De lucht die we uitademen bevat informatie die kan helpen bij de diagnose van ziekte. Onderzoekers van de Fraunhofer Project Hub for Microelectronic and Optical Systems for Biomedicine MEOS ontwikkelen nu oplossingen die zijn ontworpen om de analyse van ademgas voor dit doel mogelijk te maken. Hoewel hun onderzoek zich richt op de vroege opsporing van kanker, hetzelfde principe zou ook kunnen worden toegepast om onderscheid te maken tussen COVID-19 en andere aandoeningen van de luchtwegen.

Sommige ziekten hebben een uitgesproken geur. Een lichtzoete en fruitige acetongeur, bijvoorbeeld, kan duiden op suikerziekte. Inderdaad, er zijn meldingen van artsen in het oude Griekenland die ziekte konden detecteren door de geur van de adem van een patiënt. Deze karakteristieke geuren worden veroorzaakt door bepaalde vluchtige organische stoffen (VOS) die worden uitgestoten door ziek weefsel of de ziekteverwekker zelf voordat de eerste symptomen zich manifesteren.

Uitgeademde lucht geeft een vingerafdruk van het metabolisme van de patiënt

"Veel ziekten veroorzaken een verandering in de samenstelling van de vluchtige organische sporengassen in uitgeademde lucht die als biomarkers kunnen worden gebruikt, " legt Dr. Jessy Schönfelder uit, onderzoeksmedewerker bij Fraunhofer MEOS. "Het is vaak een combinatie van meerdere sporengassen in een significant verhoogde of significant verlaagde concentratie die kenmerkend is voor een specifieke ziekte. Dit staat bekend als de VOC-vingerafdruk of VOC-patroon." Fraunhofer MEOS in Erfurt is een interdisciplinair projectknooppunt met deelname van de Fraunhofer Institutes for Cell Therapy and Immunology IZI, Fotonische microsystemen IPMS, en toegepaste optica en precisietechniek IOF.

Er zijn specifieke markercombinaties voor veel meer ziekten dan ooit werd gedacht. Elk van hen moet nauwgezet worden ontcijferd. Dit is de taak van Schönfelder, een chemicus van opleiding, en haar team. Samen, ze ontwikkelen nu een speciale ionenmobiliteitsspectrometer (IMS) waarmee ze deze VOC-patronen kunnen identificeren. Aangezien elke persoon ongeveer 200 VOS uitademt, dit is zeker geen gemakkelijke klus. De focus van dit onderzoek is de detectie van kanker, in het bijzonder longkanker.

Het onderzoeksteam van Fraunhofer MEOS hoopt dat deze nieuwe technologie een breed scala aan biomarkers zal kunnen detecteren. Ze willen het ook gebruiken om onderscheid te maken tussen COVID-19 en andere luchtweginfecties. Het komt ook voor in het Fraunhofer-clusterproject M3Infekt, die een mobiel ontwikkelt, modulair, multimodaal monitoringsysteem om snel in te kunnen grijpen bij een plotselinge verslechtering van de toestand van COVID-19-patiënten. Verder, het is te hopen dat deze methode van ademgasanalyse een eerste indicatie kan geven van neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer. Dit zou niet alleen een eerdere waarschuwing geven dan bij conventionele methoden zoals bloedonderzoek, maar ook handiger zijn, omdat het alleen vereist dat de patiënt in een buis ademt.

"Er is een enorm potentieel voor sensorsystemen in ademgasanalyse, " legt Schönfelder uit. "IMS-technologie is niet-invasief, gevoelig en selectief. En het is snel, goedkoop en ook compact en draagbaar, dus er is geen reden waarom het niet zou moeten worden gebruikt in medische praktijken en ziekenhuizen. Het eindproduct zal ongeveer zo groot zijn als een schoenendoos."

Een FAIMS-chip met wisselspanning

De kern van dit nieuwe IMS-systeem is een geminiaturiseerde high-field asymmetrische ionenmobiliteitsspectrometrie (FAIMS) chip. Het micro-elektromechanische systeem (MEMS) bestaat uit een ionenfilter en een detector. Het apparaat beschikt ook over een UV-lamp. In eerste instantie, de VOS - gedragen in een draaggas - worden in de spectrometer gepompt, waar ze worden geïoniseerd door middel van UV-licht. Met andere woorden, ze worden omgezet in geladen moleculen. "Deze worden vervolgens naar de FAIMS-chip gevoerd, die is ontwikkeld door Fraunhofer IPMS, ", zegt Schönfelder. "Op de filterelektroden wordt dan wisselspanning aangelegd. Door de spanning op het filter aan te passen, u kunt bepalen welke VOC's de detector bereiken. Dit genereert een VOC-vingerafdruk, waarmee we de ziekte kunnen identificeren waarnaar we op zoek zijn."

Momenteel, het onderzoeksteam werkt aan het verbeteren van het elektronische controlesysteem en het verbeteren van de monsterextractie en monsterverwerking. In de tussentijd, referentiemetingen met celculturen zijn inmiddels succesvol uitgevoerd, en verder onderzoek met klinische menselijke monsters is in de pijplijn. In een recent opgeleverd project bij Fraunhofer IZI, wetenschappers die een vergelijkbare technologie gebruikten, konden zeven verschillende bacteriestammen onderscheiden.

Tegelijkertijd, speciaal ontwikkelde AI-algoritmen zullen naar verwachting de evaluatie van VOC-vingerafdrukken vereenvoudigen. "Elke meting genereert een half miljoen metingen, Schönfelder legt uit. "Dus we willen machine learning gebruiken om deze enorme hoeveelheid gegevens te analyseren." Het algoritme wordt getraind met monsters van gezonde proefpersonen en kankerpatiënten. De resultaten van dergelijke metingen zijn binnen enkele minuten beschikbaar. "En wij kan zich goed voorstellen dat onze ionen-mobiliteitsspectrometer ooit gebruikt zou kunnen worden om vliegtuigpassagiers te screenen om te bepalen of ze besmet zijn met het coronavirus, " zij voegt toe.