Volume 2, Issue 3 - Topic Issue: Medical use of lasers and photonics in Russia II – Therapy / Issue Editors: Michael Fedorov and Valery V. Tuchin

Abstract: This article deals with the creation of new low-toxic photosensitizers on the basis of Ytterbium-2,4-dimethoxyhematoporphyrin IX (Yb-DMHP) and their application for the luminescence diagnostics of cancer. These substances were found to weakly generate singlet oxygen, exhibit pronounced luminescence, and retain the tumor-tropic properties of therapeutic photosensitizers. Basic photophysical properties of Yb-DMHP were studied, and the primary toxicological and pharmacokinetic investigations were performed in the organisms of experimental animals. The 4f-luminescence of Yb-DMHP in the near infrared (NIR) spectral region was observed. Comparative investigations were performed for one of the photodynamic medications which have been approved for clinical application: “Photoditazin”, a diglucosamine salt of chlorin e6. It was shown that the efficiency of singlet oxygen generation is lower by approximately one order of magnitude in the case of Yb-DMHP. The experimental data prove that Yb-DMHP-based substances are promising as non-toxic markers for the luminescence diagnostics of malignant tumors in the NIR spectral range (900–1100 nm), because they are free of the phototoxicity that is typical of conventional porphyrins, while at the same time providing a relatively high luminescence contrast and a selective accumulation in tumor tissue. Zusammenfassung Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung neuer schwach toxischer Photosensibilisatoren auf der Basis von Ytterbium-2,4-Dimethoxyhematoporphyrin IX (Yb-DMHP) und ihrer Anwendung für die Lumineszenzdiagnose von Krebs. Es hat sich gezeigt, dass diese Substanzen nur geringe Mengen an Singulett-Sauerstoff erzeugen, eine ausgeprägte Lumineszenz aufweisen und die tumortropen Eigenschaften von therapeutischen Photosensibilisatoren behalten. Grundlegende photophysikalische Eigenschaften von Yb-DMHP wurden untersucht, primäre toxikologische und pharmakokinetische Untersuchungen in den Organismen von Versuchstieren durchgeführt sowie die 4f-Lumineszenz im nahen Infrarot (NIR)-Spektralbereich beobachtet. Vergleichende Untersuchungen wurden für eines der photodynamischen Medikamente, die für die klinische Anwendung zugelassen sind, durchgeführt: „Photoditazin“, ein Glucosaminsalz des Chlorin e6. Es wurde gezeigt, dass die Effizienz der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff bei Yb-DMHP um ungefähr eine Größenordnung geringer ist. Die experimentellen Daten erwiesen sich als vielversprechend und deuten darauf hin, dass Yb-DMHP-basierte Stoffe als ungiftige Marker für die Lumineszenzdiagnostik von malignen Tumoren im NIR-Spektralbereich (900–1100 nm) einsetzbar sind, da sie frei von Phototoxizität sind (die typisch für herkömmliche Porphyrine ist) und gleichzeitig einen relativ hohen Lumineszenzkontrast und eine selektive Anreicherung im Tumorgewebe aufweisen.

