Fluorescens

Först för absorptionen av en foton upp atomen (molekylen) på en högre energinivå (violett pil). Sedan omvandlas delar av den absorberade energin till andra energiformer (röda pilar). Slutligen emitteras en foton med lägre energi: Fluorescens (grön pil). Energin hos den emitterade fotonen är lägre än hos den absorberade (den gröna pilen är kortare än den violetta!).

Fluorescerande mineral i UV-belysning

Fluorit i dagsljus (A) och i UV-belysning (B).

Fluorescens innebär att ett ämne som har absorberat ljus eller annan elektromagnetisk strålning, återutsänder (återemitterar) ljus. Det är alltså en process där atomer eller molekyler först exciteras genom absorption av ljuskvanta (fotoner). Vid excitationen förs atomen eller molekylen upp på en högre energinivå, och "överskottsenergi" omvandlas vanligen till (exempelvis) termisk energi (som här för enkelhetens skull kan kallas "värme"). När atomen eller molekylen återgår till grundtillståndet, vilket sker så gott som omedelbart, avges energin i form av en foton (d.v.s. ljus), vanligen med längre våglängd, d.v.s. mindre energi, än det absorberade ljuset från början hade – Stokes-skift. De mest påfallande exemplen är när ett ämne absorberar energirikt ultraviolett ljus, som våra ögon ej kan uppfatta, och emitterar (sänder ut) synligt ljus – dessa ämnen kan då upplevas som "självlysande" om de belyses med en ultraviolett ljuskälla (jämför även t.ex. lysrör och sedelkontroll under tillämpningar nedan).

Fluorescens har fått sitt namn från mineralet fluorit (kalciumfluorid) som uppvisar detta fenomen.

Ljus från fluorescens kan mätas med en fluorimeter.

Tillämpningar

• Den elektriska urladdningen i vanliga lysrör ger initialt upphov till huvudsakligen UV-strålning. Röret har på insidan skikt (lyspulver) som frekvenstransponerar UV-strålningen. Olika ämnen ändrar frekvensen olika mycket, så att det utsända ljuset får en kulör, som bestäms av lyspulvrets art. Genom att blanda olika slags lyspulver kan man ge olika karaktär hos det resulterande ljuset, som blir ett bandspektrum.
• Tryckfärger för sedlar tillförs lyspulver. Om vissa av sedelns färger är tryckta med sådan specialpreparerad tryckfärg fluorescerar sedeln i speciella mönster om den belyses med UV-ljus. I vanlig belysning syns detta säkerhetstryck inte alls. Eftersom detta tryckförfarande är teknisk komplicerat är det svårt för sedelförfalskare att korrekt efterlikna det äkta trycket. Man kan därför lätt skilja falska sedlar från äkta genom att betrakta dem i UV-belysning.
• Somliga mineraler har fluorescerande komponenter, andra inte. Härigenom kan man genom att betrakta en sten i UV-belysning få hjälp med bergartbestämningen.
• Automatisk brevsortering kan göras genom att man med fluorescerande färg förser kuvertet med en streckkod med adressinformation, som kan avläsas i ultraviolett belysning utan att störas av annat som kan finnas markerat på kuvertet.
• Tvättmedel tillförs ibland s.k. optiska vitmedel för att tvättgodset skall se renare ut än det egentligen är. Man utnyttjar då att solljuset innehåller även ultravioletta komponenter utöver det vanliga ljuset. Numera har dock optiska vitmedel i stort sett försvunnit ur svenska produkter av miljöskäl.. Även papper behandlas ibland med optiska vitmedel (enligt Naturskyddsföreningens Bra Miljöval får papper inte innehålla optiska vitmedel).
• På nattklubbar och liknande med dämpad belysning använder man dessutom ultraviolett belysning. Gästernas vita skjortor och annat lyser då effektfullt. Även människors tänder fluorescerar i UV-belysning.
• Tavelförfalskningar kan ibland avslöjas i UV-belysning, om förfalskaren använder andra färger än originalkonstnären själv. Reparationer, som är så gott som oupptäckbara i vanlig belysning, syns mycket tydligt i UV-belysning, om färgen i reparationen har annan kemisk sammansättning, och sålunda annan fluorescens än den omgivande målningen.

