Open Access

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer spektroskopischen Methode für die medizinische Diagnostik und zielt auf die Einführung neuer analytischer Methoden in die klinische Praxis, die eine höhere Qualität bei der Behandlung von Patienten sowie eine Kostensenkung versprechen. Es wird eine reagenzienfreie infrarotspektroskopische Messmethode vorgestellt, mit der die Konzentrationen bestimmter Inhaltsstoffe von Körper- und anderen Flüssigkeiten quantitativ bestimmt werden können. Dabei kommt das kommerzielle FTIR- (Fourier-Transform Infrarot-) Spektrometer ALPHA der Firma Bruker zum Einsatz, für das eine spezielle ATR- (Abgeschwächte Totalreflexion) Messzelle konstruiert wurde. Diese eignet sich sowohl für Durchflussmessungen bei Volumenströmen von bis zu 1 l/min als auch für diskrete Proben mit einem minimalen Volumen von 10 µl. Die Kombination aus Spektrometer und Messzelle stellt somit ein kompaktes Messgerät dar, das zur Steuerung und Auswertung lediglich einen Computer benötigt und dessen Stabilität ebenfalls Langzeitmessungen erlaubt. Es stellt damit eine Basis für ein neuartiges Medizingerät dar, das auch außerhalb der Laborumgebung und insbesondere in der klinischen Routine von ungeschultem Personal eingesetzt werden kann. Die quantitative Auswertung der Spektren erfolgt mittels multivariater Kalibrierung und PLS (Partial Least Squares) Regression. Dabei werden für die unterschiedlichen Inhaltsstoffe entsprechende Kalibriermodelle verwendet, die aus einer Reihe sorgfältig ausgewählter Proben erstellt wurden. Die Auswahl bezieht sich dabei vor allem auf einen breiten Konzentrationsbereich und auf möglichst unabhängig voneinander schwankende Konzentrationswerte der Inhaltsstoffe. Es wurden daher sowohl Proben im physiologischen als auch im pathologischen Bereich verwendet. Da die Konzentrationswerte der Kalibrierproben bekannt sein müssen, wurden die Proben mittels konventioneller klinischer Methoden analysiert. Die Genauigkeit dieser Referenzanalytik begrenzt dabei die maximale Genauigkeit der vorgestellten Methode. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kalibriermodelle für die Inhaltsstoffe Glucose, Harnstoff, Creatinin und Lactat in der Waschlösung bei der Hämodialyse (Dialysat) sowie für die Inhaltsstoffe Glucose, Harnstoff, Cholesterol, Triacylglyceride, Albumin und Gesamtprotein in Vollblut und ebenso für Hämoglobin und Immunglobulin G in hämolysiertem Vollblut erstellt. Im Fall von Dialysat wurden hierfür sowohl künstlich erstellte sowie auch bei realen Dialysebehandlungen von Patienten entnommene Proben verwendet. Für Vollblut wurden bestehende Spektren an das neue Messgerät angepasst und durch Spektren neuer Blutproben erweitert. Die hiermit erreichte Genauigkeit und Präzision genügt in den meisten Fällen bereits klinischen Ansprüchen. Für Dialysat wird gezeigt, dass mit dem vorgestellten Aufbau bereits kontinuierliche inline-Messungen direkt am Patienten möglich sind und gute Ergebnisse liefern. Dabei wurde sowohl auf eine einfache Anwendbarkeit während der Dialysebehandlung als auch auf eine einfache Bedienung mittels der vorgestellten Software geachtet. Das Gerät lässt sich somit problemlos in den klinischen Alltag integrieren und bietet aufgrund der Reagenzienfreiheit eine kostengünstige Methode zur kontinuierlichen und regelmäßigen Überwachung der Behandlungsverläufe. Im Fall von Vollblut wird gezeigt, dass Messungen mit einer Probenmenge von 10 µl beispielsweise aus der Fingerbeere prinzipiell möglich sind und ebenfalls reproduzierbare Ergebnisse liefern. Damit steht eine präzise, einfache, kompakte und betriebskostengünstige Methode zur Verfügung, um in kurzer Zeit wichtige Blutparameter quantitativ bestimmen zu können. Das kompakte und reagenzienfreie Messsystem erlaubt eine Vielzahl von Anwendungen, die insbesondere von den schnellen Analyseergebnissen und den geringen Verbrauchskosten profitieren. Beispielsweise beim Blutspendedienst, beim Hausarzt oder in Seniorenheimen kann die schnelle und einfache Ermittlung der hier untersuchten Blutparameter zur ersten Beurteilung des Patienten dienen und damit die Diagnose erleichtern. Der hohe Probendurchsatz und die vernachlässigbaren Betriebskosten führen in diesem Fall zu einer schnellen Amortisierung der Anschaffungskosten. Auch in Apotheken kann mit einem