Der Atem eines Menschen kann eine Menge preisgeben. Jede Ausatmung enthält alle möglichen Verbindungen, einschließlich eventueller Biomarker für Krankheiten oder Lungenleiden, die Ärzt:innen einen wertvollen Einblick in die Gesundheit einer Person geben könnten.

Mittels einer neu entwickelten Maske soll es jetzt für Ärzt:innen möglich sein, den Atem einer Person kontinuierlich und auf nicht-invasive Weise auf diese Signale zu überprüfen. Patient:innen könnten die Maske zu Hause tragen, ihre Werte messen und dann eine/n Ärzt:in aufsuchen, wenn ein Aufflackern der Krankheit wahrscheinlich ist. Die Entwicklung stammt von einem Team am California Institute of Technology (Caltech).

„Sie müssen nicht in die Klinik kommen, um Ihre Entzündungswerte zu messen“, sagt Wei Gao, Professor für Medizintechnik am Caltech und einer der Erfinder der intelligenten Maske. „Das kann lebensrettend sein.“

Die intelligente Maske, deren Details heute in Science veröffentlicht wurden, verwendet ein zweiteiliges Kühlsystem, um den Atem des Trägers zu kühlen. Durch die Kühlung wird der Atem in sogenanntes Atemkondensat (exhaled breath condensate, EBC) umgewandelt.

Der Vorteil: EBC, im Wesentlichen eine flüssige Version des Atems einer Person, ist leichter zu analysieren, da Biomarker wie Nitrit- und Alkoholgehalt in einer Flüssigkeit stärker konzentriert sind als in einem Gas. Das Design der Maske ist inspiriert von der Kapillarfähigkeit von Pflanzen und verwendet eine Reihe von mikrofluidischen Modulen. Sie erzeugen Druck, um die EBC-Flüssigkeit zu den Sensoren in der Maske zu befördern. Die Sensoren sind über Bluetooth mit einem Gerät wie einem Telefon verbunden, über das der/die Patient:in Zugang zu Echtzeit-Gesundheitsdaten hat.

„Die größte Herausforderung war immer das Sammeln von Proben in Echtzeit. Dieses Problem wurde jetzt gelöst. Das ist ein Paradigmenwechsel“, sagt Rajan Chakrabarty, Professor für Umwelt- und Chemietechnik an der Washington University in St. Louis, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Das Caltech-Team testete die intelligente Maske mit Patient:innen, darunter mehrere, die an chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) oder Asthma litten oder gerade eine Covid-19-Infektion überstanden hatten. Sie testeten die Masken auf Komfort und Atmungsaktivität, wollten aber auch sehen, ob die Masken tatsächlich nützliche Biomarker während der täglichen Aktivitäten der Patient:innen, wie Sport und Arbeit, aufzeichnen können.

Die Maske erkannte höhere Nitritwerte bei Patient:innen mit Asthma oder anderen Erkrankungen, die mit entzündeten Atemwegen einhergehen. Außerdem wurde ein höherer Alkoholgehalt festgestellt, nachdem ein Patient etwas getrunken hatte, was eine weitere mögliche Anwendung der Maske zeigt. Die Analyse des Atems auf diese Weise ist genauer als der typische Alkoholtest, bei dem die Personen in ein Gerät pusten müssen. Das kraftvolle Pusten kann zu ungenauen Ergebnissen führen, da der Alkohol im Speichel ausgespuckt wird.

Die Forscher:innen hoffen, dass dies erst der Anfang ist. Sie planen, die Masken an einer größeren Bevölkerungsgruppe zu testen. Wenn alles gut läuft, sollen die Masken vermarktet werden, um sie einem breiteren Publikum zugänglich zu machen. Geht es nach den Vorstellungen der Forscher:innen könnte die Maske eine Plattform für eine breitere Anwendung sein, in die Sensoren für eine Reihe von Biomarkern ein- und ausgebaut werden können.

„Was ich gerne tun würde, ist, ihre Sensoren zu entfernen und meine Sensoren einzubauen, und das wird dann der Grundstein für alle anderen Arten von Entwicklungen“, sagt Albert Titus, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Biomedizintechnik an der University at Buffalo, der nicht zum Caltech-Team gehörte. „Das ist die Richtung, in die ich es gerne sehen würde.“

So könnten beispielsweise Ketone in der Atemluft gemessen werden, deren hoher Gehalt ein Anzeichen für Diabetes ist, oder der Blutzuckerspiegel, um Menschen mit Diabetes bei der Überwachung ihres Zustands zu helfen. „Die Maske kann für viele verschiedene Anwendungen umkonfiguriert werden“, bestätigt Studienautor Gao.