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Genetische Fingerabdrücke (DNA-Typisierung, DNA typing)

von Dr. Mark Benecke

Dies ist eine Rohfassung. Das Original erschien mit sechs Abbildungen in FORSCHUNG IN KÖLN, Zeitschrift der Universität zu Köln Nr. 2/1996, S. 16-21. Per Klick weitere DNA-Artikel des Autors. 

Im Souterrain des Institutes für Rechtsmedizin befinden sich die Labore der DNA-Forschungsgruppe. Das Ziel der dort arbeitenden Wissenschaftler ist die Typisierungen des Erbgutes, die früher auch als «Genetischer Fingerabdruck» bezeichnet wurde. Das Verfahren dient unter anderem der Identifizierung von Lebenden und Toten, der Zuordnung verstreuter Leichenteile sowie der Klärung fraglicher Vater-
oder Mutterschaften. Schon die ersten mittels der DNA-Typisierung gelösten Fälle erregten ein breites Interesse, das auch außerhalb der Forschung bis heute anhält, was z.B. die großen Artikel in der ZEIT
(16/1995) und im SPIEGEL (13/1996) zeigen.
Die 1986 von Prof. Staak mit Prof. Berghaus und Frau Dr. Prinz gegründete DNA-Forschungsgruppe war eine der ersten, die die neue Methode der Individualidentifikation in Deutschland anwandte. 

Von Anfang an waren die Mitarbeiter im Labor Biologinnen: Dr. Mechthild Prinz, Dr. Cornelia Schmitt (die als eine der ersten den vor wenigen Jahren an der Universität Köln eingeführten Titel «Doctor rerum medicinalium» erwarb) sowie die Technische Assistentin Carmen Broicher waren das Team der ersten Jahre. 

Drei klassische Sonderfälle 

Die am häufigsten nachgefragte Untersuchung ist der Vaterschaftstest. Dabei soll festgestellt werden, ob ein Mann der Vater eines Kindes ist. In sehr seltenen Fällen kann aber auch die Mutterschaft, Großvaterschaft oder dergleichen ermittelt werden. Drei besondere Fälle sollen zeigen, welche Spezialfragen das Institut für Rechtsmedizin der Universität zu Köln neben den Vaterschaften untersucht. 

Fall 1: Nach der Vergewaltigung einer Frau durch mehrere Männer in einer Restauration des Kölner Unicenters im Jahr 1991 konnte die Kriminalpolizei keine Fingerabdrücke, dafür aber einige Spermaspuren
aus dem Teppich sowie Papiertüchern sicherstellen. Die DNA-Typisierung, also der Vergleich der Erbsubstanz aus den Spermaspuren mit der aus Vaginalabstrichen der Frau, ergab, daß drei Männer die Tat begangen hatten. Zunächst konnten nur zwei der Männer gefaßt werden. Als sich der dritte Täter 1993 in einer Wirtschaft in Belgien seiner Tat brüstete, wurde auch er festgenommen und untersucht. Von den Spuren, die 1991 entdeckt worden waren, war noch genügend Material aufbewahrt worden. Auch die Erbsubstanz des Betreffenden konnte mit derjenigen in den Spuren zur Deckung gebracht werden. In
diesem schwierigen Fall (die Spuren waren bereits zwei Jahre alt, der Betreffende bestritt die Tat, das Sperma und damit das Erbgut dreier Personen war vermischt mit der aus Zellmaterial und Sekreten stammenden DNA der Frau) konnte das Kölner DNA-Labor den entscheidenden Beweis für die Tataufklärung liefern. 

