Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Entwicklung eines Verfahrens zur quantitativen Auswertung nicht-invasiver reflexionsspektroskopischer Messungen von Beta-Carotin in der Haut

Niedorf, Frank

Die Arbeit legt eine von mir entwickelte Methode zur Extraktion quantitativer Informationen aus nicht-invasiv an der Haut gewonnenen Reflexionsspektren dar. Dieses Verfahren wurde anhand einer Studie zur Pharmakokinetik von Beta-Carotin in der Haut evaluiert. Die Unter-suchungen wurden am Modell des isoliert perfundierten Rindereuters durchgeführt, welches aufgrund der Perfusion mit blutfreier Nährlösung sowie guter Standardisierbarkeit methodi-sche Vorteile besitzt. Die in der Arbeit entwickelte Datenanalyse beruht auf dem Prinzip, Reflexionsspektren nach dem Prinzip der Minimierung der Abweichungsquadrate auf Reinspektren bekannter Farb-stoffe zurückzuführen. Vor der Anwendung dieses sogenannten classical least squares (CLS)-Verfahrens müssen jedoch an den Spektren zahlreiche durch die Messung in komple-xer biologischer Matrix ausgelöste Verzerrungen korrigiert werden. Dazu wurden überla-gernde Streuspektren als polynomische Basislinien höheren Grades aufgefaßt und durch einen in dieser Arbeit ent-wickelten iterativen Algorithmus korrigiert. Daneben wird der Effekt ad-ditiver Farbmischung kompensiert, der auf inhomogene Lichtwege und Farb-stoffverteilun-gen im Gewebe zurückzu-führen ist. Des weiteren wird das stark vom Lösungsmittel abhän-gige Spektrum von Beta-Carotin in der Haut iterativ bestimmt. Die in der Arbeit entwickelte Datenanalyse ist in der Lage, die spektralen Charakteristika von Hautspektren unter Verwendung der Reinspektren von Oxy- und Desoxy-Hämoglo-bin sowie von Beta-Carotin präzise nachzubilden. Daneben wurden Anzeichen für weitere in der Haut befindliche Chromophore gefunden, deren Einfluß auf die Präzision und Richtigkeit der Me-thode jedoch nur gering ist. Die Kenntnis der mittleren Photonenweglänge ist für quantitative Messungen unerläßlich, jedoch läßt sie sich nach dem Stand der Technik nicht für jede Messung einzeln bestimmen. Sie wurde daher exemplarisch an sechs unbehandelten Hautproben ermittelt. Dazu dienten mit einer Ulbrichtkugel aufgenommene Reflexions- und Transmissionsspektren, aus denen der Absorp-tions- und Streukoeffizient des jeweiligen Hautstückes an drei im Bereich der Beta-Carotin-Absorption liegenden Wellenlängen bestimmt wurde. Diese Berechnung und die anschlie-ßende Bestimmung der Photonenweglänge geschah mittels Monte-Carlo-Simulatio-nen. Vergleichende Messungen mit einer etablierten HPLC-Methode wurden an 15 Euter-hautpro-ben durchgeführt. Dabei zeigte sich eine signifikanten Korrelation der Daten (Spearmanscher Korrelationskoeffizient: 0,711). Zu Beginn der anschließenden Studie zur Pharmakokinetik von Beta-Carotin in der Haut wurde zunächst der Einfluß der Perfusion auf die dermale Beta-Carotin-Konzentration in Rindereuterhaut bestimmt. Dabei ergab sich bei keinem Versuch eine signifikante Änderung. Auffällig war die starke Heterogenität des Probenmaterials hinsichtlich der dermalen Beta-Carotin-Ausgangskonzentration mit Werten zwischen 481 ng/g und 23271 ng/g Gewebe. In den folgenden Versuchen zur Pharmakokinetik von Beta-Carotin wurde eine dosisabhän-gige Verteilung von Beta-Carotin in die Haut beobachtet. Weiterhin konnte ein Abfall der dermalen Beta-Carotin-Konzentration unter UV-Bestrahlung gezeigt werden. Bei den Anflu-tungsversuchen fiel ein mit steigenden Konzentrationen einhergehendes Sättigungsphänomen sowie individuell stark variierende Anstiege der dermalen Beta-Carotin-Konzentration auf. Hingegen zeigte sich bei allen Versuchen beim gleichzeitig mitbestimmten Hämoglobin ein gleichmäßiger Abfall. Dies deutet darauf hin, daß es sich bei den beobachteten Schwankun-gen des Beta-Carotins um echte Konzentrationsunterschiede handelt, und diese nicht etwa meßtechnisch bedingt sind. Somit kann die Schlußfolgerung gezogen werden, daß die Reflexionsspektro-skopie geeignet ist, Farbstoffe nicht-invasiv in einem biologischen Gewebe zu bestimmen. Da die für die Quantifizierung benötigte Photonenweglänge nach dem Stand der Technik jedoch nicht für jede Messung einzeln bestimmt werden kann, ist die Präzision eingeschränkt. Eine Anwen-dung der Reflexionsspektroskopie sollte daher nur dann in Betracht gezogen werden, wenn eine Nicht-Invasivität oder ein Zeitgewinn durch fehlende Probenaufbereitung entschei-dend ist.

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Niedorf, Frank: Entwicklung eines Verfahrens zur quantitativen Auswertung nicht-invasiver reflexionsspektroskopischer Messungen von Beta-Carotin in der Haut. Hannover 2001. Tierärztliche Hochschule.

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