Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Sie sich nicht mehr mit langwierigen, invasiven Tests herumschlagen müssen, wenn Sie vermuten, dass etwas mit Ihrer Gesundheit nicht stimmt. Stattdessen sagt Ihnen Ihr Smartphone oder tragbares Gerät, dass etwas nicht stimmt, bevor Sie irgendwelche Symptome haben, und schlägt vor, dass ein Besuch beim Hausarzt angebracht sein könnte, wodurch Sie wertvolle Zeit gewinnen, um die Krankheit zu besiegen. Eines Tages könnten Sie vielleicht von einem Sensor gewarnt werden, der in Ihren Körper implantiert wird, um Ihre Gesundheit im Auge zu behalten.
Eine solche Welt liegt vielleicht gar nicht so weit in der Zukunft. Der größte Teil der Technologie existiert bereits und war die ganze Zeit direkt vor unserer Nase. Es stützt sich auf eine Ressource, die uns seit Anbeginn der Menschheit begleitet:die Kraft des Geruchs. Wissenschaftler glauben, dass die Erschließung dieser verborgenen Welt der Gerüche den Weg zu einer großen Umwälzung unserer Herangehensweise an die Gesundheitsversorgung ebnen könnte.
Düfte herstellen
Wir strahlen ständig eine Aura aus Hunderten von flüchtigen Chemikalien aus unserer Haut, unserem Atem und möglicherweise sogar unseren Darmmikroben aus. Jeder Geruch besteht aus einem komplexen Cocktail aus Verbindungen – wie ein Rezept mit mehreren Zutaten. Im Allgemeinen sind diese Gerüche für uns zu schwach, um sie wahrzunehmen, aber für Tiere sind wir Geruchswolken an den Beinen, und sie können erkennen, wenn unser Geruch anders als gewöhnlich ist. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Wissenschaftler vermuten, dass sich unser einzigartiges Aroma verändert, wenn wir uns nicht wohl fühlen; jede Krankheit könnte sogar ihre eigene Signatur Pong haben.
„Wenn wir diese chemischen Signaturen herausfinden und die Geruchskraft der Tiere nachahmen können, können wir sie nutzen, um eine frühere Diagnose zu erreichen und vielleicht Leben zu retten“, sagt Prof. James Logan, Leiter der Seuchenkontrolle an der London School of Hygiene and Tropical Medizin. Und genau das haben er und seine Kollegen für eine tödliche Krankheit getan:Malaria.
Abgehört werden
Die Suche beginnt mit der Mücke. Obwohl es unbeliebt ist, hat es einen wichtigen Vorteil:einen hochentwickelten Geruchssinn, mit dem es uns jagt. Es ist diese Effizienz, die es zu einer Bedrohung für das menschliche Leben in den Teilen der Welt macht, in denen es den Malariaparasiten Plasmodium trägt.
Die Fortschritte im Kampf gegen Malaria sind ins Stocken geraten, teilweise weil einige Menschen nicht erkennen, dass sie die Infektion haben, und sie übertragen können, wenn sie erneut gebissen werden. Aber Logan und sein Forscherteam entdeckten, dass jemand, der von einer Malaria-übertragenden Mücke infiziert wird, Chemikalien produziert, die ihren Geruch verändern und sie für andere Mücken noch attraktiver machen.
„Der Malaria-Parasit manipuliert also den menschlichen Körper, um seine Übertragungschancen zu erhöhen“, sagt Logan. In einem Doppelschlag verstärkt Malaria auch den Geruchssinn einer Mücke – umso besser, um ihre menschlichen Opfer zu erschnüffeln.
Die Forscher beschlossen herauszufinden, welche Chemikalien genau die Mücken anlocken. Sie sammelten Geruchsproben von den Füßen malariakranker Kinder und trennten diese Gerüche in ihre Bestandteile. An den Antennen der Mücken wurden winzige Elektroden angebracht, mit denen sie Gerüche wahrnehmen.
Anschließend setzten sie die Moskitos den verschiedenen Komponenten aus und maßen die elektrischen Reaktionen der Geruchsrezeptoren in den Antennen. Es stellte sich heraus, dass die Übeltäter, die die höchste Reaktion auslösten, hauptsächlich Chemikalien namens Aldehyde waren. Diese könnten im Labor synthetisiert und in einer Flasche aufbewahrt werden. Dazu später mehr.