Im zweiten Fall wurden zwischen Juni 1987 und Juni 1994 mehrere Teile einer menschlichen Leiche aufgefunden (Spielplatz, Abbruchgelände, Keller). Die Einzelteile paßte anantomisch gut zusammen, waren aber sehr verschieden erhalten. Während zwei komplette, in Platiktüten eingehüllte Unterschenkel samt Füßen durch den Luftabschluß kaum zersetzt waren, war der Schädel fast vollständig skelettiert.
Brustwand, Bauchdecke, Becken und weitere elf Leichenteile befanden sich in einer blauen Plastiktonne mit Ringverschluß und waren fualleichenkonserviert. Die DNA-Typisierung bestätigte die rechtsmedizinische Untersuchung: Die Leichenteile stammten von einer einzigen Person. Darüberhinaus zeigte die DNA- Typisierung, daß ein Blutfleck auf einem Kissen, das in der Nähe des Tatortes gefunden wurde, mit einer Wahrscheinlichkeit von eins zu dreihundert von der Verstorbenen stammte. 

Ein geplatztes Kondom brachte die Ermittlungen in einem dritten Fall voran. Vor der Polizei gab eine Frau an, von einem Bekannten vergewaltigt worden zu sein. Der beklagte Mann sagte aus, daß davon keine Rede sein könne. Man habe sogar gescherzt und spaßhalber ein geplatztes Kondom aufbewahrt, "um gegebenenfalls den Hersteller zu verklagen". Tatsächlich konnte der Beklagte das Kondom vorweisen. Die DNA-Typisierung ergab, daß an dem Kondom sowohl Erbsubstanz des Mannes als auch der Frau haftete. Die Einlassung der Frau, daß kein Kondom benutzt worden sei, wurde dadurch erschüttert. 

Was ist ein genetischer Fingerabdruck? 

Ausgangspunkt ist die Erbsubstanz DNA, ein extrem langes, fadenförmiges Molekül, das recht stabil ist. Ein DNA-Strang besteht aus Basen (Nukleotiden), die an einem molekularen Rückgrat aufgereiht sind.In der Regel gewinnt man die für genetische Fingerabdrücke erforderliche DNA aus den Kernen weißer Blutzellen (Leukozyten). Sind die zu untersuchenden Personen am Leben (z.B. bei Vaterschaftsuntersuchungen), so genügt es, den Betreffenden einige Milliliter Blut abzunehmen. Auch Leichen oder flüchtige Täter können auf diese Weise typisiert werden, da selbst getrocknete Blutspuren oft
noch genügend DNA enthalten. Zur Not genügen bereits Knochen, Haare, Reste von Körpergewebe, eingetrocknetes Sperma oder Vaginalzellen, um genetische Fingerabdrücke herzustellen. Brandleichen
können auf diesem Weg identifiziert und - etwa im Fall einer Flugzeugkatastrophe - abgetrennte Gliedmaßen dem passenden Körper zugeordnet werden. 

Die DNA-Fäden werden zunächst mit Schneideenzymen in Hunderte von Bruchstücken verschiedener Länge zerlegt. Um diese Bruchstücke zu sortieren, werden sie in den Schlitz eines Gels gefüllt und unter Strom gesetzt (Elektrophorese). Kleine DNA-Stücke wandern schneller zum elektrischen Pluspol als große; nach einigen Stunden sind so alle Fragmente ihrer Länge nach angeordnet.  Um den Castro-Fall aufzuklären, wurden vier DNA-Proben in nebeneinanderliegende Schlitze eines Gels gebracht und aufgetrennt: Die DNA der beiden Opfer, des mutmaßlichen Täters sowie der Blutspur. 

Um die DNA der Untersuchten zu vergleichen, folgt ein letzter experimenteller Schritt. Zwischen den Bausteinen der DNA, den Basen, herrschen Anziehungskräfte; jeweils eine bestimmte Base zieht eine  andere bestimmte Base an, man spricht von "komplementären Basenpaarungen". Der Fingerprinter taucht das Gel daher in eine Lösung, die sehr kurze DNA-Stücke - sogenannte Sonden - enthält. Diese werden von komplementären DNA-Fragmenten im Gel angezogen. 

Bis zu diesem Augenblick ist der genetische Fingerabdruck nichts als eine milchigerweiße Membran, denn DNA ist farblos. Daher werden die angedockten Sonden durch eine Farbreaktion sichtbargemacht;
es entsteht ein Muster dünner farbiger Streifen - der genetische Fingerabdruck. 

