Mehr als eine Luftnummer – Physiker und Mediziner entwickeln einen Sensor zur Atemgasanalyse

Maske zur Analyse der Atemluft | Foto: Tobias Hopfgarten
Foto : Tobias Hopfgarten
Maske zur Analyse der Atemluft
Gemeinsam machen sich ein Sportmediziner und ein Physiker auf den Weg, um ein medizinisches Mess- und Diagnostikverfahren zu revolutionieren. Das Ziel ist ein optischer Sensor, mit dem die Atemluft analysiert werden kann. Mit dem neuen Verfahren sollen die Nachteile von herkömmlichen Methoden abgemildert und die Messungen schneller und detaillierter werden.

„Manchmal – wie gerade in einem Projekt mit Teilen der Kanu-Nationalmannschaft – lassen wir unsere Sportler ganz früh herkommen. Um fünf Uhr morgens, wenn noch nichts los ist. Dann legen wir sie erst einmal eine halbe Stunde hin, bis sie fast schlafen. Und dann messen wir.“ Die Patienten von Prof. Dr. Frank Mayer, der Ärztlicher Direktor der Hochschulambulanz ist, sollen vollkommen entspannt und ruhig sein. Denn das ist für die folgende Messung entscheidend. Die Athleten bekommen eine Atemmaske auf, durch die sie ruhig weiteratmen sollen. Ein angeschlossenes Gerät misst, wie viel Sauerstoff und Kohlendioxid in der ausgeatmeten Luft vorhanden sind. Die Messung bestimmt, wie viel Kalorien der Körper in Ruhe verbraucht. Mit dem Verfahren ermitteln die Mediziner den sogenannten Grundumsatz, der gerade für Sportlerinnen und Sportler eine wichtige Größe ist, um Ernährung und Training optimal aufeinander abzustimmen.

Atemluft zeigt mögliche Erkrankungen an

Aber die Atemgasmessung liefert noch weitaus mehr Informationen, vor allem unter Belastung auf dem Fahrrad oder Laufband. Spiroergometrie heißt diese Messung, die „eine weltweit etablierte Routinemethode in der Allgemeinmedizin, der Kardiologie, der Pulmologie oder der Sportmedizin ist“, betont Frank Mayer. „Über die Atemgase kann man Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und den Stoffwechsel ziehen, Krankheiten diagnostizieren und die Lungenfunktion untersuchen.“

Hans-Gerd Löhmannsröben ist kein Mediziner, sondern Professor für Physikalische Chemie und hat dennoch ein wissenschaftliches Interesse an Atemluft: „Das ist eine ganz spannende Größe und ein wichtiger Analyt, der viel verraten kann.“ Die Forschung dazu sei in den letzten zehn Jahren förmlich explodiert. Heute wissen Mediziner etwa, dass bestimmte Moleküle in der Atemluft zahlreiche Erkrankungen wie Krebs oder Diabetes anzeigen können. „Atemgas ist immer verfügbar und gleichzeitig sehr komplex in der Zusammensetzung. Ein sensorischer Zugang würde viele medizinische Diagnostiken ermöglichen“, erklärt Löhmannsröben, der an genau solch neuen Mess- und Analysemethoden arbeitet.

„Der spannende Punkt ist, dass wir dafür eine optische Sensorik entwickeln“, erklärt der Physiker. Dafür verwendet das Forschungsteam einen Farbstoff, dessen Leuchtintensität davon abhängig ist, wie hoch die Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration in der Luft ist. Über ein Mundstück gelangt die Atemluft auf das Sensornetz, in dem der Farbstoff – ein organischer Rutheniumkomplex – fest verankert ist. Wenn die Luft- und Farbstoffmoleküle miteinander reagieren, misst eine Sonde die Eigenschaftsänderungen des Farbstoffs und liefert Daten, aus denen sich die Gaskonzentration errechnen lässt. Zusätzlich messen die Forscher über ihren Sensor noch die Temperatur und das Atemvolumen.

Bequemer messen ohne Maske

Schneller, genauer und detaillierter – das sind die Erwartungen, die die Forscher an den neuen Sensor stellen. Die ersten Testmessungen sind vielversprechend. Auf Änderungen muss der Sensor sehr schnell reagieren. Dass er diese Hürde meistert, zeigen die dicht beieinanderliegenden Messpunkte der ersten Messdiagramme. „Das Signal ist stabil, zeigt wenig Störungen, liefert gleichmäßige Kurven und mehr Informationen als die herkömmliche Messung“, freut sich Hans-Gerd Löhmannsröben.

Nun gilt es, den Schritt in die praktische Anwendung zu wagen. Der Sensor muss auch dann verlässlich messen, wenn die Probanden auf dem Laufband oder dem Fahrrad sitzen. „Das Projekt ist in einer sehr frühen Phase – wissenschaftlich spannend, aber auch risikoreich“, betont Hans-Gerd Löhmannsröben. „Wir wissen bisher, dass der Sensor viel kann und besser misst als andere Methoden. Jetzt muss sich zeigen, ob er das auch in jeder Situation kann“, beschreibt Frank Mayer die Herausforderung.

