Übelriechende Verbindungen

Die Geruchswahrnehmung beruht auf chemischen Substanzen in der Luft, die die Rezeptorzellen des Riechkolbens anregen können. Diese Substanzen, die sich in ihrer Zusammensetzung und ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften unterscheiden, haben zwei gemeinsame Eigenschaften: Flüchtigkeit und Löslichkeit. Es gibt jedoch keine chemische Gleichung, mit der sich bestimmen lässt, ob eine Substanz einen angenehmen oder unangenehmen Geruch hat.

Früher glaubten Ärzte, dass Atemgeruchsstörungen mit Krankheiten in Verbindung stehen könnten, die sie anhand ihres spezifischen Geruchs in der Ausatemluft des Patienten zu erkennen versuchten. Die moderne Atemgasanalyse begann in den 1970er Jahren, als es Linus Pauling (Nobelpreisträger für Chemie) gelang, mehr als 200 flüchtige organische Verbindungen (VOC) nachzuweisen – wenn auch ohne sie zu identifizieren –, die er mithilfe von Gaschromatographie-Verfahren trennen konnte. Damit wurde erstmals nachgewiesen, dass „normaler“ menschlicher Atem ein Gas mit komplexer Zusammensetzung ist.

Die dreitausend Verbindungen des menschlichen Atems.

Heutzutage gibt es moderne Analysegeräte, mit denen sich die verschiedenen vom menschlichen Körper ausgeatmeten Verbindungen identifizieren und messen lassen. Allerdings ist der Einsatz dieser Geräte noch nicht weit verbreitet. Die bekanntesten Tests sind diejenigen, die das Vorhandensein des Bakteriums Helicobacter pylori, die Konzentration von Ethanol und Acetaldehyd (Alkoholtests) sowie Stickstoffmonoxid bei Asthma nachweisen. Derzeit entwickelt sich ein Bereich, der in der wissenschaftlichen Gemeinschaft großes Interesse weckt: die Früherkennung von Lungenkrebs anhand dieser ausgeatmeten Verbindungen.

In den letzten 30 Jahren wurden verschiedene Verbindungen identifiziert, und es wurde festgestellt, dass Ausatemluftproben (von einer und derselben Person) mehr als 200 VOC (flüchtige organische Verbindungen) enthalten können. Bestimmte Faktoren können die Zusammensetzung des menschlichen Atems beeinflussen, wie beispielsweise die körperliche Verfassung der Person, das Vorliegen verschiedener Erkrankungen, der allgemeine Gesundheitszustand, der Verzehr bestimmter Lebensmittel, die Einnahme von Medikamenten, Umweltfaktoren und der Lebensstil. Bis heute wurden mehr als 3000 verschiedene Verbindungen im Atem nachgewiesen. Es ist anzumerken, dass die International Association for Breath Research (IABR) über eine ständig aktualisierte Datenbank verfügt, in der alle flüchtigen Substanzen menschlichen und tierischen Ursprungs gespeichert sind, die in den verschiedenen Analysezentren weltweit entdeckt werden.

Flüchtige Verbindungen

Die in der Ausatemluft enthaltenen flüchtigen Verbindungen lassen sich in drei große Gruppen einteilen:

1. Systemisch bedingte flüchtige organische Verbindungen

Diese Gruppe umfasst alle VOC, die im Blut zirkulieren und entweder über die Lungenbläschen oder durch Ausscheidung über die Speicheldrüsen ausgeschieden werden können. Die aus den Lungenbläschen ausgeatmete Luft besteht im Allgemeinen aus verschiedenen Arten chemischer Verbindungen, darunter organische (Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Aldehyde, Ester, Alkane, usw.), anorganischen (Stickstoffmonoxid, molekularer Sauerstoff, Kohlendioxid usw.) und sogar nicht flüchtigen Verbindungen in der kondensierten Ausatemluft (Isoprostane, Zytokine, Leukotriene, Wasserstoffperoxid usw.). Indirekt können diese Verbindungen auch externen Ursprungs sein, sei es durch Aufnahme über die Haut (als Schadstoffe), durch die Einnahme von Nahrungsmitteln/Medikamenten oder durch Einatmen. Auch in diesen Fällen werden die Verbindungen im Körper metabolisiert und anschließend mit der Ausatmung ausgeschieden.