Je mehr Streifen der genetischen Fingerabdrücke zweier Menschen übereinstimmen, desto näher sind diese miteinander verwandt. Der genetische Fingerabdruck jedes Menschen setzt sich je zur Hälfte aus
dem Streifenmuster der Mutter und des Vaters zusammen; nur eineiige Zwillinge haben dieselben genetischen Fingerabdrücke. 

Zur Geschichte der Methode

Die Bezeichnung "genetischer Fingerabdruck" ist eine Wortschöpfung des Pioniers auf diesem Feld, Professor Alec Jeffreys von der Universität Leicester. Das individualspezifische Strichmuster erinnerte
Jeffreys an die für jede Person einmalige Anordnung der Erhebungen und Vertiefungen der Haut von Fingerkuppen, die echte Fingerabdrücke hervorrufen. Die heute untersuchten DNA-Bereiche erzeugen andere Bilder: Pro untersuchtem DNA-Ort entstehen nur ein bis zwei Striche, welche die betreffenden Allele darstellen.  Der erste praktische Einsatz «genetischer Fingerabdrücke», der 1985 in der gesamten Presse bis hin zum angesehenen Wissenschaftsjournal Nature für ein ungewöhnlich großes Aufsehen sorgte, rechtfertigte die Namensgebung. Damals wurde in England das Einwanderungsgesuch eines Jungen aus Ghana geprüft. Keine der herkömmlichen Identifikationstechniken konnte Auskunft geben, ob die angebliche Mutter des Jungen nicht etwa seine Tante war; in diesem Fall wäre die Einreise nicht gestattet worden. Der Vater des Kindes war unbekannt, was den Fall zusätzlich komplizierte. 

Professor Jeffreys verglich nun die
genetischen Fingerabdrücke der potentiellen Mutter und dreier ihrer Kinder mit denen des Jungen. Heraus kam nicht nur, daß der Junge wirklich das Kind der Frau war; Professor Jeffreys konnte sogar den genetischen Fingerabdruck des unbekannten Vaters rekonstruieren. 

Möglichkeiten und Unmöglichkeiten 

Die beim genetischen Fingerabdruck untersuchten DNA-Bereiche sind sich selbst wiederholende Basenfolgen ("Tandems"), die im Gegensatz zum restlichen Genom häufig ihre Länge verändern. Diese
DNA-Sequenzwiederholungen können aber meist nur untersucht werden, wenn eine ausreichende Menge DNA verfügbar ist, zum Beispiel bei Verwandtschaftsfragen zwischen lebenden Personen. Liegen
dagegen nur allerwinzigste Spuren vor, etwa eingetrockneter Speichel auf der Rückseite einer Briefmarke oder Partikel einer Mumie, so muß die DNA zunächst vervielfältigt werden. Dies geschieht durch die
Polymerasekettenreaktion (PCR), für die der charismatische Forscher Kerry Mullis 1993 den Nobelpreis erhielt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Fingerabdrücken sind PCR-Fingerabdrücke zeitsparend
und ersetzen jene daher zunehmend. Auch die Sequenzbestimmung von DNA-Abschnitten wird gelegentlich als genetischer Fingerabdruck benutzt. 