Abstract: The impact of water-soluble and amphiphilic polymers with different structures, namely carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA) and polyvinylpyrrolidone (PVP), was studied on the photoactivity of chlorin photosensitizers (PSs) in photodynamic therapy (PDT). It was shown that such polymers can cause a considerable increase in the PS activity, both in the process of singlet oxygen photogeneration in cell experiments, and in the model reaction of a substrate photooxidation in water. Amongst the studied polymers, CMC and PVP appeared to have the most significant influence on the photoactivity of PSs. The observed effect of the polymers on the photosensitizing activity of PSs can be attributed to the presence of chlorin-polymer interactions resulting in the porphyrin disaggregation in aqueous phase. The effect of the polymers on the photocytotoxicity of PSs is attributed to the absence of interactions between chlorin and polypeptide or lipoproteins which results in a decrease of the photoactivity of chlorins in cell culture. The PS/polymer systems appear to be a new effective dosage form of PDT drugs. Zusammenfassung: Die Wirkung von wasserlöslichen und amphiphilen Polymeren mit unterschiedlichen Strukturen (Carboxymethylcellulose, CMC; Polyvinylalkohol, PVA; Polyvinylpyrrolidon, PVP), auf die Photoaktivität von Chlorin-Photosensibilisatoren (PS) in der photodynamischen Therapie (PDT) wurde untersucht. Es wurde gezeigt, dass solche Polymere eine erhebliche Steigerung der PS-Aktivität bewirken können, sowohl im Prozess der Singulett-Sauerstoff-Generation in Zellexperimenten als auch in der Modellreaktion einer Substrat-Photooxidation in Wasser. Unter den untersuchten Polymeren schienen CMC und PVP den größten signifikanten Einfluss auf die Photoaktivität der PS zu haben. Die beobachtete Wirkung der Polymere auf die photosensibilisierende Aktivität der PS kann auf das Vorhandensein von Chlorin-Polymer-Wechselwirkungen zurückgeführt werden, die in einer Porphyrin-Disaggregation in wässriger Phase resultieren. Die Wirkung der Polymere auf die Photozytotoxizität der PS wiederum ist auf das Fehlen von Wechselwirkungen zwischen Chlorin und Polypeptid bzw. Lipoproteinen zurückzuführen, die zu einer Abnahme der Photoaktivität von Chlorin in der Zellkultur führt. Die PS/Polymer-Systeme scheinen eine neue wirksame Darreichungsform von PDT-Medikamenten zu sein.

Background and objective: Lasers can be successfully used for the modification of biological tissues. In dentistry, an increase in strength and the chemical properties of enamel with a laser in order to prevent tooth decay appears to be quite promising. We investigated microhardness and acid resistance of human tooth enamel in vitro before and after treatment by YLF:Er laser radiation with sub-ablative energy density. Scanning electron microscope (SEM) study of the enamel surface before and after laser treatment was carried out. A possible mechanism of the laser radiation effect on the microhardness and acid resistance of enamel is discussed. Materials and methods: Enamel of the tooth crown was investigated in vitro . A pulsed diode-pumped YLF:Er laser (λ=2.84 μm) was used operating in free-running mode with an energy density on the enamel surface of about 2 J/cm 2 . A pattern was created on the enamel surface, every point of the pattern being formed by the impact of 100 laser pulses. Microhardness before ( HV e ) and after ( HV te ) laser treatment was measured by the Vickers hardness test. Microhardness of intact and laser-treated enamel were measured after mechanical cleaning with an abrasive toothpaste at room temperature to estimate the wear resistance (abrasion resistance). Gel Etchant (Kerr, Scafati, Italy) was applied to intact and laser-treated enamel. The exposure time during which intact ( t e ) and treated ( t te ) enamel was destroyed was determined to estimate acid resistance. Scanning microscopy of enamel before and after laser treatment was carried out using a SEM. The original SEM image processing technique allowed us to estimate the porosity of the enamel surface before and after laser treatment. Results: The measured microhardness of intact enamel of human tooth crown was HV e =310±10, and enamel microhardness after laser treatment reached HV te =375±10. However, even after 45 min mechanical cleaning with abrasive toothpaste at room temperature, laser-treated enamel microhardness was higher than intact enamel microhardness. Measured exposure time t e was 3±1 s, and the exposure time t te was 180±15 s. The porosity of the intact enamel surface is almost three times greater than the porosity of laser-treated enamel. Conclusion: In this paper it was found that sub-ablative YLF:Er laser radiation modifies the intact enamel in such a way that the enamel microhardness increases and can exceed the intact enamel microhardness by 20%. Laser-treated enamel can resist abrasive impact during a time equivalent to 3 years of standard dental hygiene. Laser-treated enamel can resist an external aggressive medium containing 37.5% phosphoric acid significantly longer than intact enamel. The observed improvement in the mechanical and chemical properties of the enamel can be explained by a significant reduction in enamel porosity after laser radiation impact. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Laser können erfolgreich für die Modifikation von biologischen Geweben eingesetzt werden. In der Zahnmedizin erscheint die Verbesserung der Festigkeit und der chemischen Eigenschaften des Zahnschmelzes mittels Laser vielversprechend, um Karies zu verhindern. Im vorliegenden Artikel wird die Mikrohärte und Säurebeständigkeit von menschlichem Zahnschmelz in vitro vor und nach der Behandlung durch YLF:Er-Laserstrahlung mit sub-ablativer Energiedichte untersucht. Es wurden Rasterelektronenmikroskop (REM)-Untersuchungen der Schmelzoberfläche vor und nach der Laserbehandlung durchgeführt. Ein möglicher Mechanismus der Laserstrahlung auf die Mikrohärte und Säurebeständigkeit des Zahnschmelzes wird diskutiert. Materialien und Methoden: Es wurde Zahnschmelz der Zahnkrone in vitro untersucht. Ein gepulster, diodengepumpter YLF:Er-Laser (λ=2.84 μm) wurde im sogenannten „Free-running Mode“ mit einer Energiedichte von etwa 2 J/cm 2 auf der Zahnschmelzoberfläche eingesetzt. Es wurde ein Muster auf der Schmelzoberfläche eingebracht, wobei jeder Punkt des Musters durch 100 Laserpulse erzeugt wurde. Die Mikrohärte wurde vor ( HV e ) und nach ( HV te ) der Laserbehandlung mittels Vickers Härtetest gemessen. Um die Verschleißfestigkeit (Abriebfestigkeit) zu bestimmen, wurde die Mikrohärte von intaktem und laserbehandeltem Schmelz nach der mechanischen Reinigung mit einer abrasiven Zahnpasta bei Raumtemperatur gemessen. Ein Ätzgel (Gel Etchant; Kerr, Scafati, Italien) wurde auf intakten und laserbehandelten Zahnschmelz aufgetragen. Die Einwirkzeit, während der intakter ( t e ) und laserbehandelter ( t te ) Zahnschmelz zerstört wurde, wurde bestimmt, um die Säurebeständigkeit zu ermitteln. Um die Porosität der Schmelzoberfläche vor und nach der Laserbehandlung bewerten zu können, wurden Untersuchungen am REM durchgeführt. Ergebnisse: Die gemessene Mikrohärte von Zahnschmelz intakter menschlicher Zahnkronen betrug HV e =310±10 und erreichte nach der Laserbehandlung einen Wert von HV te =375±10. Selbst nach 45 min mechanischer Reinigung mit einer abrasiven Zahnpasta bei Raumtemperatur war die Mikrohärte von laserbehandeltem Zahnschmelz höher als bei intaktem Zahnschmelz. Die gemessenen Einwirkzeiten von Ätzgel bis zur Zahnschmelzzerstörung betrugen t e =3±1 s und t te =180±15 s. Die Porosität der intakten Schmelzoberfläche ist fast drei-mal größer als die Porosität des laser-behandelten Zahnschmelzes. Fazit: Es konnte gezeigt werden, dass intakter Zahnschmelz mittels sub-ablativer YLF:Er-Laserstrahlung so modifiziert werden kann, dass die Mikrohärte gegenüber unbehandeltem Zahnschmelz um 20% ansteigt. Laserbehandelter Schmelz kann abrasiven Einflüssen, die einer Standard-Zahnhygiene über einen Zeitraum von 3 Jahren entsprechen, widerstehen. Laserbehandelter Schmelz kann außerdem einem extern einwirkenden aggressiven Medium mit 37,5% Phosphorsäure deutlich länger als intakter Schmelz widerstehen. Die beobachtete Verbesserung der mechanischen und chemischen Eigenschaften des Zahnschmelzes lässt sich durch eine deutliche Reduzierung der Schmelzporosität nach Laserbehandlung erklären.