Fluorescens inom cancerkirurgin

Inledning

Två genmodifierade möss som bildar ett fluorescerande protein (eGFP) som lyser under ett ultraviolett ljus, i mitten en mus utan genen för bildandet av detta protein.

Fluorescens kan användas inom många olika områden och forskning bedrivs för att kunna använda det även inom cancerkirurgin. Människans insida består, färgmässigt sett, nästan bara av olika nyanser av rött. Det innebär att det kan vara väldigt svårt för människoögat att skilja på olika vävnader, detta gäller även för erfarna kirurger. Med hjälp av fluorescensprocessen lyses tumörvävnaden upp i en annan färg till skillnad från kringliggande frisk vävnad. Från ett medicinskt perspektiv är därmed fluorescensprocessen väldigt viktig. Kirurgen skulle på ett relativt enkelt sätt kunna se vilken vävnad som ska behandlas/tas bort, vilket bland annat skulle kunna leda till ett effektivare kirurgingrepp. Metoden används ännu inte inom sjukvården, utan befinner sig i ett forskningsstadium.

Metod

Metoden går ut på att med hjälp av framtagen molekyl, låta molekylen tillsammans med ett fluorescerande ämne injiceras i en ven, som sedan färdas med blodet runt i kroppen. Det kommer då gå att urskilja tumörer eller nerver eftersom de blir fluorescerade. Molekylen som används vid injicering i vener är tredelad. Molekylens huvuddel är polykatjonen som fastnar på alla vävnader i kroppen. Vidare, adderas två komponenter till huvuddelen, för att slutligen kunna urskilja de vävnader som önskas tas bort eller bevaras. Den första komponenten som adderas till polykatjonen är en polyanjon. Dessa två är tillsammans neutraliserade. Således kan inget fastna på dem. Polykatjonen och polyanjonen är länkade tillsammans av ett klyvbart ämne. De kan bara klippas sönder av den rätta molekylen. Exempelvis proteasenzym, som tumörer producerar. Den sammansatta lösningen med den tredelade molekylen och det fluorescerade färgämnet injiceras i den ven där man misstänker förekomsten av en tumör. Därefter ”klipper” tumören molekylen där den är klyvbar och slutligen blir den fluorescerad. Färgerna som alstras, syns vid användning av ultraviolett strålning (UV-ljus). Detta gör att tumören lyser exempelvis i en grön färg, och gör så att kirurgen lättare kan se tumören. Detta ökar säkerheten för patienten, men underlättar även för kirurg och sjukvårdspersonal. Eftersom det är hela tumören som lyser upp kan det vara svårt att se de nerver som går igenom tumören. Att ta bort nerver kan orsaka stora skador för patienten, såsom förlamning och liknande. För att kunna bevara nerverna färgkodas även dessa, men i en annan färg. Detta gör att nerverna lättare kan urskiljas från tumören. Tumörerna kan även ses tydligare i magnetisk resonanstomografi (MRI), med hjälp av denna molekyl. Därmed kan det fastställas huruvida patienten har en tumör eller inte, utan att operation behöver genomföras.