Zur Sicherheit der DNA-Typisierung

Mit zunehmendem Wissen um die Eigenschaften der bei der DNA-Typisierung untersuchten Bereiche der Erbsubstanz wurde Ende der achziger Jahre in Amerika angenommen, daß die Verwechlungswahrscheinlichkeit von Personen bei weniger als eins zu 738 Billionen liegt. Das bittere Erwachen kam, als Eric Lander vom Institute for Biomedical Research in Cambridge zusammen mit fünf
Kollegen und zwei Rechtsanwälten die Verteidigung von José Castro, dem "Mörder aus der Bronx", übernahm. Nach fünfzehnwöchiger gerichtlicher Beratung stand fest, daß in Zukunft nur noch ausgewählte 
Sondenmoleküle benutzt und nur definierte DNA-Bereiche untersucht werden durften. Seitdem gelten in den Vereinigten Staaten sehr strenge Auflagen bei der Zulassung genetischer Fingerabdrücke als
Beweismittel. Zugleich sind auch die Fehlerquellen ausgeschaltet. Eine gründliche DNA-Typisierung erlaubt mittlerweile den praktisch hundertprozentigen Ausschluß eines Tatverdächtigen bzw. die99,9999%ige Identifizierung desselben. 

Deutsche Forscher haben, bei gleicher Untersuchungsgenauigkeit, einen weit größeren Spielraum bei der Auswahl ihrer Methoden als deren amerikanische Kollegen. Zugleich prüfen sich die deutschen
forensischen DNA-Labors durch ein enges Kontrollverfahren selbst. Dabei werden Blindproben in ganz Deutschland sowie nach Österreich, in die Tschecheslowakei und die Niederlande versandt,
von den dortigen Labors untersucht und auf regelmäßigen Treffen aller Beteiligten verglichen. Dieses Verfahren garantiert ein Höchstmaß an Sicherheit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse. 

Eine neue Forschergeneration

Mit genetischen Fingerabdrücken als neuer Identifizierungstechnik kam auch eine neue Wissenschaftlergeneration zum Zuge. Eines der ersten deutschen forensischen DNA-Labors wurde bereits 1986 von Professor Staak unter Mitarbeit von Professor Berghaus und Mechthild Prinz im Untergeschoß der Kölner Rechtsmedizin aufgebaut - nur ein Jahr nach der initialen Veröffentlichung von Professor Jeffreys,
der einem kleinen Jungen die Einwanderungserlaubnis nach England erstritt. Mittels sogenannter Jeffreys-Sonden konnte die Kölner Arbeitsgruppe schon früh Kriminalfälle lösen, denen mit herkömmlichen
Analysetechniken nicht beizukommen war, etwa der geschilderten Dreifachvergewaltigung. 

Das Kölner DNA-Labor nahm von Anfang an am internationalen Informationsaustausch teil. So fand im September 1990 unter dem Tagungspräsidium des Institutsdirektors Professor Staak an der Universität zu Köln erstmals das "Internationale Symposion DNA-Technologie und ihre forensische Anwendung" statt. 
Eine neue Wissenschaftlergeneration - Dr. Mechthild Prinz, heute als «Fingerprint»expertin beim Chief Medical Examiner in New York, hatte vor Ihrem Einstieg in die DNA-Typisierung im Botanischen Institut der Universität zu Köln Flechten untersucht, die auf Steinen wachsen. Dr. Cornelia Schmitt, heute wissenschaftliche Angestellte hatte bei Prof. Legler im Insitut für Biochemie der Universität zu Köln ein Aktivatorprotein für lysosomale Beta-Glycosidase isoliert und charaktisiert; der Autor dieses Artikels wandte die DNA-Typisierung ursprünglich in der Arbeitsgruppe von Professor Schierenberg am Zoologischen Institut der Universität zu Köln zur Unterscheidung mikroskopisch vollkommen gleichartiger Wurmstämme an. 

Forschung in zahlreichen Gebieten... 

