Magengeschwüre, Gastritis und sogar Magenkrebs – diese schwerwiegenden Erkrankungen können durch eine Infektion mit dem Bakterium Helicobacter pylori ausgelöst werden. Bleibt die Infektion lange unentdeckt, drohen ernste gesundheitliche Folgen. Bislang war der Nachweis des Magenkeims jedoch teuer und aufwändig. Forschende der Universität Ulm haben nun ein bahnbrechendes, miniaturisierbares Sensorsystem entwickelt, das Helicobacter pylori schnell, effektiv und kostengünstig über einen mobilen Atemtest aufspürt. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden in der Fachzeitschrift ACS Sensors veröffentlicht.

„Wir haben ein Infrarot-basiertes Sensorsystem entwickelt, das großes Potenzial zur Miniaturisierung bietet und erschwinglich ist“, erklärt Professor Boris Mizaikoff, Leiter des Instituts für Analytische und Bioanalytische Chemie an der Universität Ulm sowie des Hahn-Schickard-Standortes Ulm. Gemeinsam mit seinem Team arbeitet er bereits an einer Smartphone-kompatiblen Lösung, die den Test noch individueller und mobiler gestalten soll.

Ein biologischer Trick als Schlüssel

Helicobacter pylori ist ein Überlebenskünstler: Das säureresistente Bakterium siedelt im Magen und schützt sich vor der aggressiven Magensäure mit einem raffinierten Mechanismus. Es produziert das Enzym Urease, das Harnstoff in Kohlenstoffdioxid und Ammoniak spaltet. Das Ammoniak neutralisiert die Säure, während das Kohlenstoffdioxid als „verräterisches“ Nebenprodukt in der Atemluft nachweisbar wird. Genau hier setzt das Ulmer Forschungsteam an.

Für den Test wird den Probanden markierter Harnstoff mit dem Kohlenstoffisotop 13C verabreicht. Im Gegensatz zum üblichen 12C absorbiert 13C Infrarotlicht bei einer anderen Wellenlänge. „Mit der MIR-Spektroskopie können wir diese Unterschiede messen und so feststellen, ob das Kohlenstoffdioxid aus einer bakteriellen Reaktion stammt“, erklärt Dr. Gabriela Flores Rangel, Postdoc in Mizaikoffs Team und Hauptautorin der Studie. Die Methode nutzt die sogenannte mittlere Infrarotspektroskopie (MIR), die nicht nur kostengünstiger als die bisherige Massenspektrometrie ist, sondern sich auch hervorragend miniaturisiert lässt.

Innovation durch Miniaturisierung

Ein weiterer Clou des Systems ist der Einsatz eines substrat-integrierten Hohllichtwellenleiters (iHWG). Dieser miniaturisierte Reaktionsraum, bestehend aus zwei Aluminiumplatten mit einem eingelassenen Kanal, verstärkt die Interaktion zwischen Infrarotlicht und Atemluft. „Wir haben die Gaszelle bereits von zehn auf drei Zentimeter verkleinert, ohne Einbußen bei der Messgenauigkeit“, betont Mizaikoff. Infrarotdurchlässige Bariumfluorid-Fenster sorgen dafür, dass die Strahlung präzise reflektiert und die Absorption gemessen werden kann. Zukünftig könnten Laser oder Leuchtdioden als Lichtquellen die Miniaturisierung weiter vorantreiben.

Ein Schritt Richtung flächendeckender Anwendung

Bisherige Nachweise von Helicobacter pylori erforderten entweder invasive Magen-Darm-Spiegelungen oder teure, auf Massenspektrometrie basierende Atemtests. Die neue Technologie aus Ulm könnte das ändern. „Die MIR-Spektroskopie ist ideal für die Gasanalyse von Molekülen wie Kohlenstoffdioxid, die Infrarotlicht besonders gut absorbieren“, sagt Flores Rangel. Mit ihrer Entwicklung könnten bald flächendeckende, kostengünstige Tests möglich werden – ein großer Fortschritt für die Diagnostik und Prävention von Magenerkrankungen.

Original Paper:

Gabriela Flores Rangel, Lorena Diaz de León 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.

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Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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