Prof. Dr.-Ing. Can Dincer, Autor bei sportärztezeitung

Wearables

Prof. Dr.-Ing. Can Dincer , Dr.-Ing. H. Ceren Ates — Mon, 30 Mar 2026 09:30:38 +0000

Wearable technologies, known as “wearables,” designed to continuously measure various vital parameters or biomarkers, are currently emerging as groundbreaking innovations in sports medicine and healthcare. From fitness trackers to sweat sensors, these devices are pushing the boundaries of non-invasive health monitoring.

Within just a few years, wearables have evolved from simple tools into sophisticated devices capable of detecting biochemical and physiological changes in near real time [1, 2]. Smartwatches monitor heart rate and oxygen saturation (first-generation wearables for physical parameters), while biosensor patches measure glucose, lactate, and electrolytes in bodily fluids such as sweat or interstitial fluid.

Second-generation wearables, such as skin patches, tattoos, and even respiratory masks, analyze biofluids non-invasively and can detect metabolic and disease markers [1, 2]. Breath analysis, in particular, is currently gaining increasing attention: With over 3,000 volatile organic compounds, exhaled air provides unique insights into metabolic and disease processes and can be analyzed in a completely non-invasive manner. Accordingly, research and development trends are moving toward portable, user-friendly analyzers that can ideally be seamlessly integrated into patients’ daily lives. Unlike sweat or saliva measurements, breath gas analysis of analytes bypasses complex transport mechanisms and thus more directly reflects analyte concentrations in the blood.

Promising Field of Breath Analysis

In 2019, our research group developed a paper-based, electrochemical sensor integrated into a standard surgical mask to detect hydrogen peroxide (H₂O₂ is an important biomarker for respiratory diseases such as asthma and chronic obstructive pulmonary disease [3]) in exhaled breath. Our team is currently working on a smart mask for people with diabetes designed to enable user-friendly, non-invasive glucose monitoring as an alternative to conventional blood tests or minimally invasive microinjection needles for wearable glucose monitoring. The mask uses enzyme-based sensors to measure the glucose level in exhaled breath. The same technology is also ideally suited for monitoring lactate, a biomarker that potentially provides insights into fat burning and endurance in athletes. This technology is currently still under development and requires further research and optimization, but initial tests with healthy volunteers show promising results.

Another interesting field of research is breath analysis in the context of therapeutic drug monitoring (TDM). In our current research, we are designing and developing biosensors for on-site TDM of antibiotics in various biofluids, with a focus on breath analysis [4]. Antibiotic and antimicrobial resistance (AMR) poses a global health risk that increases mortality rates, prolongs hospital stays, and incurs costs for healthcare systems. TDM using blood analysis offers a promising, cost-effective, and efficient strategy to combat AMR by enabling personalized and thus optimal antibiotic dosing, thereby reducing toxicity and potentially curbing the spread of resistant strains. However, blood-based TDM is invasive, resource-intensive, and potentially inaccurate in reflecting drug concentrations at sites of infection. This would be particularly problematic for critically or chronically ill patients with lung infections, in whom the uptake of β-lactam-based antibiotics into the tissue varies and can lead to ineffective treatment. In our current research, we observed a strong correlation between antibiotic concentrations in exhaled breath and plasma. In further investigations, we conducted studies on animals with lung damage to analyze how pathological changes influence antibiotic clearance in exhaled breath and how different lung conditions affect the pharmacokinetics of antibiotics. Continuous real-time monitoring of drug levels enabled by wearables thus has the potential to revolutionize therapeutic drug monitoring, particularly for breath analysis. Especially for patients with chronic conditions who rely on constant medication administration, wearables that enable non-invasive, continuous monitoring could reduce frequent hospital visits or blood draws, thereby increasing compliance and improving treatment outcomes.

Although wearable biofluid analysis holds enormous potential, challenges remain. For example, the sensitivity and selectivity of the sensors must be improved to the point where biomarkers can be accurately detected at clinically relevant concentrations. Soon, athletes and patients could routinely use breath-based devices such as smart masks or patches worn under the nose [6] and biosensors, in addition to established wearables like smartwatches or rings, to conveniently monitor relevant physiological parameters. Such innovations not only have the potential (Figure) to increase training and recovery efficiency, but also to detect diseases at an early stage, thereby ushering in a new era of preventive and personalized healthcare.