Die «Fingerprintgemeinde» ist ein hochheterogenes Grüppchen von Forschern aus den verschiedensten wissenschaftlichen Bereichen. Der Begriff "interdisziplinäres Arbeiten" erhält dabei eine neue Dimension: Auf den internationalen Kongressen zur DNA-Typisierung tagen gleichzeitig Mediziner, Mathematiker, Ökologen, Botaniker und Zoologen. Die Einsatzmöglichkeiten der DNA-Typisierung sind nicht
auf Kriminalfälle beschränkt. Auch in Sport, Biologie und Medizin macht man sich deren individualidentifizierende Kraft zunutze. Im Rahmen eines von Prof. Staak geleiteten Forschungsvorhabens werden die immer häufigeren Behauptungen von des Dopings überführten Sportlern überprüft, die aussagen, die mit Dopingmitteln belastete Urinprobe stamme nicht von ihnen. Da jedoch in Urin bei Frauen immer einige Vaginalepithelzellen und auch bei Männern - wenn auch in geringerem Ausmaß - zellhaltiges Material im Urin zu finden ist, kann die in diesen Zellen enthaltene, verschwindend geringe Menge DNA mit der
Polymerasekettenreaktion vervielfältigt und dann mit DNA aus dem Blut des Sportlers verglichen werden. 

Unser Labor hat in den vergangenen Jahren einen von mehreren Forschungsschwerpunkten auf die Urin-DNA-Typisierung gelegt. Wir entwickelten eine chemische Reaktion, bei der gleichzeitig mehrere
Bereiche der DNA in einem einzigen Reaktionsgefäß vervielfältigt und danach dargestellt werden können. Durch die gezielte Auswahl von Startermolekülen, die auch kleinste Mengen von DNA noch vervielfältigen können, kann auch längere Zeit gelagertes Urin noch erfolgreich typisiert werden. In Zusammenarbeit mit dem Kölner Bundesinstitut für Sportwissenschaften wird dieses Verfahren nun einem Serientest unterzogen. 

Eine Methode, die der klassischen Technik zur Herstellung genetischer Fingerabdrücke ähnelt, wenden Mediziner schon seit langem erfolgreich an, um krankmachenden Genveränderungen auf die Spur zu kommen. Solche Modifikationen der Erbsubstanz spiegeln sich häufig in Längenveränderungen desjenigen DNA-Bereiches wider, auf dem sie lokalisiert sind. Auch durch genetische Fingerabdrücke werden Längenveränderungen von DNA-Bereichen dargestellt. Durch den Vergleich der Längenprofile gesunder mit denen erkrankter Menschen kann der ungefähre Ort des veränderten Gens festgestellt und dann näher untersucht werden. (Bei den routinemäßig für Vaterschaftsuntersuchungen hergestellten genetischen Fingerabdrücken werden solche Genveränderungen hingegen nicht ermittelt. Die Gefahr des Mißbrauches genetischer Information besteht also, abgesehen von kriminellem Vorsatz, nicht.) 

Auch in der Krebsforschung macht man sich neuerdings die DNA-Typisierung zunutze. Alle Zellen einer Person ergeben den gleichen genetischen Fingerabdruck, unabhängig davon, ob sie aus Muskeln, Blut,
Haut, Speichel oder irgendeinem anderen Gewebe stammen. Krebszellen verhalten sich anders. Sie haben eine hohe Mutationsrate, das heißt ihre DNA befindet sich in dauernder Umordnung. Diese DNA-Veränderungen sind im genetischen Fingerabdruck darstellbar. So kann Krebs nicht nur rasch diagnostiziert, sondern auch dessen Entstehung und Ausbreitung im Körper besser verfolgt werden.

Gerade bei Organübertragungen kann es geschehen, daß Gewebe verpflanzt wird, das einem krebskranken Organspender entnommen wurde. In solchen Fällen untersucht das DNA-Labor des Institutes für
Rechtsmedizin, ob eine spätere Krebserkrankung des Organempfängers in Zusammenhang mit der Organtransplantation steht. Enthalten die Krebszellen des Organempfängers DNA des Organspenders, so
wurde die Krebserkrankung verschleppt. 
Auch in den Augen vieler Mediziner sind zoologische Untersuchungen mittels genetischer Fingerabdrücke interessant. Der Humangenetiker Professor Jörg Epplen von der Ruhr-Universität Bochum etwa, der
zahlreiche Fingerprint-Sonden erfunden hat (und die von der Ruhr-Universität Bochum patentiert wurden), favorisiert verhaltens- und soziobiologische Anwendungen des Verfahrens. Doch auch die Entwicklung des Lebens und die Stellung der Lebewesen untereinander werden in Köln untersucht. Die erwähnten Versuche am Zoologischen Institut der Universität bei Professor Einhard Schierenberg
zeigten beispielweise, daß sich die DNA von Fadenwürmern, die sich äußerlich völlig gleichen, charakteristisch unterscheiden kann. 

