Makrophagen stellen eine hoch diverse Zellpopulation des angeborenen Immunsystems dar, die modelhaft in proinflammatorisch wirkende M1- oder antiinflammatorische M2-Makrophagen eingeteilt werden. Von Bedeutung ist dies insbesondere beim physiologischen Ablauf von Immunreaktionen, welche sich ebenfalls in eine initiale, entzündungsfördernde Phase und einer sich anschließenden, antiinflammatorischen und heilungsfördernden Phase einteilen lassen und dementsprechend eine zeitassoziierte Dominanz der M1- oder M2-Subtypen zeigen. Bislang sind zwar zahlreiche Marker für die verschiedenen Makrophagen-Phänotypen beschrieben, jedoch beruhen diese zumeist auf In-vitro-Versuchen und sind nicht direkt auf die Situation in vivo übertragbar. Ziel dieser Arbeit war es demnach, ein umfassendes Panel verschiedener Makrophagen-Marker in der Immunhistochemie (IHC) zu entwickeln, um eine Phänotypisierung in situ durchführen zu können und anhand dieser Marker den Zeit-assoziierten Phänotypenwechsel darzustellen. Hierfür wurden 23 verschiedene, publizierte Makrophagen-Marker an murinen FFPE-Gewebeproben (Lunge und Haut) getestet. Eine erfolgreiche Etablierung war jedoch nur für 4 Antikörper (AK) möglich: CD68 (Pan-Marker), iNOS (M1-assoziiert), Arg1 und CD163 (M2-assoziiert), sodass die Beurteilung des Phänotypenwechsels ebenfalls nur eingeschränkt durchführbar war und eine umfangreiche Phänotypisierung von Makrophagen in der IHC weiterhin herausfordernd bleibt. Die etablierten AK wurden an Archivmaterial von zwei Bakterien-induzierten, murinen Pneumoniemodellen (Infektionen mit gramnegativen Acinetobacter baumannii (AcB) und grampositiven Staphylococcus aureus (Staph)) zu den Zeitpunkten 24 bzw. 48 h post infectionem eingesetzt und anschließend digital mit Hilfe von Algorithmen ausgewertet. Signifikante Zeit-assoziierte Veränderungen der Expression konnten dabei lediglich für Arg1 im AcB-Modell nachgewiesen werden, wobei sich hier, wie erwartet, ein Anstieg der Arg1-positiven Zellzahlen pro mm² in den entzündlich veränderten Bereichen von 24 zu 48 h hin zeigte. Für iNOS und CD163 waren hingegen keine deutlichen Zeit-assoziierten Veränderungen in den Modellen erkennbar. Dennoch konnte eine umfangreiche Analyse der Verteilung und Expressionshäufigkeit von CD68, Arg1, iNOS und CD163 in den beiden Pneumoniemodellen durchgeführt werden, wozu bislang keine vergleichbaren Studien bekannt sind. Hierbei konnte in den entzündeten Bereichen insbesondere im AcB-Modell eine vermehrte Expression von Arg1 und im Gegensatz zum Staph-Modell auch von iNOS nachgewiesen werden. Auffallend war weiterhin das fast ausschließlich peribronchiale und perivaskuläre Verteilungsmuster der CD163-positiven Zellen, welches sich deutlich von den anderen AK unterschied. Die genaue Rolle und Bedeutung der hier beobachteten Expressionen übersteigt jedoch den Rahmen dieser Studie und muss erst noch geklärt werden.

