Phänomenologische Statistik der Änderungen im Stoffwechsel von Meerschweinchenleber nach biomedizinischen Laseranwendungen / Phenomenological statistics of laser irradiation related metabolic changes in Guinea Pig Livers

Abstract

Dosimetrische Untersuchungen als Grundlage von Bestrahlungsplanungen hyperthermischer Therapien bei minimal invasiven medizinischen Tumorbehandlungen reduzierten sich in der Vergangenheit oftmals auf die Gewebekoagulationen. Grundlagen für thermische Prozesse von Gewebereaktionen zwischen 42°C bis ca. 45°C wurden über die Heatshock-Proteine durch Grundlagenarbeiten der Biochemie zugänglich – führten aber zu keinem geschlossenen Verständnis, das als Basis einer Bestrahlungsplanung gelten kann. Als gute Näherung für die komplexe Beschreibung der hyperthermischen Gewebereaktionen wurde deshalb bisher der Arrhenius-Formalismus genutzt. Die Aktivierungsenergie wird dabei als statistische Energieschwelle zur irreversiblen Gewebekoagulation herangezogen. Unsere Untersuchungen zielten letztlich auf die Fragestellung, ob dieser Formalismus für eine Gewebeschädigung als zeitliche Akkumulation mit implizitem biochemisch zu bilanzierendem Mechanismus der Rückkopplung, also unterhalb der Koagulationsschwelle reproduzierbar zu halten wäre. Experimentell wurde als wichtiger Vitalparameter die fluoreszenztechnische Messung der NADH-Konzentration gewählt, um in einem ersten phänomenologischen Ansatz zu einer weiterführenden Aussage zu kommen. Die beiden wichtigsten Unterschiede – verglichen mit der Vitalitätsmessung aus dem Arrhenius-Formalismus – sind zum einen die vernachlässigbaren Schwankungen im Schädigungsintegral (vergleichsweise zu den phänomenologisch erfaßten Stoffwechselreaktionen durch zyklische Erwärmung) und zum anderen die Feststellung, daß der Arrhenius-Formalismus als quasilinearer Zusammenhang zwischen Stoffwechseldynamik und Gewebeschädigung nicht zu halten ist.

In the past, dosimetric investigations on which hyperthermal therapy radiation planning for minimally invasive treatment of tumours were based were often limited to tissue coagulation. While heatshock proteins identified by biochemical basic research provided a fundamental knowledge of the thermal processes of tissue reactions between 42°C and ca. 45°C, the resulting understanding was insufficient to serve as a basis for radiation planning. For this reason, the Arrhenius formalism has so far been used as a good approximation for the complex description of the hyperthermal tissue reactions, with the activation energy being employed as statistic energy threshold for irreversible tissue coagulation. Our investigations were aimed at elucidating whether this formalism could be kept reproducible for tissue damage as temporal accumulation with an implicit biochemically balanced feedback mechanism, i.e. below the coagulation threshold. In our experiments we chose the fluorescence-technical measurement of the NADH concentration as a vital parameter to obtain a more informative statement in a preliminary phenomenological approach. The two most striking differences – as compared with the vitality measurement from the Arrhenius formalism – are the negligible variations in the damage integral (as compared with the phenomenological metabolic reactions acquired by cyclic heating), and the conclusion that the Arrhenius formalism as quasi-linear correlation between metabolic dynamics and tissue damage, will not hold.