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Nicht-invasive Methode eröffnet neue Möglichkeiten für personalisierte Diagnostik und Therapie
Die Analyse von Blut, Plasma oder Urin eines Menschen dient dazu, seinen oder ihren Stoffwechsel sowie körpereigene Schadstoffbelastungen zu bestimmen. In "Nature Communications" stellt nun ein Team um Christopher Gerner von der Fakultät für Chemie der Universität Wien eine Methode vor, die Fingerschweiß für die Messung individueller metabolomischer Profile und Stoffwechselprozesse nutzt. Beispielhaft werden über die Analyse von Fingerschweiß die Aufnahme und Verstoffwechslung von Koffein sowie dessen Entzündungs-hemmende Effekte beschrieben. In einer weiteren Studie konnten die Autor*innen bereits zeigen, dass sich aus Fingerschweiß auch Inhaltsstoffe aus Nahrung, Medikamenten, bis hin zu Umweltschadstoffen und deren Verstoffwechslung bestimmen lassen.
Lebensmittel, die wir zu uns nehmen, werden im Magen-Darm-Trakt verdaut. Die Moleküle, ob stabil oder enzymatisch ab- und umgebaut, wandern ins Blut und verteilen sich im ganzen Körper. Erstaunlicherweise findet man sehr vieles von dem, was an kleinen Molekülen im Blut transportiert wird, auch im Schweiß. "Im Fingerschweiß kann man Biomoleküle wie Metabolite sehr präzise messen, präziser als etwa im Speichel", sagt Christopher Gerner, analytischer Chemiker der Universität Wien und Leiter der Joint Metabolome Facility der Universität Wien und Medizinischen Universität Wien.
"Der wichtigste Vorteil gegenüber Blut- oder Urinanalysen besteht in der sehr einfachen Risiko- und schmerzlosen Probengewinnungsmöglichkeit. So können wir metabolische Zeitreihenanalysen durchführen, die so bisher noch nicht möglich waren", so der Chemiker.
Die Gewinnung der Schweißproben erfolgt durch ein spezielles Filterpapier, das für nur eine Minute zwischen Daumen und Zeigefinger gehalten wird. Die im Schweiß enthaltenen Moleküle werden dann extrahiert und mittels massenspektrometrischer Analysen innerhalb von wenigen Minuten prozessiert.
Stoffwechselprozesse sind sichtbar
In der aktuellen Studie verabreichten die Forscher*innen ihren Testpersonen Kaffee oder Koffein-Kapseln. Die entsprechenden Zeitreihenanalysen zeigten unterschiedliche kinetische Verläufe der Koffein-Metaboliten und erlaubten eine bioinformatische Netzwerkmodellierung. Daraus konnte das Team schließlich individuelle Profile in Bezug auf Koffeinaufnahme und -Verstoffwechselung erstellen und sogar auf die Aktivität von Leberenzymen schließen.
Der Stoffwechsel ist ein höchst dynamischer Prozess. Daher, so die Studienautor*innen, sind Zeitreihenanalysen, wie sie nun erstmals über die Fingerschweißmethode unkompliziert am Menschen ermöglicht wurden, sehr wichtig. Aus der Methode könnten sich verschiedene Anwendungen für die medizinische Praxis patentieren lassen, die z.B. zur leichteren Erkennung von bestimmten Erkrankungen oder zur Unterstützung von klinischen Studien beitragen. Verschiedene Ansätze werden bereits in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Universität Wien im AKH erprobt.
Individuelle Signaturen
In einer begleitenden Studie hatte das Team der Joint Metablome Facility bereits weitere Beispiele dafür gezeigt, welche Daten aus Fingerschweiß ablesbar sind: "Man kann damit unmittelbar verfolgen, was jemand gegessen hat", so Studienautorin Julia Brunmair: "Es ist zum Teil auch verblüffend: Nach dem Konsum von Erdbeeren war etwa ein nicht mehr zugelassenes Insektizid nachweisbar. Nach konsumierten Orangen konnten wir – im Fall von Bio-Orangen – gesunde Flavonoide und – im Fall von nicht-biologischem Anbau – zudem entsprechende Pestizide nachweisen."
Auch Nikotinkonsum und Metabolismus konnten die Forscher*innen über gemessenes Nikotin und Anatabin im Fingerschweiß von Testpersonen unmittelbar nachweisen. Es ist nicht nur messbar, wie stark ein Mensch Fremdstoffen ausgesetzt ist, sondern auch, wie sein oder ihr Organismus darauf reagiert. Die Forscher*innen nehmen an, dass im Fingerschweiß tausende Metabolite greifbar sind, wobei von ihnen bisher rund 250 identifiziert und mit Standards verifiziert wurden. "Hier werden in absehbarer Zeit noch sehr viele hinzukommen", so Brunmair.
Wegweisend für personalisierte Medizin?
"Das Verfahren hat sich als hoch empfindlich erwiesen und zeigt neue Möglichkeiten auf, individuelle Stoffwechselprozesse sichtbar zu machen, um personalisierte Diagnostik und Therapie zu begleiten", sagt Christopher Gerner. Es könnte etwa Mediziner*innen helfen zu beurteilen, ob Medikamente von Patient*innen so wie vorgeschrieben eingenommen wurden und auch ob die erwarteten Konzentrationswerte im Körper tatsächlich erreicht werden. Eine solche Compliance-Kontrolle könnte speziell für klinische Studien relevant sein, zu deren Durchführung die Joint Metabolome Facility nun durch Fingerschweiß-Analysen beitragen kann. Die vertiefte Anwendung "Artificial Intelligence"-basierter bioinformatischer Verfahren wird wahrscheinlich noch sehr viel mehr molekulare Details über Teilnehmer*innen solcher Studien zutage fördern und verweist auch auf das Zukunftspotenzial dieser multidisziplinären Forschungsbestrebungen.
Univ.-Prof. Dr. Christopher Gerner
Joint Metabolome Facility
Währinger Straße 38, 1090 Wien
T +43-1-4277-523 02
christopher.gerner@univie.ac.at
www.jmef.univie.ac.at
Publikation in Nature Communications
Finger Sweat Analysis Enables Short Interval Metabolic Biomonitoring in Humans: Julia Brunmair, Laura Niederstaetter, Benjamin Neuditschko, Andrea Bileck, Astrid Slany, Lukas Janker, Max Lennart Feuerstein, Clemens Langbauer, Mathias Gotsmy, Jürgen Zanghellini, Samuel M. Meier-Menches, Christopher Gerner (2021)
DOI: 10.1038/s41467-021-26245-4
https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/...
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Chemistry, Medicine
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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