Techn. University, Diss., 2004--Darmstadt.

Die Small Fiber Neuropathie (SFN) bildet eine Untergruppe der sensiblen Neuropathien, bei der die Aδ- und C-Fasern betroffen sind. Die Patienten berichten v.a. von brennenden Schmerzen und Dysästhesien, seltener auch von autonomen Funktionsstörungen. Bei fehlendem Goldstandard und normalen Nervenleitungsstudien ist die Diagnostik erschwert, da selbst nach Spezialuntersuchungen wie Hautstanzbiopsie und quantitativer sensorischer Testung (QST) viele Patienten trotz typischer Anamnese der Diagnosestellung entgehen. Wir rekrutierten 55 Patienten und 31 gesunde Kontrollen. Nach neurologischer Untersuchung und Ausschluss einer Polyneuropathie mittels Elektroneurographie wurden bei allen Studienteilnehmern Hautstanzbiopsien am Ober- und Unterschenkel zur Ermittlung der intraepidermalen Nervenfaserdichte (IENFD) entnommen sowie eine QST zur Funktionsprüfung der kleinen Nervenfasern durchgeführt. Die Studienteilnehmer wurden zudem mit cornealer confocaler Mikroskopie (CCM) und der Ableitung Schmerz-assoziierter evozierter Potentiale (PREP) untersucht. Zur autonomen Testung erfolgte die Messung der Schweißproduktion mittels quantitativem sudomotorischem Axonreflextest (QSART). Die neurologische Untersuchung zeigte in 55% der Patienten Hinweise auf eine Kleinfaserpathologie. Die distale IENFD war bei 62% der Patienten reduziert, die QST bei 22% der Patienten auffällig. Die PREP Latenzen waren in der Patientengruppe länger als bei den Kontrollen, die Amplituden niedriger. Bei der cornealen Innervation zeigte sich eine Reduktion der Nervenfaserdichte, Nervenfaserlänge und Nervenastdichte. Die in QSART gemessenen Parameter zeigten sich zu 86% unauffällig. Während nach klinischer Untersuchung, Hautbiopsie und QST in 53% der Fälle in 2 von 3 Untersuchungen eine Pathologie der kleinen Fasern festgestellt werden konnte, stieg die Rate bei zusätzlicher Anwendung von PREP und CCM auf 80% (ohne Berücksichtigung von QST). Zusammenfassend sollten die klinische Untersuchung und die Hautstanzbiopsie bei allen Patienten mit Verdacht auf SFN erfolgen. PREP und CCM sind unter den verfügbaren zusätzlichen Untersuchungen diagnostisch am wertvollsten. Wichtig ist allerdings, dass bei fehlendem Goldstandard eine SFN auch bei unauffälligen Tests nicht ausgeschlossen werden kann. Zusätzlich können die Mikroneurographie und die genetische Analyse wertvolle Hinweise auf eine Kleinfaserfunktionsstörung und deren Pathophysiologie geben. / Small fiber neuropathy (SFN) forms a subgroup of sensory neuropathies, in which the Aδ- and C-fibers are impaired. Patients mainly report burning pain and dysesthesia, less frequently also autonomic dysfunctions. In absence of a diagnostic gold standard and under normal nerve conduction studies, the diagnosis is difficult. Even after special examinations such as skin punch biopsy and quantitative sensory testing (QST), many patients are not diagnosed despite a typical pain history. We prospectively recruited 55 patients and 31 healthy controls in our study. After neurological examination and exclusion of a polyneuropathy by means of neurological examination and electroneurography, skin punch biopsies were taken from the upper and lower leg of all study participants to determine the intraepidermal nerve fiber density (IENFD). QST was performed to investigate the function of the small nerve fibers. Study participants were also examined with corneal confocal microscopy (CCM) and derivation of pain-related evoked potentials (PREP). For autonomous testing, the sweat production was measured using quantitative sudomotor axon reflex testing (QSART). Neurological examination showed hints for small fiber pathology in 55% of patients. The distal IENFD was reduced in 62% of patients, while QST was abnormal in 22% of patients. The PREP latencies were longer in the patient group than in the controls, the amplitudes were smaller. Corneal innervation showed a reduction of nerve fiber density, nerve fiber length, and nerve branch density in patients compared to controls. The parameters measured in QSART were 86% unremarkable. While after clinical examination, skin biopsy, and QST a pathology of the small fibers could be detected in 53% of the cases in 2 of 3 examinations, the rate increased to 80% with additional application of PREP and CCM (without consideration of QST). In summary, neurological examination should be performed together with skin biopsy in all patients with suspected SFN. PREP and CCM are diagnostically most valuable among the available additional examinations. However, it is important to note that in the absence of a gold standard, SFN cannot be excluded even with normal test results. In addition, microneurography and genetic analysis can provide valuable information about a small fiber dysfunction and its pathophysiology.

