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Ärzte Zeitung online, 07.05.2010

Schweizer Forscher entwickelt Atemtest für Typ-1-Diabetes

ZÜRICH (eb). Schweizer Wissenschaftler haben einen Sensor entwickelt, der beim Kontakt mit dem Atem sofort anzeigt, ob ein Mensch Typ-1-Diabetes hat. Der Sensor misst mit großer Präzision Azeton, das in der Atemluft dieser Patienten in hoher Konzentration enthalten ist.

Schweizer Forscher entwickelt Atemtest für Typ-1-Diabetes

Kleiner als ein halber Schweizer Franken: Der Atemsensor, den Forscher von der ETH Zürich für den Test auf Typ-1-Diabetes entwickelt haben. © ETH Zürich/Antonio Tricoli

Bei Typ-1-Diabetikern besteht ein hohes Risiko für eine lebensbedrohliche Ketoazidose, bei welcher der Stoffwechsel aus Mangel an Insulin entgleist. In diesem Fall steigt die Konzentration von Azeton in der Atemluft erheblich. Zwar atmen auch Gesunde Azeton aus, die Konzentration beträgt jedoch nur etwa 900 ppb (Partikel pro Milliarde). Bei Typ-1Diabetikern sind es fast doppelt so viele. Bei einer Ketoazidose liegt der Wert sogar noch höher.

Bei über 2000 Grad entstehen Nanopartikel

Forschern der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich haben nun einen Sensor entwickelt, der selbst bei extrem hoher Luftfeuchtigkeit von über 90 Prozent - wie sie die Atemluft aufweist - noch sehr präzise arbeitet und selbst 20 ppb Azeton messen kann. Den neuartigen Sensor stellen Professor Sotiris Pratsinis vom Institut für Verfahrenstechnik der ETH Zürich und seine Mitarbeiter in der Fachzeitschrift "ACS Analytical Chemistry" (2010, 82: 3581) vor.

Die Wissenschaftler haben den Sensor aus einem mit Gold-Elektroden versetzten Trägermaterial gebaut und es mit einem hauchdünnen Halbleiter-Film aus WolframoxidNanopartikeln beschichtet. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern, fügten die Wissenschaftler Silikon hinzu. Die Mixtur wird in einer über 2200 °C hheißenFlamme hergestellt. Dabei steigen die Nanopartikel in einer Wolke auf und haften am Trägersubstrat, das die Forscher gleichzeitig mit Wasser abkühlen. Durch dieses rasche Erhitzen und Abkühlen entsteht eine glasartige Halbleiter-Schicht auf der Elektrode.

Sind künftig auch andere Krankheiten nachweisbar?

Mit hochauflösenden Elektronenmikroskopen beobachten die Wissenschaftler, ob das aufgedampfte Material eine ungewöhnliche, schwammartige Struktur aufweist. In diesen Poren verfangen sich die Azetonmoleküle und beginnen mit dem Wolframoxid zu reagieren. Ist in der Atemluft viel Azeton enthalten, sinkt der elektrische Widerstand des Materials. Zwischen den Elektroden fließt mehr Strom und erzeugt ein entsprechend starkes Signal. Bei geringen Azeton-Konzentrationen hingegen bleibt der Widerstand bestehen.

Für Diabetiker wäre ein handliches, leicht zu bedienendes, Gerät ein großer Fortschritt. Sie könnten damit einfach und unkompliziert ihren eigenen Blutzuckerspiegel bestimmen. Mit dem neuen Gerät würde der bisher übliche tägliche Stich in die Fingerkuppe entfallen. Der Sensor könnte auch in Notfallstationen an Kliniken gute Dienste leisten. Dort ließe sich unkompliziert feststellen, ob ein Patient eine diabetische Ketoazidose hat.

Noch liegt der Sensor allerdings erst als Prototyp vor. "Wir suchen zurzeit nach einem Partner aus der Medizin, um daraus ein alltagstaugliches Messgerät zu entwickeln", sagt Pratsinis. Er hofft zudem, dass er in Zukunft auch andere Krankheiten mit seinem neuen Sensor in der Atemluft nachweisen kann.

Organische Verbindungen als Krankheitsmarker

Nichtinvasive Methoden zur Diagnose von Krankheiten werden immer wichtiger. Die Analyse der Atemluft ist dabei zentral. Sie ist schnell, billig und einfach anzuwenden. Die Atemluft besteht vor allem aus einer Mischung von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid, Wasser und aus über 1000 flüchtigen Stoffen, die teils nur in sehr kleinen Konzentrationen vorliegen. Darunter sind auch flüchtige organische Verbindungen, die der Körper selbst produziert. Einige sind typisch für bestimmte Krankheiten und dienen als Marker, wie eben Azeton für Typ-1-Diabetes.

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