Zur Beobachtung des Gesundheitszustands in Echtzeit oder zur raschen Bestimmung der Konzentration von Medikamenten im Körper haben Forschende der Universität Basel und des Universitäts-Kinderspitals beider Basel (UKBB) eine Methode erarbeitet, mit der bestimmte Werte direkt in der ausgeatmeten Luft von Patientinnen und Patienten gemessen werden können. Sie untersuchen die Atemluft mit Hilfe der SESI-HRMS (secondary electrospray ionization high-resolution mass spectrometry). Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Frontiers in Endocrinology veröffentlicht.

Pablo Sinues schließt einen Beutel mit einer Atemluftprobe zur Analyse an ein Massenspektrometer an. © Universität Basel, Christian Flierl

Mit seiner Gruppe entwickelte Pablo Sinues in den letzten Jahren Atemtests zur Messung und Dosierung von Medikamenten gegen Epilepsie bei Kindern. Dabei musste jedoch im Labor direkt in ein Gerät geblasen werden, weshalb sich die Tests nicht für die Intensivstation oder den Operationssaal eignen.
Für die hier beschriebenen Analysen können die Atemproben direkt am Krankenbett entnommen werden: Die Forschungsgruppe hat dazu spezielle Plastikbeutel entwickelt, die bis zu 1,2 Liter ausgeatmete Luft einfangen. Die Proben werden nach der Entnahme sofort ins Labor gebracht und für die chemische Analyse in ein Massenspektrometer gegeben. Dieses Gerät wird auch für Blutproben verwendet, die Bestimmung der Blutwerte ist jedoch komplex und dauert mehrere Stunden. Die Luft aus den Beuteln hingegen wird ohne Vorbehandlung direkt ins Gerät (ein Sekundär-Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometer) geblasen – weniger als eine Viertelstunde nach der Probenahme. Ähnlich schnelle Ergebnisse liefern nur Routine-Bluttests.

Dank der raschen Analyse und der häufigeren Entnahme von Atemproben konnten die Forschenden ihr Wissen über die Vorgänge im Körper unmittelbar während der Stabilisierung der jungen Patientinnen und Patienten vertiefen. «Mit dieser hochempfindlichen Technik haben wir ein breites Spektrum an Stoffen identifiziert. Unsere Ergebnisse gehen über die bereits bekannten Fakten hinaus», sagt Forschungsleiter Pablo Sinues. Er blickt bereits in die Zukunft: «Jetzt werden wir alles einordnen.» Beispielsweise gab es Unterschiede zwischen Kindern, die erstmals hospitalisiert wurden, und solchen, die mehrmals im Krankenhaus waren. Die Ergebnisse wurden allerdings bisher bei nur fünf Kindern mit diabetischer Ketoazidose gewonnen und müssen durch weitere Studien bestätigt werden.

Ein Start-up ist gegründet

Atemluftanalysen könnten nicht nur bei Diabetes von Nutzen sein. Denn mit dieser Methode lässt sich gleichzeitig die Konzentration eines Medikaments und die Reaktion des Körpers darauf messen. Die Forschenden hoffen, dass sie bald zur Standardbehandlung auf Intensivstationen gehört. «Ein großer Vorteil besonders bei Kindern liegt darin, dass diese Methode nicht-invasiv ist», so Pablo Sinues. «Sie ermöglicht allenfalls auch frühe Prognosen darüber, wie jemand auf eine Behandlung anspricht oder welche Nebenwirkungen auftreten.» Diese Informationen sind wichtig, wenn der therapeutische Spielraum eng ist, das heißt, wenn ein leichtes Erhöhen der Dosis eines Medikaments bereits toxisch wirkt. «Die Methode hat sich bei Antiepileptika bewährt. Nun könnte sie für Messungen bei Krebsbehandlungen weiterentwickelt werden. Sehr hilfreich könnten die von uns konzipierten Beutel auch sein, um Dosis und Wirkung von Narkosemitteln während Operationen zu kontrollieren», hofft der Forscher. Mit diesen Herausforderungen befasst sich bereits ein Start-up, das aus seinem Labor hervorgegangen ist.

Nachwuchsförderung

Dieses Projekt wurde durch das SNF-Instrument Eccellenza unterstützt (SNF: Schweizerischer Nationalfonds). Eccellenza-Beiträge richten sich an junge Forschende mit Assistenzprofessur oder gleichwertiger Funktion, die eine permanente Professur anstreben. Mit der Leitung eines großzügig ausgestatteten Forschungsprojekts mit eigenem Team an einer Hochschule in der Schweiz können sie diesem Ziel näherkommen.

Publikation:
M. Awchi et al: Metabolic trajectories of diabetic ketoacidosis onset described by breath analysis. Frontiers in Endocrinology (2024); https://doi.org/10.3389/fendo.2024.1360989

Quelle: Schweizerischer Nationalfonds SNF