Unser Atem verrät Geheimnisse über unsere DNA und kann z.B. Blutabnahmen ersetzen: Außer Sauerstoff, Stickstoff und CO2 sind hunderte andere Stoffe in der ausgeatmeten Luft.
Mmmh, du hast wohl von der Schokolade genascht! Das erkennt eine Mutter, die ihr Kind umarmt. Und viele wissen beim Begrüßungskuss des Partners, ob er (oder sie) nach dem Büro noch ein Bierchen getrunken hat. Sie machen unbewusst das, was Anton Amann auf hoch wissenschaftlichem Niveau tut: eine Analyse des Atemgases. In der Luft, die wir ausatmen, sind hunderte flüchtige (volatile) Substanzen enthalten. Der bekannteste Einsatz von Atemgasanalyse ist der Alkotest für Autofahrer: Von der Alkoholkonzentration in der Atemluft wird auf die Promille im Blut geschlossen. „Im Atemgas von Menschen sind nicht nur CO2, Sauerstoff und Stickstoff enthalten, wie man erwarten würde, sondern unzählige interessante Substanzen“, sagt Amann vom Institut für Atemgasanalytik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Dornbirn: „Das Forschungsgebiet ist noch relativ jung, doch in den nächsten zehn bis 20 Jahren hat es hervorragendes Entwicklungspotenzial.“
So unterscheiden sich etwa die Konzentrationsmuster der ausgeatmeten Luft bei gesunden Personen und Patienten mit Lungenkrebs. Für Staunen sorgte der Grazer Wolfgang Gleichweit, der Hunde darauf trainiert, in der Atemluft von Personen zu erkennen, ob sie Lungenkrebs haben. In einer Studie aus dem Jahr 2010 erkannten die Tiere der „Darwin GmbH“ 93 Prozent der 2250 Proberöhrchen richtig, die mit Atemluft von Patienten gefüllt waren.
„Wir haben auch ein Projekt, das vom Land Niederösterreich gefördert wird, in dem wir die Möglichkeiten mit dem Einsatz von Hunden testen, da deren Nase unglaublich sensitiv ist“, sagt Amann. „Aber letzten Endes ist es angenehmer, mit einem Gerät zu arbeiten, da die Kommunikation mit Hunden nicht einfach ist.“ Sein Labor nutzt Spürhunde auch als Vorbilder: Derzeit werden Geräte entwickelt, die den Job von Rettungshunden übernehmen sollen: nämlich erschnüffeln, wo Überlebende verschüttet sind, sei es nach Gasexplosionen oder Lawinen.
Das ist noch reine Grundlagenforschung. Nahe am Einsatz sind hingegen Tests, die an der Ausatemluft erkennen, welche Enzyme in einem Menschen aktiv sind. „Das ist enorm wichtig, weil viele Medikamente erst durch Enzyme im Körper zu Wirkstoffen umgebaut werden“, erklärt Amann. Zum Beispiel wird das Medikament Tamoxifen gegen Brustkrebs erst durch Cytochrom CYP2D6 in der Leber in den krebsangreifenden Wirkstoff verwandelt. „Bisher bekommen alle Patientinnen eine feste Dosis, obwohl das Enzym ganz unterschiedlich aktiv ist.“
Amanns Team misst an Probandinnen, wie gut das Enzym arbeitet. Dazu nimmt man eine harmlose Substanz – in dem Fall eine Komponente von Hustensaft – ein, die mit dem nicht radioaktiven Isotop 13C markiert ist: Das ist eine schwerere Version des Kohlenstoffatoms, die auch natürlich vorkommt. „Wenn die markierte Substanz im Körper von dem Enzym gespalten und verstoffwechselt wird, steigt in der ausgeatmeten Luft der Gehalt an CO2, das 13C-markierten Kohlenstoff enthält“, so Amann. Das dauert nur eine Stunde: Steigt der Gehalt an 13CO2 nicht an, ist das Enzym nicht aktiv: Das heißt, die Arznei kann ihre Wirkung nicht entfalten. „Die Konzentration von 13CO2 in den Probanden schwankt um den Faktor eins bis 1000: Bei manchen wirkt es kaum, bei anderen tausendmal so stark.“
Ähnliches gilt für die Chemotherapie mit 5-Fluoro-Uracil, die bei Brustkrebs und Darmkrebs eingesetzt wird: Viele Ärzte wussten, dass es bei manchen Patienten gut wirkt, bei anderen aber zu enormen Nebenwirkungen führt. „Erst spät wurde erkannt, dass einige Menschen in ihrer genetischen Ausstattung einen Enzymdefekt aufweisen, sodass der Wirkstoff nicht abgebaut werden kann“, sagt Amann. Daher sammelt sich die aggressive Substanz, die ja entwickelt wurde, um Zellen zu töten – nämlich Krebszellen –, im Körper an, wird nicht ausgeschieden und greift andere Zellen an. Das verursacht massive – manchmal tödliche – Nebenwirkungen. „Als Patient wüsste man gern zu Beginn der Chemotherapie, ob man am Ende der Woche noch am Leben ist“, sagt Amann. Daher bewertet sein Team nun Atemtests, die zeigen, ob man 5-Fluoro-Uracil im Körper verstoffwechseln kann oder nicht. „Uracil ist ein harmloser Stoff, der im Körper überall vorkommt und über denselben Stoffwechselweg abgebaut wird wie 5-Fluoro-Uracil. Wir markieren Uracil mit 13C-Kohlenstoff, die Patienten nehmen das ein, und danach messen wir, ob das ausgeatmete CO2 mehr 13C enthält als vorher.“ Wenn das der Fall ist, ist die Chemotherapie zulässig. Kommt es zu keinem Anstieg an 13CO2, ist mit dem Enzym etwas faul und man muss andere Chemotherapien verwenden.