derartigen System ein erweiterter Service für Kunden angeboten werden. Aufgrund des geringen Probenvolumens kommt das Messsystem ebenfalls für Anwendungen im Versuchstierbereich in Frage, beispielsweise für die Untersuchung von Mäuseblut in der German Mouse Clinic am Helmholtz Zentrum München. Die der Maus zu entnehmende Blutmenge und damit die Belastung des Tieres kann hierdurch erheblich reduziert werden. Die Kompaktheit dieses universellen Systems erlaubt es weiterhin, eine Vielzahl anderer Flüssigkeiten zu untersuchen, die bereits erfolgreich infrarotspektroskopisch analysiert wurden. Dazu gehört unter anderem Urin, Bier und Wein. In der Arbeit wird abschließend ebenfalls gezeigt, dass der Einsatz abstimmbarer Quantenkaskadenlaser zusammen mit der ATR-Technik prinzipiell die Möglichkeit eröffnet, die aufwändigen und teuren FTIR-Spektrometer zu ersetzen. Langfristig ist sowohl mit einer Verkleinerung des Aufbaus als auch mit einem Sinken des derzeit noch sehr hohen Anschaffungspreises zu rechnen. Der bereits verfügbare Abstimmbereich genügt zur Bestimmung der Glucosekonzentration. Eine Erweiterung, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer Quantenkaskadenlaser mit unterschiedlichem Abstimmbereich, ermöglicht die Untersuchung weiterer Parameter.

In dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren zur Heparin-Bestimmung (LiSA-H, light scattering assay of heparin) evaluiert. Dieses wurde an der Universität Frankfurt a. M. am Institut für Biophysik entwickelt und ermittelt erstmals die direkte Heparin-Konzentration im Blutplasma. Durch die Analyse der Lichtstreuung einer Plasmaprobe wird die Bildung von Nanopartikeln aus Heparin und Protamin verfolgt. Die Lichtstreuintensität ist dabei proportional zu der in der Probe enthaltenen Heparin-Plasmakonzentration (Heparin-PK). Das Antikoagulans Heparin wird bei Herz-OPs mit Einsatz der Herz-Lungen-Maschine (HLM) verwendet und soll perioperativ eine lutgerinnselbildung in der HLM, sowie Thromboembolien im Patienten verhindern. Am OP-Ende wird die Wirkung durch Protamin antagonisiert, um eine suffiziente Gerinnung wieder herzustellen. Das derzeitige Gerinnungsmanagement basiert auf einem indirekten Messverfahren, der ACT (activated clotting time), welches starken Störeinflüssen, wie z.B. der Hypothermie, Hämodilution und bestimmten Medikamenten unterliegt. Durch die mögliche Falschdosierung der beiden Medikamente, steigt die Gefahr einer Blutung und Thrombose. LiSA-H soll in Zukunft eine zuverlässigere und kostengünstige „point of care― Analyse der Gerinnung und hierdurch eine gezielte Dosierung von Heparin und Protamin ermöglichen, die die Komplikationsrate verringert. In der vorliegenden Studie handelt es sich um eine offene, nicht kontrollierte, prospektive Multicenter-Studie, die mit 50 Patienten am Universitätsklinikum Frankfurt a.M. und 30 Patienten am Kinderherzzentrum Gießen durchgeführt wurde. Es wurde gezeigt, dass die durchschnittliche perioperative Heparin-PK bei Erwachsenen und Kindern bei ca. 5,4 I.E./ml liegt. Es wurde nachgewiesen, dass die Heparin-Clearance bei Kindern (~113 Min.) um das zweifache im Vergleich zu Erwachsenen (~254 Min.), erhöht ist. Besonders hervorzuheben ist die hohe Fehlerquote der ACT-Messung, die bei Erwachsenen in bis zu 1,8 % und bei Kindern in bis zu 20 % der Messungen keinen aussagekräftigen Wert lieferte. Das bedeutet, dass bei Kindern während einer OP bis zu zwei und bei Erwachsenen bis zu drei Stunden keine Information über den aktuellen Gerinnungszustand vorlag. Um eine Validierung der Messergebnisse vorzunehmen, wurden Rückstellproben mit dem Standardlaborverfahren PiCT (Prothrombinase induced clotting time) gemessen. Die Daten aus dem PiCT korrelieren mit den Ergebnissen aus der LiSA-H-Messung wesentlich besser (r² = 0,80), als mit der herkömmlichen ACT-Messmethode (r² = 0,57). Die ermittelten Heparin-PK und die ACT-Werte während einer OP wurden in Chronogrammen dargestellt. Es wurde gezeigt, dass in 30 % der OPs bei Erwachsenen und in 60 % bei Kindern die Messdaten aus der ACT und LiSA-H nur unzureichend synchron bei Nachdosierung mit Heparin anstiegen oder entsprechend der Heparin-Clearance im OP-Verlauf abfielen. Dies zeigte sich besonders kritisch während langandauernder, komplikationsreicher OPs, die einen erhöhten Blutverlust oder sogar Rethorakotomien