Können elektronische Nasen die nächste Pandemie verhindern?

Elektronische Nasen sind keine neue Erfindung, es gibt sie schon seit vielen Jahren. Sie messen Gaskonzentrationen und werden zum Beispiel zur Identifizierung problematischer Geruchsquellen in Industrieanlagen, der Klärtechnik und der Entsorgungswirtschaft eingesetzt. Sie werden aber auch zur Qualitätskontrolle eingesetzt – zum Beispiel bei Lebens- und Genussmitteln.

Da sich die chemische Zusammensetzung von Körpergerüchen bei Krankheiten verändert, können elektronische Nasen zum Beispiel auch erkennen, ob jemand an Krebs erkrankt ist. Das geht viel einfacher und schneller als mit anderen Nachweisverfahren. Die Wissenschaft ist daher sehr daran interessiert, elektronische Nasen weiterzuentwickeln, denn sie könnten helfen, künftige Pandemien zu verhindern.

Wie ist der Körpergeruch zusammengesetzt?

Die Erfahrung, dass kranke Menschen anders riechen als gesunde, hat wohl jeder einmal gemacht. Schon der alte Grieche Hippokrates, quasi der Urvater aller Ärzte, nutzte den Geruchssinn, um Krankheiten zu diagnostizieren. Er kannte wahrscheinlich noch nicht die chemischen Zusammenhänge, das machte er jedoch durch seine Erfahrung wett.

Wie jeder andere Geruch auch, besteht der Körpergeruch aus flüchtigen organischen Verbindungen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um flüchtige Moleküle, deren Zusammensetzung von verschiedenen Faktoren abhängt. Forschende haben beim Menschen 1.500 Moleküle in der Atemluft, 600 im Schweiß und 440 im Urin nachgewiesen, insgesamt also über 2.500 Moleküle.

Diese Moleküle bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Wasserstoff und weisen eine große strukturelle Vielfalt auf. Es konnten jedoch auch Moleküle aus externen Quellen wie Seifen oder Duftstoffen identifiziert werden.

Was passiert mit dem Körpergeruch bei Krankheiten?

Unsere Nahrung spielt eine wesentliche Rolle in unserem Stoffwechsel. Die aufgenommene Nahrung wird in kleinere Einheiten zerlegt, umverteilt und verarbeitet, um den Energiebedarf unseres Körpers zu decken. Dabei entstehen Nebenprodukte, die unseren Körpergeruch beeinflussen können. Beispielsweise führen schwefelhaltige Verbindungen in Nahrungsmitteln wie Knoblauch oder Zwiebeln dazu, dass Geruchsstoffe über Atem, Schweiß und Urin ausgeschieden werden.

Auch Krankheiten wirken sich auf unseren Stoffwechsel und damit auf die Zusammensetzung der über Atem, Schweiß und Urin ausgeschiedenen Stoffwechselprodukte aus. Diese Veränderungen sind jedoch nicht immer direkt wahrnehmbar. Bei bestimmten Erkrankungen kann eine Veränderung des Körpergeruchs jedoch ein Indikator sein: Ein fruchtiger Atem kann auf Diabetes hinweisen, ein fischiger Geruch auf eine Stoffwechselstörung, das so genannte Fischgeruchssyndrom.

Diese spezifischen Gerüche entstehen durch die Anhäufung chemischer Verbindungen, die der Körper krankheitsbedingt nicht mehr richtig abbauen oder ausscheiden kann. Ähnliche Beobachtungen gibt es auch bei der Parkinson-Krankheit, wobei die genauen Ursachen oder beteiligten Stoffwechselprodukte oft noch unbekannt sind. Mit Hilfe elektronischer Nasen können demnach verschiedene Krankheiten recht einfach unterschieden und diagnostiziert werden.

Wie funktionieren elektronische Nasen?

Elektrische Nasen ahmen die Funktionsweise des menschlichen Geruchssinns nach, indem sie Geruchsmoleküle anhand ihrer chemischen Eigenschaften identifizieren. Wie bei der menschlichen Nase binden sich diese Moleküle an Sensoren, die auf verschiedene Geruchsstoffe reagieren. Die elektrische Nase analysiert die chemischen Reaktionen dieser Bindungen und erstellt daraus spezifische Muster.

Durch maschinelles Lernen werden diese Muster mit einer Datenbank bekannter Gerüche verglichen. Diese Technologie wird bereits in der Praxis eingesetzt, vor allem in der medizinischen Diagnostik. Sie kann beispielsweise Veränderungen im Körpergeruch erkennen, die auf Krankheiten wie COVID-19 hinweisen, indem sie die durch die Krankheit verursachten Stoffwechselveränderungen identifiziert.

Welche Vor- und Nachteile haben elektronische Nasen?

Elektronische Nasen oder auch chemische Sensoren könnten in Zukunft als ergänzende Diagnosewerkzeuge dienen. Sie bieten erhebliche Vorteile, insbesondere in Situationen, in denen schnelle und nichtinvasive Tests erforderlich sind. Ihr Einsatzspektrum reicht von der Erkennung schwerer Krankheiten im klinischen Umfeld, wo größere und präzisere Geräte erforderlich sind, bis hin zur alltäglichen Gesundheitsüberwachung und Früherkennung von Krankheiten wie Demenz oder Parkinson bei älteren Menschen durch kleine, tragbare Geräte wie Pulsmesser oder Smartwatches.