Background and objective: Dental erosion is now recognized as an important cause of tooth tissue loss. This in vitro study aimed at evaluating the effect of low intensity diode lasers (λ=660 or 808 nm; 100 J/cm 2 ) and a blue light emitting diode (LED) (λ=430–480 nm; central wavelength=455 nm; 1200 mW/cm 2 ) combined with fluoride application on the inhibition of early dentin erosion. Materials and methods: Human root dentin slabs were randomly assigned to eight groups (n=10), as follows: G1 – control, G2 – fluoride (5 min), G3 – LED (455 nm), G4 – laser (660 nm), G5 – laser (808 nm), G6 – fluoride+LED, G7 – fluoride+laser (660 nm) and G8 – fluoride+laser (808 nm). After being submitted to a 2-h-acquired pellicle formation, the slabs were treated according to the groups (1× per day) and subsequently exposed to cyclic erosive challenges (0.01 m HCl for 60 s, 4× per day), over a period of 3 days. Surface changes were determined by microhardness and profilometry analyses. The temperature was also evaluated during irradiation. Kruskal-Wallis and Student-Newman-Keuls tests were used to compare the percentage of surface microhardness change (%SMHC) and ANOVA to assess tissue wear and temperature rise. Results: For all irradiated groups, temperature changes were below 1.6°C and were not statistically significant different ( p >0.05). Treated groups did not present evidence of erosion reduction for wear rates ( p =0.27); however, for %SMHC analysis, a statistically significant difference was found between the control and treated groups ( p =0.008). Conclusion: All treatments were able to reduce the loss of hardness of dentin submitted to a slight erosive challenge. However, no synergic effect was found when fluoride application was combined with light irradiation. Zusammenfassung Hintergrund und Ziel: Dentalerosion gilt als eine der Hauptursachen von Zahngewebeverlust. Die vorliegende In-vitro -Studie untersucht die Wirkung eines Low-Intensity-Diodenlasers (λ=660 oder 808 nm, 100 J/cm 2 ) und einer blau emittierenden LED (λ=430–480 nm; mittlere Wellenlänge=455 nm; 1200 mW/cm 2 ) in Kombination mit Fluorid-Anwendung auf die Hemmung der frühen Dentinerosion. Materialien und Methoden: Humane Wurzeldentin-Schnitte wurden nach dem Zufallsprinzip acht Versuchsgruppen (n=10) zugeordnet: G1 – Kontrollgruppe, G2 – Fluorid (5 min), G3 – LED (455 nm), G4 – Laser (660 nm), G5 – Laser (808 nm), G6 – Fluorid+LED, G7 – Fluorid+Laser (660 nm) und G8 – Fluorid+Laser (808 nm). Nachdem die Proben zur Pellikelbildung für 2 h einer Speichellösung ausgesetzt wurden, wurden die Schnitte entsprechend ihrer Gruppenzuordnung über einen Zeitraum von 3 Tagen 1× täglich behandelt und anschließend zyklisch einer erosiven Substanz (0,01 m HCl für 60 s, 4× täglich) ausgesetzt. Die Oberflächenveränderungen wurden anhand von Mikrohärtebestimmungen und Profilometrieanalysen evaluiert. Während der Laser-/Lichtbestrahlung wurde außerdem die Temperatur ermittelt. Kruskal-Wallis- und Student-Newman-Keuls-Tests wurden angewendet, um die prozentuale Änderung der Oberflächenmikrohärte (%SMHC) statistisch auszuwerten und eine Varianzanalyse (ANOVA), um den Gewebeverschleiß und die Erwärmung zu beurteilen. Ergebnisse: Für alle lichtexponierten Gruppen lagen die Temperaturänderungen unter 1,6°C und wiesen keine statistisch signifikanten Unterschiede auf ( p >0,05). Es konnte keine statistisch signifikante Reduktion der Erosion nachgewiesen werden ( p =0,27), jedoch ergab sich für %SMHC ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen der Kontroll- und den lichtbehandelten Gruppen ( p =0,008). Fazit: Mit allen Behandlungsregimen konnte der Härteverlust von Dentin reduziert werden, was den Widerstand gegen erosive Einflüsse leicht verbessern könnte. Es konnte jedoch kein synergistischer Effekt bei kombinierter Licht/Fluorid-Anwendung festgestellt werden.

