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Fallstudie:
Wie Optiken bei der Forschung zu Atemwegserkrankungen helfen

Fortschritte beim Verständnis unserer Lungenfunktion sind essentiell für die Forschung zu Atemwegserkrankungen. Das Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces an der University of Hawaii in Manoa nutzt optische Systeme zur Untersuchung von Tröpfchenoberflächen für die Atemwegsforschung.

Warum das Betrachten von Tröpfchen
Leben rettet

Das Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces arbeitet seit über einem Jahrzehnt an der Simulation und Untersuchung der Atmung mithilfe von Lungensurfactant-Tröpfchen. Unter der Leitung von Prof. Yi Zuo hat ein interdisziplinäres Team von Studenten, Doktoranden und Postdoktoranten ein optisches System entwickelt, das die Analyse der Lungenfunktion im Labor ermöglicht. Die Idee ist, dass durch Tröpfchen das menschliche Lungensurfactant simuliert wird, ein Phospholipid-Eiweiß-Komplex, der in der Lunge eines gesunden Menschen gebildet wird und der es ihm ermöglicht, ohne große Anstrengung zu atmen. Um eine genaue Beobachtung der Atmungssimulation zu ermöglichen, muss ein optisches System scharfe Bilder eines Tröpfchens erzeugen, damit seine Oberflächeneigenschaften analysiert werden können. Das erste Einsatzgebiet dieser Forschung ist die Anwendung der Ergebnisse in Kliniken bei der Lungensurfactant-Therapie, die z. B. bei Säuglingen mit neonatalem Atemnotsyndrom eingesetzt wird. Die Einsatzgebiete haben sich jedoch inzwischen auf Studien über die Auswirkungen umweltgefährdender Aerosole und COVID-19 auf Atmungsprozesse ausgeweitet. Das Labor von Dr. Zuo wurde mit dem Norman Edmund Inspiration Award 2020 von Edmund Optics ausgezeichnet, weil es ganz im Sinne des Firmengründers Norman Edmund daran arbeitet junge Generationen für die Wissenschaft zu begeistern. Das Labor setzt seit über einem Jahrzehnt Komponenten von Edmund Optics in seiner Forschung ein.  

Das von Dr. Zuo und seinem Team entwickelte Surfactometer verwendet telezentrische Objektive, telezentrische Beleuchtungen, Kameras und Optomechaniken von Edmund Optics, um das Atmungsverhalten zu untersuchen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Yi Zuo vom Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces der University of Hawaii in Manoa.
Abbildung 1: Das von Dr. Zuo und seinem Team entwickelte Surfactometer verwendet telezentrische Objektive, telezentrische Beleuchtungen, Kameras und Optomechaniken von Edmund Optics, um das Atmungsverhalten zu untersuchen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Yi Zuo vom Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces der University of Hawaii in Manoa.

Das optische System: Telezentrische Beleuchtung und Bildgebung

Dr. Zuo und sein Team verwenden eine Untersuchungsmethode, die als Tropfenformanalyse bekannt ist, um die Oberflächenspannung durch genaue Messung der Silhouette eines Tropfens zu bestimmen. Der wichtigste Faktor bei der Untersuchung der Tröpfchen ist die Fähigkeit, ihre Form und Ränder mit scharfem Randkontrast deutlich sichtbar zu machen. Dazu wird ein Tröpfchen von der telezentrischen Beleuchtung, die einer Kamera auf der anderen Seite gegenübersteht, von hinten beleuchtet. Die Kamera ist mit einem telezentrischen Objektiv ausgestattet, um Parallaxenfehler zu eliminieren, sodass die Größe und Form des Tropfens genau gemessen werden können. Wenn das System in Betrieb ist, ahmt der Atmungssimulator das Verhalten der menschlichen Lunge nach, während das Bildgebungssystem die wechselnden Eigenschaften des oszillierenden Tröpfchens erfasst.

Die telezentrische Beleuchtung ist ein Schlüsselfaktor für den Erfolg dieses Systems, da sie kollimierte, parallele Lichtstrahlen aussendet, die bei der Abbildung eines Objekts zu scharfen Kanten führen. Durch die Verwendung der telezentrischen Beleuchtung in dem System wird die Form des Tropfens klar erfasst und seine Oberflächenspannung mithilfe der Laplace-Gleichung der Kapillarität bestimmt. Die telezentrischen Objektive helfen bei einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit, indem sie den Parallaxen- oder Perspektivfehler beseitigen, der bei herkömmlichen Abbildungssystemen weiter entfernte Objekte kleiner erscheinen lässt als nahe gelegene. Weitere Informationen finden Sie in unseren Anwendungshinweisen zur telezentrischen Beleuchtung und Bildgebung am Ende dieser Seite.