Die Leberzirrhose ist eine Erkrankung mit häufig progredientem Verlauf. Patienten entwickeln vermehrt Zirrhose-assoziierte Komplikationen (dekompensierte Leberzirrhose) und sterben letztendlich häufig am sogenannten akut-auf-chronischen Leberversagen mit Multiorganversagen. Bakterielle Infektionen und eine systemische Inflammationreaktion wind wesentliche Faktoren, welche den Verlauf der Erkrankung bestimmen. Allerdings sind die diagnostischen und therapeutischen Optionen bisher unzureichend, um die hohe Letalität der Zirrhose im Endstadium zu verbessern. Ziel der hier gezeigten Habilitationsarbeit war es daher, prognostische Parameter für Patienten mit fortgeschrittener Leberzirrhose zu evaluieren und damit eine Grundlage für die Anpassung von Management-Strategien für Patienten zu liefern. Über den Prognosescore CLIF-C ACLF Score war es möglich Patienten mit besonders hohem Sterberisiko und Dringlichkeit zur Anpassung der Behandlung zu identifizieren. Es zeigte sich, dass eine Dysfunktion der peritonealen neutrophilen Granulozyten für die hohe Rate an infektiösen Komplikation, insbesondere im Peritoneum, verantwortlich sein können und dass eine übermäßige Aktivierung von Neutrophilen und Monozyten mit Sequestration von Mikropartikeln im Aszites Ausdruck einer allgemeinen Immunaktivierung und schlechter Prognose sind. Zudem konnten neue PCR (polymerase chain reaction) basierte Methoden etabliert werden, über die eine rasche Identifikation und Charakterisierung von bakteriellen und fungalen Infektionen möglich ist. Auf Grundlage dieser Ergebnisse sollte nun in Zukunft evaluiert werden, ob gezielte Anpassung der Diagnostik und Therapie die Prognose von Patienten mit fortgeschrittener Leberzirrhose verbessern kann.

Die zytoreduktive Chirurgie und HIPEC ist eine Behandlungsmethode, die die radikale Entfernung des parietalen Peritoneums tumorbetroffener Anteile beinhaltet und für Erkrankungen wie Pseudomyxoma peritonei, peritoneale Mesotheliome, peritoneal metastasierte Ovarial- und Kolorektalkarzinome etabliert ist. Für die Behandlung dieser Patient*innen ist eine ausgesprochene interdisziplinäre Expertise notwendig, die die Patient*innenauswahl, operative Therapie, sowie das postoperative Komplikationsmanagement beinhaltet. Diese Arbeit unterstreicht die Wichtigkeit eines Zentrums mit regelmäßigen und zahlreichen Behandlungen dieser Patient*innen. Für seltene Erkrankungen, wie beispielsweise das peritoneale Mesotheliom konnten durch eine monatliche nationale Video-Tumorkonferenz zufriedenstellende Ergebnisse in der Patient*innenselektion und -behandlung in Großbritannien und Irland erreicht werden. Ähnlich positive Erfahrungen konnten durch Daten des deutschen Studien-, Dokumentations- und Qualitätszentrum der Deutschen Gesellschaft für Allgemein- und Viszeralchirurgie in der Behandlung des peritoneal metastasierten Magenkarzinoms demonstriert werden. Hier können in speziellen Zentren mit viel Erfahrung und hohem Patient*innenaufkommen exzellente Überlebenszahlen, Raten von kompletten Zytoreduktionen und dabei niedriger postoperativer Morbidität und Mortalität erzielt werden. Mit der Behandlung von großen Patient*innenkohorten wird natürlich auch ein Erfahrungsschatz an seltenen Erkrankungen, die mit peritonealen Metastasen einhergehen gesammelt

Die Behandlung von Patienten mit Schwindelsyndromen ist vielschichtig und die Mortalität dieser Patientengruppe im Vergleich zu Nichtbetroffenen erhöht. Neben dem individualmedizinischen Aspekt haben vor allem chronische Schwindelerkrankungen eine überragende epidemiologische, sozialmedizinische und ökonomische Bedeutung. Die in dieser kumulativen Habilitationsschrift zusammengefassten Studien befassen sich mit dem Aspekt der Diagnosefindung bei Patienten mit unklarem chronischen Schwindel und der Epidemiologie der akuten unilateralen peripheren Vestibulopathie. Daneben werden Arbeiten über akuten Schwindel in der Notaufnahme, über zwei unterschiedliche Methoden des mittelohrchirurgischen Vorgehens bei der akuten Ertaubung sowie die prä- und postoperative Schwindelproblematik bei der Cochlear Implantation einbezogen.

