Entwicklung eines Sensors zur Erkennung von Lungenkrebs durch Analyse der Ausatemluft

In Österreich erkranken trotz hoher Standards in der Gesundheitsversorgung und hochwertiger Lebensbedingungen jährlich ca. 4.000 Personen neu an bösartigen Lungentumorerkrankungen. Aufgrund von ausbleibenden Frühwarnsymptomen und fehlenden Screening-Programmen ist Lungenkrebs mit schlechten Prognosen assoziiert. Die 5-Jahres-Überlebensrate liegt nach vorliegender Diagnose bei bescheidenen 20 %.
Die bestehenden bildgebenden Untersuchungsmethoden eignen sich wegen der hohen Strahlenbelastung nicht für regelmäßige Routineuntersuchungen. Biologische Merkmale, die eindeutig mit Prozessen und Krankheitszuständen in Verbindung stehen – sogenannte Biomarker – sind in den Fokus der Forschung gerückt und könnten Alternativen bieten. Bei Lungenerkrankungen ist vor allem die ausgeatmete Luft von Interesse. Sie steht im direkten Kontakt mit Prozessen innerhalb der Lunge bzw. des bronchialen Systems und ändert während des Krankheitsverlaufes geringfügig ihre chemische Zusammensetzung.
Mit chemischen Laboranalysen können diese Veränderungen, die sogenannten flüchtigen organischen Verbindungen detektiert werden. Für eine klinische Implementierung wird an einfach handhabbaren und günstigen Sensorsystemen geforscht. Meist mehrere und unterschiedliche Sensoren sollen die Änderungen in der Atemluft erfassen und mittels Machine Learning-Algorithmen Rückschlüsse auf Erkrankungen erzielt werden. Die Kernaufgabe dieser Arbeit liegt in der Weiterentwicklung eines Sensors, der in einer klinischen Studie vielversprechende Ergebnisse lieferte. Der widerstandsbasierte Sensor besteht aus einem Komposit des reaktiven Materials Tetracosan, der leitfähigen Komponente Kohlenstoff und einem Pflasterspray als Bindemittel. Ein Entwicklungsprozess zur Erhöhung der Sensibilität, der Stabilisierung des Sensormaterials und der Verbesserung der Reproduzierbarkeit wurde durchgeführt.
Das Resultat reagiert breitbandig auf verschiedene flüchtige organische Verbindungen bei konstanter Konzentration mit unterscheidbaren Widerstandsänderungen. Zudem bewirkt die Beaufschlagung mit unterschiedlichen Konzentrationen eines Stoffes differenzierte Reaktionen, die einen eindeutigen Zusammenhang aufweisen. Wiederholungsmessungen und der Vergleich von Sensoren mit gleichem Referenzwiderständen zeigen nahezu identisches Verhalten.
Probleme stellen das deutliche Verfehlen der gewünschten Zielkonzentrationen und der enorme Einfluss von Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit dar. Mögliche Lösungsansätze werden dazu diskutiert.
Eine praktische Einsatztauglichkeit des Sensors ist derzeit nicht gegeben. Die zuversichtlichen Messergebnisse, das Vorhandensein von möglichen Lösungsansätzen für die Problemfelder und die einfache, kostengünstige Bauweise bieten großes Potential für eine weitere und zielführende Entwicklung.
Qualitative Messungen sind die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Sensorentwicklung. Ein vorhandener Messaufbau wurde um einen Zweiten, speziell für die erste Entwicklungsphase erweitert. Die Kombination beider Aufbauten gewährleistet über den gesamten Entwicklungsprozess eine ordentliche Sensorverifikation.

Despite high public healthcare standards and life conditions, lung cancer is with an incidence of approx. 4.000 per year a main issue. Due to unavailable screening-programms and missing early symptoms the prognosis is poor. Only 20 percent of affected people with symptoms have a life expectancy longer than five years.
Because of the high radiation exposure, the standard diagnostic tools are not suited for routine check-ups. Intensive research is going on to find alternatives. Potential candidates could be biomarkers, biological features that are clearly associated with processes and disease states. The exhaled air interacts in the lung respectively the bronchial system and marginal changes of the chemical composition during the disease occur. In case of lung diseases exhaled air could be an ideal biomarker.
Laboratory equipment is necessary to detect these changes of the so called volatile organic compounds. For a clinical use a simpler and manageable solution must be found. An approach is to use different sensors in a system in combination with a machine learning algorithm to make associations with diseases.
The main part of these work was the further development of a simple resistance-based sensor, which showed good results in a preclinical study. The sensor is made of the reactive material tetracosane and carbon powder for the conductibility, bounded by a spray plaster. The focus lies on increasing the sensibility, material stabilization and improvement of the reproducibility.
The resulting sensor reacts wide band with different reactions on diverse volatile organic compounds of the same level. There is a different and correlated change of resistance between graded concentrations of one substance. The results of repeated measurements and of two identically constructed sensors with the same reference resistance are almost identical.
Major problems are the high response threshold, or rather the clear failure of the target concentration and the influence of the relative air humidity. Possible solutions are discussed.
A practical application of the presented sensor is not given. On the other side the general performance is fitted for detecting lung cancer, possible solutions for the disadvantages are available and the sensor is simple to produce and quite cost effective. In conclusion, there exists enough potential to invest more in further development.
Qualitive measurement results are the basic requirement for a straight development process. In addition to the available measurement setup, a second one for the early phase was constructed and built. The combination of both ensures a qualitative verification process.