...sogar im Naturschutz

Der Schritt von der wissenschaftlichen Biologie zum Arten- und Naturschutz ist klein. Angeregt unter anderem von Bill Amos aus Cambridge sowie den Münchener Forschern Christian Schlötterer und Professor Diethard Tautz, kontrollieren Behörden und Naturschützer seit einigen Jahren den kommerziellen Walfang. "Genetische Flossenabdrücke" überführen dabei laufend Schmuggler, die Walfleisch z.B. entgegen des nationalen Ausfuhrverbotes Norwegens nach Japan oder Südkorea exportieren. Die Untersucher staunen immer wieder über das dreiste Vorgehen der Betrüger. So tauchte vor zwei Jahren in Oslo ein Container auf, der angeblich shrimps, in Wahrheit jedoch 3,5 Tonnen Walfleisch enthielt. Vor allem Finnwale, die seit 1989 nicht mehr getötet werden dürfen, sind das Opfer der Walfänger und -schmuggler. Bei einem japanischen Einzelhändler identifizierten Biologen sogar das Fleisch eines Buckelwals; diese Tierart ist bereits seit 1966 streng geschützt. Um der Strafe zu entgehen, behauptete der Hersteller, das verbotene Fleisch sei bereits vor dreißig Jahren eingefroren und erst jetzt zubereitet worden. Umgekehrt entpuppte sich in Australien das Innenleben eines angeblichen "Emu-Gourmet- Hamburgers" durch DNA-Typisierung als gewöhnliches Hackfleisch. In Deutschland sieht es nicht nicht anders aus. Beim jährlich im Instutut für Rechtsmedizin der Universität zu Köln veranstalteten "Kölner Elektrophoresetag" berichteten Forscher 1996 von Schweinefleisch in "garantiert schweinefleischfreien Türkwürsten" und angeblichen Shrimps, die aus gepreßtem, gefärbten und
gewürzten Fischmehl bestanden. Nur die DNA-Typisierung konnte die gewinnsüchtigen Lebensmittelproduzenten überführen. 

Neue Ideen

Der Forscherdrang der Fingerprintgemeinde (kollektive Leibspeise der ersten Fingerprinter: tom yum, eine Meeresfrüchtesuppe mit Kokosnußmilch und grünem Koriander, dazu sechzehn Jahre alter Lagavulin- Whisky) ist ungeachtet der zahllosen Versuchsergebnisse ungebrochen. Allein das Kölner DNA-Labor des Institutes für Rechtsmedizin der Universität arbeitet neben den Routinetätigkeiten - der Individual- und Spurenidentifikation sowie der Vaterschaftsfeststellung - an sechs weiteren Projekten. Neue DNA-Orte sollen erprobt, das Urin gedopter Sportler soll diesen zugeordnet, bei
Organübtertragungen mitgeschleppte Tumoren sollen erkannt, stark zerkleinerte DNA aus Wasserleichen und Haaren gewonnen und einzelne Spermien einem entsprechenden Mann zugeordnet werden. Um
das vielfältige Forschungsprogramm am laufen zu halten, beschäftigen sich neben der Stammbesetzung vier Doktorandinnen und Doktoranden mit der forensischen DNA-Typisierung. Die zahllosen und oft
überraschenden Fragestellungen, die in der Rechtsmedizin an die DNA-Typisierung gestellt werden, sorgen dafür, daß auch in Zukunft die Ideen für weitere Forschungen nicht ausgehen. 


(c) FORSCHUNG IN KÖLN/Dr. Mark Benecke, Universität zu Köln. 
E-mail: benecke@csi.com

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