Bei „unklarem Schwindel“ steht die korrekte Diagnosestellung immer am Beginn aller therapeutischen Optionen. An 150 Patienten, die im Rahmen eines von uns entwickelten stationären interdisziplinären Konzepts untersucht wurden, konnten wir zeigen, dass „unklarer Schwindel“ selten unklar bleibt. In 94% der Fälle wurde eine Ursache für die oft jahrelangen Beschwerden gefunden. Bei 77% der Patienten fand sich eine weitere und bei 33% mindestens zwei weitere, den Schwindel begründende Diagnosen. Als Hauptdiagnose wurde bei einem Viertel der Patienten eine Neuropathia vestibularis gefunden. Zudem finden sich bei einem Fünftel der Patienten ein funktioneller Schwindel als Hauptdiagnose und mit 63% der Fälle eine erhebliche Prävalenz als Komorbidität (Münst et al. 2021). Chronische Schwindelsyndrome sind überwiegend multifaktoriell bedingt und haben eine weibliche Prädominanz. Häufig sind sie Resultat einer primär nicht ausreichend diagnostisch eingeordneten, peripher-vestibulären Störung und einer unzureichenden zentralen Kompensation. Eine unzureichende Kompensation der primären Störung, z.B. durch Vermeidung von Bewegung kann eine „Chronifizierung“ der Schwindelwahrnehmung zur Folge haben. Eine entsprechende Angstsymptomatik kann sich entwickeln, die dann zur Diagnose eines „Funktionellen Schwindels“ führt. In schwierigen Fällen ist bei Patienten mit chronischen Schwindelsyndromen eine ambulante Abklärung unzureichend und verzögert den Zugang zu einer diagnosespezifischen Therapie. Hier bietet ein stationäres Konzept an einem Zentrum Vorteile, denn neben einer qualitativ hochwertigen apparativen Diagnostik, ist die nicht-zeitversetzte interdisziplinäre Betrachtung des Patienten durch mehrere, bezüglich Schwindelerkrankungen erfahrene Untersucher auch aus anderen Fachgebieten möglich.

Es ist geplant, dass die Möglichkeit bzw. Empfehlung zur stationären Abklärung von chronischen Schwindelerkrankungen sich in der aktuell in der Abschlussphase befindenden S2k-Leitlinie „Vestibuläre Funktionsstörungen“ der Arbeitsgemeinschaft der Wissenschaftlichen Medizinischen Fachgesellschaften e.V. wiederfindet. Inwiefern sich durch den Erkenntnisgewinn nach abgeschlossener Diagnostik eine Therapie anschließt, die zu einer objektiv messbaren Verbesserung der Defizite sowie zu einer Steigerung Lebensqualität betroffener Patienten führt, wird Gegenstand weitergehender Untersuchungen sein müssen. Ebenso vermag die vorliegende Arbeit nicht abschließend zu beurteilen, inwiefern durch das Diagnostikkonzept Kosteneinsparungen im Gesundheitswesen erzielt werden können, zumal es in Deutschland keine umfassende Datenbasis gibt, die eine suffiziente gesundheitsökonomische Gesamtbetrachtung ermöglichen würde.

In Deutschland existiert kein zentrales „Krankheitsregister“, das alle ambulanten und stationären Behandlungsfälle eines Behandlungszeitraumes nicht-redundant einschließt. Die Kombination aus mangelnder zentraler Datenerfassung und einer Krankheitsentität wie z.B. der Neuropathie vestibularis, die je nach Ausprägung von verschiedenen Fachgebieten stationär, ambulant, sekundär oder gelegentlich auch gar nicht behandelt wird, erschwert die Generierung valider epidemiologischer Daten. In der bisherigen Literatur wurden Prävalenzen von 3,6/100.000 (Sekitani et al. 1993) bis 162/100000 (Hülse et al. 2019) angeben. Die zweite in diese Habilitationsschrift einbezogene Arbeit berechnet die Prävalenz der Neuropathia vestibularis über die Auswertung von Daten der Gesundheitsberichtserstattung (die sich auf stationäre Behandlungsfälle bezieht) auf 36,7/100.000 Fälle im Jahr 2017. Ferner konnten wir für den Zeitraum 2000 bis 2017 eine jährliche stationäre Fallzahlsteigerung der Neuropathie vestibularis von durchschnittlich 10% berechnen, während im Vergleich dazu die Steigerung stationärer Fälle gesamthaft lediglich 1% betrug. Der Aufbau nationaler krankheitsbezogener Register würde die Generierung epidemiologischer Daten vereinfachen (von Bernstorff et al. 2021).