References

Brasier, N. et al. Applied body-fluid analysis by wearable devices. Nature 2024 636:8041 636, 57–68 (2024).
Ates, H. C. et al. End-to-end design of wearable sensors. Nat Rev Mater 7, 887–907 (2022).
Maier, D. et al. Toward Continuous Monitoring of Breath Biochemistry: A Paper-Based Wearable Sensor for Real-Time Hydrogen Peroxide Measurement in Simulated Breath. ACS Sens 4, 2945–2951 (2019).
Ates, H. C. et al. Biosensor-Enabled Multiplexed On-Site Therapeutic Drug Monitoring of Antibiotics. Advanced Materials 34, 2104555 (2022).
Brasier, N. et al. A three-level model for therapeutic drug monitoring of antimicrobials at the site of infection. Lancet Infect Dis (2023) doi:10.1016/S1473-3099(23)00215-3.
Ates, H. C. & Dincer, C. Wearable breath analysis. Nature Reviews Bioengineering 2023 1:2 1, 80–82 (2023).

Wearables

Prof. Dr.-Ing. Can Dincer , Dr.-Ing. H. Ceren Ates — Fri, 20 Jun 2025 08:00:16 +0000

Tragbare Technologien, sogenannte „Wearables“, zur kontinuierlichen Messung unterschiedlicher vital Parameter oder Biomarker positionieren sich aktuell als wegweisend in Sportmedizin und Gesundheitsversorgung. Von Fitness-Trackern bis hin zu Schweißsensoren erweitern diese Geräte die Grenzen der nicht-invasiven Gesundheitsüberwachung.

Innerhalb weniger Jahren haben sich Wearables von einfachen Werkzeugen zu ausgefeilten Geräten entwickelt, die biochemische und physiologische Veränderungen nahezu in Echtzeit erkennen können [1, 2]. Smartwatches überwachen Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung (Wearables der ersten Generation für die physikalischen Parameter), während Biosensor-Patches Glukose, Laktat und Elektrolyte in Körperflüssigkeiten wie Schweiß oder interstitielle Flüssigkeit messen.

Wearables der zweiten Generation, wie Hautpflaster, Tattoos und sogar Atemschutz-Masken, analysieren nicht-invasive Bioflüssigkeiten und können Stoffwechsel- und Krankheitsmarker nach-
weisen [1, 2]. Vor allem die Atemanalyse erlangt gerade zunehmend Aufmerksamkeit: Mit über 3.000 flüchtigen organischen Verbindungen ermöglicht die ausgeatmete Luft einzigartige Einblicke in Stoffwechsel- und Krankheitsprozesse und ist dabei vollständig nicht-invasiv analysierbar. Entsprechend gehen Forschungs- und Entwicklungstrends in Richtung tragbare, benutzerfreundliche Analysegeräte, die idealerweise nahtlos in den Alltag der Patienten integriert werden können. Im Gegensatz zu Schweiß- oder Speichelmessungen umgeht die Atemgasanalyse von Analyten komplexe Transportmechanismen und spiegelt somit direkter die Analytkonzentrationen im Blut wider.

Vielversprechendes Feld der Atemanalyse

2019 entwickelte unsere Forschungsgruppe einen, in eine Standard OP-Maske integrierten, papierbasierten, elektrochemischen Sensor, zum Nachweis von Wasserstoffperoxid (H2O2 ist ein wichtiger Biomarker für Atemwegserkrankungen wie Asthma und chronisch obstruktive Lungenerkrankung [3]) im ausgeatmeten Atem. Derzeit arbeitet unser Team an einer Smart-Maske für Diabetiker, die eine nutzerfreundliche, nicht-invasive Glukoseüberwachung als Alternative zu herkömmlichen Bluttests oder minimal-invasiven Mikroinjektionsnadeln für tragbare Glukoseüberwachung ermöglichen soll. Die Maske nutzt enzymbasierte Sensoren, um den Glukoseanteil im Atem zu messen. Dieselbe Technologie eignet sich auch hervorragend zum Monitoring von Laktat, einem Biomarker, der potenziell Rückschlüsse auf Fettverbrennung und Ausdauer bei Sportlern zulässt. Diese Technologie befindet sich zurzeit noch in der Entwicklung und erfordert weitere Forschung und Optimierung, aber erste Tests mit gesunden Freiwilligen zeigen vielversprechende Ergebnisse.

