Mini-Sensor erkennt Magenkeim in Atemluft

Das säureresistente Stäbchenbakterium Helicobacter pylory kann zu Magengeschwüren und im schlimmsten Fall zu Magenkrebs führen. Derzeit finden die Tests auf das Bakterium nur im klinischen Kontext statt. Dabei werden Gewebeproben aus Magen-Darm-Spiegelungen bakteriologisch untersucht. Die invasiven Verfahren sind nicht nur unangenehm. Der diagnostische Nachweis ist außerdem aufwendig und teuer.

Ein Forscherteam um Professor Boris Mizaikoff, Leiter des Instituts für Analytische und Bioanalytische Chemie an der Universität Ulm und des Hahn-Schickard-Standortes Ulm, stellte nun ein Infrarot-basiertes Sensorsystem vor, welches das Bakterium mit Hilfe eines mobilen Atemtests nachweisen kann.

Zur Analyse der Atemluft nutzen die Wissenschaftler ein spektroskopisches Verfahren aus dem mittleren Infrarot-Bereich (MIR), denn die Infrarotspektroskopie ist nicht nur billiger als die herkömmlich dafür eingesetzte Massenspektrometrie. Sie kann auch gut miniaturisiert werden. „Die MIR-Spektroskopie ist besonders gut geeignet für die Gas-Phase-Analytik von Molekülen wie Kohlenstoffdioxid, die Licht im Infrarotspektrum besonders gut absorbieren“, so die Chemikerin Dr. Gabriela Flores Rangel, Postdoc in Mizaikoffs Arbeitsgruppe und korrespondierende Autorin der ACS-Sensors-Studie. Beteiligt an dem Projekt war außerdem Dr. Lorena Díaz de León Martínez, ebenfalls Postdoc am Ulmer Institut.

Für den Nachweis des Bakteriums nutzen die Wissenschaftler einen biologischen Überlebenstrick des Magenkeims, der sich gegen die aggressive Magensäure mit Hilfe von Ammoniak schützt. Ein Enzym, das H. pylori selbst produziert, die Urease, spaltet Harnstoff in Kohlenstoffdioxid und Ammoniak, wobei Wasser verbraucht wird. Die Bakterien nutzen das Ammoniak, eine basisch wirkende Stickstoffverbindung, um die Magensäure chemisch abzupuffern. „Uns interessiert aber das Kohlenstoffdioxid, also das Nebenprodukt der bakteriell angeregten hydrolytischen Katalyse“, so Mizaikoff.

Um dieses Kohlenstoffdioxid von dem zu unterscheiden, das der Mensch ausatmet, nutzen die Forscher ein gebräuchliches Markierungsverfahren. Der Harnstoff, der den Probanden für den Urease-Test verabreicht wird, enthält „markierten“ Kohlenstoff (statt 12C 13C). Das Kohlenstoffisotop 13C absorbiert Infrarotlicht bei einer niedrigeren Wellenlänge als 12C. „Diese Unterschiede in der Absorption können wir mit Hilfe der MIR-Spektroskopie messen. Sie verraten uns, wie viel Kohlenstoff aus dem bakteriell gespaltenen Harnstoff stammt und zeigen damit an, ob eine Infektion mit Helicobacter pylori vorliegt oder nicht“, erläutert Flores Rangel.

Zur Verstärkung der Licht-Gas-Interaktion wurde der Reaktionsraum verkleinert. „Wir konnten die Gaszelle bereits von ursprünglich zehn auf drei Zentimeter verkleinern, ohne dass Messgenauigkeit verlorenging“, so Mizaikoff. Um das Miniaturisierungspotential des Sensorsystems weiter auszuschöpfen, könnten als Lichtquelle für die IR-Spektroskopie auch Laser oder Leuchtdioden eingesetzt werden.

Die Forscher gehen davon aus, dass sich das System so vereinfachen und verkleinern lässt, dass die Kosten für den Smartphone-tauglichen Mini-Sensor auf rund 20 Euro sinken. Damit könnte der Nachweis einer Helicobacter pylori-Infektion schnell und nicht invasiv möglich sein.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Sensors.