Im Vergleich zum chronisch-vestibulären Syndrom wird behauptet, dass sich das akute vestibuläre Syndrom in der Rettungsstelle klarer darstelle und somit einfacher zur diagnostizieren sei. Unsere an 315 Rettungsstellenpatienten durchgeführte Studie zeigt diesbezügliche diagnostische Schwierigkeiten auf. Zwar stehen den Untersuchern neben der Anamnese mit den Bedside-HINTS (HINTS: horizontaler Head-Impuls-Test, Nystagmus, „Test of skew“) bzw. HINTS plus sensitive Untersuchungsmethoden zur Verfügung, allerdings sind diese nicht in allen Fällen eindeutig. Der Videokopfimpulstest (vKIT), der auch verborgene Sakkaden zu erkennen vermag und hier Zusatzinformationen liefern könnte, ist an Rettungsstellen mangels gerätetechnischer Ausstattung nicht flächendeckend verbreitet. Wir berechneten, dass eine „Pseudoneuritis vestibularis“, die einer „maskierten“, ischämiebedingten zentral-vestibulären Störung entspricht und somit potentiell lebensbedrohlich ist, in ca. 2% der Fälle vorkommt. Diese Fehleinschätzung passierte auch dann, wenn der Patient unabhängig vom Neurologen und HNO-Arzt untersucht wurde. Der Zusatznutzen des vKIT in der oben beschriebenen nicht-eindeutigen Situation ist derzeit Gegenstand laufender Untersuchungen. Das diffusionsgewichtete cMRT, das aber nicht allerorts zeitgerecht zur Verfügung steht, bleibt zunächst der aktuelle Goldstandard (Pudszuhn et al 2020).

Schwindel kann als Begleitsymptom bei einer akuten Ertaubung auftreten. In dieser Situation stehen die Differentialdiagnosen Rundfenstermembranruptur bzw. nachrangiger eine „Fissula ante fenestram“ im Raum. Diese Patienten werden als Notfall mit aufgeschobener Dringlichkeit zunächst konservativ mit intravenösen Glucocortikoiden in absteigender Dosierung behandelt. Wenn sich dann innerhalb von Tagen -der genaue Zeitraum ist bisher nicht definiert- nach Ausschluss einer retrocochleären Störung keine Hörverbesserung zeigt, wird die Indikation zur diagnostischen Tympanoskopie gestellt. Bei dieser Operation wird in Glucocortikoidlösung getränktes Bindegewebe zur Abdichtung ins Mittelohr eingebracht. Es ist nachgewiesen, dass die Lösung vom Mittelohr ins Innenohr diffundiert. Die vierte in diese Habilitationsarbeit aufgenommene Studie vergleicht zwei Operationsmethoden: Dabei zeigte sich, dass bezüglich des Hörgewinns die zusätzliche Abdichtung der ovalen Nische im Vergleich zur isolierten Abdichtung der Rundfenstermembran keinen Vorteil bezüglich des Endpunkts Hörgewinn brachte. Retrospektiv zeigte das operative Vorgehen insgesamt keinen eindeutigen Hörgewinn im Vergleich zu den in der Literatur berichteten Spontanheilungsraten auf. Zur weiteren Bewertung bedarf es randomisierter prospektiver Studien, die wegen der Seltenheit des akuten hochgradigen sensorineuralen Schwerhörigkeit multizentrisch geplant werden sollten (Hofmann et al. 2021).

Zur Rehabilitation ertaubter Patienten werden deutschlandweit jährlich ca. 5000 Cochlea-Implantationen durchgeführt. Die Operation, sowie der gesamte Rehabilitationsprozess sind in einem 2018 von der Deutschen Gesellschaft für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde, Kopf- und Halschirurgie e.V. herausgegebenen „Weißbuch Cochlea Implantat(CI)-Versorgung“ zusammengetragen worden. Im Hinblick auf bereits angekündigte gesetzliche Entwicklungen („Implantatgesetz“), wurde ein Register sowie ein Zertifizierungsprozess entwickelt, der im Sommer 2021 gestartet werden wird. Die Cochlea-Implantation hat einen signifikanten Einfluss auf das Gleichgewichtsorgan und die Entwicklung von Schwindelsymptomen. Daher ist gemäß „Weißbuch“ sowohl im Kapitel „Präoperative Prozessbeschreibung“ als auch ggf. postoperativ eine Vestibularisdiagnostik vorgesehen. Unsere 2018 publizierte Metaanalyse (Hänsel et al. 2018) zeigt die Altersabhängigkeit des Risikos nach Cochlea-Implantation dauerhaft Schwindelsymptome zu entwickeln. Auch die Operationstechnik scheint das Ergebnis zu beeinflussen. So entwickeln Patienten, die via Rundfensterzugang operiert wurden seltener Schwindel, als Patienten die ihr Cochlear Implantat über eine Cochleostomie erhalten haben. Jüngere Patienten kompensieren nach Cochlear Implantation eine vestibuläre Dysfunktion besser. Die konsequente Durchführung perioperativer und postoperativer apparativer Schwindeluntersuchungen ist erforderlich, um eine postoperative vestibuläre Störung und subjektive Beschwerden besser zu korrelieren. Die Aufnahme der Vestibularisdiagnostik ins Weißbuch stellt, in Kombination mit dem Register, eine gute Ausgangslage nicht nur zur Qualitätssicherung, sondern auch zur weiteren wissenschaftlichen Begleitung dar.

