Seit den 60er Jahren wird in vielenGebieten der Medizin die lineareAbsorption des Laserlichts im Gewebe benutzt, um dort gezielt Energie zu deponieren, die dann eine Koagulation oder Ablation bewirken. Bei Fokussierung des Laserlichts liegt die untere Grenze für die Präzision thermischer Gewebseffekte aufgrund der Beugung des Lichts bei 0, 5 bis 1 μm. Durch die selektive Absorption der Laserstrahlung in bestimmten Zielstrukturen im Gewebe kann im Prinzip die räumliche Präzision der Energiedeponierung weiter erhöht werden. Die Laserenergie wird dabei nur am Ort der absorbierenden Strukturen deponiert, deren räumliche Ausdehnung damit die prinzipiell erreichbare Präzision vorgibt. Die Temperaturerhöhung in die umgebenden Areale durch Wärmeleitung kann weitgehend vermieden werden, wenn die Laserpulsdauer die thermische Relaxationszeit des Absorbers nicht übersteigt (sog. thermischer Einschluß). Die thermische Relaxationszeit skaliert dabei mit dem Quadrat des Absorberdurchmessers und ist umgekehrt proportional zu den Wärmeleitungseigenschaften des Absorbermediums. In der Lasermedizin wird dieses Prinzip unter anderem bereits bei der selektiven Schädigung stark absorbierender Zellen im retinalen Pigmentepithel ausgenutzt.
Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur Entwicklung eines Temperatursprungexperiments sind Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts über laser-induzierte thermische Gewebseffekte. Ziel dieses Projektes ist es, grundlegende Erkenntnisse über laser-induzierte thermische Gewebseffekte bei kurzzeitigem Erhitzen des Gewebes zu erlangen. Als Schadensmechanismus bei thermischer Zellschädigung wird allgemein eine Denaturierung der in der Zelle enthaltenen Proteine angenommen.
Die Frage, inwieweit Gewebe und Zellen sich thermisch selektiv
schädigen lassen, ist also über die Notwendigkeit eines thermischen Einschlusses direkt an die Frage gekoppelt, in welchen Zeitskalen eine thermische Proteindenaturierung möglich ist und welche Temperaturen dazu erforderlich sind. Die bereits vorhandenen Kenntnisse der Denaturierungskinetiken der Proteine im Zeitbereich von Sekunden bis Stunden sollen in dem DFG-Projekt bis in kürzere Zeitbereiche erweitert werden. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Experiment soll über ein Temperatursprungverfahren die Denaturierungskinetiken von ausgewählten Proteinen im Bereich von Millisekunden bis Sekunden zugänglich machen.
[...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theorie
2.1 Wärmeleitung und thermische Relaxationszeit
2.2 Bewegungsgleichung eines Fluids
2.3 Bewegungsgleichung eines fallenden Wassertropfens
2.4 Das Cr,Tm,Ho:YAG Lasersystem
2.5 Lichtverteilung in Tropfen bei Bestrahlung
2.6 Thermische Proteindenaturierung
2.7 Das Modellenzym alkalische Phosphatase
2.8 Nachweis der Proteinaktivität
3 Temperatursprungexperimente mit Kapillaren
3.1 Konzept
3.2 Material und Methoden
3.3 Ergebnisse
3.4 Diskussion
4 Laserinduzierter Temperatursprung in kleinen Wassertropfen
4.1 Konzept
4.2 Vorversuche
4.3 Konstruktion der klimatisierten Fallstrecke
4.4 Test der klimatisierten Fallstrecke
4.5 Diskussion
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Untersuchung experimenteller Aufbauten zur Durchführung von Temperatursprungexperimenten in wässrigen Lösungen im Zeitbereich von Millisekunden bis Sekunden, um Erkenntnisse über laserinduzierte thermische Gewebseffekte und Proteindenaturierung zu gewinnen.
- Entwicklung von Temperatursprungexperimenten mittels durchströmter Kapillaren.
- Untersuchung der Strömungsdynamik und Wärmeleitung in Kapillarsystemen.
- Realisierung laserinduzierter Temperatursprünge in frei fallenden Wassertropfen.
- Konstruktion und Validierung einer klimatisierten Fallstrecke zur Stabilisierung der Tropfeneigenschaften.
- Methodik zum Nachweis der Enzymaktivität von alkalischer Phosphatase.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Seit den 60er Jahren wird in vielen Gebieten der Medizin die lineare Absorption des Laserlichts im Gewebe benutzt, um dort gezielt Energie zu deponieren, die dann eine Koagulation oder Ablation bewirken. Bei Fokussierung des Laserlichts liegt die untere Grenze für die Präzision thermischer Gewebseffekte aufgrund der Beugung des Lichts bei 0,5 bis 1 µm. Durch die selektive Absorption der Laserstrahlung in bestimmten Zielstrukturen im Gewebe kann im Prinzip die räumliche Präzision der Energiedeponierung weiter erhöht werden. Die Laserenergie wird dabei nur am Ort der absorbierenden Strukturen deponiert, deren räumliche Ausdehnung damit die prinzipiell erreichbare Präzision vorgibt.
