Die Analyse des ausgeatmeten Atems, insbesondere des sogenannten exhalierten Atemkondensats (EBC), stellt eine vielversprechende nicht-invasive Methode zur Erfassung respiratorischer und systemischer Stoffwechselprozesse dar. EBC ermöglicht Einblicke in die Zusammensetzung der Atemwege sowie in metabolische Veränderungen, ohne invasive Eingriffe wie Blutentnahmen. Die kontinuierliche und zuverlässige Erfassung von Biomarkern aus der Atemluft bleibt jedoch technisch herausfordernd. Limitierende Faktoren bisheriger Systeme umfassen eine instabile Kondensation von Feuchtigkeit, eingeschränkte Sensorstabilität in hochfeuchten Umgebungen sowie die Abhängigkeit von Batterien.
Vor diesem Hintergrund untersuchte ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des California Institute of Technology, der Johannes Kepler University Linz und der Hong Kong University of Science and Technology neue Ansätze für ein nachhaltiges und langfristig einsetzbares Monitoring-System. Die Ergebnisse wurden in 'Nature Sensors' publiziert.
Neue Plattform kombiniert Materialinnovation, Sensorsysteme und autonome Energieversorgung
Ziel der Studie war die Entwicklung einer tragbaren Plattform zur mehrtägigen kontinuierlichen Überwachung von Biomarkern im Atemkondensat. Das vorgestellte System („EBClite“) integriert mehrere technologische Innovationen, die zentrale Limitationen bisheriger Ansätze überwinden sollen.
Kernbestandteil ist ein regenerierbares, austrocknungsresistentes poröses Hydrogel, das eine stabile Kondensation von Atemfeuchtigkeit über mehrere Tage ermöglicht. Im Vergleich zu früheren Systemen, bei denen das Hydrogel innerhalb weniger Stunden austrocknete, konnte die Funktionsdauer deutlich verlängert werden.
Zusätzlich wurde ein elektrochemischer Sensor zur Messung von Laktat implementiert, der auch unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit langfristig stabil arbeitet. In Humanstudien wurde die Eignung des Systems zur Erfassung metabolischer Veränderungen untersucht, wobei Laktat als Modellanalyte diente.
Zur Energieversorgung nutzt das System eine ultradünne Perowskit-Solarzelle mit hoher Energieeffizienz, die eine batteriefreie Nutzung unter unterschiedlichen Lichtverhältnissen erlaubt.
Korrelation von Atem- und Blutlaktat nachgewiesen
Die Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation zwischen Laktatkonzentrationen im Atemkondensat und im Blut sowohl unter körperlicher Belastung als auch nach Kohlenhydrataufnahme. So konnte demonstriert werden, dass Veränderungen des systemischen Stoffwechsels in Echtzeit über die Atemanalyse abgebildet werden können.
Die kontinuierliche Datenerfassung ermöglichte zudem die Darstellung dynamischer metabolischer Schwankungen über längere Zeiträume hinweg.
Kontinuierliches Monitoring ohne externe Energiequelle realisierbar
Ein zentrales Merkmal der Plattform ist der vollständig batteriefreie Betrieb. Die integrierte Solarzelle erreicht eine hohe Energieumwandlungseffizienz auch bei Innenbeleuchtung, wodurch ein autonomer Betrieb über mehrere Tage möglich ist.
Nach Angaben der Autoren trägt dies zu einer längerfristigen und autonomen Nutzbarkeit des Systems bei. Gleichzeitig soll die Plattform durch die verlängerte Einsatzdauer und geringere Materialkosten nachhaltiger werden.
Fazit: Atembasierte Überwachung als praktikabler Ansatz
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass eine nicht-invasive, kontinuierliche Überwachung metabolischer Parameter über die Atemluft technisch realisierbar ist. Insbesondere die beobachtete Übereinstimmung zwischen Atem- und Blutlaktat weist auf das Potenzial dieser Methode für die longitudinale Überwachung physiologischer Prozesse hin.
Für die klinische Anwendung bleibt zu klären, in welchem Umfang weitere relevante Biomarker zuverlässig erfasst werden können und wie sich die Technologie in bestehende diagnostische und therapeutische Konzepte integrieren lässt.
