Dein Atem tut mehr als abstoßen – Er kann Ärzten auch sagen, ob du Krebs hast

Dein schrecklicher Atem versucht dir etwas zu sagen — und nicht nur, dass es Zeit ist, eine Flasche Listerine aufzubrechen. In dieser Wolke aus Zwiebeln und abgestandenem Thunfisch befinden sich Hunderte von chemischen Verbindungen, die sich in Ihrem Mund zu einem Verhältnis verbinden, das so einzigartig ist wie ein Fingerabdruck. Durch die Analyse dieses Verhältnisses haben Forscher einen leistungsstarken neuen Weg gefunden, um die Signaturen verschiedener Krankheiten, von Prostatakrebs bis Parkinson, zu erkennen.

Heute enthüllen Forscher in der Zeitschrift American Chemical Society Nano ein Sensorarray, das den einzigartigen „Atemabdruck“ von 17 verschiedenen Krankheiten identifiziert und erfasst. Die Forscher hoffen, dass ihr Array, das künstliche Intelligenz verwendet, um die unterschiedlichen Konzentrationen und Verhältnisse von 13 chemischen Schlüsselverbindungen, die im menschlichen Atem gefunden werden, an verschiedene Krankheiten anzupassen, den Weg für ein vielseitiges medizinisches Diagnosewerkzeug ebnen wird. Nachdem sie den Atem von mehr als 1.400 Menschen probiert hatten, stellten sie fest, dass ihre Technik in der Lage war, Krankheiten mit einer Genauigkeit von 86 Prozent zu unterscheiden.

Die Wissenschaft hinter dem Geruch des Atems eines Menschen liegt in der Reihe organischer chemischer Verbindungen, die wir routinemäßig mit jedem Lachen, Schreien oder Seufzen in die Luft ausstoßen. Diese Verbindungen weisen häufig Anzeichen biochemischer Veränderungen auf, die durch bestimmte Krankheiten hervorgerufen werden – ein Phänomen, das die Grundlage der modernen Atemdiagnostik bildet. Das Problem ist, es gibt eine Menge Hintergrundgeräusche zu sichten: In einer Wolke des ausgeatmeten Atems sehen Sie normalerweise Hunderte dieser Verbindungen.

Alte Ärzte, die bis 400 v. Chr. zurückreichen, wussten, dass es etwas zu lernen gab, wenn man den Atem eines Kranken schnüffelte. Der berühmte griechische Arzt Hippokrates rieche unter anderem den Atem seiner Patienten, um herauszufinden, was sie plagte. (Schlimmer noch, einige Ärzte rochen den Urin oder Stuhl ihrer Patienten. Seitdem sind wir etwas anspruchsvoller geworden; Die Atemanalyse wurde erfolgreich zur Diagnose von Leberzirrhose, Diabetes und Darmkrebs eingesetzt. Es gibt sogar ein spezielles Journal für Atemforschung.

Bisher wurden solche Bemühungen jedoch hauptsächlich zum Nachweis einer einzelnen Krankheit eingesetzt. In der neuen Studie zielten Hossam Haick, ein Nanotech—Experte am Technion-Israel Institute of Technology, und mehrere Dutzend internationale Mitarbeiter darauf ab, die Grundlagen für ein allgemeines Diagnosewerkzeug zu schaffen, um die Atemsignaturen vieler Krankheiten zu identifizieren, darunter Nierenversagen, Lungenkrebs, Morbus Crohn, MS, Prostata- und Eierstockkrebs und mehr. Ihr Array bewertet zuerst die relative Häufigkeit jeder Verbindung im Atem einer Person und vergleicht dann Krankheitssignaturen mit gesunden Personen.

„Wir haben eine Mischung von Verbindungen, die eine bestimmte Krankheit charakterisieren, und dieses Bild unterscheidet sich von Krankheit zu Krankheit“, erklärt Haick. Mittels massenspektrometrischer Analyse identifizierte die Gruppe zunächst die spezifischen Wirkstoffsignaturen für 17 verschiedene Krankheiten. Sie probierten dann den Atem von mehr als 1.400 Menschen und verwendeten eine sensorische Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren und Goldpartikeln, um zu registrieren, welche Mischung von Verbindungen sie ausatmeten. Eine Reihe von Computeralgorithmen entschlüsselte, was die Daten über das Vorhandensein oder Fehlen jeder Krankheit aussagten.