Die kleinen Geräte müssen nicht unbedingt dieselbe Messgenauigkeit aufweisen wie ihre klinischen Pendants, da sie Teil eines umfassenderen Diagnoseprozesses sind. Auch wenn die genaue Rolle und das Potenzial der elektronischen Nase in verschiedenen Anwendungsbereichen noch erforscht werden müssen, zeichnet sich bereits jetzt ihr vielseitiger Einsatz ab. Eine aktuelle Forschungsarbeit aus den USA soll hier kurz vorgestellt werden. Das Forschungsteam geht davon aus, dass damit sogar zukünftige Pandemien verhindert werden können.

Forschung an der University of Notre Dame

An der University of Notre Dame im US-Bundesstaat Indiana läuft eine interessante Forschungsarbeit über elektronische Nasen. Nosang V. Myung, Bernard Keating-Crawford-Stiftungsprofessor im Fachbereich Chemie- und Biomolekulartechnik, leitet die Forschung, die laut Forschungsteam sogar Pandemien verhindern könnte.

Laut Myung wird die elektronische Nase auf bestehenden Technologien aufbauen, die in seinem Labor in Notre Dame entwickelt wurden. Sie wird die herkömmlichen Ansätze zur Prävention und Behandlung von Krankheiten durch eine Echtzeit-Überwachung ergänzen. Um das Gerät zu bauen, werden Myung und sein Team neue, hochempfindliche Materialien entwickeln, bei denen nanotechnologische Verfahren zum Einsatz kommen.

Laut Myung wird das Gerät tragbar und erschwinglich sein, so dass es von Landwirten, Inspektoren in Verpackungsbetrieben, Tierzuchttechnikern und anderen vor Ort eingesetzt werden kann.  „Die Idee ist, die Daten zu nutzen, um schnell kritische Entscheidungen zu treffen, wie etwa infizierte Tiere zu isolieren oder zu behandeln, um die Ausbreitung von Krankheiten zu minimieren“, erklärt Myung.

Erst für Tiere, dann für Menschen

In der ersten Phase des Projekts wird Myungs Team eine elektronische Nase entwickeln, die speziell für die Erkennung der Vogelgrippe entwickelt wurde. Bei einem Ausbruch dieser Krankheit im Jahr 2022 starben mehr als 40 Millionen Tiere und es entstand ein wirtschaftlicher Schaden von 2,5 Milliarden Dollar. Durch die Analyse von Daten sowohl infizierter als auch gesunder Vögel und den Einsatz von maschinellem Lernen soll das Gerät lernen, zwischen diesen Zuständen zu unterscheiden.

Parallel dazu werden Emily Stoler, stellvertretende Direktorin für Risikobewertung am IDEA Center der Universität Notre Dame, und Myungs Team mögliche kommerzielle Anwendungen für die elektronische Nase untersuchen.

In der zweiten Phase des Projekts erweitern die Forscher die Fähigkeiten der elektronischen Nase, so dass sie verschiedene Infektionen bei Tieren und Menschen erkennen kann. Ziel ist ein anpassungsfähiges Überwachungssystem, das an Orten eingesetzt werden kann, an denen ein hohes Risiko für den Ausbruch oder die Ausbreitung von Infektionen besteht. Schließlich soll eine benutzerfreundliche Anwendung entwickelt werden, mit der das Gerät drahtlos über Smartphones gesteuert und die Ergebnisse in Echtzeit angezeigt werden können.

Forschung an der Uni Jena

Zusammen mit Hochschulen in Israel und Finnland arbeitet auch die Friedrich-Schiller-Universität Jena an der Digitalisierung des Geruchsinns. Seit 2022 wird im Projekt „Smart Electronic Olfaction for Body Odor Diagnostics“ (SMELLODI) eine Technologie entwickelt, die das möglich macht. Konkret geht es um intelligente, elektronische Sensoren, die gesunde und durch Krankheit veränderte Gerüche erkennen und digital übertragen können.

„Der menschliche Körpergeruch wird unter anderem durch die Ernährung, aktuelle Entzündungsprozesse und den Hormonhaushalt beeinflusst“, erläuterte die Psychologin Ilona Croy von der Universität Jena, die am Projekt beteiligt ist. Veränderungen im Körpergeruch können frühzeitig auf Krankheiten hinweisen, oft noch bevor andere diagnostische Verfahren Anzeichen erkennen.

Eine so genannte eNose, die solche Veränderungen wahrnimmt, könnte daher wertvolle, bisher in der Medizin kaum genutzte Informationen zugänglich und interpretierbar machen. Die im Projekt SMELLODI entwickelte Technologie wird von den Beteiligten als vielversprechendes Instrument für eine schnelle, direkte und nicht-invasive Diagnose angesehen. Im Jahr 2025 soll das Projekt abgeschlossen sein.