Nachfolgend wird ein grundlegender Überblick über das im Labor von Dr. Zuo verwendete System gegeben, das telezentrische Hintergrundbeleuchtungen, telezentrische Objektive, Kameras und optomechanische Komponenten verwendet, die alle von Edmund Optics angeboten werden (Abbildung 2).  

Aufbau eines optischen Systems, das sowohl telezentrische Hintergrundbeleuchtung als auch Bildgebung umfasst.
Abbildung 2: Aufbau eines optischen Systems, das sowohl telezentrische Hintergrundbeleuchtung als auch Bildgebung umfasst.

Anwendungen in der Forschung

Lungensurfactant-Forschung

In der Lungensurfactant-Forschung wird z. B. die Oberflächenspannung von gereinigtem tierischem Lungensurfactant untersucht und wie sie sich in einer menschlichen Atmungssimulation bei Kompression und Ausdehnung des Surfactant-Films verhält. Die Ergebnisse dieser Forschung führten zu Behandlungsmethoden, die sich im Laufe der Jahre durchgesetzt haben und in Krankenhäusern auf dem Festland der Vereinigten Staaten eingesetzt werden, darunter im Cincinnati Children's Hospital und an der SUNY Upstate Medical University. Die Behandlungsmethoden helfen vor allem Säuglingen auf einer Neugeborenen-Intensivstation, da Frühgeborene besonders anfällig für das Atemnotsyndrom sind.

Ohne ausreichend Surfactant in der Lunge kollabieren die Lungenbläschen von Frühgeborenen, wie in der Abbildung oben dargestellt. Dies ist ein Symptom des Atemnotsyndroms und kann oft tödlich sein.
Abbildung 3: Ohne ausreichend Surfactant in der Lunge kollabieren die Lungenbläschen von Frühgeborenen, wie in der Abbildung oben dargestellt. Dies ist ein Symptom des Atemnotsyndroms und kann oft tödlich sein.1

Forschung zu COVID-19

In der Anfangsphase der COVID-19-Pandemie war relativ wenig darüber bekannt, wie sich das Virus verbreitet. Als sich herausstellte, dass das Virus durch die Luft übertragen und über Tröpfchen in der Atemluft verbreitet wird, ergriff das Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces die Gelegenheit, einen Beitrag zur Pandemiebekämpfung zu leisten. Das Team simulierte die Übertragung des Virus durch Aerosole mit einer Technologie, die zuvor zur Untersuchung des Lungensurfactants entwickelt worden war. Das eingesetzte Surfactant stellt dabei die erste Verteidigungslinie zum Schutz der Lunge vor Fremdpartikeln und Krankheitserregern dar. Durch die Einführung von Aerosolen in die Surfactant-Simulation und die Nutzung früherer Analysemodi wurde die Übertragung des Virus auf mikroskopischer Ebene untersucht. Darüber hinaus wurden durch die Untersuchung der Aerosole, die das COVID-19-Virus enthielten, auch die Auswirkungen auf die Lunge analysiert. Die Todesfälle durch COVID-19 sind zum Teil auf das akute Atemnotsyndrom zurückzuführen, das bei vielen Patienten aufgrund einer Lungeninfektion auftritt. Dr. Zuo und seine Mitarbeiter untersuchen nun die Möglichkeit, Lungensurfactant als unterstützende Therapie zur Behandlung von Patienten mit COVID-19 einzusetzen.

Umweltschutz

Der Klimawandel und der Umweltschutz stehen heute mehr denn je im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere der Forschung, die sich mit den Auswirkungen des Klimawandels auf die Gesundheit der Menschheit befasst. Das Nationale Forschungszentrum für Arbeitsumwelt in Dänemark hat das von Dr. Zuo und seinem Team entwickelte System eingesetzt, um die Atmung zu simulieren und die Reaktion des Menschen auf gefährliche Aerosole, die die Atmosphäre verschmutzen, zu untersuchen. Dazu werden Aerosolpartikel und Surfactant zusammengeführt und die Reaktion beobachtet. Wenn die Forscher die Auswirkungen von Aerosolpartikeln auf die menschliche Atmung verstehen, können Lösungen zur Bekämpfung etwaiger schädlicher Effekte entwickelt werden. Das Verfahren ähnelt dem in der Forschung zu COVID-19 eingesetzten Verfahren, bei dem die Analyse der Tropfenform genutzt wird, um den Einfluss auf die Atmung zu erkennen.  