Background and objectives: Laser methods, such as laser-induced fluorescence diagnostics, photodynamic therapy (PDT), and hyperthermia, are finding increasing use in medicine. Irradiation can be performed both with and without contact on the tissue surface. In the case of contact irradiation, especially when laser radiation is introduced into biological tissue through an optical fiber, it is important to know the processes taking place at the irradiation fiber end. These processes affect diffusely reflected radiation which returns to the fiber. By analyzing backscattered radiation, we can evaluate the quality of the radiation procedure and the state of the fiber end. The objectives of this study were to develop a method and device for measuring backscattered radiation power and using this method, to determine the time and temperature ranges realized in PDT and hyperthermia. Materials and methods: Light propagation is discussed in bent optical fibers. A technique is proposed for measuring laser radiation intensity in the optical fiber bend. Based on this technique, a system was developed for monitoring the laser radiation dose absorbed in biological tissues. We studied samples of bovine liver, muscle and brain tissues. Experiments were performed using a 675 nm, 100–2200 mW continuous wave semi-conductor laser. Laser radiation was delivered through a silica/polymer optical fiber. Data concerning the temperature and transmitted radiation intensity was acquired. Results: Modeling of the light propagation in a bent optical fiber showed that the sensitivity of the method depends on the position of the photodetectors, but is independent of the loop number of the optical fiber. The results of experiments are presented using different types of biological tissues. We obtained the experimental dependencies of backward and transmitted radiation intensities and the temperature of the tissue surface in the irradiated region on the irradiation time measured with a flat-end fiber. The characteristic ranges of tissue heating caused by irradiation were determined for use in clinical practice. Conclusions: The optical parameters of biological tissues change with increasing temperature. This affects the intensity of transmitting radiation and diffuse radiation entering the fiber. The change in the backscattered radiation intensity greatly depend on the temperature of the irradiated area. The control of the irradiation of biological objects provides an efficient delivery of laser radiation to biological tissues and increases hyperthermia and PDT treatment effect. Zusammenfassung Hintergrund und Ziele: Laser-Methoden wie die laser-induzierte Fluoreszenzdiagnostik, die photodynamische Therapie (PDT) und die Hyperthermie, finden zunehmend Verwendung in der Medizin. Die Laserbestrahlung kann mit und ohne Gewebekontakt durchgeführt werden. Bei der Kontaktmethode, insbesondere wenn die Laserstrahlung mittels einer optischen Faser in das biologische Gewebe eingebracht wird, ist es wichtig, die Vorgänge am Faserende zu kennen. Diese Prozesse beeinflussen die in die Faser diffus zurückgestreute Strahlung. Durch die Analyse dieser rückgestreuten Strahlung kann die Qualität des Verfahrens und der Zustand des Faserendes bewertet werden. Ziel dieser Studie war es, ein Verfahren und ein Gerät zur Messung der Rückstreustrahlung zu entwickeln, um die für die PDT und Hyperthermie relevanten Zeit- und Temperaturbereiche zu bestimmen. Materialien und Methoden: Es wird die Lichtausbreitung in unter Biegung stehenden optischen Fasern diskutiert und ein Verfahren zur Messung der Laserstrahlungsintensität in der gebogenen Faser vorgeschlagen. Basierend auf dieser Technik wurde ein System zur Überwachung der im biologischen Gewebe absorbierten Laser-Strahlendosis entwickelt. Es wurden Untersuchungen an verschiedenen Gewebeproben (Rinder Leber-, Muskel- und Hirngewebe) unter Verwendung eines 675 nm, 100–2200 mW Dauerstrich-Halbleiterlasers untersucht. Die Laserstrahlung wurde durch eine Siliziumdioxid/Polymer-Faser übertragen. Meßdaten zur Temperatur und transmittierten Strahlungsintensität wurden ermittelt. Ergebnisse: Die Simulation der Lichtausbreitung in einer gebogenen Lichtleitfaser hat gezeigt, dass die Empfindlichkeit des Verfahrens von der Position der Photodetektoren nicht aber von der Anzahl der Schlaufen der aufgerollten optischen Faser abhängt. Die Ergebnisse der Experimente an verschiedenen Gewebearten werden präsentiert. Die Abhängigkeit von rückgestreuter und transmittierter Strahlungsintensität und Temperatur an der Gewebeoberfläche im bestrahlten Bereich auf die Bestrahlungszeit bei Verwendung einer Faser mit flachem Faserende wurde gemessen. Die charakteristischen Bereiche der Gewebeerwärmung, verursacht durch die Laserbestrahlung, wurden für den Einsatz in der klinischen Praxis bestimmt. Schlussfolgerungen: Die optischen Parameter von biologischen Geweben ändern sich mit steigender Temperatur. Dies beeinflusst die Intensität der Übertragung von transmittierter und zur Faser zurückgestreuter Strahlung. Die Änderung der rückgestreuten Strahlungsintensität hängt stark von der Temperatur des bestrahlten Bereiches ab. Die Steuerung der Bestrahlung von biologischen Objekten erlaubt eine effiziente Laserbestrahlung und trägt zur Verbesserung des Behandlungseffektes bei Hyperthermie und PDT bei.

