Quint, Stephan (2015)
Durchflusszytometrie nach dem Prinzip der Räumlich Modulierten Fluoreszenz.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wird ein neues technisches Verfahren der Durchflusszytometrie vorgestellt, bei dem das Fluoreszenzlicht von sich im Durchfluss befindlichen Zellen räumlich moduliert wird (Prinzip der Räumlich Modulierten Fluoreszenz). Die Modulation folgt einer nichtperiodischen binären Sequenz und wird physikalisch entweder durch eine Schattenmaske zwischen der Flusszelle und dem Detektor oder einem pixelierten Detektor realisiert. Im Poiseuillschen Flussprofil nehmen die Zellen in Abhängigkeit ihrer Morphologie einen gewissen Gleichgewichtswert ihrer Geschwindigkeit ein. Dieses Verhalten wird als Segré-Silberberg Effekt bezeichnet und ist ein Schlüsselelement des hier vorgestellten Messverfahrens. Zum optischen Nachweis der Zellen, werden diese entweder selektiv angefärbt oder mit spezifischen, fluoreszierenden Antikörper dekoriert. Aufgrund ihrer Gestalt, Größe und biologischen Beschaffenheit unterscheiden sich die Fluoreszenzsignale verschiedener Zellpopulationen vor allem in ihrer Fluoreszenzintensität. Die Geschwindigkeitsinformation der Zellen ist in der Länge der Modulationssignale enkodiert und kann als Messparameter zusammen mit der Fluoreszenzintensität über geeignete Verfahren der digitalen Signalverarbeitung aus den Rohdaten gewonnen werden. Über die Intensitäts- wie auch Geschwindigkeitsinformation können verschiedene Zellpopulationen schließlich unterschieden werden. Dies stellt einen wesentlichen Unterschied zur konventionellen Durchflusszytometrie dar, bei der ausschließlich Fluoreszenz- und Streusignale genutzt werden. Die hier beschriebene Technik bietet einige Vorteile gegenüber dem konventionellen Ansatz. Durch die räumlich ausgedehnte Detektionszone ist die mechanische Realisierung einerseits unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperaturschwankungen oder Vibrationen. Andererseits kann - vor allem für spezielle Anwendungen - auf teuere Optiken verzichtet werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden vor allem die verschiedenen physikalischen Realisierungsmöglichkeiten des Prinzips erarbeitet und neue, besonders leistungsfähige Methoden der digitalen Signalverarbeitung entwickelt. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung spezieller Pulskompressionsfilter, mit deren Hilfe die gesuchten Messparameterm mit hoher Präzision und maximaler Rauschunterdrückung ermittelt werden können. Dabei wird vor allem auf Verwendbarkeit der digitalen Filter und nachgeschalteter Peak-Detektoren mit Echtzeit-Systemen wie FPGAs geachtet. Für breite Geschwindigkeitsverteilungen und geringe Zellkonzentrationen in der Probe hat sich vor allem das in dieser Arbeit diskutierte 'Balancierte' Filter erwiesen. Für enge Geschwindigkeitsverteilungen und hohe Zellkonzetrationen stellt das in dieser Arbeit entwickelte 'Nebenkeulenoptimierte' Filter die beste Filtermethode dar. Die signaltheoretische Betrachtung des Messprinzips wird im Rahmen dieser Arbeit vor allem aus der RADAR- und Nachrichtentechnik adaptiert und eingehend beschrieben. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Bewertung binärer Modulationssequenzen. Dazu werden sowohl vorhandene Modulationssequenzen aus der RADAR-Technik herangezogen, als auch nach geeigneteren neuen Sequenzen gesucht. Bewertungskritierien werden teilweise aus der Literatur übernommen sowie für den Anwendungsfall teils neu definiert. Im experimentellen Teil der Arbeit wird die Funktionsweise des Prinzips mit den in dieser Arbeit vorgestellten Pulskompressionsfiltern gezeigt. Neben einem Vergleich des Signal-zu-Rausch-Gewinns verschiedener Pulskompressionsfilter wird der Nachweis Brustkrebszellen (MCF-7) demonstriert. Darüber hinaus wird die Funktionsweise des Messprinzips mit einem pixelierten Detektor erstmals nachgewiesen, was eine wesentlich flexiblere und einfachere Signalverarbeitung zur Folge hat. Dies begünstigt beispielsweise den Bau eines miniaturisierten Durchflusszytometers, das auf spezielle Anwendungsfälle hin optimiert ist. Beispiele hierzu wären der Nachweis von Legionellen in Trinkwasser, CD4-Count (HIV Überwachung) oder Nachweis von zirkulierenden Tumorzellen in Blut.

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