Gerät erkennt Krankheitsanzeichen in der Luft: Neue Analyse-Technologie

Medizinische Informationen ohne den Einsatz von Nadeln gewinnen zu können, wäre für viele Menschen angenehmer. Trotz zahlreicher Fortschritte in der Medizin ist die Analyse von Flüssigkeiten wie Blut bisher der Goldstandard zur Erkennung von Molekülen. Nun präsentieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Chicago ein Gerät, das das Potenzial hat, dies grundlegend zu verändern: Es kann Moleküle direkt aus der Luft sammeln und analysieren und eröffnet so völlig neue Perspektiven für Diagnose und Prävention in Medizin und öffentlicher Gesundheit.

Das Team um Prof. Bozhi Tian sieht zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für das neue Analysegerät. So könnte es beispielsweise Viren oder Bakterien in der Luft von Krankenhäusern oder öffentlichen Einrichtungen aufspüren. In der Neugeborenenmedizin verspricht die Technik Vorteile, da sie eine Überwachung ohne invasive Methoden ermöglicht. Menschen mit Diabetes könnten künftig ihren Blutzuckerspiegel über die Atemluft kontrollieren. Das gesamte System misst lediglich etwa zehn mal zwanzig Zentimeter, ist tragbar und äußerst kompakt.

Luft als Quelle für die Analyse

Moleküle in der Luft nachzuweisen war bislang der Analyse von Flüssigkeiten deutlich unterlegen. Daher sind Bluttests in der Arztpraxis oder tägliche Fingerstiche für Diabetikerinnen und Diabetiker noch die Norm. Auch gängige COVID-Tests benötigen Flüssigkeit, um Ergebnisse zu liefern. Jingcheng Ma, der Erstautor der Studie, beschreibt das Problem so: „Wir können mit Mobiltelefonen Fotos oder Audioaufnahmen machen, aber wir verfügen nicht über eine ähnliche Technologie, um die Chemie der Luft zu sehen.“ Ein wesentlicher Grund dafür ist die extreme Verdünnung der gesuchten Partikel in der Luft – oft gibt es nur ein einziges Molekül pro Billion. Deshalb entwickelte das Forscherteam ein System, das Luft in Flüssigkeit umwandelt und so die Analyse ermöglicht.

Das Gerät arbeitet in mehreren Schritten: Zunächst saugt es Luft an, diese wird dann mit Wasserdampf angereichert und anschließend durch ein Kühlsystem abgekühlt. Dabei kondensiert die Luft zu winzigen Tröpfchen, in denen alle relevanten Partikel eingeschlossen sind. Diese Tröpfchen gleiten über eine speziell entwickelte, besonders glatte Oberfläche und sammeln sich in einem kleinen Behälter. Dort erfolgt die Analyse der Moleküle mit den etablierten Methoden.

Analyse von Luftproben: Erste Erfolge

Für einen ersten Test nutzte Ma eine Tasse Kaffee: Er leitete den entstehenden Dampf in das System und überprüfte, ob die Moleküle gesammelt werden konnten. Beim Öffnen des Behälters war der charakteristische Kaffeeduft wahrnehmbar – ein deutlicher Hinweis auf Erfolg. In weiteren Versuchen gelang es, den Glukosegehalt in der Atemluft zu bestimmen, E. coli-Bakterien in der Umgebungsluft nachzuweisen und Entzündungsmarker bei Mäusen mit Darmproblemen zu identifizieren. Das System trägt den Namen ABLE, was für „Airborne Biomarker Localization Engine“ steht.

Die Motivation für seine Entwicklung entstand bei einem Besuch von Prof. Tian auf der Neugeborenen-Intensivstation des Comer Children’s Hospital. Leiterin Prof. Erika Claud äußerte den Wunsch, Frühgeborene ohne Blutabnahme untersuchen zu können, denn: „Frühgeborene gehören zu den empfindlichsten und zerbrechlichsten Patienten, die wir in der Medizin versorgen.“ Die Möglichkeit, neue Biomarker nicht-invasiv zu verfolgen, könnte die Versorgung dieser Säuglinge erheblich verbessern.

Herausforderungen und Perspektiven

Das Forscherteam sieht zahlreiche Anwendungsgebiete für das Analysegerät. Die Fähigkeit, Moleküle in der Luft zu erkennen, ist allerdings so neu, dass viele relevante Biomarker erst noch identifiziert werden müssen. Beispielsweise arbeitet die Gruppe aktuell mit einem Arzt zusammen, der Patientinnen und Parienten mit entzündlichen Darmerkrankungen behandelt. Es ist denkbar, dass sich Entzündungsmarker im Atem dieser Patienten nachweisen lassen – welche genau, muss jedoch noch erforscht werden. Das Gerät soll für den Transport außerdem noch kleiner und handlicher werden.

Ma, der als Maschinenbauingenieur über umfassende Kenntnisse in Thermofluidik verfügt, ist besonders an den physikalischen Grundlagen interessiert: „Diese Arbeit könnte viele neue Studien darüber anstoßen, wie diese Luftverunreinigungen beispielsweise das Phasenwechselverhalten beeinflussen, und die neuen physikalischen Erkenntnisse könnten für viele Anwendungen genutzt werden.“ Die Ergebnisse der Studie wurden am 21. Mai in Nature Chemical Engineering publiziert.