Experimentelle Grundlagenuntersuchungen zur zweidimensionalen Sauerstoffkonzentrationsanalyse für die photodynamische Therapie mittels zeitaufgelöster Lumineszenzbildgebung

Die Photodynamische Therapie (PDT) ist ein Therapieverfahren für oberflächennahes tumoröses und dysplastisches Gewebe, bei der mittels Licht Photosensibilisatoren im Gewebe angeregt werden, die durch Energieübertragungsprozesse den im Gewebe befindlichen molekularen Sauerstoff in Sauerstoffradikale umwandeln. Da die Anreicherung der Sensibilisatoren selektiv im Gewebe erfolgt, finden die zytotoxischen Reaktionen der Sauerstoffradikale, mit denen das umliegende Gewebe zerstört wird, ebenfalls nur im anvisierten Gewebe statt. Die Wirkung der PDT beruht auf der Umwandlung von molekularem Sauerstoff in Radikale, so dass entscheidend für den Erfolg der Therapie die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration im Gewebe ist. Daher wird ein Sauerstoffmonitoringsystem gefordert. Mit Hilfe der optischen molekularen Bildgebung, bei der selektive Lumineszenzmarker für die Diagnose von Krankheiten oder Stoffwechselprozessen verwendet werden, kann die molekulare Sauerstoffkonzentration durch Messung der Lumineszenzlebensdauer sauerstoffsensitiver Marker gemessen werden. Die Lumineszenzlebensdauer dieser Farbstoffe wird in Abhängigkeit der Konzentration von Quenchermolekülen durch Energieübertragungsprozesse verkürzt, so dass bei bekannter Lebensdauercharakteristik dieser eine Quencherkonzentration zugeordnet werden kann. Dieser Prozess wird dynamisches Quenching genannt und durch die Stern-Volmer-Gleichung beschrieben. Der Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Quencherkonzentration wird mit der Stern-Volmer-Konstanten quantifiziert, die, da sie abhängig von den Diffusionskonstanten von Molekül und Quencher ist, auch von der Temperatur und dem Lösungsmittel abhängt. Ein solcher Quencher ist molekularer Sauerstoff für lumineszierende Ruthenium- Komplexverbindungen. Deren Lumineszenzlebensdauer kann mit der Rapid-Lifetime-Determination-Methode (RLD) mit Hilfe einer Kamera pixelweise bestimmt werden, so dass die Berechnung eines Sauerstoffkonzentrationsbildes möglich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein komplexes und modulares Lumineszenzlebensdauermesssystem aufgebaut, mit dem es möglich ist, die Lebensdauer und damit die Sauerstoffkonzentration mit Hilfe einer CCD-Kamera und der RLD-Methode zu bestimmen und als Bilder online darzustellen. Das System wurde mit zwei Farbstoffen, Ruthenium-tris-bipyridyl (Ru(bpy)32+) gelöst in wässrigen Lösungen und der sauerstoffpermeablen Sol-Gel-Schicht FOXY-SGS-M, in aufwändigen Temperatur und Sauerstoffkonzentrationsmessreihen in zwei ebenfalls in dieser Arbeit realisierten Küvetten, einer Kalibrier- und einer Durchflussküvette, überprüft. Die Funktionalität des Systems wurde mit Ru(bpy)32+-Lösungen an Hand eines Vergleichs mit Literaturwerten für die Stern-Volmer-Konstante überprüft, die eine sehr gute Übereinstimmung zeigte. Die Lebensdauerabhängigkeiten beider Sensorfarbstoffe sind vergleichbar mit etablierten Sauerstoffsonden, so dass diese gut geeignet für Sauerstoffkonzentrationsmessungen sind. Das realisierte Lebensdauermesssystem ist für bildgebende Sauerstoffkonzentrationsanalysen von Proben und Gewebe mit Dicken von 1mm geeignet und stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung Monitoringverfahren der PDT dar. In wieweit aus der oberflächennahen Messung auf die im Gewebe befindliche Sauerstoffkonzentration geschlossen werden kann, ist das Forschungsziel weiterer Projekte.