Forskning

I dagens medicinska samhälle fortskrider forskningen om fluorescens. Det har gjorts framsteg inom detta forskningsområde, men metoden har endast testats på råttor och möss hittills. Forskningen syftar till att fluorescens ska kunna användas som ett redskap inom medicinen till exempel när man opererar bort tumörer och liknande. Med hjälp av denna metod kan kirurgen urskilja tumören från annan vävnad, organ eller nerver, och lättare kunna ta bort den del som tumören utgör. Activatable cell penetrating peptides (ACPP) är aktiverbara cellpenetrerande peptider och ACPPD är en konjugerad form av ACPP som är förenad med dendrimer. Båda dessa komplex är märkta Cyanin5 vilket är ett syntetiskt färgämne. Undersökningar på möss, som har blivit injicerade med cancerceller, har genomförts för att ta reda på hur mycket okonjugerad ACPP-Cy5 och konjugerad ACPPD-Cy5 tas upp av tumören respektive av den omgivande vävnaden. Försöksdjur med fyra typer av cancerformer undersöktes: cancer i bröstkörtlar (mammary adenocarcinoma), elakartade tumörer och två typer av mänskliga cancerceller. Testerna visade att upptaget av fri ACPP-Cy5 och ACPPD-Cy5 var markant större i tumörer, än i den friska vävnaden. Det visade sig också att ACPPD-Cy5 hade en bättre kvot av tumör till vävnad upptag. Ytterligare tester har genomförts för att avgöra hur väl fri ACPP-Cy5 och ACPPD-Cy5 kan tydliggöra skillnaden mellan tumören och den friska vävnaden. Möss injicerades med grön fluorescens (GFP) och ACPP-Cy5 eller ACPPD-Cy5. Testerna resulterade i att de båda ACPP-Cy5 respektive ACPPD-Cy5 kunde visualisera delar av tumörer som låg under annan vävnad.

Applikationsområden

Fluorescens kan tillämpas inom ett flertal kirurgiska områden. I samband med Magnetisk resonans (MR) kan en ytlig avbildning av cancern med högre upplösning göras, vilket tillämpas väl inom interoperativ kirurgi. Fluorescens gör det även möjligt att avgöra i vilket stadium cancern befinner sig.

Mus med tumör

Lyckade försök har gjorts att tydliggöra små tumörer som sprider sig lokalt, det vill säga begränsat i en kroppsdel och metastaser (dottersvulster - cancertumörer som utvecklats ur en annan tumör) som inte skulle ha detekterats i en rutinmässig radiologisk undersökning. Vid till exempel små metastaser, tumörer associerade med lymfknutorna, kvarvarande tumörer (200µm), och associerad inflammatoriska mikromiljöer markerade med fluorescens kan dessa enkelt urskiljas från bakgrunden. Hittills har dessa tester endast gjorts på försöksdjur..

Vid kirurgiska ingrepp kan små, knappt synliga, nerver skadas vilket kan leda till smärtor och paralysering. Till exempel vid behandling av prostatacancer kan skador på nerverna leda till impotens och urininkontinens. I framtiden hoppas forskarna kunna använda denna metod för behandling av människor och de undersöker även möjligheten att kunna använda metoden för att ”skicka” kemoterapi till tumören.

Fördelar med metoden

Fördelarna med fluorescens inom cancerkirurgin skulle kunna vara ett flertal. Idag är den vanliga metoden för säkerställandet av att hela tumören tagits bort vid ett kirurgiskt ingrepp att prover tas på den friska vävnaden i gränsområdet till tumören, för att se om även denna innehåller tumörceller. Proverna måste analyseras och kirurgen väntar på provsvaren medan patienten fortande ligger öppen på operationsbordet. Med hjälp av fluorescenstekniken skulle kirurgen själv kunna se att tumören var borttagen, vilket skulle förkorta operationstiden och därmed minska anestesi- och narkos-relaterade risker för patienten. Tester på möss har även visat att metoden ökar chanserna för att få bort hela tumören. Detta skulle kunna innebära att fler människor överlevde cancer, samt att patienter inte skulle behöva genomgå fler operationer för att borttagandet av tumören misslyckats vid första operationen. De färre operationerna per patient ökar patientens säkerhet, då färre operationer innebär automatisk mindre risk att råka ut för eventuella relaterade komplikationer. Även kötiden för behandling skulle minska. Dessutom skulle färre återhämtningstillfällen och mindre strålbehandling, gynna patienten enormt, både fysiskt och psykiskt. Det finns även ekonomiska fördelar med fluorescenstekniken inom kirurgin då kortare och färre operationer, samt mindre behov av strålning, skulle medföra sänkta kostnader för sjukvården. Sammanfattningsvis skulle en introduktion av fluorescens inom cancerkirurgin medföra stora fördelar tidsmässigt, ekonomiskt, riskmässigt och vad gäller patienternas välbefinnande.

Externa länkar

• Fluorophores.org The database of fluorescent dyes

Se även

• Fosforescens
• Spektrum
• Stokes-skift