Gesundheit: Was der Atem verrät

Mundgeruch ist übel, kann aber wichtige Hinweise zur Diagnose von Krankheiten liefern. In der Atemluft verstecken sich zahlreiche Moleküle, die Rückschlüsse auf Stoffwechselprobleme und sogar auf Magen- oder Darmkrebs liefen können. Mittlerweile wurde bekannt, dass Hunde Krebs riechen können. Nun hat ein Schweizer Forscherteam um Renato Zenobi, Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich, eine Methode entwickelt, um die Bestandteile der Atemluft schnell herausfiltern zu können.

Wie die Forscher jetzt im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ berichten, können dabei erstmals auch große, nichtflüchtige Moleküle, wie Zucker, Harnstoffe oder Eiweißbestandteile in der Atemluft nachgewiesen werden. Das war bei vergleichbaren Verfahren bislang nicht möglich und macht die neue Methode interessant. Die Stoffe bilden ein Aerosol, lösen sich also in der ausgeatmeten Luft in winzigen Tröpfchen. Ein Vorteil des Verfahrens: Die Proben müssen nicht vorbehandelt werden. Materialverluste werden so minimiert.

Die Methode nennt sich Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometrie (QTOF) und kombiniert mehrere Verfahren: Die Moleküle werden elektrisch aufgeladen, nach ihrem Molekulargewicht getrennt und identifiziert. Ein elektrisches Feld beschleunigt und separiert sie während des Fluges nach dem Verhältnis von Masse zur Ladung. Dies ist möglich, weil die Flugzeit der Moleküle von der Masse abhängt. Im Quadrupol, einer Anordnung zweier gleicher Dipole in entgegengesetzter Orientierung, werden die Moleküle zuvor fragmentiert. Das dabei entstehende Spektrum der Bruchstücke ist für das ursprüngliche Molekül charakteristisch.

Besonders ist bei diesem Verfahren, wie die Probe in die Apparatur eingespeist wird. Bei früheren Verfahren musste eine Probe erst extrahiert und dann wieder zerstäubt werden. Nun können Tröpfchen direkt verwendet werden. Die Atemluftprobe gelangt geradewegs in die Anordnung. Dort trifft sie auf einen Strom geladener Reagenzien-Tröpfchen, die Moleküle aufnehmen und aufladen. Auf dem Weg in das Massenspektrometer verlieren die Tröpfchen Lösungsmittel und werden immer weiter zerteilt. Zuletzt bleiben nur noch die geladenen Moleküle übrig, die in den QTOF-Massenanalysator gelangen. Ein regelrechter Fingerabdruck der Bestandteile der Atemluft kann so erstellt werden.

„Bisher ist nicht erforscht auf welche Krankheiten die Bestandteile der Atemluft hindeuten könnten. Unsere Methode ist noch zu neu“, erklärt Zenobi . Im Prinzip ließen sich damit aber alle möglichen Krankheiten nachweisen. Die ETH Zürich besitzt nun als rein technische Hochschule keine medizinischen Institute. Deshalb haben sich die Forscher dagegen entschieden selbst eine klinische Studie durchzuführen. „Allerdings wollen wir interessierte Forscher dabei unterstützen“, sagt der Zürcher Professor für analytische Chemie.

Versuchsweise wurde die Apparatur eingesetzt um festzustellen, was mit dem Atem passiert, wenn man Bier trinkt. Ein europäischer Biertrinker trat dabei im Vergleich zu einem asiatischen Biertrinker an. Jeweils vor und nach dem Trinken eines Bieres wurde ein Fingerabdruck der Atemluft erstellt. Die Veränderungen der Abdrücke zeigten deutlich, dass mit diesem Verfahren die Stoffwechselvorgänge genau verfolgt werden können und dass die beiden Kandidaten unterschiedlich auf das Bier reagierten.

Die Basis der Analyse-Apparatur, das Massenspektrometer, ist standardmäßig in jedem Labor zu finden und etwa so groß, dass sie auf einen Tisch passt. „Eine Miniaturausgabe des Geräts ist denkbar. Es könnte auf bestimmte Werte spezialisiert werden und so gezielt Krankheiten aufspüren“, sagt Zenobi. Auch für den Einsatz bei der Polizei könnte ein solches Gerät dienen. Gerade Alkohol im Atem lässt sich damit sehr einfach nachweisen. Auch andere Stoffe, die nach Drogenkonsum in den Atem gelangen, könnten so gefunden werden.

Die Analyse der Luft dauert mit der neuen Methode zwischen wenigen Sekunden und einer Minute. Das Gerät arbeitet sehr genau: So wird der Stoff Nikotin mit einer Genauigkeit von einem Pikogramm (Millionstel von einem millionstel Gramm) nachgewiesen, wenn eine Minute lang gemessen wird. Bisherige Methoden basierten zwar ebenfalls auf der Massenspektrometrie, waren aber nicht in der Lage, die nichtflüchtigen Stoffe aufzuspüren.

Kathrin Giese