Atem von Kindern zeigt Darmbakterien zuverlässig

Der Atem von Kindern trägt nachweislich eine chemische Signatur, die zuverlässig erkennen lässt, welche Bakterien ihren Darm besiedeln.

Diese Erkenntnis macht aus einem gewöhnlichen Ausatmen einen direkten Hinweis auf die Darmgesundheit und eröffnet Möglichkeiten für schnellere, schonendere Verfahren zur Erkennung krankheitsbedingter Veränderungen der Mikroben.

Atem zeigt Darmbakterien

In Atemproben von Kindern stimmten bestimmte chemische Muster eng mit den Bakterien überein, die ihren Darm bevölkern.

Forschende der Washington University School of Medicine (WashU Medicine) in St. Louis belegten diesen Zusammenhang unmittelbar: Ausgeatmete Luft bewahrt einen nachweisbaren Abdruck der Aktivität von Darmmikroben.

Der leitende Studienautor Dr. Andrew L. Kau trug dazu bei, diese Verbindung anhand von Daten aus Menschen und Tieren zu belegen.

Die Übereinstimmung zeigte sich sowohl bei gesunden Kindern als auch bei Kindern mit Asthma. Damit spiegelte die Atemchemie mikrobielle Unterschiede wider, die bereits als bedeutsam für immunbedingte Erkrankungen bekannt sind.

Gleichzeitig erwies sich das Signal als spezifisch und nicht als umfassend. Bevor der Ansatz weiterentwickelt werden kann, muss daher geklärt werden, welche mikrobiellen Veränderungen sich im Atem abbilden und welche nicht.

Bakterien erzeugen Chemikalien im Atem

Beim Abbau von Nahrung setzen Mikroben Dämpfe frei, die die Darmwand passieren und über das Blut transportiert werden.

Viele davon gehören zu den flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), kleinen Chemikalien, die bei Körpertemperatur leicht verdampfen.

Auch Nahrung, Rauch und Haushaltsprodukte bringen VOCs in die Atemluft ein. Ein Test muss deshalb Signale aus dem Darm von störenden Einflüssen trennen.

Die neue Arbeit verband diese VOC-Muster mithilfe von Stuhlproben und Mäusen mit dem Darmmikrobiom, also der Gemeinschaft von Mikroben im Darm.

Atem von Kindern kartieren

In einer klinischen Pilotstudie sammelte das Team von WashU Medicine Atem- und Stuhlproben von 27 gesunden Kindern im Alter von sechs bis 12 Jahren.

Laboruntersuchungen bestimmten Dutzende VOCs in jeder Atemprobe und ordneten sie den Mikroben im Darm jedes Kindes zu.

Wurde in einer Stuhlprobe eine Mikrobe gefunden, die bekanntermaßen eine bestimmte Verbindung herstellt, tauchte diese Verbindung tendenziell auch im Atem auf.

Da Kinder eine Atemprobe ohne Nadeln oder Abstriche abgeben können, könnte sich dieser Ansatz nach seiner Validierung für Routineuntersuchungen eignen.

Mäuse bestätigen die Quelle

Um nachzuweisen, dass Darmmikroben die Veränderungen im Atem verursachen, nutzten die Forschenden gnotobiotische Mäuse – Tiere, die entweder keimfrei oder mit bekannten Mikroben aufgezogen werden.

Sie übertrugen unterschiedliche Darmgemeinschaften auf keimfreie Mäuse und verfolgten anschließend die VOCs im Atem, während sich diese Gemeinschaften ansiedelten.

Besiedelten dieselben Bakterien mehrere Tiere, wiederholten sich die Atemmuster. Das deutet darauf hin, dass der Darm direkt Chemikalien zur Atemluft beiträgt.

Mausmodelle ermöglichen es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Ernährung und Umwelt zu kontrollieren, können jedoch nicht jeden Alltagsfaktor erfassen, der den Atem beeinflusst.

Mikroben mit dem Atem abgleichen

Das Team grenzte die Fragestellung weiter ein, indem es einigen Mäusen jeweils nur eine Bakterienart zuführte.

Zudem züchteten die Forschenden Darmbakterien in sauerstofffreien Gefäßen, fingen die Luft über den Kulturen auf und verglichen sie mit dem Atem der Mäuse.