The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

Gegenstand der Dissertation sind Untersuchungen zur Photolumineszenz von Silizium-Nanokristallen. Den Schwerpunkt bilden dabei die Messungen an isolierten Partikeln mittels konfokaler Mikroskopie und optischer Spektroskopie. Von einzelnen Silizium-Partikeln konnten relativ schmale, strukturierte Photolumineszenzbanden detektiert werden, die die Aussagen des Quantum-Confinement-Modells bestätigen. Ein weiteres Merkmal der Photolumineszenz von einzelnen Halbleiter-Nanopartikeln ist das so genannte Blinken. Die Erstellung von Blinkstatistiken unter verschiedenen Anregungsbedingungen ermöglichte es, die zum Blinken führenden photophysikalischen Prozesse genauer zu charakterisieren. Es wird unter anderem gezeigt, dass das reversible Bleichen der Lumineszenz von Silizium-Nanokristall-Ensemblen und porösem Silizium auf ein instationäres Blinkverhalten zurückzuführen ist. Abschließend werden Bezüge zu den astrophysikalischen Beobachtungen von der Extended Red Emission hergestellt und verschiedene Tunnel- und Random-Walk-Modelle zur Beschreibung der photophysikalischen Prozesse diskutiert.

Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die Untersuchung der Dynamik in dünnen Polymerfilmen anhand von einzelnen Molekülen. Zu diesem Zweck wurden dünne Filme (kleiner 100nm) hergestellt und mittels Einzelmoleküldetektion und zeitaufgelöster Einzelphotonenzählung analysiert, was eine orts- und zeitaufgelöste Untersuchung einzelner Farbstoffmoleküle ermöglicht. Ziel war es, festzustellen ob, und auf welchem Weg, die Dynamik der Umgebung in Fluktuationen der Fluoreszenzlebensdauer einzelner Moleküle sichtbar wird. Neben der Evaluierung der Untersuchungsmethoden wurden in dieser Arbeit zwei Arten von Sensormolekülen - DiD und Malachit Grün - näher untersucht. / The subject of this diploma thesis is the analysis of dynamics in thin polymer films using single molecules. Thin polymer films (less than 100nm) were produced and analysed by Single Molecule Detection (SMD) and Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). This allows a spatial and time resolved investigation of the single dye molecule. The aim was to ascertain if, and in which way, the dynamics of the environment are reflected by fluctuations of the fluorescence lifetime of the single molecule. In addition to evaluating the investigation methods two kinds of molecules - DiD and Malachite Green - were also analysed.

