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Entwicklung und Erprobung eines Aufbaus zur gezielten Bestrahlung einzelner biologischer Zellen an der Schwerionen-Mikrosonde der GSI

Heiß, Markus Christian :
Entwicklung und Erprobung eines Aufbaus zur gezielten Bestrahlung einzelner biologischer Zellen an der Schwerionen-Mikrosonde der GSI.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung und Erprobung eines Aufbaus zur gezielten Bestrahlung einzelner biologischer Zellen an der Schwerionen-Mikrosonde der GSI
Language: German
Abstract:

Mikrosonden werden heute in der Radiobiologie zur Untersuchung der Wirkung ionisierender Strahlung auf biologische Zellen und Gewebe verwendet. Im Gegensatz zur Breitfeldbestrahlung bieten sie die Möglichkeit, eine definierte Anzahl Ionen in ausgewählten Bereichen einzelner Zellen zu platzieren und so die deponierte Dosis und sogar deren Verteilung präzise zu kontrollieren. Dies wird insbesondere bei der Untersuchung von Niedrigdosiseffekten eingesetzt, bei der jede Zelle nur von einem Teilchen getroffen wird. Damit soll die Gefährdung durch die von Alphateilchen emittierenden Isotopen hervorgerufene natürliche Strahlenbelastung besser abgeschätzt werden. Daneben eignet sich die gezielte Bestrahlung von Zellen zur Untersuchung des so genannten "Bystander-Effekts", bei dem unbestrahlte Zellen auf Signale bestrahlter Nachbarzellen reagieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Schwerionen-Mikrosonde an der GSI so modifiziert, dass damit die Bestrahlung einzelner Zellen mit einer definierten Anzahl von Ionen möglich ist. Dazu war die Entwicklung eines Vakuumfensters notwendig, das das Strahlrohr gegen den Umgebungsdruck abschließt, in dem sich die Zellen befinden, und das der fokussierte Ionenstrahl mit minimaler Streuung durchdringen kann. Die von diesem Vakuumfenster beim Durchgang eines Ions emittierten Sekundärelektronen werden zudem zur Trefferdetektion verwendet. Daneben musste ein Zellgefäß entwickelt werden, in dem die Zellen kultiviert werden können, wobei sie auf einer dünnen Bodenfolie anhaften müssen, durch die sie dann bestrahlt werden. Dieses Zellgefäß befindet sich in einem selbst konstruierten X-Y-Tisch der die präzise Bewegung der Probe erlaubt. Für die automatische Zellerkennung, die die Bestimmung der Zellpositionen während der Bestrahlung ermöglicht, wurden verschiedene Mikroskopiemethoden getestet. Dabei führte jedoch nur die Fluoreszenzmikroskopie zu zuverlässigen Ergebnissen. Zur Automatisierung des Bestrahlungsablaufes wurde eine Software entworfen, die die Bewegung der Probe, die Zellerkennung und die Steuerung der Mikrosonde übernimmt. Erste Versuche mit diesem Aufbau zeigten, dass damit die gezielte Bestrahlung von Zellen mit einer Genauigkeit von etwa +/- 1,5µm möglich ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Microprobes are used today in radiobiology to investigate the effects of ionising radiation on biological cells and tissue. In contrast to broad field irradiation, they provide the possibility to deliver a defined number of ions to selected areas in single cells. Therefore the dose and even the dose distribution can be controlled very precisely. This capability is particularly used for the investigation of low dose effects, where each cell is traversed by exactly one particle. With that, the estimation about the radiation risk of environmental exposures caused by alpha-particle emitting isotopes shall be improved. The aimed irradiation is also appropriate for studying the so-called "bystander effect", where unirradiated cells respond to signals transmitted by irradiated neighbours. In this work the heavy-ion-microprobe of GSI was modified to enable the irradiation of single cells with a defined number of particles. To separate the beamtube from the area under ambient pressure where the cells are, a vacuum-window had to be developed that can be penetrated by the ions with minimal scattering. The secondary electrons emitted by this vacuum-window when an ion passes are used for the hit detection. Additionally a cell-dish had to be developed in which the cells can be cultured, i.e. they have to attach to a thin bottom-foil through which they can be irradiated. This dish is mounted in a self constructed X-Y-stage allowing the precise movement of the sample. For the determination of the cells position during the irradiation, an automatic cell-recognition is needed. By testing several microscopic methods it was found that only fluorescent microscopy give reliably good results. To automate the irradiation, a software was developed that takes over the movement of the sample, the cell-recognition and the control of the microprobe. In first experiments it was shown that the aimed irradiation of cells with an accuracy of about +/-1.5µm is possible with this setup.English
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000447
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4476
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. D. H. H.
Advisors: Kraft, Prof. Dr. G.
Refereed: 26 May 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/447
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