In einem Fall atmeten Mäuse, die Escherichia coli trugen, höhere Mengen einer Chemikalie aus, die dieses Bakterium produziert.

Solche Zuordnungen können dabei helfen, schrittweise eine Referenzdatenbank aufzubauen, welche Atemchemikalien mit bestimmten Mikroben verknüpft.

Atemsignale mit Asthma-Bezug

Pädiatrisches Asthma betrifft in den Vereinigten Staaten fast fünf Millionen Kinder, weshalb darmbezogene Signale nicht zu übersehen sind.

In der neuen Studie folgten die Muster der VOCs im Atem den Veränderungen der Darmmikroben, die bei Kindern mit Asthma in Verbindung stehen.

Die Forschenden trainierten den Ansatz mit Atem- und Stuhlproben von 14 Kindern mit Asthma und prüften anschließend, ob allein der Atem diese Mikrobe abbildete.

Ein Atemwert könnte Veränderungen des Mikrobioms markieren, die Symptome verschlimmern könnten – lange bevor Familien über Monate hinweg verschiedene Medikamente ausprobieren.

Schnellere Prüfungen der Darmgesundheit nötig

Ärztinnen und Ärzte warten mitunter mehrere Tage auf Ergebnisse der Stuhlsequenzierung. Daher beginnen Behandlungen oft auf Grundlage von Vermutungen statt anhand eines eindeutigen mikrobiellen Befunds.

Diese Verzögerung verhindert Routinekontrollen auf Dysbiose, also ein ungesundes Ungleichgewicht in der mikrobiellen Gemeinschaft des Darms, bei Adipositas, Asthma und Krebs.

„Eine frühe Erkennung könnte bei Erkrankungen wie Allergien und schweren bakteriellen Infektionen bei Frühgeborenen rasche Maßnahmen ermöglichen“, sagte Kau.

Ein Atemtest könnte Ergebnisse innerhalb weniger Minuten liefern, benötigt jedoch verlässliche Standards für Ernährung, Zeitpunkt und Gerätekalibrierung.

Grenzen, die weiterhin zählen

Der Alltag bringt störende Einflüsse mit sich, und dieses Projekt begann in kleinem Umfang. Die Ergebnisse können daher noch nicht als praxistaugliche Regel für Kliniken dienen.

Die Familien aßen ihre üblichen Mahlzeiten, und das Team nahm Atem- und Stuhlproben teilweise mit einem Abstand von bis zu 24 Stunden.

Die Teilnehmenden fasteten vor der Probenahme 2 Stunden, spülten jedoch nicht den Mund aus, was die Chemie der Atemluft verändern kann.

Größere Studien werden strengere Abläufe und wiederholte Messungen benötigen, um zu zeigen, welche Signale über Tage und Jahreszeiten hinweg stabil bleiben.

Atem in medizinische Werkzeuge verwandeln

Ingenieurinnen und Ingenieure müssen diese Muster nun in ein handliches System übertragen, das Atemproben einheitlich erfasst und Ergebnisse unmittelbar ausliest.

Regulierungsbehörden haben bereits einen COVID-19-Atemtest für Erwachsene zugelassen. Das zeigt, dass Atemchemie regulatorische Anforderungen erfüllen kann.

Der Erstautor der Studie, Ariel J. Hernandez-Leyva, MD/PhD-Student an der WashU Medicine, arbeitete daran, Chemikalien im Atem in ein klinisches Signal zu überführen.

„Die Atemanalyse bietet eine vielversprechende, nicht-invasive Möglichkeit, das Darmmikrobiom zu untersuchen, und kann verändern, wie wir Krankheiten in der Medizin diagnostizieren“, sagte Hernandez-Leyva.

Ein einfacher Atemtest könnte Ärztinnen und Ärzten eines Tages helfen, schädliche Verschiebungen bei Darmmikroben festzustellen.

Bevor dies möglich wird, müssen Forschende bestätigen, dass die Signale bei unterschiedlichen Ernährungsweisen, Altersgruppen und Lebensumgebungen bestehen bleiben, und Geräte entwickeln, deren Nutzung Menschen vertrauen.