SIEMENS

Für häufige Arztbesuche hat Prof. Dr. Maximilian Fleischer derzeit ganz besondere Gründe: Der Forscher von Siemens Corporate Technology in München schaut den Medizinern oft bei der Arbeit über die Schulter und diskutiert mit ihnen, wie sie Krankheiten diagnostizieren und behandeln, und welche Messtechnik dabei hilfreich sein könnte. „Zum Beispiel gibt es noch keine zuverlässige Frühdiagnose für Lungenkrebs“, sagt Fleischer. „Treten erste Symptome auf, ist es meist schon zu spät. Die mittlere Überlebensdauer nach der Diagnose beträgt nur rund zwei Jahre.“ Dabei wäre auch Lungenkrebs heilbar, wenn man ihn nur früh genug erkennen könnte.

Auch im Fall der gefährlichen Lungenkrankheit Tuberkulose kann eine späte Diagnose fatale Folgen haben. „Der Patient ist lange unerkannt ansteckend und überträgt die hoch infektiöse Krankheit auf andere Menschen“, erklärt der Forscher. Einem aktuellen Bericht der Weltgesundheitsorganisation WHO zufolge sterben jeden Tag 3.800 Menschen an Tuberkulose, vor allem in Entwicklungsländern. Zwar ist die Zahl der Neuinfektionen rückläufig. Die Brisanz nimmt dennoch zu, denn immer mehr Bakterienstämme, die die Krankheit auslösen können, zeigen sich gegen gängige Antibiotika resistent. Ganz oben auf der Wunschliste der Mediziner steht deshalb eine Diagnosemethode, mit der die lebensbedrohlichen Lungenkrankheiten früh und einfach erkannt werden können – zum Beispiel mit einer Atemprobe. Fleischers Team arbeitet deshalb an Geräten, die den Atem analysieren.

Die Siemens-Forscher haben sich dabei eines buchstäblich tierischen Tricks bedient. „Dass bestimmte Krankheiten an Geruchsveränderungen des Atems erkannt werden können, ist in der chinesischen Medizin schon seit zweitausend Jahren bekannt“, berichtet der Siemens-Forscher. Spätestens seit das medizinische Fachblatt Lancet von einem Hund berichtete, der bei seinem Frauchen Hautkrebs „diagnostizierte“, läuft die Suche nach den verräterischen Ausdünstungen des menschlichen Körpers weltweit auf Hochtouren. In der Regel handelt es sich um Cocktails aus vielen verschiedenen, hoch komplexen Molekülen, die alle auch im Atem oder in den Körperausdünstungen gesunder Menschen zu finden sind, nur eben in anderen Mengenverhältnissen.

Die meisten Forschergruppen versuchen heute, diese verdächtigen Substanzgemische mit Sensorarrangements aus acht bis zehn verschiedenen Sensoren zu erfassen. „Das funktioniert aber noch nicht ausreichend gut“, berichtet Fleischer. Die Siemens-Wissenschaftler setzen deshalb außerdem auf eine klassische Analysemethode aus dem Chemielabor: die Quadrupol-Massenspektroskopie. In diesem Gerät wird die Atemprobe zunächst mit elektrisch geladenen Quecksilberteilchen traktiert. Dabei laden sich die Substanzen in der Probe elektrisch auf. Die geladenen Teilchen werden dann durch ein elektrisches Feld geschickt und prallen schließlich auf einen Detektor. Weil sie unterschiedlich schwer sind, werden sie auf ihrem Weg auch unterschiedlich stark abgelenkt und landen an verschiedenen Stellen des Detektors. Das Ergebnis ist ein charakteristisches Aufprallmuster: eine Art Fingerabdruck, der statt Verbrechern Krankheiten entlarvt.

