Gesundheit

Wie der Atem eine Krebserkrankung verraten kann

| Lesedauer: 8 Minuten

Foto: picture-alliance/ dpa / dpa

Der Atem ist nicht nur die Luft, die unseren Körper verlässt: Er ist wie ein genetischer Fingerabdruck. Doch er kann noch mehr: Mittlerweile können Ärzte die Moleküle im Atem erkennen, die auf eine Krankheit hinweisen. Manchmal sogar schon, bevor die Symptome überhaupt erst eintreten.

Für Hippokrates war die Nase unverzichtbar: Der Urvater der Ärzte roch vor knapp 2500 Jahren am Atem seiner Patienten, am Schweiß und auch am Urin. Ein so präzises Diagnoseinstrument wie die Nase war jeder anderen Technik seiner Zeit überlegen – ästhetische Bedenken gab es nicht.


Etwa 350 Riechrezeptoren hat die Nase – und kann damit Tausende von Düften an ihrer spezifischen Zusammensetzung erkennen. Vorausgesetzt, die Erinnerung an die Düfte wird im Gehirn abgespeichert. Und dass die Nase ein perfektes Diagnoseinstrument ist, liegt auch daran, dass sie außerordentlich empfindlich ist: Schon wenige Duftmoleküle reichen zur sicheren Erkennung aus.


Und was für den Frühlingsduft von Blumen gilt, gilt auch für den Geruch von Kranken. In der Atemluft, im Schweiß und im Urin lassen sich Krankheiten erschnüffeln. Blasenkrebs etwa können geschulte Hunde heutzutage bereits durch ein kurzes Schnuppern am Urin von Patienten sicher erkennen. Carolyn Willis vom englischen Amersham Hospital hat das bereits nachgewiesen. „Wir müssen die typische chemische Signatur eines Tumors finden, dann können wir sogar verschiedene Krebsarten durch den Geruch differenzieren“, sagt Willis – und zwar nicht nur im Urin: Denn noch mehr Möglichkeiten der Diagnose verspricht die Atemluft.


Schon heute gibt es zwei Techniken mit denen Ärzte die Atemluft ihrer Patienten genau untersuchen können: Kleine, niedermolekulare Stoffe können flüchtig sein – und werden in der Luft selbst transportiert. Um sie zu analysieren werden schon heute künstliche Nasen eingesetzt. Größere Stoffe mit einem Molekulargewicht von über 300 Dalton sind nicht flüchtig, lösen sich aber in kleinsten Wassertröpfchen, die mit der Atemluft ausgestoßen werden. Werden diese Tröpfchen, das sogenannte Atemkondensat, gesammelt, können die gelösten Stoffe identifiziert werden. Das wiederum hilft den Ärzten bei der Krankheitsdiagnostik.


Dass die Atemluft überhaupt etwas über den Zustand des menschlichen Körpers verrät, liegt auch an der besonderen Struktur der Lungenoberfläche: Sie ist unendlich stark aufgefaltet und ist dadurch rund 100 Quadratmeter groß. Auf dieser Fläche werden nicht nur Sauerstoff und Stickstoff zwischen der Atemluft und dem Blut ausgetauscht, sondern durch hauchdünne Membranen treten auch flüchtige Stoffe in die Atemluft über. „Zwischen 400 und 600 flüchtige organische Verbindungen können wir in den Atemgasen nachweisen“, sagt Jörg Ingo Baumbach vom Institut für Analytische Wissenschaften an der TU Dortmund – Verbindungen wie Äthanol oder Aceton. Dabei geht es den Analytikern entweder um die Stoffe selbst – oder aber um ein typisches Muster dieser Komponenten in den Atemgasen. Baumbach arbeitet mit der Ionen-Beweglichkeits-Spektrometrie: „Isomere werden nach ihrer Größe getrennt.“ Die Methode weist ein billionstel Gramm pro Liter Luft nach – sie ist so genau, dass schon ein Rest von Teppichkleber in der Atemluft nachweisbar wäre.


„Dieses Muster, ein metabolischer Fingerabdruck, kann auf eine Krankheit hinweisen, ohne dass wir die einzelnen Stoffe selbst nachgewiesen hätten“, sagt Baumbach. Wenn in einer Datenbank zahlreiche anderer solcher Riech-Fingerabdrücke gespeichert sind, erkennt ein Computer das typische Muster wieder. „Eine künstliche Nase ist eine Art Black Box: Wir wissen nur aus der Empirie, wofür ein bestimmtes Muster im Atemgas steht“, sagt Hubert Wirtz von der Uniklinik Leipzig. „Wie präzise die Diagnostik ist, hängt auch mit der Qualität der Datenbank zusammen – und mit der Intelligenz des Computerprogramms.“ Mehrere Teams versuchen zurzeit, solche Datenbanken zu erstellen. Wenn das Programm etwa den Riech-Fingerabdruck von 100 Patienten mit Lungenkrebs kennt, dann wird es auch den 101. Patienten erkennen und von einem Gesunden unterscheiden.