Ein weiteres interessantes Forschungsfeld ist die Atemanalyse im Rahmen der therapeutischen Medikations-Überwachung (Therapeutic Drug Monitoring, TDM). In unserer derzeitigen Forschung konzipieren und entwickeln wir Biosensoren für das Vor-Ort-TDM von Antibiotika in verschiedenen Biofluiden, mit Schwerpunkt auf Atemanalyse [4]. Antibiotika- bzw. Antimikrobielle Resistenz (AMR) stellt ein globales Gesundheitsrisiko dar, das Sterblichkeitsraten erhöht, Krankenhausaufenthalte verlängert und Kosten für Gesundheitssysteme verursacht. TDM mithilfe von Blutanalysen bietet eine vielversprechende, kostengünstige und effektive Strategie zur Bekämpfung von AMR, indem eine personalisierte und somit optimale Einstellung der Antibiose ermöglicht wird, wodurch ihre Toxizität reduziert und möglicherweise die Verbreitung resistenter Stämme eingedämmt werden kann. Das blutbasierte TDM ist allerdings invasiv, ressourcenintensiv und möglicherweise ungenau in der Reflexion von Medikamentenkonzentrationen an Infektionsherden. Das wäre besonders problematisch für kritisch oder chronisch kranke Patienten mit Lungeninfektionen, bei denen die Aufnahme von ß-Lactam-basierten Antibiotika in das Gewebe variiert und zu einer unwirksamen Behandlung führen kann. In unserer aktuellen Forschung konnten wir eine starke Korrelation zwischen Antibiotikakonzentrationen im Atem und im Plasma beobachten. In weiteren Untersuchungen führten wir Studien an lungengeschädigten Tieren durch, um zu analysieren, wie pathologische Veränderungen die Antibiotika Clearance im Atem beeinflussen und wie unterschiedliche Lungenzustände die Pharmakokinetik von Antibiotika beeinflussen. Eine, durch Wearables ermöglichte, kontinuierliche Echtzeitüberwachung des Medikamentenspiegels hat somit das Potenzial, Therapeutisches Medikamenten-Monitoring, insbesondere für die Atemanalyse, zu revolutionieren. Besonders für Patienten mit chronischen Erkrankungen, die auf eine konstante Medikamentenverwaltung angewiesen sind, könnten Wearables, die nicht-invasive, kontinuierliche Überwachung ermöglichen, häufige Krankenhausbesuche oder Blutentnahmen reduzieren und somit die Compliance erhöhen sowie Behandlungsergebnisse verbessern.

Obwohl die tragbare Bioflüssigkeitsanalyse enormes Potenzial birgt, bleiben Herausforderungen bestehen. Beispielsweise muss u. a. die Empfindlichkeit und Selektivität der Sensoren so weit verbessert werden, dass Biomarker in klinisch relevanten Konzentrationen präzise nachgewiesen werden können. Schon bald könnten Sportler und Patienten zusätzlich zu etablierten Wearables wie Smartwatches oder Ringen, routinemäßig auf atembasierte Geräte wie Smart-Masken oder unter der Nase getragene Patches [6] und Biosensoren zurückgreifen, um relevante physiologische Parameter bequem zu überwachen. Solche Innovationen haben nicht nur das Potenzial (Abbildung), Trainings- und Regenerationseffizienz zu steigern, sondern auch Krankheiten frühzeitig zu erkennen und damit eine neue Ära der präventiven und personalisierten Gesundheitsversorgung einzuläuten.

Literatur

Brasier, N. et al. Applied body-fluid analysis by wearable devices. Nature 2024 636:8041 636, 57–68 (2024).
Ates, H. C. et al. End-to-end design of wearable sensors. Nat Rev Mater 7, 887–907 (2022).
Maier, D. et al. Toward Continuous Monitoring of Breath Biochemistry: A Paper-Based Wearable Sensor for Real-Time Hydrogen Peroxide Measurement in Simulated Breath. ACS Sens 4, 2945–2951 (2019).
Ates, H. C. et al. Biosensor-Enabled Multiplexed On-Site Therapeutic Drug Monitoring of Antibiotics. Advanced Materials 34, 2104555 (2022).
Brasier, N. et al. A three-level model for therapeutic drug monitoring of antimicrobials at the site of infection. Lancet Infect Dis (2023) doi:10.1016/S1473-3099(23)00215-3.
Ates, H. C. & Dincer, C. Wearable breath analysis. Nature Reviews Bioengineering 2023 1:2 1, 80–82 (2023).