Erste Tests mit Atemproben von Krebs- und Tuberkulosepatienten verliefen vielversprechend. „Um aber sicher zu sein, dass die Methode wirklich funktioniert, müssen wir weitere Proben von mehreren hundert Patienten nehmen“, berichtet Fleischer. Möglich wäre zum Beispiel, dass die Konzentrationen des charakteristischen Gascocktails auch von Geschlecht, Alter, Herkunft oder von den Essgewohnheiten abhängen. Die Forscher wollen außerdem sicher wissen, ob diese Art der Diagnose auch für Raucher taugt. Bestätigen sich die ersten Ergebnisse der neuen Methode, kann es sehr schnell gehen. Denn die Spektrometertechnik auf etwa Koffergröße zu schrumpfen und die Software für den Einsatz in Arztpraxen und Kliniken zu perfektionieren, ist laut Fleischer handwerkliche Routine. Derweil wollen die Wissenschaftler schon einmal prüfen, ob die neue Methode auch für weitere Diagnosen taugt. Ihr Ziel ist ein universelles Gerät, das eine große Bandbreite an Diagnosemöglichkeiten bietet: Es soll dann nicht nur Krebsarten erkennen können, sondern auch Allergien oder Infektionen.

Asthma früh erkennen. Ein Vorläufer dieser Atemanalyse ist ein Gerät für Asthmapatienten, das kurz vor dem Sprung in die Praxis steht. Es erkennt, wenn sich ein Asthmaanfall anbahnt, und kann, weil es nicht größer als eine CD-Box ist, leicht überallhin mitgenommen werden. „Um den Asthma-Status eines Patienten zu erkennen, muss man im Grunde nur den Anteil einer einzigen und dazu noch recht einfach detektierbaren Molekülsorte feststellen“, erklärt Fleischer. Die Substanz heißt Stickstoffmonoxid (NO) und kann bereits etliche Stunden vor einem Asthmaanfall auf das Fünffache der Normalkonzentration steigen. Dieses Gas ist ein sicherer Indikator für Entzündungsprozesse in den Atemwegen.

Das neue Gerät enthält einen Sensor, der so klein wie ein Fünf-Cent-Stück ist und Phtalocyanin-Farbstoffe enthält. Diese blauen Farbstoffe, die zum Beispiel auch zum Eierfärben genutzt werden, binden NO hoch selektiv und verändern dabei ihre elektrischen Eigenschaften. „Und das können wir leicht messen“, sagt Fleischer. Denn die Farbstoffe sitzen auf einem Mikrochip, der sogenannte FET-Transistoren enthält. Wenn sich NO-Moleküle anlagern, misst der FET-Transistor eine hohe elektrische Spannung und sendet ein Signal an die Auswerteelektronik.

Der Sensor ist sehr empfindlich: Normalerweise gibt es im menschlichen Atem höchstens 30 NO-Moleküle unter einer Milliarde anderer Moleküle (30 ppb). Steigt die Konzentration auf 100 ppb, merkt dies der Sensor bereits. Das ist so, als ob man die Moleküle eines Zuckerwürfels in einem großen Swimmingpool finden wollte. Auf andere Stoffe wie Alkohol, Aceton oder Mundgeruch reagiert der Sensor nicht. Einen Prototypen gibt es bereits. Mit dem Gerät wären Betroffene künftig besser gegen üble Asthmaattacken gewappnet und könnten rechtzeitig hoch dosierte bronchienerweiternde und entzündungshemmende Medikamente inhalieren.

Ähnlich einfach wie der Asthmadetektor könnte auch ein Sensor funktionieren, der beim Lauf- oder Krafttraining anzeigt, ob der Körper nicht nur die Grundsubstanz von Kohlenhydraten, die Glucose, verbrennt, sondern auch Fett – und das im optimalen Verhältnis von etwa 40 zu 60 Prozent. Gewichtsbewusste Fitnessfans müssten dann nur in ein etwa handy-kleines Gerät pusten, das die Konzentration von Aceton im Atem misst. Aceton dürfte den meisten als Lösungsmittel bekannt sein, ist aber auch ein Stoffwechselprodukt. „Eine Konzentration von etwa einem ppm, also einem Molekül Aceton in einer Million anderer Moleküle der Atemprobe, ist ideal, um beim Sport tatsächlich auch abzunehmen“, betont Fleischer. Den Sensor zu bauen, sei kein Problem. Die Forscher halten zurzeit nach Partner-Unternehmen für eine Serienproduktion Ausschau.

