Ingenieure lösen zentrale physikalische Hürde bei der Diagnostik von Atemgas
Forscher der University of Notre Dame entdecken, dass die Verdunstung von Biomarkern bei der Tröpfchensammlung die Variabilität der Tests verursacht.
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Ingenieure der University of Notre Dame haben ermittelt, warum Tests mit ausgeatmeter Atemluft häufig inkonsistente Ergebnisse liefern, und damit ein Problem gelöst, das die diagnostische Methode seit Jahrzehnten blockiert. Die Entdeckung liefert die physikalische Grundlage für eine neue Erfindung bei Probensammlern und stellt sicher, dass nichtinvasive Atemmonitore Lungenerkrankungen zuverlässig ohne invasive Eingriffe erkennen können.
Die Suche nach zuverlässiger nichtinvasiver Überwachung
Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung, bekannt als COPD, ist laut Berichtsdetails, die MedicalXpress teilte, die dritthäufigste Todesursache weltweit. Die Überwachung der Erkrankung erfordert in der Regel kostspielige Computertomographien oder Bluttests, die für Patienten unangenehm sind. Schübe können sich schnell entwickeln, was portable Point-of-Care-Diagnostik zu einer dringenden klinischen Innovation für abgelegene und unterversorgte Kliniken macht. Die Sammlung von Exhaled Breath Condensate (Kondensat ausgeatmeter Atemluft), ein in den 1970er Jahren eingeführter Ansatz, kühlt den Atem zu flüssigen Tröpfchen ab, um chemische Biomarker zu messen. Dennoch stockte die klinische Einführung, weil wiederholte Tests beim selben Patienten widersprüchliche Daten lieferten. Jahrzehntelang nahmen Forscher an, biologische Schwankungen seien die Ursache dieser Abweichungen.
„Dies ist ein vielversprechender erster Schritt; der Nachweis, dass es konkrete und messbare Fehlerquellen bei der EBC-Sammlung gibt, zeigt uns, dass wir die Chance haben, ein Standardisierungssystem zu schaffen, das Klinikern eine zuverlässige Nutzung von EBC in der Krankheitsdiagnose ermöglicht“
— Amio Ritwik, Doktorand an der University of Notre Dame
Verfolgung des Biomarker-Verlusts auf Tröpfchenebene
Eine in Nano Letters veröffentlichte Studie des Teams von Jingcheng Ma, Assistenzprofessor am Department of Aerospace and Mechanical Engineering der University of Notre Dame, verlagert die Ursache von der menschlichen Biologie auf die Physik. Mit einem eigens im Interfacial Thermofluids Laboratory gebauten Fluoreszenzmesssystem beobachteten die Forscher das Verhalten der Tröpfchen in Echtzeit. Sie untersuchten zwei physikalische Mechanismen: die Ko-Kondensation, die bestimmt, wie Marker in die Tröpfchen gelangen, und die Verdunstung, die flüchtige Verbindungen in die umgebende Luft entweichen lässt. Die Tests zeigten, dass Tröpfchen innerhalb eines einzigen Atemzyklus erhebliche Biomarker-Konzentrationen durch Verdunstung verlieren, was die langjährige Annahme widerlegt, gesammelte flüssige Proben blieben stabil.
Entwicklung standardisierter Sammelhardware
Die Forscher wiesen nach, dass die Tröpfchengröße direkt bestimmt, wie viele Biomarker erhalten bleiben, während längere Pausen zwischen den Ausatmungen die Verdunstungsverluste erhöhen. Auch Umgebungslufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und die Temperatur der Kondensatorplatte beeinflussen die Probenintegrität. Durch die Quantifizierung dieser Variablen erstellte das Team ein mathematisches Modell, das den Flüssigkeitsverlust von einzelnen Tröpfchen bis hin zu gesamten Kondensatorplatten abbildet. Das Verständnis dieser physikalischen Grenzen ermöglicht es Ingenieuren, ein standardisiertes Medizinprodukt für das klinische Screening zu bauen und damit Erkenntnisse aus dem Labor in eine zuverlässige diagnostische Erfindung zu verwandeln. Das Team der University of Notre Dame plant nun Partnerschaften mit Klinikern und Entwicklern diagnostischer Hardware, um das Design zu patentieren und diese thermodynamischen Modelle in validierte klinische Sammler zu überführen.
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