Emily Robart, eine Koordinatorin für klinische Forschung an der University of Ohio, demonstriert am 2. Juli in Columbus, Ohio, den Covid-19-Alkoholtest, der derzeit von der FDA geprüft wird. 2021. (The New York Times)
Im Mai kamen Musiker aus Dutzenden von Ländern zum Eurovision Song Contest nach Rotterdam, Niederlande. Im Laufe des Wettbewerbs kämpften die Darsteller in paillettenbesetzten Kleidern, verzierten Kronen oder in einem Fall mit einem riesigen Paar Engelsflügel umgeschnallt um ihre Chance auf den Titel.
Aber bevor sie sogar auf die Bühne durften, mussten sie einen weiteren Test bestehen: einen Atemtest.
Als sie am Veranstaltungsort ankamen, wurden die Musiker gebeten, in ein wasserflaschengroßes Gerät namens SpiroNose auszuatmen, das die chemischen Verbindungen in ihrem Atem analysierte, um Signaturen einer Coronavirus-Infektion zu erkennen. Wenn die Ergebnisse negativ ausfielen, wurden die Künstler zum Wettbewerb freigegeben.
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Die SpiroNose des niederländischen Unternehmens Breathomix ist nur einer von vielen atembasierten Covid-19-Tests, die weltweit entwickelt werden. Im Mai erteilte die Gesundheitsbehörde Singapurs zwei solcher Tests, die von den inländischen Unternehmen Breathonix und Silver Factory Technology durchgeführt wurden, eine vorläufige Genehmigung. Und Forscher der Ohio State University sagen, dass sie bei der US-amerikanischen Food and Drug Administration eine Notfallgenehmigung ihres Covid-19-Alkoholtests beantragt haben.
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„Jetzt ist klar Ich denke, dass man diese Krankheit mit einem Atemtest nachweisen kann“, sagt Paul Thomas, Chemiker an der Loughborough University in England. „Das ist keine Science-Fiction.“
Wissenschaftler sind seit langem daran interessiert, tragbare Geräte zu entwickeln, die eine Person schnell und schmerzlos auf Krankheiten untersuchen können, indem sie einfach nur einen Hauch von Atem nehmen. Doch diesen Traum zu verwirklichen, hat sich als Herausforderung erwiesen. Verschiedene Krankheiten können ähnliche Atemveränderungen verursachen. Die Ernährung kann die Chemikalien, die jemand ausatmet, ebenso wie Rauchen und Alkoholkonsum beeinflussen und die Erkennung von Krankheiten möglicherweise erschweren.
Wissenschaftler sagen jedoch, dass Fortschritte in der Sensortechnologie und des maschinellen Lernens in Kombination mit neuen Forschungen und Investitionen, die durch die Pandemie vorangetrieben wurden, bedeuten, dass der Moment für krankheitserkennende Atemalkoholmessgeräte möglicherweise endlich gekommen ist.
“Ich war” arbeitet seit fast 20 Jahren im Bereich der Atemforschung“, sagte Cristina Davis, Ingenieurin an der University of California, Davis. „Und während dieser Zeit haben wir gesehen, wie sie sich von einer im Entstehen begriffenen Phase zu etwas entwickelt hat, von dem ich denke, dass es kurz vor der Einführung steht.“
Die Biologie des Atems
Der menschliche Atem ist komplex. Immer wenn wir ausatmen, setzen wir Hunderte von Gasen frei, die als flüchtige organische Verbindungen oder VOCs-Nebenprodukte der Atmung, Verdauung, des Zellstoffwechsels und anderer physiologischer Prozesse bekannt sind. Krankheiten können diese Prozesse stören und die Mischung der VOCs verändern, die der Körper ausstößt.
Menschen mit Diabetes zum Beispiel können einen fruchtigen oder süßen Atem haben. Der Geruch wird durch Ketone verursacht, Chemikalien, die produziert werden, wenn der Körper beginnt, Fett anstelle von Glukose zur Energiegewinnung zu verbrennen, ein Stoffwechselzustand, der als Ketose bekannt ist.