Labor-Kultur: Multidisziplinär und gemeinschaftlich

Die vom Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces geleistete Arbeit ist zwar erstaunlich, aber es sind die im Labor arbeitenden Menschen, die den Norman Edmund Inspiration Award 2020 verdient haben. Dr. Zuo versucht in jeder Hinsicht die Ausbildung von Studenten und Hochschulabsolventen zu fördern. Er tut dies, indem er gemeinsam mit seinen Studenten Veröffentlichungen verfasst, die ihnen Anerkennung für ihre Arbeit einbringen und ihre Glaubwürdigkeit in ihrem Fachgebiet stärken. Darüber hinaus hat Dr. Zuo sein Labor so strukturiert, dass seine Forscher ihren eigenen Studienweg verfolgen können. Er ermutigt sie, weiterhin das zu tun, was sie gut können und was ihnen Spaß macht. Auf diese Weise können die Studierenden nicht nur Erfahrungen in einem Bereich sammeln, der sie interessiert, es wird so auch Burnout-Fällen bei einer neuen Generation von Wissenschaftlern vorgebeugt. Während sich die klinischen Anwendungen der vom Labor durchgeführten Forschung für Studenten anbieten, die einen Abschluss im medizinischen Bereich anstreben, gibt es ansonsten für die Absolventen des Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces keinen fest vorgegebenen Weg. Viele Studenten streben eine Karriere in der Medizin an, einige gehen direkt in die Industrie, andere bleiben im akademischen Bereich. Die Vielfalt der Karrieremöglichkeiten ist ein deutlicher Erfolg des Labors und der Investition von Dr. Zuo in junge Wissenschaftler, können sie doch so den Lebensweg einschlagen, für den sie sich begeistern.  

Im Labor arbeiten Studenten aus den unterschiedlichsten Fachrichtungen zusammen. Durch die Vielzahl an Hintergründen, die hier zusammengebracht werden, eröffnet sich für die Studenten eine große Bandbreite an zukünftigen Karrierewegen.
Abbildung 4: Im Labor arbeiten Studenten aus den unterschiedlichsten Fachrichtungen zusammen. Durch die Vielzahl an Hintergründen, die hier zusammengebracht werden, eröffnet sich für die Studenten eine große Bandbreite an zukünftigen Karrierewegen.
Norman Edmund Inspiration Award

Norman Edmund Inspiration Award

Norman Edmund, der Gründer von Edmund Optics, war dafür bekannt, dass er die Neugier auf alles, was mit Wissenschaft und Technik zu tun hat, förderte. Er wollte die nächste Generation von Ingenieuren und Wissenschaftlern dazu inspirieren, ihre Ziele mit einer unvergleichlichen Hartnäckigkeit zu verfolgen. Der Norman Edmund Inspiration Award wird an eine Person oder Einrichtung verliehen, die dieses Erbe fortführt. Dr. Zuo und sein Team am Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces schaffen dies eindeutig. Dr. Zuo investiert Zeit und Energie, um den Erfolg seiner Studenten in ihren jeweiligen Fachgebieten sicherzustellen, und gibt seinen Studenten das Wissen mit auf den Weg, dass sie alles erreichen können, was sie sich wünschen. Aufgrund dieser Hingabe, mit der die nächste Generation inspiriert wird, haben Dr. Zuo und sein Labor den Norman Edmund Inspiration Award 2020 verliehen bekommen. Das Preisgeld in Höhe von 5.000 USD wurde für den Kauf zusätzlicher Produkte verwendet, durch welche die Surfactometer-Systeme so angepasst wurden, dass weitere Forschungen zu COVID-19 möglich sind. Dr. Zuo sagt, dass das technische Supportteam von Edmund Optics in den letzten zehn Jahren entscheidend zum Erfolg seiner Forschungen beigetragen hat. Das Fachwissen der Techniker des technischen Supports sorgte dafür, dass das System von Dr. Zuo vom ersten Kauf an mit den richtigen optischen Komponenten ausgestattet war. Auf diese Weise wurden Fehlkäufe vermieden und die Arbeit des Labors konnte ohne langwieriges Ausprobieren fortgesetzt werden. Dr. Zuo freut sich auf die zukünftige Zusammenarbeit mit Edmund Optics und lobt die Techniker des Unternehmens für ihre sehr guten Kenntnisse im Bereich der optischen Systeme.

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Referenzen

  1. Zuo, Y. (2009). Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces.
    http://www2.hawaii.edu/~yzuo/index.html
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