Background and objective: The problem of the medical application of non-invasive ( in vivo, in situ ) laser diagnostics, based on the principles of spectrophotometry and laser spectral analysis, is a topic which has recently found increasing interest in medical literature. This article presents an overview of selected studies in this field of medicine carried out in one of the oldest and largest Russian medical institutions, Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI) named after M. F. Vladimirskiy, illustrating the possible medical applications of these methods in clinical practice in different fields of medicine. Materials and methods: The specially devised multifunctional laser diagnostic system “LAKK-M” was used as a diagnostic instrument in the majority of studies in MONIKI, allowing a combination of methods, such as non-invasive medical spectrophotometry in the form of laser fluorescence spectroscopy, laser Doppler flowmetry, tissue reflectance oximetry, etc. The system was used in both the experiments on laboratory animals, and for treatment of patients in different clinics of the institute. Results: Within the last decade, extensive scientific data has been obtained which has opened up the possibility of using non-invasive medical spectrophotometry i ) to diagnose disturbances in both blood microcirculation and oxygen transport in the peripheral small vessels, ii ) to predict the results of treatment of gastro-intestinal tract ulcers and malignant oral neoplasms, iii ) to assess the type of microcirculation and its influence on the outcome of the therapy prescribed, iv ) to reveal imbalance in the collagen synthesis/degradation processes, and v ) to develop techniques for monitoring pharmaceutical drug dynamics in human and animal organisms. In addition, new fundamental data have been obtained concerning the elevated accumulation of porphyrins in chronic hypoxia tissues and a rather large variability of individual physiological microhemodynamic parameters. If blood microdynamics are investigated it could lead to the future development of a new instrument for analysis of the individual features of patient’s physiological condition and the pathogenesis of different diseases. Conclusion: Methods of complex non-invasive medical spectrophotometry appear to be an efficient tool in practical medicine for differential diagnostics of a number of diseases and pathologies, as well as for monitoring and prediction of the treatment outcome. At the same time, they also create an important perspective for gaining novel and fundamental knowledge about the blood microcirculation system which was not available earlier due to the absence of the diagnostic technology allowing information to be obtained in vivo in real time. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Das Problem der medizinischen Anwendung der nicht-invasiven ( in vivo , in situ ) Laser-Diagnostik, die auf den Grundsätzen der Spektralphotometrie und Laser-Spektralanalyse basiert, ist zunehmend Thema in der medizinischen Literatur. Dieser Artikel gibt einen Überblick über ausgewählte Studien in diesem medizinischen Bereich, die in einer der ältesten und größten russischen medizinischen Forschungseinrichtungen – dem Moskauer Regional Research and Clinical Institute (MONIKI) – durchgeführt wurden und mögliche medizinische Anwendungen dieser Methoden in der klinischen Praxis in verschiedenen Bereichen der Medizin illustrieren. Material und Methoden: Das speziell entwickelte multifunktionale Laser-Diagnose-System „LAKK-M“ wurde als diagnostisches Instrument in der Mehrzahl der Studien im MONIKI verwendet, so dass eine Kombination verschiedener nicht-invasiver medizinischer spektralphotometrischer Methoden (Laserfluoreszenzspektroskopie, Laser-Doppler-Flowmetrie, Oxymetrie, etc.) möglich war. Das System wurde sowohl in den Experimenten mit Versuchstieren als auch in der Behandlung von Patienten in verschiedenen Kliniken des Instituts verwendet. Ergebnisse: Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurden umfangreiche wissenschaftliche Daten erhoben, die die Möglichkeit eröffnet haben, die nicht-invasive medizinische Spektralphotometrie zu nutzen, um: i ) Störungen sowohl in der Blutmikrozirkulation als auch im Sauerstofftransport in den peripheren kleinen Gefäßen zu diagnostizieren, ii ) Behandlungsergebnisse von Magen-Darm-Geschwüren und bösartigen oralen Neubildungen vorhersagen zu können, iii ) die Art der Mikrozirkulation und deren Einfluss auf das Behandlungsergebnis beurteilen zu können, iv ) Ungleichgewichte in der Kollagen-Synthese bzw. in den Abbauprozessen zu offenbaren, und v ) Techniken zur Überwachung der Wirkstoffkinetik pharmazeutischer Produkte im menschlichen und tierischen Organismus zu entwickeln. Darüber hinaus wurden neue grundlegende Daten über die erhöhte Akkumulation von Porphyrinen in chronisch mit Sauerstoff unterversorgtem Gewebe und über die große Variabilität der individuellen physiologischen mikrohämodynamischen Parameter gesammelt. Wenn die Blut-Mikrodynamik weiter untersucht wird, könnte dies in der Zukunft zur Entwicklung eines neuen Instruments zur Analyse der individuellen physiologischen Patientenparameter und der Pathogenese verschiedener Krankheiten führen. Fazit: Methoden der komplexen nicht-invasiven medizinischen Spektralphotometrie scheinen ein effizientes Werkzeug in der praktischen Medizin für die Differentialdiagnostik von einer Reihe von Erkrankungen und Pathologien, sowie für die Überwachung und Vorhersage von Behandlungsergebnissen zu sein. Gleichzeitig schaffen sie auch eine wichtige Perspektive für die Gewinnung neuen Grundlagenwissens über die Mikrozirkulation des Blutes, das bisher wegen des Fehlens entsprechender diagnostischer Technik nicht verfügbar war, so dass Informationen in vivo in Echtzeit gewonnen werden können.