Die Computerprogramme hinter einer solchen künstlichen Nase sollen sogenannte neuronale Netze sein – sich selbst organisierende Programme. Letztlich wird das System durch jeden weiteren Patienten immer präziser, es lernt selbstständig hinzu. Am Ende könnten solche künstlichen Nasen auch zum Screening eingesetzt werden: etwa bei Hochrisikogruppen. „Wir könnten Patienten mit einem erhöhten Risiko für Lungenkrebs – also Raucher oder Menschen aus Hochrisikofamilien – regelmäßig in den Apparat blasen lassen“, sagt Wirtz, „denn davor haben die Menschen weniger Angst als vor einer Blutabnahme.“

Aber so praktisch ein Atemtest auch ist, so schwierig ist seine Umsetzung. So grübeln die Techniker noch immer, wie sie das Problem mit der Luftfeuchtigkeit im Atem lösen können. Die variiert nämlich von Mensch zu Mensch zwischen 93 und 98 Prozent. „Und diese Unterschiede machen auch einen Unterschied im Signal“, sagt Wirtz. Auch Zigaretten, ein sich verändernder Kreislauf oder schlicht die Umgebungsluft können den Atem verändern, ohne dass eine Krankheit vorliegt.


Einfachere Techniken funktionieren heute schon: Wenn Stoffe bekannt sind, die im Krankheitsfall in der Atemluft in höherer oder niedrigerer Konzentration anfallen, dann kann man sie auch messen. Bei Asthma etwa weist die Menge von Stickoxiden in der Atemluft auf den Grad der Entzündung in der Lunge hin. Schon ganz am Anfang der Krankheit, noch bevor überhaupt Symptome auftreten, könnte der Patient behandelt und die Krankheit gestoppt werden. „Wir haben Siliziumchips mit Rezeptorschichten, die auf definierte Stoffe reagieren. Sie ändern ihr Obenflächenpotential und können dann automatisch abgelesen werden“, sagt Maximilian Fleischer, Leiter der Forschung für chemische Sensoren bei Siemens.


Andere Stoffe in der Atemluft, etwa Alkane oder Aldehyde, zeigen nach einer Herztransplantation eine Abstoßung des neuen Herzens an. Sie weisen auf Brustkrebs hin, auf Störungen des Fettstoffwechsels oder auf die Ursache eines Magengeschwürs. Die Technik ist da, was fehlt sind spezifische Krankheitsmarker. Und Grenzwerte, oberhalb derer die rote Lampe angeht. Es fehlen Normwerte für die verschiedenen Gruppen von Patienten – abhängig vom Alter, von Geschlecht, Körpergewicht und ihrer Lungenfunktion. Die Kliniker sind gefordert.


Die Atemgasanalyse hat den Charme, schmerzfrei, robust und billig zu sein. Fleischers Ziel ist es, die Sensoren nicht nur in der Arztpraxis, sondern vor allem zu Hause einzusetzen. Zur täglichen Messung bestimmter Leberwerte etwa oder zur Kontrolle der regelmäßigen Medikamentenwirkung. Ein attraktiver Markt für die Hersteller – nur begrenzt dadurch, dass viele Stoffe zu groß sind, um in die Atemluft überzugehen.


Fast unbegrenzt sind dagegen die Substanzen, die nicht in der Atemluft, sondern in das sogenannte Atemkondensat übergehen. Das Kondensat ist das, was sich beim Behauchen einer glatten Fläche als kleinste Tropfen niederschlägt. Und hier finden sich Tausende von diagnostisch interessanten Molekülen. In dem ausgeatmeten Atemkondensat lassen sich sogar Bestandteile des menschlichen Erbgutes, der DNA, nachweisen.


Dazu wird das Atemkondensat in einem speziellen Apparat über zehn bis 20 Minuten gesammelt – und hinterher analysiert. Enthaltene Wachstumsfaktoren können auf bestimmte Tumorarten hinweisen, Signalstoffe auf die Neubildung von Blutgefäßen – was ebenfalls typisch ist für bestimmte Krebsarten. Die Methode ist zuverlässig: „Ohne jede invasive Untersuchung konnten wir aus 74 Patienten diejenigen herausfinden, die ein Lungenkarzinom oder eine chronische Lungenerkrankung hatten. Nur aus dem Atemkondensat – ohne eine Biopsie“, sagt Wirtz. Das besondere an dieser Analyse: Im Kondensat finden sich nicht nur Hinweise auf Krebs der Lunge, sondern auch auf fast alle anderen Krebsarten des Körpers. Denn jeder Tumor bildet Stoffe, die vom Blut in das Atemluftkondensat übergehen.


Die Möglichkeiten der Atemgasanalyse gehen allerdings weit über die Medizin hinaus: Die Atemluft des Menschen ist ebenso individuell wie sein Fingerabdruck. Präzise künstliche Nasen vorausgesetzt, könnten in Zukunft Menschen an ihrem Atem eindeutig identifiziert werden. Mit natürlichen Nasen tun das Liebende schon seit Langem.