quelle: Lee Allison Photography

Ausgezeichnetes Verfahren

Demnächst erhält das Ulmer Forschungsteam auch Unterstützung aus Großbritannien. Die Royal Society of Chemistry, der Berufsverband der britischen Chemiker, hat die Wissenschaftler für ihre anwendungsnahen Forschungsarbeiten zur Atemgasanalytik per Infrarotspektroskopie ausgezeichnet: Sie erhielten den zweiten Preis beim Wettbewerb „Emerging Technologies Competition“ in der Kategorie Gesundheit und Wohlbefinden. Den Preisträgern winkt nicht nur Ruhm, Ehre und ein Preisgeld von 3.000 britischen Pfund – die Royal Society of Chemistry fördert den Kontakt zur Industrie und unterstützt eine mögliche Ausgründung durch Mentoren aus weltweit agierenden Unternehmen. „Wir hätten uns nie träumen lassen, dass ein neues analytisches Verfahren, das wir erst vor drei Jahren im Fachjournal ,Analytical Chemistry‘ publiziert haben, heute schon einen Preis für anwendungsnahe Technologien erhält“, freut sich Mizaikoff. „Das Interesse in der Industrie ist groß: Schon jetzt erhalten wir zahlreiche Anfragen zu unserer Atemgasanalytik.“

Suche nach Biomarkern

Zahlreiche krankheitsspezifische Biomarker in der Atemluft können theoretisch für einen molekularen Fingerabdruck genutzt werden. Die flüchtigen organischen Substanzen entstehen bei den verschiedenen biochemische Stoffwechselvorgängen. Selbst wenn diese tief im Gewebe und weit von der Lunge entfernt im Körper entstehen, gelangen sie über den Blutkreislauf in das Atemgas. Beispielsweise riecht unsere Nase im Atem eines Diabetikers, wenn dieser an einer sogenannten Ketoazidose leidet. Bei dieser lebensbedrohlichen Stoffwechselentgleisung entsteht Aceton, das als Abbauprodukt von Fett freigesetzt wird.

Weitere bekannte Krankheitsmarker, die sich in der Atemluft finden, sind Stickstoffmonoxid und Wasserstoffperoxid. Beide zeigen ein übermäßiges Entzündungsgeschehen in den Atemwegen an, wie es bei Asthmatikern vorkommt. Diese Biomarker werden bereits mit herkömmlichen Verfahren zur Atemgasanalyse genutzt und dienen der Überprüfung des Therapieerfolgs.

Allerdings muss Mizaikoff noch zahlreiche Hürden auf dem Weg zu einer verlässlichen Atemgasanalytik mit Infrarotsensoren überwinden. Beispielsweise variiert die Zusammensetzung der flüchtigen Bestandteile in der Atemluft ständig, da normale physiologische Vorgänge die Zusammensetzung der Substanzen in der Atemluft beeinflussen. „Veränderungen des Atemgases können auch nicht-krankhafte Ursachen haben – zum Beispiel durch die Ernährung bedingt. Um Messfehler zu vermeiden, sollte unser Sensor in der medizinischen Diagnostik zunächst mit einer weiteren Methode gekoppelt werden“, empfiehlt Mizaikoff.

Erste richtungsweisende vorklinische Untersuchungen hat Mizaikoff mit einer Arbeitsgruppe des Instituts für Anästhesiologische Pathophysiologie und Verfahrensentwicklung der Universitätsklinik Ulm durchgeführt. „Im Mausmodell konnten wir bereits zeigen, dass sich die Leberfunktion über einen mit dem Beatmungsgerät verbundenen Atemgas-Analysator kontinuierlich überwachen lässt“, erklärt der Chemiker. Im Rahmen der kürzlich bewilligten Graduiertenschule Pulmosens wollen die Ulmer Wissenschaftler nun die lungenphysiologische Grundlagenforschung vorantreiben –  die Suche nach neuen Biomarkern für die Atemgasanalytik ist eröffnet.

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