nach sich zogen, in denen der ACT-Wert eine suffiziente Gerinnung nahe legte, die LiSA-HMessung aber eine noch hohe Heparin-PK nachwies. Erfahrungen aus den klinischen Studien zeigten, dass die Kombination aus der Messung der Heparin-PK und einer Gerinnungsanalyse bei einem ATIII-Mangel von Vorteil ist. Erst die Kombination aus einerseits mehrfach niedrig gemessener ACT-Werte, trotz ggf. Nachdosierungen von Heparin und andererseits ausreichend gemessener Heparin-PK im LiSA-H, kann einen ATIII-Mangelzustand aufdecken. Dadurch können Nach- bzw. Überdosierungen vermieden und damit die Wahrscheinlichkeit für postoperative Komplikationen verringert werden. Der wichtigste Einflussfaktor auf die LiSA-H-Messung ist die Hämodilution, die durch Einbeziehung des Patienten-Blutvolumens (z.B. mit der Nadler-Formel) durch mathematische Korrektur berücksichtigt werden kann. Patientenindividuelle Reaktionen auf gleiche Heparin- und Protamin-Dosierungen sowie eine patientenspezifische Heparin-Clearance zeigten in diesen Studien auf, dass das derzeitige Antikoagulationsmanagement mit den Dosierungsempfehlungen (Körpergewichtsbezogene Dosierung, 1:1 Dosierung von Protamin zur initialen Heparin-Dosis oder der summierten Heparin-Dosis, „pauschale― Nachdosierungen von 5.000 oder 10.000 I.E. Heparin bei ACT < 480) für eine optimale Dosierung der Medikamente unzureichend ist. In Outcome-Studien soll mit der LiSA-H-Messung Dosierungsempfehlungen von Heparin und Protamin ausgearbeitet werden. Außerhalb der Herz-Thorax-Chirurgie eröffnen sich weitere Möglichkeiten, wie z.B. in Dialysezentren und in der Neurochirurgie, für die bereits Studien geplant sind.

2.1. Background & purpose The recent introduction of new technical innovations such as CT perfusion (CTP) and dual energy CT (DECT) increases the diagnostic abilities of CT for imaging of the head and neck (H&N). The aim of this work was to evaluate the role of CTP and DECT in head and neck imaging. The first part tests whether CTP can differentiate between malignant H&N tumors and surrounding muscle, and discusses the impact of arterial input selection and tumor region of interest (ROI) on CTP of H&N cancer. The second part of the study evaluates radiation dose and image quality of DECT of the H&N. Finally the use of DE derived weighted averaging to improve lesion delineation and image quality is discussed. 2.2. Patients and methods CT perfusion Retrospective analysis of CTP was done for a total number of 55 cases of H&N tumors. Perfusion parameters were calculated for 33 cases of squamous cell carcinoma (SCC) and compared to those of muscles. CTP parameters of 50 cases of H&N tumors calculated using different arterial input functions were compared. CTP was calculated for 28 SCC cases using the single dynamic CT section that shows maximal tumor dimension compared to using average values obtained from all tumor-containing dynamic CT sections. Dual energy CT of head and neck This prospective part of the study was further divided into 2 parts. In the first part 32 consecutive patients underwent DECT of the H&N and were compared to a standard single energy CT (SE) control group. Radiation doses were compared. Weighted-average images from raw data of the 2 DE tubes (weighting factor 0.3 from 80 kVp and 0.7 from 140 KVp) were compared to SE images. Image noise was compared at 5 anatomic levels. Two blinded readers compared subjective overall image quality on a 5-point grading scale. In the second part 35 proved SCC cases underwent DECT of the neck. Pure 140 kVp and 80 kVp image datasets as well as weighted-average images from raw data of the 2 DE tubes at weighting factors 0.3, 0.6, 0.8 (30%, 60% and 80% from 80 kVp raw data respectively) were reconstructed. Objective image noise, contrast to noise ratio (CNR) and subjective image quality were compared between the 5 image datasets. Results CT perfusion Tumor perfusion parameters were significantly higher than those of muscle (p <0.05). Significant high correlation with no significant differences between the means (p >0.05) were observed between perfusion parameters obtained using internal carotid artery (ICA) versus external carotid artery (ECA) and ipsilateral versus contralateral ICA. High correlation was observed between perfusion parameters calculated using one section with maximal