Perfluorocarbon FC 43 - eine Option zur Verbesserung der Funktion von mikroenkapsulierten Nebenschilddrüsentransplantaten

Zusammenfassung Zur Behandlung des Hypoparathyreoidismus existiert neben der medikamentösen Therapie die Möglichkeit der allogenen Transplantation von Nebenschilddrüsengewebe ohne Immunsuppression. Da lebensbedrohliche Komplikationen des Hypoparathyreoidismus selten sind, ist eine systemische Immunsuppression post transplantationem nicht gerechtfertigt. Um eine Transplantatabstossung zu verhindern wird eine Immunisolation des transplantierten Gewebes mit einer semipermeablen Biomembran erforscht, die Mikroenkapsulierung mit Alginaten. Von besonderer Bedeutung für die Transplantation des Nebenschilddrüsengewebes sind eine ausreichende nutritive Versorgung des enkapsulierten Gewebes und die Stabilität der Alginatkapsel. Vorausgehende Studien zeigen wiederholt eine zentrale Nekrose des enkapsulierten Gewebes, vermutlich durch eine zu geringe Sauerstoffkonzentration in den zentralen Gewebeanteilen. Sauerstoff ist in Perfluorokarbonen doppelt so löslich wie in Blut. Deshalb war es Ziel dieser Studie zu prüfen, ob und in welcher Form die Stabilität der Kapseln und die Sauerstoffversorgung des Gewebes durch Zusatz des Perfluorokarbon FC 43 zu dem Alginat in vitro verbessert werden können. Dazu wurden 3 aufeinander aufbauende Versuchsreihen durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe dieser Studie wurde in einem Versuchszeitraum von 22 Tagen eine optimale Konzentration für das FC 43 als Zusatz zu dem Alginat vor der Mikroenkapsulierung erprobt. Als optimale Konzentration wurde dabei die Zugabe von 0,1% FC 43 ermittelt, die zu einer signifikanten Verbesserung (=0,05) der Transplantatfunktion gemessen an der Parathormonsekretion führt. Die zweite Versuchsreihe verfolgte dieses Ergebnis über einen längeren Versuchszeitraum von 60 Tagen. Anhand des Ergebnis dieser 2. Versuchsreihe wurde das Ergebnis einer optimalen Konzentration von 0,1% FC 43 als Zugabe zu dem Alginat nicht nur bestätigt, sondern die Unterschiede traten auch deutlicher hervor. Bei ungefähr gleich guter Stabilität zeigten sich eine wesentlich bessere Kapselintegrität, Funktion und Vitalität des Gewebes, das mit Zusatz von FC 43 mikroenkapsuliert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass FC 43 die Alginatkapsel stabilisierte und die Funktion des Gewebes gemessen an der Parathormonsekretion verbesserte. Auch die Nekroserate des Gewebes war deutlich erniedrigt. Dies ließ auf eine bessere Sauerstoffversorgung der Zellen schliessen, da dies als wesentlich limitierender Faktor der Lebenszeit von mikroenkapsulierten Zellen bezeichnet werden kann. In der 1. und 2. Versuchsreihe wurde kryokonserviertes Nebenschilddrüsengewebe desselben Patienten verwendet. Mit der 3. Versuchsreihe wurde die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse untersucht. Dazu wurde Nebenschilddrüsengewebe eines anderen Patienten direkt nach der Entnahme, also ohne Kryokonservierung, verarbeitet. Für die Perfluorokarbone können in vivo sowohl immunsuppressive Effekte, durch Komplementaktivierung und Hemmung von zufälliger Migration, Chemotaxis und Adhäsion von neutrophilen Granulozyten, als auch toxische Effekte durch Phagozytose und Persistieren im retikulohistizytären System nachgewiesen werden. Ein Zusatz von FC 43 zu einem mikroenkapsuliertem Transplantat sollte also möglichst so gewählt sein, dass von zusätzlichen immunsuppressiven Effekten profitiert werden kann ohne toxische Nebenwirkungen zu riskieren. Strukturunregelmäßigkeiten der Kapseloberfläche dienen Immunzellen zur Adhäsion und führen im Folgenden zur Fibrosierung der Kapsel und damit zum Transplantatversagen. Gerade der Zusatz von Perfluorokarbonen kann aber zu Oberflächenunregelmäßigkeiten führen, wie es auch in dieser Studie beobachtet werden konnte. Deshalb muss der Zusatz des FC 43 optimal gewählt werden, um noch eine maximal optimierte Sauerstoffversorgung bei minimaler Gefährdung der Oberflächenintegrität zu gewährleisten. Zur Weiterverfolgung unseres Forschungsansatzes bietet sich eine Erprobung der ermittelten Ergebnisse in einer in vivo Studie, am Tiermodel an. Dabei müssten die Ergebnisse verifiziert und vor allem eine mögliche Toxizität sicher ausgeschlossen werden. Sollte der positive Effekt dieser Studie sich in vivo bestätigen, könnte der Einsatz von FC 43 zur Herstellung von klinischen Allotransplantaten der Nebenschilddrüse zur Behandlung des Hypoparathyreoidismus beim Menschen Anwendung finden und zu einem verbesserten Transplantationserfolg führen