Aber wie machen wir aus einer Mücke ein Diagnosewerkzeug? „Es wäre schön, wenn wir eine Mücke an die Leine nehmen und sie in einer Gemeinde herumführen könnten, um Menschen zu finden, die mit Malaria infiziert sind. Nicht möglich. Aber es gibt ein Tier, mit dem wir das machen können“, sagt Logan. Betreten Sie den Hund – den wohl besten und enthusiastischsten Sensor der Welt.
Laborbericht
Die Nase eines Hundes hat 300 Millionen Rezeptoren im Vergleich zu unseren 5 Millionen. Genauso wie sie auf Flughäfen auf illegale Drogen hinweisen, könnten Hunde darauf trainiert werden, die Knöchel von Menschen auf Malaria zu schnüffeln, sagt Prof. Steve Lindsay von der biowissenschaftlichen Fakultät der Durham University.
Das Team arbeitete mit Forschern in Gambia zusammen, um Körpergeruchsproben von Schulkindern zu sammeln und sie zu bitten, über Nacht Nylonsocken zu tragen. Sie führten auch Bluttests durch, um zu sehen, welches der Kinder den Malaria-Erreger hatte:30 von 175 Kindern wurden positiv getestet. Keines der Kinder hatte Symptome.
Dann überreichten sie die Socken zwei Hunden, die von der britischen Wohltätigkeitsorganisation Medical Detection Dogs (MDD) darauf trainiert wurden, Malaria zu erkennen. Die Hunde erkannten den Malariageruch in 80 Prozent der Proben von Kindern, die positiv auf die Infektion getestet wurden. Unter denen, die keine Infektion hatten, lagen die Hunde zu 91 Prozent richtig.
„Wir glauben, dass der Malariageruch so stark ist, dass die Hunde wahrscheinlich jemanden aus einer Menschenmenge herauspicken können. Wir versuchen also, die Hunde an den Einreisehäfen in Länder einzusetzen, um Menschen aufzuspüren, die den Malaria-Erreger in sich tragen“, sagt Lindsay.
Sobald sie entdeckt werden, können sie behandelt werden, bevor sie die Infektion verbreiten. „Wenn es gut funktioniert, haben wir einen schnellen, nicht-invasiven und erschwinglichen Test, der dabei hilft, Länder malariafrei zu halten“, erklärt er. „Es könnte sogar möglich sein, Malaria auszurotten.“
Abgesehen von der Erkennung von Malaria sind Hunde bereits für ihre Fähigkeit bekannt, Krebs zu erschnüffeln, und werden für mehrere andere Erkrankungen untersucht. Aber sie sind nicht die perfekte Antwort auf all unsere medizinischen Probleme. Sie werden zum Beispiel wahrscheinlich nicht in jeder Hausarztpraxis installiert. Und man kann mit einem Hund nur kurz arbeiten, bevor er die Konzentration verliert. Im Gegensatz dazu kann eine Maschine ewig laufen.
Hier kommt Logans abgefüllter Malaria-Geruch ins Spiel. Die Chemikalien können verwendet werden, um ein Gerät zu entwickeln, das das nachahmt, was die Hunde tun:eine künstliche Nase. Und Malaria ist vielleicht nur die Spitze des Eisbergs. „Wir wissen, dass andere Krankheiten Gerüche haben. Wenn wir die Tiere verwenden können, um uns dabei zu helfen, die richtigen Gerüche zu erkennen, könnten wir Diagnostika für jede dieser Krankheiten entwickeln“, sagt Logan.
Auf der Nase
In Zukunft könnte eine künstliche Nase so einfach sein wie ein Pflaster, das Sie wie ein Pflaster auf Ihrer Haut tragen, oder ein Armband, das die Farbe ändert, wenn es die Chemikalien in Ihrem Schweiß erkennt, oder es könnte eine Smartwatch sein. Es könnte sich sogar um eine tragbare elektronische Nase – eine E-Nase – handeln, die darauf zugeschnitten ist, den charakteristischen Geruch der Krankheit zu erschnüffeln. Prof. Krishna Persaud, Experte für Chemorezeption an der Universität Manchester, hat eine E-Nose entwickelt, die etwa die Größe eines frühen Mobiltelefons hat, und bringt uns dem, was bisher Science-Fiction war, einen Schritt näher.