“Die Idee, dass ausgeatmete Atemluft diagnostisches Potenzial haben könnte, gibt es schon seit einiger Zeit”, sagte Davis. „Es gibt Berichte in altgriechischer und auch in altchinesischer medizinischer Schulungstexte, die sich auf die Verwendung des Geruchs durch einen Arzt beziehen, um seine klinische Praxis zu leiten.“
Moderne Technologien können subtilere chemische Veränderungen erkennen, und Algorithmen des maschinellen Lernens können Muster in Atemproben von Menschen mit bestimmten Krankheiten erkennen. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler diese Methoden verwendet, um einzigartige „Atemabdrücke“ für Lungenkrebs, Lebererkrankungen, Tuberkulose, Asthma, entzündliche Darmerkrankungen und andere Erkrankungen zu identifizieren. (Davis und ihre Kollegen haben sogar VOC-Profile verwendet, um zwischen Zellen zu unterscheiden, die mit verschiedenen Grippestämmen infiziert waren.)
Bevor Covid ausbrach, hatte Breathomix eine elektronische Nase entwickelt, um mehrere andere Atemwegserkrankungen zu erkennen.
„Wir trainieren unser System: ‚OK, so riecht Asthma, so riecht Lungenkrebs“, sagte Rianne de Vries, Chief Technology and Scientific Officer des Unternehmens. „Also baut man eine große Datenbank auf und findet Muster in Big Data.“
Letztes Jahr haben sich das Unternehmen und viele andere Forscher auf diesem Gebiet umgedreht und versucht, einen Atemabdruck für Covid-19 zu identifizieren. Während des ersten Anstiegs des Virus im Frühjahr 2020 sammelten beispielsweise Forscher in Großbritannien und Deutschland Atemproben von 98 Menschen, die mit Atemwegssymptomen in Krankenhäusern auftauchten. (Die Teilnehmer wurden gebeten, in einen Einwegschlauch auszuatmen; die Forscher verwendeten dann eine Spritze, um eine Atemprobe zu entnehmen.)
Bei 31 der Patienten stellte sich heraus, dass sie an Covid litten, während der Rest eine eine Vielzahl von Diagnosen, darunter Asthma, bakterielle Lungenentzündung oder Herzinsuffizienz, berichteten die Forscher. Die Atemproben von Menschen mit Covid-19 wiesen einen höheren Gehalt an Aldehyden, Verbindungen, die produziert werden, wenn Zellen oder Gewebe durch Entzündungen geschädigt werden, und Ketonen auf, was zu Forschungsergebnissen passt, die darauf hindeuten, dass das Virus die Bauchspeicheldrüse schädigen und Ketose verursachen kann.
< p>Die Covid-Patienten hatten auch niedrigere Methanolwerte, was ein Zeichen dafür sein könnte, dass das Virus den Magen-Darm-Trakt entzündet oder die dort lebenden Methanol produzierenden Bakterien getötet hatte. Diese Atemveränderungen zusammen “geben uns ein Covid-19-Signal”, sagte Thomas, ein Co-Autor der Studie.
Warten auf das Ausatmen
Mehrere andere Studien haben ebenfalls einzigartige chemische Muster im Atem von Patienten mit Covid-19 entdeckt, und einige Geräte behaupten beeindruckende Ergebnisse. In einer Studie zur SpiroNose, an der 4.510 Teilnehmer teilnahmen, berichtete ein Team niederländischer Forscher, dass das Gerät mindestens 98% der mit dem Virus infizierten Personen korrekt identifizierte, selbst in einer Gruppe asymptomatischer Teilnehmer. (Die Studie, an der auch Forscher von Breathomix beteiligt waren, wurde noch nicht von Experten begutachtet.)
Aber die SpiroNose hatte eine relativ hohe Rate an falsch positiven Ergebnissen, wie die Studie ergab. Aufgrund dieses Problems bietet das Gerät dem Verbraucher keine definitive Diagnose; die Ergebnisse sind entweder negativ oder nicht eindeutig, in diesem Fall wird ein Standard-Polymerase-Kettenreaktionstest durchgeführt.
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Dutzende von Teststandorten in den Niederlanden verwenden die Maschine jetzt, sagte de Vries, aber es gab einige Schluckauf. Im Mai berichtete Science, dass die Amsterdamer Gesundheitsbehörden die Verwendung der SpiroNose nach 25 falsch negativen Ergebnissen ausgesetzt haben. Beamte stellten später fest, dass Benutzerfehler größtenteils dafür verantwortlich waren, und das SpiroNose-Screening wurde wieder aufgenommen, sagte de Vries.
Andere Gruppen arbeiten an ihren eigenen Alkoholtestern. Forscher des Kinderkrankenhauses von Philadelphia, die bei Kindern einen Atemabdruck von Covid identifiziert haben, versuchen nun, Atemmarker einer seltenen, aber gefährlichen Komplikation der Krankheit zu identifizieren, die als Multisystem-Entzündungssyndrom bei Kindern (MIS-C) bekannt ist.