Abstract: This paper reports on an effective ablation volume model for microwave ablation of porcine liver. Firstly, in order to obtain the temperature field distribution, a theoretical simulation model of the microwave ablation of porcine liver was developed by solving Pennes bioheat transfer equation using the COMSOL Multiphysics software. Then the effective ablation volume and the effective ablation volume model were obtained using the 1stOpt fitting software by 7D-Soft High Technology Inc. (China). Finally, microwave ablation experiments were carried out using porcine liver to verify the accuracy and effectiveness of the model. The results show that according to the ablation volume model, one can determine the scope of the effective ablation under varying conditions of microwave power and duration. This provides an important basis for the preoperative planning system of microwave ablation. Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit berichtet über ein effektives Ablationsvolumen-Modell für die Mikrowellenablation von Schweineleber. Zuerst wurde ein theoretisches Simulationsmodell durch Lösen der Bio-Wärmetransfer-Gleichung von Pennes unter Verwendung der COMSOL Multiphysics Software entwickelt, um die Temperatur-Feldverteilung in Schweineleber zu ermitteln. Danach wurde das effektive Ablationsvolumen durch ein Ablationsvolumen-Modell unter Verwendung der 1stOpt Fitting-Software (7D-Soft High Technology Inc., China) bestimmt. Schließlich wurden Mikrowellenablations-Experimente mit Schweineleber durchgeführt, um die Genauigkeit und Effektivität des Modells zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Zugrundelegung des Ablationsvolumen-Modells der Umfang der effektiven Ablation unter variierenden Bedingungen von Mikrowellenleistung und Applikationsdauer bestimmt werden kann. Dies stellt eine wichtige Grundlage für ein präoperatives Planungssystem der Mikrowellenablation dar.