Bei allen Arzneien möglich. All das fällt unter das Schlagwort der „personalisierten Medizin“, die in Zukunft jedem Patienten genau jene Medikamente zur Verfügung stellen soll, die für seine genetische und enzymatische Ausstattung verlässlich wirken. „Die Atemtests wären bei jedem Medikament möglich, hier besteht noch sehr großer Forschungsbedarf“, sagt Amann.
Immerhin verunsichert viele Menschen, welche Nebenwirkungen bei Medikamenten auftreten können, sobald sie den Beipackzettel lesen. „Die Nebenwirkungen treten aber nicht bei jedem Menschen auf: Es hängt enorm von der Aktivität gewisser Enzyme ab.“ In seiner Zukunftsvision sollen Patienten im Krankenhaus oder beim Hausarzt zuerst Atemtests durchführen, um Medikament und Dosis auszuwählen. „Für Aspirin und Clopidogrel (Anm: Blutverdünner) wird das bald möglich, wir validieren bereits einen diesbezüglichen Atemtest“, sagt Amann.
Da ihm nicht nur die Zukunft des klinischen Alltags am Herzen liegt, sondern auch des wissenschaftlichen Nachwuchses, engagiert sich sein Institut dafür, Jugendliche für die Forschung zu begeistern. In einem „Sparkling Science“-Projekt (unterstützt vom Wissenschaftsministerium) können Mädchen von Innsbrucker und Dornbirner Schulen, aber auch aus Polen und der Slowakei im Atemgaslabor mitarbeiten. „Bisher haben wir im Projekt FEM-Trace speziell Schülerinnen zu uns gebeten, aber bald werden auch Burschen daran teilnehmen“, so Amann. Denn die Begeisterung der jungen Leute fasziniert die eingesessenen Wissenschaftler.
Sobald die Einschulung der Gasanalyse-Geräte (Massenspektrometer, Gaschromatograf etc.) erledigt ist, wollen die Schülerinnen alles Mögliche untersuchen, was Gerüche absondert – weit über medizinische Anwendungen hinaus. Sei es ein Pfirsich, eine Muskatnuss, Schimmel oder ein Hipp-Glas, das eine Woche offen gestanden ist. „So bekommen wir auch Ergebnisse, die uns in der Forschung helfen. Z.B. werden Stoffe gefunden, die in unseren Messungen unerkannte Störfaktoren waren“, sagt Amann. Weil dieses Gebiet eben noch sehr jung ist, sind alle Ergebnisse so wichtig – da können auch Schüler hochinteressante Resultate erzielen, woraus dann wissenschaftliche Publikationen werden.
„Es gäbe noch hunderte Tests, die man entwickeln kann“, sagt Amann. Denn im medizinischen Alltag sind Atemgasanalysen oft praktischer als Blutabnahmen. Man arbeitet auch an Langzeit- und Echtzeitmessungen der ausgeatmeten Luft. „Den Atem kann man im Sekundentakt messen, bei Blutabnahmen wäre das schwierig.“
Interessant ist zum Beispiel, wie der Tagesverlauf von Enzymaktivitäten aussieht: Wirkt ein Medikament in der Nacht stärker als am Tag? Auch das kann man so herausfinden.
Derzeit werden flüchtige Stoffe untersucht, die von Lungenentzündungsbakterien produziert werden. Damit kann man in der Atemluft von Patienten auf der Intensivstation kontrollieren, ob eine Infektion auftritt. „Man kann auch bei Belastungstests am Ergometer erkennen, welche Substanzen in den Muskeln verstoffwechselt werden“, sagt Amann. Tritt der Proband nur mit dem linken Bein, sieht man in der Atemgas-Echtzeit-Analyse, wann ein bestimmter Stoff „aufgebraucht“ ist, wechselt er auf das rechte Bein, steigt die Substanz in der Atemluft wieder an. „Überall, wo flüchtige Substanzen oder Gerüche im Spiel sind, liefert Gasanalytik interessante Resultate“, so Amann.
Forschung
Das Institut für Atemgasanalytik der Österr. Akademie der Wissenschaften (ÖAW) besteht seit 2006 in Dornbirn. Direktor ist Anton Amann, der auch das „Journal of Breath Research“ leitet.
An der Medizin-Uni-Innsbruck ist Amann an der Universitätsklinik für Anästhesie und Intensivmedizin tätig.
Mit Oncotyrol, einem K1-Zentrum des Comet-Programms, bestehen enge Kooperationen bei den Forschungen rund um Krebs und „personalisierte Medizin“.
Ionicon Analytik GmbH ist ein Spin-off des Instituts für Ionenphysik der Uni Innsbruck und Weltmarktführer bei ultraempfindlichen Massenspektrometern (PRT-MS), die eines aus 100 Milliarden Teilchen in der Luft erkennen können.
Ionimed Analytik GmbH ist ein Tochterunternehmen von Ionicon und kooperiert mit dem Institut für Atemgasanalytik und Oncotyrol bei der Suche nach Biomarkern in der Atemluft.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 23.09.2012)