Magengeschw眉re, Gastritis und sogar Magenkrebs sind h盲ufig die Folge einer Infektion mit Helicobacter pylori. Bleibt das Bakterium 眉ber l盲ngere Zeit unerkannt, kann dies gravierende Folgen haben. Bisher ist der diagnostische Nachweis allerdings aufw盲ndig und teuer. Forschende der 51本色 haben nun ein miniaturisierbares Sensorsystem f眉r die mobile Analyse von Atemluft entwickelt, das effektiv, schnell und preisg眉nstig ist. F眉r den Nachweis des Bakteriums nutzt das Forschungsteam einen biologischen 脺berlebenstrick des Magenkeims. Wie die Technik funktioniert, demonstriert das Forschungsteam in der.
鈥濿ir haben ein Infrarot-basiertes Sensorsystem entwickelt, das Helicobacter pylori 眉ber einen mobilen Atemtest nachweisen kann. Die Technologie hat gro脽es Potential zur Miniaturisierung und ist kosteng眉nstig鈥�, sagt Professor Boris Mizaikoff. Der Leiter des Instituts f眉r Analytische und Bioanalytische Chemie an der 51本色 und des hat den Mini-Sensor gemeinsam mit Forscherinnen aus seinem Institut entwickelt. Nun arbeitet das Team an einer Smartphone-tauglichen technischen L枚sung f眉r den individualisierten und mobilen Einsatz.
Zur Analyse der Atemluft greifen die Ulmer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf ein spektroskopisches Verfahren aus dem mittleren Infrarot-Bereich (MIR) zur眉ck. Die Infrarotspektroskopie ist billiger als die herk枚mmlich daf眉r eingesetzte Massenspektrometrie und kann gut miniaturisiert werden. 鈥濪ie MIR-Spektroskopie ist besonders gut geeignet f眉r die Gas-Phase-Analytik von Molek眉len wie Kohlenstoffdioxid, die Licht im Infrarotspektrum besonders gut absorbieren鈥�, so Dr. Gabriela Flores Rangel. Die Chemikerin forscht als Postdoc in Mizaikoffs Arbeitsgruppe und ist korrespondierende Autorin der ACS Sensors-Studie. Beteiligt an dem Projekt war au脽erdem Dr. Lorena D铆az de Le贸n Mart铆nez, ebenfalls Postdoc am Ulmer Institut.
F眉r den Nachweis nutzen die Forschenden einen biologischen Trick des Bakteriums
Helicobacter pylori ist ein 脺berlebensk眉nstler. Das s盲ureresistente St盲bchenbakterium siedelt im Magen, einem Ort, an dem unz盲hlige Krankheitserreger sonst den Tod finden. Zum Schutz gegen die aggressive Magens盲ure errichtet der Magenkeim einen chemischen Schild. Dabei hilft ihm ein Enzym, das Helicobacter pylori selbst produziert: die Urease. Das Enzym spaltet Harnstoff in Kohlenstoffdioxid und Ammoniak, wobei Wasser verbraucht wird. Die Bakterien nutzen das Ammoniak, eine basisch wirkende Stickstoffverbindung, um die Magens盲ure chemisch abzupuffern. 鈥濽ns interessiert aber das Kohlenstoffdioxid, also das Nebenprodukt der bakteriell angeregten hydrolytischen Katalyse鈥�, so Mizaikoff.
Um dieses 鈥瀡err盲terische鈥� Kohlenstoffdioxid von dem unterscheiden zu k枚nnen, das der Mensch sowieso ausatmet, greifen die Forschenden auf ein Markierungsverfahren zur眉ck, das in der chemischen Analytik und medizinischen Diagnostik gebr盲uchlich ist. Der Harnstoff, der den Probanden f眉r den Urease-Test verabreicht wird, enth盲lt 鈥瀖arkierten鈥� Kohlenstoff (anstatt von 12C ist das 13C). Bei 13C handelt es sich um ein Kohlenstoffisotop, das Infrarotlicht bei einer niedrigeren Wellenl盲nge absorbiert als 12C. 鈥濪iese Unterschiede in der Absorption k枚nnen wir mit Hilfe der MIR-Spektroskopie messen. Sie verraten uns, wieviel Kohlenstoff aus dem bakteriell gespaltenen Harnstoff stammt und zeigen damit an, ob eine Infektion mit Helicobacter pylori vorliegt oder nicht鈥�, erl盲utert Flores Rangel.
Bislang k枚nnen Tests auf Helicobacter pylori nur im klinischen Kontext durchgef眉hrt werden. Bei den invasiven Verfahren werden Gewebeproben aus Magen-Darm-Spiegelungen bakteriologisch untersucht. Nichtinvasive Tests zur Analyse der Atemluft basieren bislang noch auf Verfahren wie der Massenspektrometrie, die sehr aufw盲ndig und teuer sind.
Zur Verst盲rkung der Licht-Gas-Interaktion wurde der Reaktionsraum verkleinert
Mizaikoff und sein Team setzen f眉r ihr Infrarot-Sensorsystem auf eine weitere Innovation. Um die Reaktion zwischen den Probemolek眉len und der Infrarotstrahlung zu verst盲rken, haben sie den Reaktionsraum verkleinert. Zum Einsatz kommt dabei ein sogenannter Substrat-integrierter Hohllichtwellenleiter (iHWG). Der Reaktionsraum besteht aus zwei Aluminiumplatten, die mit einer Epoxidharzverbindung luftdicht verschlossen sind. In der Bodenplatte ist ein Kanal eingelassen, durch den die Atemluft geleitet wird und der gleichzeitig als miniaturisierte Gaszelle und IR-Lichtwellenleiter dient. An den Seiten sorgen Infrarotlicht-durchl盲ssige Bariumfluorid-Fenster daf眉r, dass die MIR-Strahlung entlang des Kanals reflektiert wird und die vom markierten und unmarkierten Kohlendioxid absorbierten Wellenl盲ngen messen kann. 鈥濿ir konnten die Gaszelle bereits von urspr眉nglich zehn auf drei Zentimeter verkleinern, ohne dass Messgenauigkeit verlorenging鈥�, betont Mizaikoff. Um das Miniaturisierungspotential des Sensorsystems weiter auszusch枚pfen, k枚nnen als Lichtquelle f眉r die IR-Spektroskopie auch Laser oder Leuchtdioden eingesetzt werden.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich das System so vereinfachen und verkleinern l盲sst, dass die Kosten f眉r den Smartphone-tauglichen Mini-Sensor auf rund 20 Euro sinken. F眉r alle Menschen, die mit einer Helicobacter pylori-Infektion zu k盲mpfen haben, ist das eine gute Nachricht: In Zukunft wird der Magenkeim schnell und einfach mit einem mobilen Atemtest nachzuweisen sein; was f眉r eine Hilfe f眉r die Diagnostik und Therapie!
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Boris Mizaikoff, Leiter des Instituts f眉r Analytische und Bioanalytische Chemie, 51本色, E-Mail: boris.mizaikoff(at)uni-ulm.de
Publikationshinweis:
Gabriela Flores Rangel, Lorena Diaz de Le贸n Martinez, Boris Mizaikoff. Helicobacter pylori Breath Test via Mid-Infrared Sensor Technology, in: ACS Sensors, 2025 Feb 28; 10(2):1005-1010;
doi: 10.1021/acssensors.4c02785. Epub 2025 Feb 8.
Text und Medienkontakt: Andrea Weber-Tuckermann