Luminescent single and dual sensors for in vivo imaging of pH and pO2

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-210756
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.21075

Meier, Robert Johannes

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Date of publication of this fulltext: 05 Aug 2011 09:12

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	5 August 2011
Referee:	Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis and Prof. Dr. Joachim Wegener
Date of exam:	7 July 2011
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis)
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Keywords:	RGB, Imaging, in vivo, human tissue, lifetime, fluorescence, luminescence, skin, analytical chemistry, RLD, tdDLR, time-gated
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	21075

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Abstract (English)

Abstract (English)

This thesis describes the development and characterization of novel optical sensor materials for clinical in vivo applications. At first, biocompatible single- and dual sensors for the clinically important parameters pH and pO2 were realized using a time-resolved read-out. For the first time, spatial pH and/or pO2 distributions in cutaneous and chronic wounds of humans were visualized. Further, a novel read-out technique for Fluorescence Ratiometric Imaging (FRIM) is presented. Planar sensor membranes for photographing of oxygen-, pH-, or CO2 distributions were designed. Finally, a biocompatible in vivo sensor for simultaneous and continuous read-out of pH/pO2 based on the new technique is demonstrated.
Chapter 1 gives a short introduction on the importance of pH and pO2 especially in dermatology. Further, a brief overview on measurement techniques for oxygen and pH, and optical sensor techniques is presented. Chapter 2 describes the instruments that are applied in this thesis.
In chapter 3, a referenced luminescent sensor for 2D high-resolution imaging of pH in vivo is described. The time-resolved sensing scheme is based on time-domain luminescence imaging of FITC and using a ruthenium complex as reference. The biocompatibility of this sensor is warranted via a three step safety mechanism. First, the dyes were covalently bound to, or incorporated in microparticles. Second, the size of the microparticles hampers or at least slows down cellular uptake. Finally, the particles were immobilized in a hydrogel to prevent particle leakage. A set of in vitro experiments served to characterize the sensor. It covers the physiologically relevant range of pH 3 to pH 9. The biocompatibility of the sensor was tested by conducting experiments on cytotoxicity, cellular uptake, and singlet oxygen production. Several in vivo studies on human tissue pH comparing sensor and pH electrode signals served to validate the sensor. Next, spatial and temporal pH distributions during cutaneous wound healing were imaged via the sensor. The visualization of heterogenic pH distribution in a chronic ulcer demonstrates the potential of the sensor.
An in vivo sensor to image physiological wound oxygenation is presented in chapter 4. The sensor is based on luminescence lifetime imaging of an oxygen sensitive palladium porphyrin. The dye was incorporated in a partially oxygen blocking polymer in order to extend the sensitivity matching the physiological range of 0 to 100 mmHg. Studies on split-skin harvest sites and the oxygen gradient of the stratum corneum were accomplished.
The pH sensor particles of chapter 3 and the pO2 sensitive particles (chapter 4) were combined to form one dual sensor layer for simultaneous in vivo imaging of pH/pO2. The sensor is described in detail in chapter 5. The signals of the hybrid sensor were separated using different emission filter sets. The sensor served to visualize analyte distributions on split skin donor sites and chronic venous as well as vasculitc ulcers.
Chapter 6 deals with a novel and straightforward concept for ratiometric imaging read-out referred to as RGB imaging or photographing. The technique relies on fluorescence ratiometric imaging and makes use of the fact that digital pictures are composed of three virtually independent (viz. a red, green, and blue) pictures that are separately stored in digital cameras. The camera serves as a rudimental "spectrometer" for wavelength separation. The imaging concept is illustrated with the help of a specially designed oxygen sensor membrane, and a sensor for intrinsically referenced imaging of CO2 with RGB read-out is described. Moreover, the proof of principle of a RGB pH sensor membrane is demonstrated.
Finally, chapter 7 describes a referenced dual sensor for pO2/pH based on the RGB technique including its transfer from the lab bench to clinical application. The novel material uses all three color channels of the RGB camera. It comprises the utilization of an inert reference fluorophore in the blue channel, a pH dependent signal in the green channel, and an oxygen dependent signal in the red channel. The biocompatibility of the materials was studied and ensured. The sensor material was characterized in detail in vitro, and applied in vivo to simultaneously visualize pH and pO2 distributions in human tissue on intact skin and during cutaneous and chronic wound healing.