tumor dimension and the average of multiple sections. Differences between the means were non significant, p values>0.05. The 95% limits of agreement between repeated measurements using average of multiple sections were slightly narrower for blood volume and permeability than those of repeated measurements using one section. Dual energy CT of head and neck CTDIvol was 12% lower with DE than SECT (p<0.0001). There were no significant differences in objective noise between DECT and SECT at any of the anatomic levels (p >0.05). There were no significant differences between DE- and SECT in attenuation measurements, all p values >0.05. No significant differences in subjective image quality scores were observed between DE- and SECT at any of the 5 anatomic levels (p >0.05). At weighting factor 0.6 the lesion CNR was significantly higher than at weighting factor 0.3 and at pure 140 kVp image dataset (p< 0.0001); while non significantly lower than at weighting factor 0.8 and pure 80 kVp (p=1.00). The 0.6 weighting factor was rated the best at subjective image quality and lesion delineation. 2.4. Conclusion In conclusion; this study demonstrated the ability of CTP to differentiate SCC from surrounding muscle tissue. The choice of arterial input selection has no significant impact on quantitative CTP of H&N tumors. CTP of SCC calculated from one section with maximal tumor dimensions and the average values from multiple sections are not significantly different. The second part of the study showed that DE scanning can be routinely used for H&N imaging; preserving high diagnostic image quality even when the radiation dose was lowered by 12%. Average weighting of DE raw data, with a weighting factor 0.6, results in significant improvement in both tumor delineation and image quality.

Das Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit ist die durchflusszytometrische Bestimmung Cytomegalievirus-spezifisch aktivierbarer CD4+T-Lymphozyten bei Patienten nach Lungentransplantation. Virusinfekte, insbesondere mit dem Cytomegalievirus (CMV), sind häufige Komplikationen nach Lungentransplantation. Bei Untersuchungen zu knochenmark-, leber-und nierentransplantierten Patienten konnte gezeigt werden, dass eine enge Korrelation zwischen der virusspezifischen, zellvermittelten T-Zellreaktion und der viralen Replikation besteht [Sesters, M. et. al., 2001 Transplantation 71, 1287-1294]. Zur Klärung der Frage, inwieweit ein Zusammenhang zwischen dem Auftreten einer CMVInfektion und dem Anteil CD4+ T-Zellen mit de-novo-Synthese von Interferon-&#947; (INF-&#947;) und CD69 bei Patienten nach einer Lungentransplantation existiert, wurde bei n=22 Patienten nach Lungentransplantation während 12 Monate der Anteil [%] virusspezifisch aktivierbarer CD4+ Lymphozyten mit de-novo-Synthese von INF-&#947; und CD69 gemessen. Dazu wurde peripheres venöses Blut mit CMV-KBR-Antigen inkubiert und der Anteil virusspezifisch stimulierbarer CD4+ Lymphozyten durchflusszytrometrisch quantifiziert. Bei n=7 CMV-positiven Patienten ohne akuten CMV-Infekt während des Beobachtungszeitraums (kein Nachweis von CMV-DNA und CMV-pp65) reagierten 6,13 % (median; Spannweite: 0,86-45,15%) der CD4+ T-Lymphozyten auf die Simulation mit dem Virusantigen mit einer de-novo-Synthese von INF-&#947; und CD69. Im Vergleich dazu zeigte sich bei n=5 CMV-positiven Patienten mit akuter CMV-Infektion im Beobachtungszeitraum ein deutlich verringerter Anteil CD4+ T-Zellen mit de-novo-Synthese von INF-&#947; und CD69 (0,99%; 0,01-3,20%). CMV-negative Patienten (n=10) wiesen im Vergleich zu den CMV-positiven Patienten mit und ohne CMV-Infekt im Untersuchungszeitraum einen geringeren Anteil CD4+ T-Zellen mit de-novo-Synthese von INF-&#947; und CD 69 (0,04%; 0,02-0,41%) auf. Bei der durchflusszytometrischen Bestimmung spezifisch aktivierbarer CD4+ T-Lymphozyten im peripheren Blut lungentransplantierter Patienten konnte ein Zusammenhang zwischen dem Anteil der virusspezifisch aktivierbaren T-Zellen und der viralen Replikation gezeigt werden. Die Methode ermöglicht eine Eingrenzung von Risikopatienten im Hinblick auf eine CMVReaktivation und kann das bestehende CMV-Monitoring sinnvoll ergänzen. Die gewonnenen Ergebnisse können Ausgangspunkt für weitere Studien zu virusspezifisch aktivierbaren T-Lymphozyten bei lungentransplantierten Patienten sein.