Nachweis von Lungenkrebs im ausgeatmeten Atem

Sensortechnologie könnte einen Durchbruch bei der nicht-invasiven Lungenkrebsvorsorge bringen

11.11.2024

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Der ausgeatmete Atem enthält chemische Hinweise darauf, was im Körper vor sich geht, einschließlich Krankheiten wie Lungenkrebs. Und die Entwicklung von Methoden zur Erkennung dieser Verbindungen könnte Ärzten helfen, frühzeitige Diagnosen zu stellen - und die Aussichten der Patienten zu verbessern. In einer in der Zeitschrift ACS Sensors veröffentlichten Studie berichten Forscher über die Entwicklung ultrasensibler Sensoren im Nanomaßstab, die in kleinen Tests eine wichtige Veränderung in der Chemie der Atemluft von Menschen mit Lungenkrebs erkennen.

Menschen atmen viele Gase wie Wasserdampf und Kohlendioxid sowie andere Verbindungen in der Luft aus. Forscher haben festgestellt, dass ein Rückgang einer ausgeatmeten Chemikalie - Isopren - auf das Vorhandensein von Lungenkrebs hinweisen kann. Um solch geringe Veränderungen zu erkennen, müsste ein Sensor jedoch hochempfindlich sein und Isoprenwerte im Bereich von Teilen pro Milliarde (ppb) nachweisen können. Außerdem müsste er Isopren von anderen flüchtigen Chemikalien unterscheiden können und der natürlichen Feuchtigkeit des Atems standhalten. Bisherige Versuche, Gassensoren mit solchen Eigenschaften zu entwickeln, konzentrierten sich auf Metalloxide, darunter eine besonders vielversprechende Verbindung aus Indiumoxid. Ein Team unter der Leitung von Pingwei Liu und Qingyue Wang machte sich daran, Sensoren auf Indiumoxidbasis so zu verfeinern, dass sie Isopren auf dem Niveau erkennen, auf dem es natürlicherweise in der Atemluft vorkommt.

Die Forscher entwickelten eine Reihe von Nanoflocken-Sensoren auf der Basis von Indium(III)-oxid (In2O3). In Experimenten stellten sie fest, dass ein Typ, den sie Pt@InNiOx nannten, weil er Platin (Pt), Indium (In) und Nickel (Ni) enthält, am besten funktioniert. Diese Pt@InNiOx-Sensoren:

erkannten Isoprenwerte bis zu 2 ppb, eine Empfindlichkeit, die frühere Sensoren weit übertraf.
Reagierten mehr auf Isopren als auf andere flüchtige Verbindungen, die üblicherweise in der Atemluft vorkommen.
Die Leistung war bei neun simulierten Einsätzen konstant.

Noch wichtiger ist, dass die Echtzeitanalyse der Struktur und der elektrochemischen Eigenschaften der Nanoflakes durch die Autoren ergab, dass die gleichmäßig auf den Nanoflakes verankerten Pt-Nanocluster die Aktivierung der Isopren-Sensorik katalysierten, was zu der hochempfindlichen Leistung führte.

Um schließlich den potenziellen medizinischen Nutzen dieser Sensoren zu demonstrieren, bauten die Forscher diePt@InNiOx-Nanoflocken in ein tragbares Sensorgerät ein. In dieses Gerät führten sie die Atemluft von 13 Personen ein, von denen fünf Lungenkrebs hatten. Das Gerät wies Isoprenwerte von weniger als 40 ppb in Proben von Teilnehmern mit Krebs und von mehr als 60 ppb bei krebsfreien Teilnehmern nach. Diese Sensortechnologie könnte einen Durchbruch bei der nicht-invasiven Lungenkrebsvorsorge darstellen und hat das Potenzial, die Ergebnisse zu verbessern und sogar Leben zu retten, so die Forscher.

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Originalveröffentlichung

Ye Cheng, Raquel Portela, Pingli Wang, Pingwei Liu, Yupeng Mao, Khak Ho Lim, Jieyuan Zheng, Xuan Yang, Gensheng Zhang, Liren Ding, Wen-Jun Wang, Bo-Geng Li, Miguel A. Bañares, Qingyue Wang; "Ultrasensitive In₂O₃-Based Nanoflakes for Lung Cancer Diagnosis and the Sensing Mechanism Investigated by Operando Spectroscopy"; ACS Sensors, 2024-11-6

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