Die Temperaturerhöhung in die umgebenden Areale durch Wärmeleitung kann weitgehend vermieden werden, wenn die Laserpulsdauer die thermische Relaxationszeit des Absorbers nicht übersteigt (sog. thermischer Einschluß) [21]. Die thermische Relaxationszeit skaliert dabei mit dem Quadrat des Absorberdurchmessers und ist umgekehrt proportional zu den Wärmeleitungseigenschaften des Absorbermediums. In der Lasermedizin wird dieses Prinzip unter anderem bereits bei der selektiven Schädigung stark absorbierender Zellen im retinalen Pigmentepithel ausgenutzt [7].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Grundlagen der laserinduzierten thermischen Gewebseffekte und Zielsetzung der Arbeit zur Entwicklung von Temperatursprungexperimenten.
2 Theorie: Theoretische Herleitung der Wärmeleitung, der Strömungsmechanik in Kapillaren, der Dynamik fallender Tropfen sowie der physikalischen Grundlagen der Proteindenaturierung und des Messverfahrens.
3 Temperatursprungexperimente mit Kapillaren: Analyse des Konzepts der turbulenten Rohrströmung in Kapillaren zur Erreichung schneller Temperatursprünge sowie Darstellung der experimentellen Ergebnisse.
4 Laserinduzierter Temperatursprung in kleinen Wassertropfen: Beschreibung des experimentellen Aufbaus zur instantanen Erwärmung frei fallender Wassertropfen mittels Laserstrahlung und der klimatisierten Fallstrecke.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der entwickelten experimentellen Ansätze und Ausblick auf zukünftige Optimierungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Temperatursprungexperiment, Laserstrahlung, Proteindenaturierung, thermische Relaxation, Wärmeleitung, Kapillarströmung, Wassertropfen, Fallstrecke, alkalische Phosphatase, Fluoreszenzassay, Energiedeponierung, Strömungsdynamik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption und technischen Realisierung experimenteller Aufbauten, um thermische Prozesse in Flüssigkeiten und Proteinen im Zeitbereich von Millisekunden bis Sekunden gezielt zu untersuchen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die physikalische Thermodynamik, die Strömungsmechanik (insbesondere turbulente Rohrströmungen), die Laserphysik zur präzisen Energiedeponierung sowie biochemische Nachweisverfahren für Enzymaktivitäten.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel besteht darin, ein Temperatursprungexperiment zu etablieren, das es erlaubt, Denaturierungskinetiken von Proteinen in kurzen Zeiträumen zugänglich zu machen, um grundlegende Erkenntnisse über laserinduzierte thermische Gewebeschäden zu erhalten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden sowohl theoretische physikalische Modellierungen der Wärmeleitung und Strömungsdynamik eingesetzt als auch experimentelle Verfahren wie Hochgeschwindigkeitsmessungen der Strömungsgeschwindigkeit, Stroboskopie zur Tropfenbeobachtung und Fluoreszenzspektroskopie zum Nachweis der Enzymaktivität.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in zwei primäre experimentelle Ansätze: die Erwärmung von Probenlösungen durch turbulente Strömung in beheizten Kapillaren sowie das laserbasierte Erhitzen frei fallender Wassertropfen in einer speziell konstruierten klimatisierten Fallstrecke.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Temperatursprung, Laserabsorption, turbulente Kapillarströmung, Thermische Proteindenaturierung und kinetische Analysen charakterisiert.
Warum ist eine klimatisierte Fallstrecke für die Tropfenexperimente notwendig?
Die Fallstrecke ist erforderlich, um die während der Lasererwärmung erreichte Sprungtemperatur zu halten und das Verdunsten des kleinen Wasservolumens im freien Fall zu unterbinden, da dies andernfalls zu einer unerwünschten Abkühlung der Probe führen würde.
Welche Herausforderungen traten beim Einsatz des Tropfengenerators auf?
Bei der Verwendung konzentrierter Proteinlösungen kam es häufig zu Verstopfungen der Kapillaren, was eine reproduzierbare Tropfenerzeugung über längere Zeiträume erschwerte und die Durchführung von Denaturierungsexperimenten an alkalischer Phosphatase verhinderte.
- Citar trabajo
- Dr. Patrick Wegner (Autor), 2000, Untersuchung zur Charakterisierung schneller Denaturierungskinetiken von Enzymen im Zeitbereich von Millisekunden bis Sekunden, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4723
