Fluoreszenz - physikalisch

Die Fluoreszenz ist physikalisch gesehen eine Lichterscheinung, die durch die Aufnahme und Abgabe von Energie in einzelnen Atomen hervorgerufen wird.

Etwas Physik
Licht besteht aus zerlegbaren Energieportionen, die man als Photonen oder Lichtquanten bezeichnet, wobei diese Mikroobjekte sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. Im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung erscheinen so unterschiedliche Wellenlängen als unterschiedliche Farben (Regenbogenfarben). Je höher die Frequenz bzw. je kürzer die Wellenlänge der elektromagnetischen Schwingung ist, um so energiereicher ist sie. Entsprechend ihrer Wellenlänge sind die "blauen" Photonen energiereicher als die "roten". Daher benutzt man als Anregungslichtquelle energiereiches Blauviolett oder Ultraviolett ("Blue light").

Trifft Licht auf die Atome, so wird die vom Photon transportierte Energie in die Elektronenhülle aufgenommen und führt zu einem höheren Energieniveau. Der Zustand ist aber nicht sehr stabil und die durch das auftreffende Licht vermehrte Energie wird zum Teil sofort wieder abgestrahlt, wodurch wiederum ein Photon entsteht. Diese "Lichtabgabe" ist für die einzelnen Stoffe charakteristisch und entspricht wieder einer bestimmten Wellenlänge, die aber weniger Energie enthält. Diese Lichterscheinung ist die besagte Fluoreszenz.

Schleimhäute schimmern grün
Um die Autofluoreszenz sichtbar zu machen, benutzt man Licht mit hoher Energie und bedient sich einer von der Firma Storz entwickelten blauvioletten Anregungslichtquelle oder gepulsten Lasern. Um die Fluoreszenz sichtbar zu machen, werden störende Wellenlängen mit einem Filter ausgelöscht, so dass nur die aus den Schleimhäuten abgestrahlten Lichtquanten sichtbar werden. Sie sind mit dem bloßen Auge erkennbar, können aber auch mit einer speziellen CCD-Kamera aufgenommen und auf einem Monitor als digitales Bild sichtbar gemacht werden. Das hat den Vorteil, dass man die Signale technisch bearbeiten kann und mit Filtern die Tumorgrenzen genau darstellen kann. Durch Umschalten zwischen Weißlicht und violettem Anregungslicht kann verändertes krankes Gewebe sicher abgegrenzt werden.

Weißlicht

Bronchoskopie mit Weißlicht: angedeutet verdickte Schleimhaut

"Blue light" - Anregungslicht zur photodynamischen Diagnostik (PDD)

fluoreszierende Schleimhaut mit krankhaftem Befund

Bilder © Karl Storz

Phosphoreszenz

Fluoreszenz-Verstärkung

Die Wirkungsweise der Fluoreszenzverstärkung erfolgt mit einer chemischen Substanz (5-Aminolävulinsäure), die natürlich in unserem Körper vorkommt und die bei der Bildung des roten Blutfarbstoffs, dem Hämoglobin, eine Rolle spielt. Das Häm-Molekül kommt in allen Zellen mit Zellkern vor und ist an chemischen Reaktionen beteiligt. Nach der Anregung der Gewebe mit dafür geeignetem Licht klingt das Fluoreszenzlicht von Protoporphyrin IX (PPIX) wesentlich langsamer ab als das der gleichzeitig angeregten anderen körpereigenen Farbstoffe.

Verstärkung der Leuchtfähigkeit durch Photosensibilisatoren
Die Autofluoreszenz kann bei einigen Geweben durch eine Anreicherung von geeigneten Stoffen in den Zellen verbessert werden (Fluoreszenzverstärkung). Die 5-Aminolävulinsäure, kurz 5-ALA genannt, ist so ein Stoff, der sich in Krebszellen durch den erhöhten Stoffwechsel vermehrt anreichert und dort in ein Molekül umgewandelt wird (Protoporphyrin IX), dass sich mit Licht spezieller Wellenlänge zum Leuchten anregen lässt. Diese 5-Aminolävulinsäure-induzierte Fluoreszenzendoskopie (AFE) wird in der Krebsdiagnostik und Therapieüberprüfung angewendet.
Durch die Fluoreszenzverstärkung bei endoskopischen Untersuchungen wird die Treffsicherheit von Probeentnahmen bei verdächtigen Geweben deutlich erhöht. Während sich bei der Betrachtung der Schleimhaut mit Weißlicht keine sicheren Aussagen zu Gut- oder Bösartigkeit des Gewebes machen lassen, kann verdächtiges oder bösartiges Gewebe durch die erhöhte PPIX-Fluoreszenz deutlich erkannt werden. Die mit Aminolävulinsäure angereicherten Gewebe schimmern nach der Beleuchtung rötlich auf. 5-ALA kann lokal aufgetragen, inhaliert, geschluckt oder venös verabreicht werden.

Medizinische Bedeutung
Je früher eine Krebserkrankung erkannt wird, um so aussichtsreicher kann sie behandelt werden. Deshalb ist die Entwicklung von Methoden zu einem frühzeitigen Nachweis von Gewebeveränderungen und Tumoren mit ihren Vorstufen so ungemein wichtig. Die 5-Aminolävulinsäure-induzierte Fluoreszenzendoskopie (AFE) ist dabei ein wesentlicher Schritt zur Früherkennung von Tumoren in den Schleimhäuten der Hohlorgane.

Eierstockmetastase mit Weißlicht

Eierstockmetastase mit Fluoreszenzverstärkung durch 5-ALA rötlich schimmernd

Bilder © Karl Storz