Laut Persaud ist es uns noch nicht ganz gelungen, einen Tricorder wie den von Star Treks Dr. McCoy verwendeten zu entwickeln, „aber wir sehen uns derzeit eine Reihe von Werkzeugen an, die von Forschern auf der ganzen Welt entwickelt werden und die zur Transformation beitragen werden Medizin für die Zukunft“, sagt er.
Die E-Nase funktioniert, indem sie einen chemischen Fingerabdruck erzeugt, nachdem sie Signale von ihrer „Nase“ – dem Sensor – verarbeitet hat. Wenn ein Geruch auf den Sensor trifft, verändert er das elektrische Signal. Ein Sensortyp verwendet einen kleinen Quarzkristall, der mit einer Frequenz schwingt, die von seiner Masse abhängt. Ankommende Geruchsmoleküle verändern die Masse des Kristalls und die daraus resultierende Frequenzänderung wird gemessen.
Persaud und sein Team entwickeln jedoch einen neuen Sensortyp – einen, der dem, was die Nase eines Tieres riechen kann, besser nachahmt. Mithilfe der Molekularbiologie haben sie Proteine synthetisiert, die natürlicherweise im Nasenschleim von Tieren vorkommen, wo sie Gerüche binden und zu den Geruchsrezeptoren transportieren. Das Ergebnis ist eine superempfindliche bioelektronische Nase, die lernen muss, Veränderungen in Chemikalien zu erkennen, die auftreten, wenn wir krank werden.
Aber ein anderer Wissenschaftler möchte noch einen Schritt weiter gehen, indem er eine Nase in Ihr Telefon steckt. Dr. Andreas Mershin, Direktor der Label-Free Research Group am Massachusetts Institute of Technology in den USA, sagt, dass wir rund um die Uhr mit unseren Smartphones leben, daher ist es sinnvoll, sie zu verwenden, um unsere Gesundheit im Auge zu behalten.
Seine Vision ist es, eine künstlich intelligente, hundeähnliche Nase zu erschaffen. Diese „Nano-Nase“ würde Ihren Geruch ständig von Ihrem Telefon aus überwachen. Es könnte sogar Ihr Leben retten. „Irgendwann könnte es sogar etwas sein, das Sie in Ihren Körper einbauen, damit Sie es nie verlieren“, sagt er.
Mershin hat von den Medical Detection Dogs in Großbritannien gelernt, wie man seine Nanonase perfektioniert, und er und seine Kollegen haben ein Gerät entwickelt, das noch empfindlicher ist als die Nase des Hundes. Aber die E-Nase hat einen grundlegenden Fehler:Sie hat kein Gehirn.
„Wir haben einen großen Fehler gemacht, als wir dachten, die Hunde seien so gut, nur weil ihre Nase so empfindlich ist“, sagt er. „Ein Hund kann lernen, eine Krebsart in einer Probe zu erkennen. Dann kann dieser Hund ohne zusätzliches Training andere Krebsarten spontan erkennen – obwohl sie keine identischen Moleküle haben. Der Hund versteht also etwas mehr als nur die herumfliegenden flüchtigen Stoffe. Das kann keine Maschine leisten.“
Der Schlüssel liegt seiner Meinung nach darin, wie der Hundeführer den Hund trainiert. „Ich möchte, dass das Telefon Ihr Hund ist und Sie der Hundeführer – es lernt Ihre personalisierten Gerüche, damit es Sie warnen kann, wenn sie sich ändern“, sagt Mershin. Es warnt Sie zum Beispiel, wenn ein Muttermal bösartig wird. „Vielleicht sagt dein Telefon:‚Weißt du was, du solltest wahrscheinlich einen Dermatologen aufsuchen, irgendetwas riecht unangenehm‘.“
Die E-Nase könnte das leistungsfähigste Diagnosewerkzeug werden, das bisher entwickelt wurde. Es wird uns ermöglichen, die Verantwortung für das Gesundheitswesen auf den Kopf zu stellen, prognostiziert Mershin. „Indem Sie Ihre eigenen Körpergerüche verstehen, haben Sie die Kontrolle und der Arzt ist die letzte Person, an die Sie sich wenden.“
- Diese Funktion wurde erstmals in der Sommer 2019-Ausgabe von BBC Science Focus veröffentlicht – hier abonnieren .