Background: Assessment of platelet vitality is important for patients presenting with inherited or acquired disorders of platelet function and for quality assessment of platelet concentrates. Methods: Herein we combined live stains with intra-vital confocal fluorescence microscopy in order to obtain an imaging method that allows fast and accurate assessment of platelet vitality. Three fluorescent dyes, FITC-coupled wheat germ agglutinin (WGA), tetramethylrhodamine methyl ester perchlorate (TMRM) and acetoxymethylester (Rhod-2), were used to assess platelet morphology, mitochondrial activity and intra-platelet calcium levels. Microscopy was performed with a microlens-enhanced Nipkow spinning disk-based system allowing live confocal imaging. Results: Comparison of ten samples of donor platelets collected before apheresis and platelets collected on days 5 and 7 of storage showed an increase in the percentage of Rhod-2positive platelets from 3.6 to 47 and finally to 71%. Mitochondrial potential was demonstrated in 95.4% of donor platelets and in 92.5% of platelets stored for 7 days. Conclusion: Such fast and accurate visualization of known key parameters of platelet function could be of relevance for studies addressing the quality of platelets after storage and additional manipulation, such as pathogen inactivation, as well as for the analysis of inherited platelet function disorders. / Hintergrund: Die Vitalitätsbestimmung von Blutplättchen ist sowohl für die Analyse angeborener Plättchendefekte als auch für die Qualitätsbestimmung von Plättchenkonzentraten von zentraler Bedeutung. Methoden: In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine Methode vor, die mittels einer Kombination von Vitalfarbstoffen und konfokaler «Real time»-Mikroskopie neue Einblicke in die Vitalitätsbestimmung lebender Plättchen ermöglicht. Mittels der Zugabe von FITC-gekoppeltem Weizenkeimlektin (WGA), Tetramethylrhodamin-Methylesterperchlorat (TMRM) und Acetoxymethylester (Rhod-2) wurde bei lebenden Blutplättchen deren Morphologie, mitochondriale Aktivität und Veränderungen im Calcium-Haushalt im Rahmen der Lagerung analysiert. Für die Mikroskopie wurde ein Nipkow-System gewählt, das eine konfokale Mikroskopie lebender Zellen ermöglicht. Ergebnisse: Der Vergleich von 10 humanen Blutplättchenproben zu Beginn bzw. nach 5 und 7 Tagen Lagerung zeigte einen Anstieg der Rhod-2-positiven Plättchen von 3,6 über 47 auf 71%. Die Anzahl der Blutplättchen mit TMRM-positiven Mitochondrien hingegen lag vor der Lagerung bei 95,4% und nach den 7 Tagen Lagerung bei 92,5%. Schlussfolgerung: Die hier vorgestellte Methodik der Bildgebung zur Bestimmung vitaler Parameter von Blutplättchen eignet sich als ergänzende Analysemodalität für eine bessere Bestimmung der Blutplättchenqualität. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Das menschliche Skelett besteht aus einem dynamischen Material welches in der Lage ist zu heilen, sowie sich durch strukturellen Umbau an mechanische Beanspruchung anzupassen. In dieser Arbeit ist die mechanische Regulierung dieser Prozesse untersucht worden. Hierfür ist ein Computermodell, sowie die dreidimensionale Abbildung des Knochens und die Auswertung dieser Bilder benutzt worden. An dem Heilungsprozesses von Knochen sind verschiedene Gewebetypen beteiligt. Dabei hängt die räumliche und zeitliche Anordnung dieser Gewebe von der mechanischen Belastung ab. Ein Computermodell, welches den vollständigen Verlauf der Heilung beschreibt, wurde mit der dokumentierten Gewebeentwicklung eines Tierexperimentes verglichen. Verschiedene Hypothesen, wie die mechanische Stimulation die Bildung verschiedene Gewebe beeinflusst, wurden getestet. Zwar ließen sich durch den Vergleich mit dem Experiment keine der Hypothesen verwerfen, jedoch konnten wir Vorschläge machen, worauf bei zukünftigen Experimenten verstärkt geachtet werden soll. Es wird angenommen dass der Umbauprozesses des Knochens vom dichten Netzwerk der Osteozyten mechanisch reguliert wird. Diese Zellen sind in den Knochen eingebettet und über ein dichtes Netzwerk aus engen Kanälen, den sogenannten Canaliculi, miteinander verbunden. Dieses Netzwerk mittels konfokaler Mikrokopie dreidimensional abgebildet. Spezielle Routinen zur Auswertung der Netzwerkorientierung sowie dessen Dichte wurden entwickelt. Die Hauptorientierung des Netzwerkes entspricht der Richtung in der Knochengewebe aufgebaut wird. Die Orientierung des zu dieser Richtung senkrechten Anteils des Netzwerkes rotiert abhängig von der Position entlang der Aufbaurichtung. Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Netzwerkorientierung und der Vorzugsrichtung des Kollagens, dem faserigen Bestandteils des Knochens. Darüber hinaus zeigt die Auswertung der Daten weitere strukturelle Unterschiede im Netzwerk. / Our skeleton is composed of a dynamic material that is capable of healing and of adapting to changing mechanical loads through structural remodeling. In this thesis the mechano-regulation of these dynamic processes are addressed using computer modeling and 3-dimensional imaging and image analysis. During bone healing an intricate pattern of different newly formed tissues around the fracture site evolves in time and is influenced by the mechanical loading. Using a computer model which is describing this temporal-spatial evolution of tissue types for the full time-course of healing, this evolution is compared to the documented evolution of an animal experiment. Different hypotheses were tested how the mechanical stimulation results in the formation of different tissues. While the comparison with the outcome of the animal experiments does not allow to falsify any of the hypotheses, it suggests a different design of future animal experiments. Bone remodeling is thought to be mechano-regulated by the dense network of osteocytes. These osteocytes are embedded in bone and are connected to each other via a network of narrow canaliculi. The 3-dimensional structure of the network was imaged using rhodamine staining and laser scanning confocal microscopy. Image analysis tools were developed to determine the network topology and to analyze its density and orientation. The analysis focused on osteons, the building blocks of cortical bone. Within an osteon we found a large variability of the network density with extensive regions without network. Most of the network is oriented radially towards the center of the osteon, i.e.\ parallel to the direction in which the bone material is deposited. The network perpendicular to this direction twists when moving along the direction of bone deposition. A correlation with the main orientation the fibrous constituent of bone, collagen, was detected. Furthermore indicates our data additional structural changes in the network alignment.