Ein anderes Schwerpunktthema von Fleischers Team ist eine Messtechnik, die bei schwierigen Operationen buchstäblich Licht ins Geschehen bringt. „Es geht zum Beispiel darum, bei Operationen von Gehirntumoren besser als bisher zwischen gesundem und krankem Gewebe unterscheiden zu können“, berichtet der Wissenschaftler. Mit einem gängigen Operationsmikroskop ist diese Grenze nur sehr schwer auszumachen, was schlimme Folgen haben kann. Denn schneidet der Chirurg zu wenig weg, kann der Krebs erneut wachsen. Entfernt er zu viel, können wichtige Gehirnareale ausfallen. Eine bessere Sicht auf die Gewebestruktur ist Fleischer zufolge aber auch bei anderen Operationen wichtig, etwa im Rachen-raum, da hier die Stimmbänder gefährdet sind, oder bei Prostataoperationen, bei denen ein falscher Schnitt zu Inkontinenz führen kann.

Gewebeanalyse per Licht. Helfen soll eine Technologie aus der Messtechnikschmiede von Siemens, die auch als Analysegerät für Lebensmittelkontrollen taugt. Das Gerät zeigt unter anderem charakteristische Gewebestrukturen an – so lässt sich erkennen, wie frisch eine Fleischprobe ist und von welchem Tier sie stammt. Die Sonde ist etwa so groß wie ein Kugelschreiber und enthält einen Lichtleiter, über den Licht aus dem Spektrum des nahen Infrarot zur Operationsstelle geschickt wird. Nah- infrarotlicht dringt in die obersten Millimeter des Gewebes ein und ist anders als etwa Röntgenstrahlung völlig harmlos.

Informationen über die Gewebestruktur liefert das Licht, das vom Gewebe auf die Sonde zurückgeworfen und zu einem Infrarotspektrometer geleitet wird. „Welche Wellenlängen des Lichts geschluckt und welche reflektiert werden, hängt unter anderem von der molekularen Ordnung der Zellwände ab“, erklärt Fleischer. „Weil Tumore sehr schnell wachsen, sind die Zellwände nicht so gleichmäßig aufgebaut wie in gesundem Gewebe, und das können wir mit unserer Methode sichtbar machen.“ Trifft das Licht des Sensors auf die Tumorgrenze, lässt sich diese auf weniger als einen Millimeter genau erkennen.

Die Feuerprobe hat der Lichtsensor schon bestanden. Mit seiner Hilfe konnten Chirurgen bei Patienten mit Tumoren im Rachenraum die Grenze zwischen krankem und gesundem Gewebe bereits sehen. Und Versuche an Ratten zeigten, wie gut sich damit ein Gehirntumor abgrenzen lässt. An Menschen mit Gehirntumoren konnte die neue Methode indes noch nicht getestet werden, weil das Laborgerät für diese Art Operation nicht ausreichend sterilisiert werden kann. „Es müsste bei hohen Drücken und Temperaturen gereinigt werden, und das überstehen vor allem die Verbindungen der optischen Elemente noch nicht“, sagt Fleischer. Sind auch die kommenden Tests erfolgreich, wollen die Wissenschaftler schnell sterilisierfähige Geräte bauen lassen, und dann in klinische Tests gehen. Läuft alles wie geplant, könnten dann erste Modelle der neuen Chirurgie-Assistenten schon in ein paar Jahren Einzug in die Operationssäle halten.