Dann kommt die künstliche Intelligenz ins Spiel. „Wir können dem System beibringen, dass ein Atemabdruck mit einer bestimmten Krankheit in Verbindung gebracht werden könnte“, sagt Haick, der die Studie mit leitete. „Es funktioniert auf die gleiche Weise, wie wir Hunde verwenden würden, um bestimmte Verbindungen nachzuweisen. Wir bringen etwas in die Nase eines Hundes, und der Hund überträgt diese chemische Mischung auf eine elektrische Signatur und liefert sie dem Gehirn und merkt sie sich dann in bestimmten Regionen des Gehirns … Genau das tun wir. Wir lassen es eine bestimmte Krankheit riechen, aber anstelle einer Nase verwenden wir chemische Sensoren, und anstelle des Gehirns verwenden wir die Algorithmen. Dann kann es in Zukunft die Krankheit erkennen, wie ein Hund einen Geruch erkennen könnte.“

Jonathan Beauchamp, Umweltphysiker am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung in Deutschland, sagte, die Technologie sei ein vielversprechender Weg, um eine große Hürde in der Atemanalyse zu überwinden. „Die gleichen VOCs (flüchtige organische Verbindungen) leuchten oft als Marker für viele verschiedene Krankheiten auf“, sagt er. „In der Tat ist es in der Atemforschungsgemeinschaft inzwischen allgemein anerkannt, dass einzigartige VOCs für bestimmte Krankheiten wahrscheinlich nicht existieren werden.“

Daher könnte die Suche nach Konzentrationen verschiedener VOCs im Verhältnis zueinander, wie Haick und Kollegen es taten, die genauere Diagnosemethode sein, fügt er hinzu. „Diese Ergebnisse zeigen eine hohe Genauigkeit bei der Unterscheidung einer bestimmten Krankheit gegen eine andere … Die aktuelle Studie zeigt deutlich die Leistungsfähigkeit und das Versprechen der Gold-Nanopartikel-Array-Technik „, sagt er.

An der Studie nahmen Dutzende Wissenschaftler aus 14 Forschungseinrichtungen in fünf verschiedenen Ländern teil. Die Teilnehmer waren ebenso vielfältig: Das Durchschnittsalter betrug 55; etwa die Hälfte waren männlich und die Hälfte weiblich; und etwa ein Drittel waren aktive Raucher. Die Teilnehmer wurden weltweit in den USA, Israel, Frankreich, Lettland und China rekrutiert. „Die große Anzahl von Probanden in verschiedenen geografischen Gebieten ist wirklich eine wichtige Stärke dieser Studie“, sagt Cristina Davis, eine biomedizinische Ingenieurin, die das Bioinstrumentenlabor an der University of California in Davis leitet.

„Größere klinische Studien wie diese werden dazu beitragen, die Grenzen der Atemanalyse voranzutreiben und zu vielversprechenden medizinischen Instrumenten für die klinische Praxis zu führen“, fügt Davis hinzu, der nicht an der Studie beteiligt war. „Sie haben neue Erkenntnisse aus der Massenspektrometrie mit ihrer neuartigen Sensorleistung gekoppelt.“

Haick hofft, dass die weit verbreiteten Tests seines Teams zu einem weit verbreiteten Einsatz des Nanosystems führen werden. Er sagt, dass, weil es erschwinglich, nicht-invasiv und tragbar ist, es verwendet werden könnte, um weit für Krankheit zu screenen. Durch das Screening auch von Personen ohne Symptome könnte ein solches Instrument die Arten von Frühinterventionen ermöglichen, die zu besseren Ergebnissen führen.

Aber diese KI-getriebene „Nase“ könnte auch Anwendungen haben, die weit über die medizinische Diagnostik hinausgehen. Mehrere Unternehmen haben es bereits für andere Anwendungen lizenziert, sagt Haick. Unter den vielen möglichen Anwendungen, noes er, dass das Array für die Qualitätskontrolle verwendet werden könnte, durch Lebensmittelverderb zu erkennen. Es könnte auch für die Sicherheit an Flughäfen verwendet werden, indem die chemischen Signaturen von Sprengkörpern erkannt werden.

„Das System ist sehr empfindlich, und man muss es nur für verschiedene Arten von Anwendungen trainieren“, sagt er.