Das Potenzial für die medizinische Anwendung sei jedenfalls enorm, schätzt der Mediziner ein und hofft nicht nur auf verbesserte und genauere Messergebnisse, sondern auch auf mehr Komfort bei der Untersuchung. Die herkömmliche Methode der Atemgasanalyse funktioniert nur mit einer gut sitzenden Gesichtsmaske, die vor der Umgebungsluft abschirmt. Die Patienten müssen mit einem gewissen Luftwiderstand dagegen anatmen, für viele ist das unangenehm. Vor allem auf dem Laufband oder dem Fahrrad, wenn der Körper auf Hochleistung läuft und viel Sauerstoff benötigt, fühlt sich die Maske über Mund und Nase für einige Patienten beklemmend an. Wer dann das Gefühl hat, nicht genug Luft zu bekommen, verringert seine Leistung auf dem Sportgerät – das wollen die Sportmediziner vermeiden, um aussagekräftige Messergebnisse zu erhalten. „Wenn es uns gelingt, den Sensor so zu entwickeln, dass eine Maske gar nicht mehr notwendig ist und wir vielleicht nur noch ein Mundstück benötigen, würde das die Messungen viel einfacher machen“, erklärt Frank Mayer.

Die Zukunft der Forschung ist interdisziplinär

Auch für den Physiker Hans-Gerd Löhmannsröben ist das Projekt Neuland: „Zum ersten Mal arbeiten wir mit der Sportmedizin zusammen und erhalten Daten von Menschen.“ Beide Forscher mussten sich aufeinander einstellen und eine gemeinsame Sprache finden. Nicht ganz einfach, geben beide zu. „Es standen für mich plötzlich völlig neue Fragen im Raum. Da wir mit Menschen arbeiten, muss zum Beispiel die Ethikkommission einbezogen werden. Das habe ich vorher noch nie gemacht“, sagt Löhmannsröben.

Die Zukunft der Forschung lebt von der Kooperation der verschiedenen Fächer, sind Frank Mayer und Hans-Gerd Löhmannsröben überzeugt. Gerade im Hinblick auf den Gesundheitscampus Brandenburg, der derzeit entsteht und für den die Uni Potsdam eine von insgesamt drei Trägeruniversitäten ist. Unterstützt werden dieses und weitere interdisziplinäre Projekte vom Netzwerk Gesundheitswissenschaften, das die Gesundheitswissenschaftler der Uni Potsdam mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen verbindet. Rund 20 Professorinnen und Professoren arbeiten hier von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung zusammen. Außerdem ist „SensreD“ eingebunden in das Fraunhofer-Leistungszentrum „Integration biologischer und physikalisch-chemischer Materialfunktionen“ mit der Universität Potsdam als „Ankeruniversität“.

In den kommenden Monaten wird das Team aus der Physikalischen Chemie häufiger zu Gast bei den Kollegen in der Hochschulambulanz sein. Mehrere Versuchsgruppen werden hier die neue Messmethode testen – im Liegen, auf dem Fahrrad und auf dem Laufband, um dem Verfahren noch den notwendigen Feinschliff zu verpassen. Zum Schluss muss sich der Sensor in einer klinischen Studie unter Alltagsbedingungen bewähren und seine Zuverlässigkeit beweisen. Läuft alles wie erhofft, könnte das der Auftakt für weitere Projekte sein. „Atemgas ist so komplex – wir können noch viele weitere Bestandteile analysieren und vielleicht sogar einen Sensor entwickeln, der kleinste Partikel und damit Krankheitserreger erfassen kann“, erklärt Hans-Gerd Löhmannsröben und verspricht: „Es gibt schon einige Ideen und Skizzen in der Schublade.“

Die Forscher

Prof. Dr. Hans-Gerd Löhmannsröben studierte Physik in Oldenburg, Göttingen und Chapel Hill (USA). Seit 2000 ist er Professor für Physikalische Chemie an der Universität Potsdam.
E-Mail: loehchem.uni-potsdamde

Prof. Dr. Frank Mayer studierte Medizin in Tübingen. Seit 2006 ist er Professor für Sportmedizin und Sportorthopädie an der Universität Potsdam und Ärztlicher Direktor der Hochschulambulanz.
E-Mail: fmayeruni-potsdamde

Das Projekt

Das Projekt „SensreD (Sensorik mit funktionalisierten Lichtwellenleitern für die respiratorische Diagnostik)“ untersucht und entwickelt einen optischen Sensor zur Atemgasanalyse. Mit dem neuen Verfahren lässt sich der Gehalt von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Atemluft sowie das Atemvolumen bestimmen.

Beteiligt: Universität Potsdam, Professur für Physikalische Chemie und Professur für Sportmedizin und Sportorthopädie
Förderung: Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg (MWFK), Förderprogramm StaF (Stärkung der technologischen und anwendungsnahen Forschung an Wissenschaftseinrichtungen im Land Brandenburg) mit Mitteln der Landesinvestitionsbank (ILB)
Laufzeit: 12/2019–11/2021

 

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Zwei 2020 „Gesundheit“.