Pusten statt bluten: Gerät misst Fettverbrennung in der Atemluft

Forschende der ETH Zürich haben ein Handgerät entwickelt, dass den Aceton-Gehalt der Atemluft präzise nachweisen kann, wie ein Massenspektrometer. Dank einer Smartphone-App kann der Atemtest auch von Laien zuverlässig bedient werden. In Zukunft sollen so Diäten und Therapien bei Stoffwechselkrankheiten genauer überwacht und personalisiert werden können.

Aceton ist ein Nebenprodukt des Fettstoffwechsels, das über die Lunge ausgeatmet wird. Es entsteht, wenn der Körper Fett anstelle von Kohlenhydraten wie Zucker verbrennt. Forschende der ETH Zürich haben ein Testgerät entwickelt, das Aceton in der Atemluft mit hoher Präzision messen kann. Das Gerät ähnelt einem Alkoholtestgeräte und kann im Zusammenspiel mit einer Smartphone-App auch von Laien zuverlässig bedient werden.

Menschen könnten ihren Fettstoffwechsel somit ohne professionelle Unterstützung und ohne Bluttests überwachen. Dies könnte in Zukunft wiederum die Möglichkeit eröffnen, Diäten oder Behandlungen bei Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes sowie ketogene Therapien genauer zu überwachen und auf einzelne Patient:innen abzustimmen.

„Bei Diäten gibt es keine Faustregel, die für alle Menschen funktioniert. Idealerweise sollte man sich individuell überwachen, um zu sehen, wie der eigene Stoffwechsel reagiert“, erklärt Andreas Güntner, Professor für Sensorik am Department für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich. „Dazu braucht es Methoden, die ähnlich wie die Blutzuckermessungen für Diabetiker selbständig durchgeführt werden können und zuverlässige Resultate liefern.“

Handgerät liefert präzise Messresultate außerhalb des Labors

In einer Validierungsstudie mit zwölf erwachsenen Personen verglichen die Forschenden 312 Atemmessungen, die mit dem neuen Messgerät durchgeführt wurden, sowohl mit Bluttests als auch mit einem hochpräzisen Massenspektrometer. Die Messungen erfolgten unter verschiedenen Stoffwechselszenarien: Unter leichter und intensiver körperlicher Betätigung und mit verschiedenen Diäten. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse des Handgeräts mit jenen aus dem Labor praktisch deckungsgleich sind. Zudem lieferte das neue Messgerät über Monate hinweg zuverlässige Resultate.

Im Kern basiert das nun getestete Handgerät auf einer Sensortechnologie, deren Entwicklung vor mehr als zehn Jahren an der ETH Zürich begann und die 2017 erstmals vorgestellt wurde. Bereits damals konnten Güntner und seine Mitautor:innen nachweisen, dass die von ihnen entwickelten Gassensoren so empfindlich sind, dass sie einzelne Aceton-Moleküle unter hundert Millionen anderen Molekülen nachweisen können.

Atemtest dank Filter und App reproduzierbar

Zwar sind bereits heute Atem-Aceton-Geräte verfügbar, aber deren Messungen sind nur begrenzt reproduzierbar und können nur ausgeprägte Stoffwechselveränderungen nachweisen. Sie reagieren nicht nur auf Aceton, sondern auch auf andere Komponenten in der Atemluft, beispielsweise wenn Proband:innen zuvor etwas gegessen oder getrunken haben.

Die Forschenden haben deshalb einen Filter entwickelt, der störende Moleküle blockiert und eine Smartphone-App, welche die Proband:innen während des Ausatmens in Echtzeit anleitet. „Das Gerät misst das Ausatemvolumen und nimmt erst nach einer gewissen Zeit eine Probe, die tief aus der Lunge kommt“, sagt Erstautorin Simone Hersberger und ergänzt: „Ansonsten würde jede Messung etwas anders ausfallen“. Damit das klappt werden die Geräte in einem ersten Schritt kalibriert und auf das jeweilige Lungenvolumen der Patient:innen eingestellt.

Zahlreiche Anwendungsfelder denkbar

Mit der erfolgreichen Validierungsstudie haben die Forschenden ein wichtiges Etappenziel erreicht. „Wir konnten nachweisen, dass unser Gerät geringfügige Unterschiede im Fettstoffwechsel präzise und zuverlässig erkennt“, so Hersberger. Weitere Studien sollen nun zeigen, ob das neue Messgerät wirklich dazu genutzt werden kann, Therapien bei Stoffwechselerkrankungen zu personalisieren.

Zusammen mit dem Kinderspital Zürich prüfen die Forschenden derzeit beispielsweise, ob das Handgerät Kindern mit Epilepsie dabei helfen kann, ihre ketogene Diät besser zu überwachen. Andere Anwendungsfelder sind die Überwachung und Optimierung von medizinischen Diäten oder von GLP-1-basierten Therapien. Auch Anwendungen im Breitensport stehen zur Diskussion.

Das ETH-Spin-off Alivion AG hat das Gerät unter dem Namen „Nutrion“ auf den Markt gebracht. Derzeit wird Nutrion in internationalen Forschungsstudien und medizinischen Einrichtungen eingesetzt. Für die weitere Skalierung und die Erschließung zusätzlicher Anwendungsfelder sucht Alivion zusätzliche Industriepartner und Investoren.