Therapeutische und diagnostische Fortschritte der letzten Jahre haben in Kombination mit einer patientenindividuellen, Biomarker-stratifizierten Therapie das Überleben von Patienten mit metastasiertem Lungenkarzinom zum Teil erheblich verbessert. Hierzu zählen zielgerichtete Behandlungen des onkogen alterierten Lungenkarzinoms sowie eine Immuntherapie mit Pembrolizumab bei PD-L1 hochexprimierenden Tumoren (≥50%). Mitunter mangelt es jedoch weiterhin an im klinischen Alltag verwendbaren prädiktiven Biomarkern, um im Vorfeld der Behandlung den zu erwartenden Nutzen besser einschätzen zu können. Für den diagnostischen Biomarker TTF-1 wurde in Abhängigkeit der verwendeten platinbasierten Erstlinienchemotherapie eine zusätzliche prädiktive Wertigkeit bei TTF-1 negativen Adenokarzinomen erarbeitet. Diese biologisch wie klinisch pulmonalen Plattenepithelkarzinome ähnelnden Tumore sind mit Pemetrexed-freien Behandlungsregimen deutlich effektiver zu behandeln, was im aktuellen Therapiealgorithmus mit indizierter Immunchemotherapie für alle Patienten mit einer PD-L1 Expression <50% von anhaltend hoher Relevanz ist. Bei erwartbar gutem Ansprechen auf eine Monotherapie mit Pembrolizumab bei einer PD-L1 Expression ≥50% zeigt die klinische Realität mitunter einen leider teils nur kurz anhaltenden Effekt. Eine genauere Einschätzung des potentiellen Therapieerfolgs ist möglicherweise durch die Hinzunahme des KRAS- und TP53-Mutationsstatus möglich. Beide Mutationen zeichnen sich nicht nur durch eine insgesamt höhere PD-L1 Expression aus, sondern korrelieren auch mit einer höheren Tumormutationslast und einem immunologisch aktiven Tumormicroenvironment. Ein langanhaltender Therapieeffekt bei Patienten mit KRASG12C/TP53-Komutationen kontrastiert mit teils erheblich reduziertem Überleben im Falle anderer molekularer Konstellationen. Eine prognostische Einschätzung scheint somit durch ein fokussiertes Genpanel möglich zu sein, welches bereits jetzt im Rahmen der im Stadium IV etablierten Paneldiagnostik weitgehend flächendeckend zur Verfügung steht. Was ein gutes Ansprechen auf Immuntherapie erwarten lässt ist beim onkogen alterierten Lungenkarzinom nachteilig. Hier lösen TP53-Komutationen die onkogene Abhängigkeit zum Teil auf und reduzieren die Wirksamkeit einer zielgerichteten Behandlung. So waren progressionsfreies und Gesamtüberleben in einer Auswertung des deutschen Härtefallprogramms mit dem Drittgenerations-ALK/ROS1-Inhibitor Lorlatinib deutlich reduziert. Dies gilt jedoch unabhängig von der verwendeten Substanz, da TP53-Mutationen beim zielgerichtet behandelbaren Lungenkarzinom wahrscheinlich einen generellen, unabhängigen Resistenzmechanismus darstellen. Inwiefern sich angesichts rigider Ein- und Ausschlusskriterien für klinische Studien die abgeleiteten Ergebnisse auf alle Patienten übertragen lassen ist eine Frage von regelmäßiger klinischer Relevanz. Während eine Erstlinienbehandlung mit Pembrolizumab bei tumorbedingt reduziertem Allgemeinzustand und bei asymptomatischer ZNS-Metastasierung durchaus effektiv sein kann, bestimmt das Ausmaß an Komorbiditäten die Gesamtprognose, die bei den Betroffenen auch durch eine weniger toxische Immuntherapie nicht wesentlich verbessert werden kann. Das unter Steroiden zu Behandlungsbeginn beobachtete deutlich verkürzte Überleben reflektiert eine aggressive Tumorerkrankung und ausgeprägte Komorbidität und keinen Kausalzusammenhang. Patienten mit synchroner oligometastasierter Erkrankung können potentiell kurativ behandelt werden. Die Hinzunahme zusätzlicher lokalablativer Behandlungsverfahren verbessert das Überleben dieser insgesamt prognostisch günstigeren Kohorte nochmals erheblich. Der Stellenwert einer Biomarker-stratifizierten Systemtherapie bei der OMD, bzw. das optimale Verhältnis von Lokal- und Systemtherapie sind noch nicht hinreichend geklärt. Eine integrale und flächendeckende molekulare Tumorcharakterisierung könnte künftig in Kombination mit den entsprechenden klinischen Daten weitere aufschlussreiche Hinweise zur effektiven Behandlung des metastasierten Lungenkarzinoms ergeben. Weiterhin ist die Sammlung klinischer Routinedaten für in Studien nicht oder unzureichend repräsentierte Patientengruppen von besonderer Bedeutung, für die ansonsten in Ermangelung entsprechender Evidenz keine belastbare Aussage zum Therapieerfolg möglich ist. Zusätzlich sollten jedoch alle Anstrengungen unternommen werden, diese Patienten tatsächlich auch im Rahmen klinischer Prüfungen behandeln zu können.