Die aus den Lungen kommende Luft kann auch flüchtige Verbindungen enthalten, die mit bestimmten Erkrankungen in Verbindung stehen und daher als Biomarker angesehen werden können. Ihre Identifizierung und Messung kann für eine frühzeitige Diagnose hilfreich sein und stellt einen vielversprechenden Forschungsbereich dar, der in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen hat. Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele:

Biomarker	Assoziierte Erkrankungen
Aceton	Diabetes mellitus und Acetonämie
Nitrate und Cyanid	Infektion mit Helicobacter Pylori
Schwefelwasserstoff und Limonen	Lebererkrankung und primäre biliäre Zirrhose
Aliphatische C2-C5-Säuren und Methylmercaptan	Dekompensierte Leberzirrhose
Dimethylamin und Trimethylamin	Urämie und Nierenversagen

2. Flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus externen Quellen

Diese Gruppe umfasst alle VOC, die in die Luft gelangen und systemischen bzw. pulmonalen Ursprungs sind. Die aus den Lungenbläschen kommende Luft kann durch andere Quellen mit flüchtigen Verbindungen angereichert werden, bevor sie über Mund oder Nase ausgeatmet wird. Diese VOCs können bakteriellen Ursprungs sein oder auch nicht, stehen jedoch in der Regel eher im Zusammenhang mit Nekrose- und Fäulnisprozessen. Ihr Ursprung ist vielfältig und kann Organe oder Körperbereiche umfassen, die in irgendeiner Weise mit den Ausatmungswegen in Verbindung stehen, wie beispielsweise die oberen Atemwege, der Mund und der Verdauungstrakt.

Die häufigsten VOCs extrasystemischen Ursprungs, die mit Mundgeruch in Verbindung stehen, sind die Phenole Indol und Estaol, die Proteine Putrescin und Cadaverin sowie Methanhydrogenkarbonat. Diese VOC entstehen in der Regel durch die Einwirkung von Fäulnisbakterien auf körpereigene Proteinverbindungen, die aus Reduktions-, Desaminierungs- oder Decarboxylierungsprozessen stammen. Es gibt eine sehr große Vielfalt dieser Verbindungen. In einer Studie, in der Proben von Bakterienbelägen (gewonnen aus der Zunge und dem Speichel) inkubiert wurden, wurden mehr als 85 VOC identifiziert, die sieben verschiedene Gruppen chemischer Verbindungen repräsentieren.

3. Flüchtige Schwefelverbindungen (VSV)

Flüchtige Schwefelverbindungen (VSV) sind Verbindungen, die Schwefel in ihrer Zusammensetzung enthalten. Aufgrund ihrer Verbreitung und Bedeutung werden sie in der Regel als eigene Gruppe beschrieben. Sie treten vor allem bei Mundgeruch auf, der systemischen oder extrasystemischen Ursprungs sein kann. Die häufigsten sind Schwefelwasserstoff (H₂S), Methylmercaptan (CH₃SH) und Dimethylsulfid ((CH₃)₂S). Die Analyse der Ausatemluft mittels Gaschromatographie hat gezeigt, dass die beiden Erstgenannten für 90 % des Mundgeruchs verantwortlich sind.

Diese Substanzen entstehen durch die Fäulnis organischer Stoffe oder den Abbau von Proteinverbindungen während des Stoffwechsels der Aminosäuren Methionin und Cystein. Die wichtigste intraorale Quelle dieser Verbindungen sind die Fäulnisprozesse von Bakterien, die im Speichel, am Zahnfleisch, auf dem Zungenrücken und an den Schleimhäuten vorkommen. Der Zungenrücken gilt sowohl bei Personen ohne Parodontalerkrankung als auch bei Betroffenen als Hauptort der Entstehung von CSV. Ist Methylmercaptan in der Mundhöhle vorhanden, wird es in der Regel mit Parodontalerkrankungen in Verbindung gebracht.

Die wichtigsten bakteriellen Substrate sind schwefelhaltige Aminosäuren: Cystein, Cystin und Methionin. Diese Aminosäuren kommen in freier Form in den Speichelsekreten und der Clefecularflüssigkeit vor oder entstehen durch die Proteolyse verschiedener Proteine im Speichel. Epithelzellen, die aus der Abschuppung der verschiedenen Epithelien der Mundhöhle stammen, sowie Leukozyten sind ebenfalls eine wichtige Quelle für diese Substrate.

Die Bildung und Freisetzung von CSV scheint von einer Reihe von Faktoren (etwa 74) abzuhängen, wie beispielsweise der Art der Bakterienflora (mit einer höheren Prävalenz anaerober gramnegativer Bakterien) und den physikalisch-chemischen Bedingungen (alkalischer Speichel-pH-Wert, niedriger Sauerstoffpartialdruck und niedriges Redoxpotenzial). Sie scheinen auch vom insgesamt im Speichel verfügbaren Substrat, von der Sulkusflüssigkeit und in geringerem Maße von der Ernährung abzuhängen.

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