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines Raumtemperatur-Nahfeldmikroskopes und die Implementation eines neuen nichtoptischen Abstandsregelmechanismus beschrieben und die Ergebnisse verschiedener Abbildungsarten dargestellt. Eine theoretische Modellierung des Scherkraft-Detektionsmechanismus erlaubt ein gezieltes Design fuer eine Nachnutzung. Der Aufbau eines Tieftemperatur-Konfokalmikroskopes, das zum Tieftemperatur-Nahfeldmikroskop erweiterbar ist, wird dargelegt. Die Abhaengigkeit des Photobleichens einzelner Terrylen-Molekuele von der Temperatur wird untersucht. Beobachtungen der spektralen Diffusion von Terrylen-Molekuelen werden dargelegt. Den Hauptteil dieser Arbeit bilden Untersuchungen am N-V Farbzentrum im Diamant. Einzelne Defektzentren wurden bei tiefen Temperaturen abgebildet und mittels Fluoreszenz-Anregungsspektroskopie untersucht, die Fluoreszenz-Emissionsdynamik wurde mit Autokorrelationsmessungen studiert. Das Temperaturverhalten der Fluoreszenzintensitaet, die Autokorrelation der Fluoreszenzintensitaet und die verzoegerte Fluoreszenz beweisen die Existenz eines metastabilen Zustandes. Durch Einstrahlen einer zweiten Wellenlaenge verkuerzt sich die Verweilzeit im metastabilen Zustand und die mittlere Fluoreszenzrate wird erhoeht (Deshelving). Die Tieftemperaturspektren widersprechen in mehreren Punkten den aus der Literatur bekannten Werten, die an hoeherkonzentrierten Proben gemessen wurden. Diese Unterschiede werden diskutiert und sind mit einer in hoeherkonzentrierten Proben verstaerkten Verspannung zu erklaeren. Ein Vergleich mit Diamant-Nanokristalliten, in denen eine erhoehte Verspannung auftritt, bestaetigt den Zusammenhang zwischen schmalen Uebergaengen und wirkender Verspannung durch das Auftreten von schmalen Emissionslinien.

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We present a fluid-membrane lens with two piezoelectric actuators that offer versatile, circular symmetric lens surface shaping. A wavefront-measurement-based control system ensures robustness against creeping and hysteresis effects of the piezoelectric actuators. We apply the adaptive lens to correct synthetic aberrations induced by a deformable mirror. The results suggest that the lens is able to correct spherical aberrations with standard Zernike coefficients between 0 μm and 1 μm, while operating at refractive powers up to about 4m-1. We apply the adaptive lens in a custom-built confocal microscope to allow simultaneous axial scanning and spherical aberration tuning. The confocal microscope is extended by an additional phase measurement system to include the control algorithm. To verify our approach, we use the maximum intensity and the axial FWHM of the overall confocal point spread function as figures of merit. We further discuss the ability of the adaptive lens to correct specimen-induced aberrations in a confocal microscope.