Diabetes: Verbesserter Sensor misst Aceton-Gehalt direkt in der Atemluft

Ein Schnelltest zur Diagnose von Diabetes? Die Ergebnisse einer neuen Studie legen nahe, dass das durch einen verbesserten Sensor, der den Aceton-Gehalt in der Atemluft innerhalb weniger Minuten misst, vielleicht bald möglich sein könnte.

Derzeit erfordert die Diagnose von Diabetes und Prädiabetes in der Regel noch einen Arztbesuch und Laboruntersuchungen, die mitunter zeitaufwändig sein können. Bisherige Methoden stützen sich häufig auf die Messung von Glukose im Blut oder Schweiß.

Ein chinesisches Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Huanyu Cheng an der Pennsylvania State University (USA) hat einen Sensor entwickelt, der die Diagnose vor Ort innerhalb weniger Minuten ermöglichen könnte – anhand einer Atemprobe. Die Ergebnisse der Studie wurden bereits im Juni in der Fachzeitschrift „Chemical Engineering Journal“ veröffentlicht.

Aceton-Gehalt im Atem ohne Laboranalyse

„Zwar gibt es Sensoren, die Glukose im Schweiß erkennen können, diese erfordern jedoch, dass durch Sport, Chemikalien oder einen Saunabesuch die Schweißproduktion angeregt wird, was nicht immer praktikabel oder bequem ist“, erklärt Cheng. „Bei diesem Sensor reicht es aus, in einen Beutel auszuatmen, den Sensor einzutauchen und einige Minuten auf das Ergebnis zu warten.“

Der neue Sensor misst dabei den Aceton-Gehalt im Atem. Obwohl jeder Atem Aceton als Nebenprodukt der Fettverbrennung enthält, deutet ein Aceton-Gehalt über einem Grenzwert von etwa 1,8 ppm auf Diabetes hin. Die Diagnose oder Überwachung von Diabetes mittels einer Atemanalyse ist ebenfalls kein neuer Ansatz, genauso wenig wie die Verwendung von Aceton als Biomarker.

Laut Cheng seien bisherige Studien und Sensoren jedoch auf eine detailliertere Laboranalysen angewiesen gewesen. Mit ihrem neuen System könne Aceton hingegen direkt vor Ort nachgewiesen und die Werte entsprechend abgelesen werden, was den Sensor kostengünstig und praktisch mache.

Neuer Sensor nutzt laserinduziertes Graphen und Zinkoxid

Eine weitere Neuheit des Sensors liegt im Design und den Materialien, vor allem dem laserinduzierten Graphen (LIG). Zur Herstellung von LIG werden kohlenstoffhaltige Materialien, wie die Polyimid-Folie in dieser Studie, mit einem CO₂-Laser verbrannt, um strukturiertes poröses Graphen zu erzeugen. „Das ist vergleichbar mit dem Verbrennen von Brot, wenn es zu lange im Toaster steckt“, erläutert Cheng. „Durch die Anpassung der Laserparameter, wie Leistung und Geschwindigkeit, können wir Polyimid zu mehrschichtigem, porösem Graphen toasten.“

Die hochporösen und somit gasdurchlässigen Eigenschaften des LIG erhöhen die Wahrscheinlichkeit, das Gasmolekül zu erfassen, da die ausgeatmete Luft eine relativ hohe Feuchtigkeitskonzentration enthält. LIG allein war gegenüber anderen Gasen jedoch nicht selektiv genug für Aceton, was durch eine Kombination des Materials mit Zinkoxid gelöst wurde. „Zwischen diesen beiden Materialien bildete sich eine Verbindung, die eine selektivere Erkennung von Aceton gegenüber anderen Molekülen ermöglichte“, so Cheng.

Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass die Sensoroberfläche auch Wassermoleküle absorbieren kann. Aufgrund der Feuchtigkeit des Atems konnten die Wassermoleküle so mit den Aceton-Molekülen konkurrieren. Um dieses Problem zu lösen, setzten die Forschenden eine selektive Membran als Feuchtigkeitsbarriere ein, die Wasser abweisen, Aceton jedoch durchlassen kann.

Potenzial für allgemeine Gesundheitsanwendungen

Die Methode erfordert derzeit noch, dass die Person direkt in einen Beutel atmet, um äußerliche Einflüsse wie den Luftstrom in der Umgebung zu vermeiden. Im nächsten Schritt soll der Sensor so verbessert werden, dass er direkt unter der Nase verwendet oder an der Innenseite einer Maske angebracht werden kann.

Cheng plant außerdem, den potenziellen Einsatz solcher Aceton-Sensoren in der allgemeinen Gesundheitsversorgung zu untersuchen: „Wenn wir besser verstehen können, wie sich der Aceton-Gehalt im Atem durch Ernährung und Bewegung verändert – ähnlich wie wir Schwankungen des Glukosespiegels je nach Zeitpunkt und Art der Nahrungsaufnahme beobachten –, wäre das eine spannende Möglichkeit, die wir auch für Gesundheitsanwendungen über die Diabetesdiagnose hinaus nutzen könnten.“

(mkl/BIERMANN)