Objective: The purpose of this paper is to assess the clinical effectiveness of percutaneous laser disc decompression (PLDD) for patients with radicular pain due to intervertebral disc hernia and to describe our experience in this field in Bangladesh. Background: PLDD is a procedure in which herniated intervertebral discs are treated by the reduction of intradiscal pressure by laser energy. This is introduced by a needle inserted into the nucleus pulposus under local anesthesia and fluoroscopic monitoring. Small volume nucleus vaporization results in a sharp fall in intradiscal pressure, with the consequent migration of herniation away from the nerve root. PLDD has been reported to be a safe, effective, minimally invasive treatment option for patients with a herniated disc. Materials and methods: This observational random prospective analysis was carried out during the period from November 2007 to December 2011. PLDD was performed on 4622 herniated discs of 2580 patients (1420, male; 1160, female), whose age ranged between 18 and 85 years. A total of 47 cases were failed back surgery syndrome (FBSS). All patients were followed up (ranging from 1 month to 36 months, with a median of 12 months) and were evaluated according to MacNab criteria. Results: Amongst the 2580 patients, 2296 (89.0%) reported immediate pain relief, 230 (8.9%) patients were uncertain and the remaining 54 (2.1%) did not have immediate pain relief. In the subsequent follow up, according to MacNab criteria a good response was seen in 1935 (75.0%) cases and a fair response in 335 (13.0%) cases. The response to the treatment was poor in 310 patients (12.0%). A second session of PLDD was performed on 292 (11.3%) patients made up of 162 patients (6.3%) due to multi-level (>2 discs) prolapse, 102 patients (3.9%) due to an extensive prolapse of one or two discs and 28 patients (1.0%) because of a relapse. In two cases of a prolapsed dorsal spine (T 7 – 8 &T 8 – 9 ) a good response was obtained without any complications. All cases of FBSS showed a good and fair response. Conclusion: PLDD is an effective and minimally invasive procedure which has almost no side effects or complications, can be performed under local anesthesia, results in no scarring or spinal instability, and still does not hinder the scope of open surgery in failed cases. PLDD is also effective in cases of FBSS. Zusammenfassung Ziel: Das Ziel dieser Arbeit ist es, die klinische Wirksamkeit der perkutanen Laser-Diskusdekompression (PLDD) für Patienten mit radikulären Schmerzen aufgrund eines Bandscheibenvorfalls zu beurteilen und unsere Erfahrung in diesem Bereich in Bangladesch zu beschreiben. Hintergrund: Die PLDD ist ein Verfahren, bei dem der Bandscheibenvorfall durch Reduktion des intradiskalen Drucks mittels Laserenergie behandelt wird. Hierbei wird unter Lokalanästhesie und fluoroskopischer Kontrolle eine Laserfaser durch eine Kanüle in den Gallertkern der Bandscheibe vorgeschoben. Die thermische Verdampfung des kleinen Kernvolumens führt zu einer deutlichen Reduzierung des intradiskalen Druckes und somit zu einem Rückzug der vorgewölbten Bandscheibe weg von der betroffenen Nervenwurzel. Die PLDD wird als sichere, effektive und minimal-invasive Behandlung für Patienten mit Bandscheibenvorfall beschrieben. Materialien und Methoden: Die vorliegende prospektive Beobachtungsstudie wurde in der Zeit von November 2007 bis Dezember 2011 durchgeführt. In dieser Zeit wurden 4622 Bandscheibenvorfällen bei 2580 Patienten (1160 weiblich, 1420 männlich) mittels PLDD behandelt, 47 davon mit Postdiskotomiesyndrom (failed back surgery syndrome, FBSS). Das Alter der Patienten lag zwischen 18 und 85 Jahren. Alle Patienten wurden zwischen 1 bis 36 Monate nachbeobachtet (Median: 12 Monate) und nach den MacNab-Kriterien bewertet. Ergebnisse: Von den insgesamt 2580 Patienten berichteten 2296 (89,0%) von einer sofortigen Schmerzlinderung, 230 (8,9%) Patienten waren unsicher und die restlichen 54 (2,1%) hatten keine sofortige Schmerzlinderung. Entsprechend der MacNab-Kriterien wurde der Behandlungserfolg in 1935 (75,0%) Fällen als gut und in 335 (13,0%) Fällen als zufriedenstellend eingestuft. Bei 310 Patienten (12,0%) war das Ansprechen auf die Behandlung schlecht. Eine zweite PLDD-Sitzung wurde bei 292 (11,3%) Patienten durchgeführt. Bei 162 Patienten (6,3%) wegen eines Multi-Level-(>2 Bandscheiben) Prolaps, bei 102 Patienten (3,9%) aufgrund eines umfangreichen Prolaps von ein oder zwei Bandscheiben und bei 28 Patienten (1,0%) wegen eines Rückfalls. In zwei Fällen eines Bandscheibenvorfalls im Bereich T 7 – 8 und T 8 – 9 konnte ein gutes Ansprechen ohne Komplikationen erreicht werden. Alle Fälle von FBSS zeigten gute und zufriedenstellende Therapieerfolge. Fazit: Die PLDD ist ein effektives und minimal-invasives Verfahren, welches fast keine Nebenwirkungen oder Komplikationen hat. Es kann unter örtlicher Betäubung durchgeführt werden, führt zu keiner Narbenbildung oder Instabilität der Wirbelsäule, und schließt eine offene Chirurgie in gescheiterten Fällen nicht aus. Die PLDD ist auch wirksam bei FBSS.