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

Abstract

Die Photodynamische Therapie 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 Radikale, mit denen das umliegende Gewebe zerstört wird, nur im anvisierten Gewebe statt. Die Wirkung der PDT beruht auf der Umwandlung von molekularem Sauerstoff, so dass die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration entscheidend für den Therapieerfolg ist. Daher wird ein Sauerstoffmonitoringsystem gefordert. Mit der optischen molekularen Bildgebung, bei der 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 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 Rutheniumkomplexverbindungen. Deren Lumineszenzlebensdauer kann mit der Rapid- Lifetime-Determination-Methode (RLD) mit einer Kamera pixelweise bestimmt werden, so dass die Berechnung eines Sauerstoffkonzentrationsbildes möglich ist. In dieser Arbeit wurde ein 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 darzustellen. Das System wurde mit zwei Farbstoffen, Ruthenium-tris-bipyridyl (Ru(bpy)32+) und der Sol-Gel-Schicht FOXY-SGS-M, in Temperatur- und Sauerstoffkonzentrationsmessreihen in zwei Küvetten, einer Kalibrier- und einer Durchflussküvette, überprüft. Die Funktionalität des Systems wurde mit Ru(bpy)32+-Lösungen durch einen Vergleich mit Literaturwerten für die Stern- Volmer-Konstante überprüft. Die Lebensdauerabhängigkeiten beider Sensorfarbstoffe sind vergleichbar mit etablierten Sauerstoffsonden, so dass sie gut geeignet für Sauerstoffkonzentrationsmessungen sind. Das realisierte Messsystem ist für bildgebende Sauerstoffkonzentrationsanalysen von Gewebe geeignet und stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung Monitoringverfahren der PDT dar. In wieweit aus der oberflächlichen Messung auf die im Gewebe befindliche Sauerstoffkonzentration geschlossen werden kann, ist das Forschungsziel weiterer Projekte.

Photodynamic therapy (PDT) is a treatment for superficial tumorous and dysplastic tissue in which light is used to excite photosensitizers within tissue to transform molecular oxygen, via energy transfer processes, into oxygen radicals. As the accumulation of the sensitizers takes place in the tissue selectively, the cytotoxic reaction of the radicals which destroy the surrounding tissue only occurs locally. The effect of PDT is based on the transformation of molecular oxygen into radicals, so that exact knowledge regarding the oxygen concentration in tissue is crucial to the success of the therapy. An oxygen monitoring system is therefore required. The molecular oxygen concentration can be calculated by measuring the luminescence lifetime of dyes by making use of selective oxygen-sensitive luminescence dyes used in optical molecular imaging to diagnose diseases and processes. The luminescence lifetime of theses dyes is shortened by energy transfer processes dependent on the concentration of quencher molecules. This means that knowledge of the lifetime characteristic can be used to evaluate the quencher concentration. The process is called dynamic quenching and is described by the Stern-Volmer- equation. The correlation between lifetime and quencher concentration is quantified by the Stern-Volmer-constant which is dependent on the diffusion coefficients of molecule and quencher, and therefore, dependent on the temperature and solvent. Molecular oxygen is an example of a quencher for luminescent ruthenium-complexes. The luminescence lifetime can be calculated pixel-wise with the Rapid-Lifetime-Determination-method (RLD) and a CCD- camera, making it possible to calculate an oxygen concentration image. Within the framework of this work a complex, but nevertheless modular, luminescence lifetime imaging system was constructed with which it is possible to calculate and display the lifetime and the oxygen concentration using a CCD-camera and the RLD-method. Two dyes, Ruthenium-tris-bipyridyl (Ru(bpy)32+) dissolved in aqueous media and the oxygen-permeable Sol-Gel-layer FOXY-SGS-M with an embedded ruthenium-complex were used to test the system. Time-consuming temperature- and oxygen concentration measurements were carried out using two different cuvettes: a flow-through cell and a calibration cell, both specially constructed for this work. The functionality of the system was proved by comparing the measured Stern-Volmer-constant of Ru(bpy)32+-solutions with values from the literature, which showed very good agreement. The lifetime dependencies of both dyes were comparable to established oxygen sensors making them suitable for oxygen concentrations measurements. The realized luminescence lifetime measuring system is highly suitable for two-dimensional oxygen concentration analysis of probes and tissue and presents a key step forward to a monitoring technique for PDT. Determination of the oxygen concentration in tissue and whether the progress of therapy can be evaluated by the superficial measurement will be the aim of further research projects.