Translation of the abstract (German)

Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger optischer Sensormaterialien für klinische in vivo-Anwendungen. Zunächst wurden zeitaufgelöst auslesbare Einzel- und Dual-Sensoren für die klinisch relevanten Parameter pH und pO2 entwickelt. Durch diese Sensoren konnte zum ersten Mal die räumliche Verteilung der pH- und/oder Sauerstoff-Werte in kutanen und chronischen Wunden visualisiert werden. Desweiteren beschreibt diese Arbeit eine neue Auslesetechnik für ratiometrische Fluoreszenzbildgebeverfahren. Hierfür wurden zweidimensionale Sensormembranen zur Darstellung der Verteilung von Sauerstoff-, CO2- oder pH-Werten designt. Zuletzt gelang es, einen auf der neuen Auslesetechnik basierenden Sensor zur zeitgleichen und kontinuierlichen Bestimmung von pH/pO2 in menschlichem Gewebe zu realisieren.
Im ersten Kapitel wird kurz die Relevanz der Parameter pH und pO2 geschildert. Hierbei wird speziell auf deren Einfluss auf dermatologische Fragestellungen eingegangen. Bestehende Messtechniken zur Bestimmung von pH-Werten und Sauerstoffkonzentrationen werden vorgestellt. Ein Hauptaugenmerk liegt hier speziell auf den optischen Sensortechniken. Kapitel 2 beschreibt die in dieser Arbeit eingesetzten Messaufbauten.
Kapitel 3 behandelt die Herstellung eines referenzierten optischen Sensors zur hochaufgelösten zweidimensionalen Darstellung von pH-Gradienten in vivo. Das Messschema beruht auf der über die Zeitdomäne ausgelesenen „Dual Lifetime Referencing“-Methode. Der Sensor beinhaltet ein pH-sensitives Fluoreszein-Derivat und einen Ruthenium-Komplex als Referenzfarbstoff. Die Biokompatibilität ist über einen dreistufigen Sicherheitsmechanismus gewährleistet. In einem ersten Schritt sind die Farbstoffmoleküle entweder chemisch an Mikropartikeln gebunden, oder durch hydrophobe Wechselwirkungen in Partikel eingebettet, was direkten Kontakt von Wunde und Sensorchemie verhindert. Zweitens erschwert die Größe der Mikropartikel eine eventuelle zelluläre Aufnahme. Alle Partikel wurden danach in einer biokompatiblen Hydrogel-Matrix immobilisiert, die ein Austreten der Partikel aus der Sensorschicht unterbindet. Der Messbereich des Sensors umspannt den physiologisch wichtigen Bereich von pH 3 bis pH 9. Tests für Zytotoxizität, die Aufnahme durch Zellen, sowie die Produktion des Zellgifts Singulett-Sauerstoff zeigten die Unbedenklichkeit der verwendeten Materialien. Mehrere in vivo Studien in menschlichem Gewebe validierten die Ergebnisse. Mithilfe des Sensors konnten die pH-Wert-Verteilungen in kutanen Wunden im Verlauf des Heilungsprozesses dargestellt werden. Die Visualisierung einer heterogenen pH-Verteilungen innerhalb eines chronischen Ulcus demonstriert das volle Potenzial des pH Sensors.
Ein Sensor zur Visualisierung der physiologischen Sauerstoffversorgung in Wunden ist in Kapitel 4 beschrieben. Das Messprinzip basiert auf der Bestimmung der sauerstoffabhängigen Lumineszenzlebenszeit eines Palladium Porphyrins. Der Farbstoff, eingebettet in teilweise sauerstoffblockende Polymerpartikel, besitzt einen Messbereich der im physiologisch wichtigen Bereich (0 bis 100 mmHg) liegt. Der Sensor wurde sowohl für Studien an Spalthautentnahmestellen als auch zur Untersuchung der Sauerstoffbarriere des Stratum Corneum benutzt.
Die Sensorpartikel aus Kapitel 3 und 4 dienen in Kapitel 5 zur Herstellung eines Dual-Sensors für die gleichzeitige Messung von pH/pO2. Die Signaltrennung der jeweiligen Sensorantworten geschieht über unterschiedliche Emissionsfilter. Mit dem Hybridsensor wurden zum ersten Mal gleichzeitig die pH- und pO2-Verteilungen auf Spalthautentnahmetellen und chronischen Ulcera visualisiert.
In Kapitel 6 wird ein einfaches Konzept für das Auslesen ratiometrischer Fluoreszenzbildgebeverfahren vorgestellt. Es beruht auf der Verwendung von Daten digitaler Kameras, die farbige Bilder in 3 Farbkanälen (rot, grün und blau) aufzeichnen. Die Kamera wird als rudimentäres „Spektrometer“ benutzt, das drei spektral verschiedene Bilder gleichzeitig aufnimmt. Das grundliegende Prinzip der Messung ist anhand der Entwicklung einer passenden Sauerstoff-Messmembran erläutert. Des Weiteren wurden ein intrinsisch referenzierter Sensor für die zweidimensionale Abbildung von CO2-Verteilungen und ein pH-Sensor hergestellt.
Zum Abschluss beschreibt Kapitel 7 die Entwicklung eines auf der RGB-Technik basierenden Dual-Sensors für pH/pO2 in vivo. Das Sensormaterial verwendet alle drei Farbkanäle der Kamera (blauer Kanal: Referenz; grüner Kanal: pH abhängiges Signal; roter Kanal: pO2 abhängiges Signal). Das biokompatible Material wurde ausführlich in vitro charakterisiert und klinisch in vivo angewendet, um simultan die Analytverteilungen in menschlichem Gewebe während der Wundheilung zu untersuchen.

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