“Die Kliniker an vorderster Front haben wirklich Schwierigkeiten, um welche Kinder wir uns am meisten Sorgen machen müssen”, sagte Dr. Audrey Odom John, Spezialistin für Infektionskrankheiten am Children's Hospital of Philadelphia, die die recherchieren.
Neben der Untersuchung der VOC-Emissionen von Covid-Patienten analysieren Davis und ihre Kollegen sogenanntes Atemkondensat, eine konzentrierte Lösung der winzigen Flüssigkeitstropfen oder Aerosole, die in der Atemluft vorhanden sind. Diese Aerosole enthalten alle möglichen komplexen biologischen Moleküle, darunter Proteine, Peptide, Antikörper und Entzündungsmarker.
Sie hoffen, Biomarker zu finden, die Ärzten helfen sollen, vorherzusagen, welche Covid-19-Patienten am wahrscheinlichsten schwer erkranken.< /p>
„Ich denke, dass dies ein Teil eines klinischen Arsenals sein wird, in dem Kliniker nicht nur schnelle Diagnosen durchführen können, sondern dann versuchen könnten, zu verstehen, wie sich der jeweilige Patient entwickelt“, sagte sie.
Andere Teams arbeiten daran, Atemtests zu erstellen, die nach dem Virus selbst suchen. Forscher der Washington University in St. Louis entwickeln beispielsweise einen Biosensor, der mit winzigen Antikörperfragmenten oder Nanobodies beschichtet ist, die an SARS-CoV-2 binden. Wenn jemand Viruspartikel ausatmet, sollten sie sich an den Nanokörpern anlagern und den Sensor aktivieren.
Den Geruchstest bestehen
Das Interesse an der Technologie ist groß. Perena Gouma, eine Materialwissenschaftlerin im Bundesstaat Ohio, die die FDA-Zulassung für ihren COVID-19-Alkoholtester beantragt hat, sagte, sie habe bereits von Colleges, Theatern, Sportligen, Reisebehörden und anderen gehört, die das Gerät in die Hände bekommen möchten.< /p>
“Ich glaube nicht, dass es jemanden gab, der von dieser Pandemie betroffen war, der sich nicht über die Aussicht auf einen Atemtest gefreut hat”, sagte sie.
Aber der Ansatz muss noch in größeren Studien validiert werden und grundlegende wissenschaftliche Fragen bleiben unbeantwortet.
„Wenn wir zum Beispiel einen Bluttest machen, ist es gut belegt, dass es einen normalen Bereich gibt für, sagen wir, Hämoglobinspiegel oder Anzahl der weißen Blutkörperchen“, sagte Oliver Gould, ein analytischer Chemiker an der University of the West of England. „Dann ist es natürlich sehr leicht zu erkennen, wenn etwas anormal ist.“
Diese Referenzbereiche für den Atem existieren noch nicht, bemerkte er.
Die Forscher sagten, dass sie nicht erwarten, dass atembasierte Tests andere diagnostische Tests vollständig ersetzen werden.
„Glaube ich, dass in Ihrer Kinderarztpraxis ein Alkoholtester verwendet wird? Wahrscheinlich nicht“, sagte John. „Ich sehe Atemtests wirklich als nützlich, wenn man eine ganze Reihe von Leuten schnell untersuchen muss. Könnten Sie an einem Montag jedes Kind in einer Schule untersuchen? Könnten Sie dies tun, bevor die Leute ein Einkaufszentrum oder eine Hüpfburg betreten?“
Und sobald die Technologie entwickelt und validiert wurde, könnte sie theoretisch zum Screening auf eine Vielzahl verschiedener Krankheiten verwendet werden.
“Die Sache mit einem Atemtest ist, dass Sie, wenn Sie die Technologie haben, sehr schnell das Signal für eine neue Krankheit lernen können”, sagte Thomas.
Die Forschung wird also jetzt durchgeführt langfristige Dividenden zahlen könnte.
„Wir entwickeln die notwendigen Werkzeuge, um uns hoffentlich im Kampf gegen die nächste Krankheit zu helfen“, sagte Edward DeMauro, ein Ingenieur an der Rutgers University, der an einem Covid-Alkoholanalysegerät arbeitet. „Selbst wenn die Pandemie vorbei ist, liegt ein sehr großer Wert darin, sich nicht zurückzulehnen. Das ist nicht die Zeit, um Luft zu holen.“
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