Assessment of flamelet manifolds for turbulent flame-wall interactions in Large-Eddy Simulations

A turbulent side-wall quenching (SWQ) flame in a fully developed channel flow is studied using Large-Eddy Simulation (LES) with a tabulated chemistry approach. Three different flamelet manifolds with increasing levels of complexity are applied: the Flamelet-Generated Manifold (FGM) considering varying enthalpy levels, the Quenching Flamelet-Generated Manifold (QFM), and the recently proposed Quenching Flamelet-Generated Manifold with Exhaust Gas Recirculation (QFM-EGR), with the purpose being to assess their capability to predict turbulent flame-wall interactions (FWIs), which are highly relevant to numerical simulations of real devices such as gas turbines and internal combustion engines. The accuracy of the three manifolds is evaluated and compared a posteriori, using the data from a previously published flame-resolved simulation with detailed chemistry for reference. For LES with the FGM, the main characteristics such as the mean flow field, temperature, and major species can be captured well, while notable deviations from the reference results are observed for the near-wall region, especially for pollutant species such as \ce{CO}. In accordance with the findings from laminar FWI, improvement is also observed in the simulation with QFM under turbulent flow conditions. Although LES with the QFM-EGR shows a similar performance in the prediction of mean quantities as LES with QFM, it presents significantly better agreement with the reference data regarding instantaneous thermo-chemical states near the quenching point. This indicates the necessity to take into account the mixing effects in the flamelet manifold to correctly capture the flame-vortex interaction near the flame tip in turbulent configurations. Based on the findings from this study, suitable flamelet manifolds can be chosen depending on the aspects of interest in practical applications

Kiri Karl Morgensternile, Dresden

http://tartu.ester.ee/record=b1840016~S1*es

2 kirja Karl Morgensternile, Dresden

http://tartu.ester.ee/record=b1812113~S1*es

Strain Rate Effects on Head-on Quenching of Laminar Premixed Methane-air flames

Head-on quenching is a canonical configuration for flame-wall interaction. In the present study, the transient process of a laminar premixed flame impinging on a wall is investigated for different strain rates, while previous studies with detailed chemistry and transport focused only on unstrained conditions. Increasing strain rate leads to a reduction in the normalized quenching distance, and an increase in the normalized wall heat flux, both are considered as global flame quantities. Looking more into the local microstructure of the quenching process, CO formation and oxidation near the wall are shifted to higher temperatures under higher strain rates. Further, the local flame structure and the thermochemical state are affected by differential diffusion driven by differences in species’ gradients and diffusivities. Quenching leads to increased species’ gradients and consequently differential diffusion is amplified near the wall compared to propagating flames. However, this effect is suppressed for increasing strain rates, which is explained in more detail by a source term analysis of the transport equation for the differential diffusion parameter ZHC. Results for the global quantities and the local flame structure show that the impact of the strain rate weakens for higher wall temperatures. Finally, the analyses of the thermo-chemical quantities in the composition space shows that H2 can be a good parameter to characterize the strain rate both for propagating and quenching flamelet

Can flamelet manifolds capture the interactions of thermo-diffusive instabilities and turbulence in lean hydrogen flames? -- An a-priori analysis

Flamelet-based methods are extensively used in modeling turbulent hydrocarbon flames. However, these models have yet to be established for (lean) premixed hydrogen flames. While flamelet models exist for laminar thermo-diffusively unstable hydrogen flames, for which consideration of curvature effects has resulted in improved model predictions, it is still unclear whether these models are directly applicable to turbulent hydrogen flames. Therefore, a detailed assessment of stretch effects on thermochemical states in a turbulent lean premixed hydrogen-air slot flame through finite-rate chemistry simulations is conducted. Strain and curvature are examined individually using a composition space model, revealing their distinct influences on thermochemical states. An a-priori analysis confirms that the previously developed tabulated manifolds fall short of capturing all turbulent flame phenomena, necessitating a novel manifold incorporating both strain and curvature variations. These results underscore the significance of these variations in developing manifold-based combustion models for turbulent lean hydrogen flames