In den folgenden Publikationen wurden folgende Fragestellungen systematisch untersucht: 1. Der Stellenwert der präoperativen Bildgebung für die chirurgische Strategie bei der portosystemischen Shunt-Chirurgie. 2. Die Machbarkeit der Lebertransplantation ohne Kältekonservierung 3. Die Assoziation zwischen der Rekurrenz des hepatozellulären Karzinoms nach Lebertransplantation mit Episoden akuter Abstoßung 4. Der Einfluss der Teil-Leber-Lebendspende auf die Lebensqualität des Spenders und Untersuchung postoperativer Ergebnisse 5. Der Stellenwert eines biologischen Netzes beim Bauchwandverschlusses in mehreren Etappen nach pädiatrischer Lebertransplantation bei Kleinkindern

Claudins constitute a family of tetraspan transmembrane proteins that are ubiquitously expressed in epithelial tissues. They are the major components of tight junctions (TJs), defining the barrier properties in epithelia and regulating the paracellular transport of water and solutes. Claudins can also be found outside the TJ along the basolateral plasma membrane of epithelial cells. It is not yet well understood how claudins regulate the formation of TJs and which functions they exert outside them. The role of their extracellular loops in the regulation of paracellular transport has been widely studied. In contrast, it is not clear how their long and unstructured intracellular C-terminal regions intervene in their functions beyond interacting with tight junction protein ZO-1 (TJP1). Although protein interaction studies can help to answer these two key questions, the disordered nature of the cytosolic tail of claudins makes it challenging. In this work, a large-scale study is presented combining two complementary pull-down techniques followed by mass spectrometry to create an interaction landscape of the claudin protein family. Co-immunoprecipitation (CoIP) of recombinant claudins overexpressed in MDCK-C7 epithelial cells provided information about interactions beyond the already known TJ proteins. Protein interaction screen on a peptide matrix (PRISMA) allowed for the mapping of interactions along the disordered cytosolic C-terminal region of claudins and enables to study the effect of numerous post-translational modifications (PTMs) in these interactions. We confirmed newly identified claudin tail interactors from our PRISMA approach by proximity ligation assays (PLA) and revealed their possible implication in spatially separated biological processes in epithelial cells. By combining these two complementary approaches, we were able to create the Claudinome, the first comprehensive map of interactors for the entire human claudin protein family, which constitutes a valuable resource to improve our understanding of functional connections and regulatory processes for all claudins.

Petro-modernity is a local phenomenon essential to the history of Kuwait, while also a global experience and one of the prime sources of climate change. The book investigates petroleum’s role in the visual culture of Kuwait to understand the intersecting ideologies of modernization, political representation, and oil. The notion of iridescence, the ambiguous yet mesmerizing effect of a rainbowlike color play, serves as analytical-aesthetic concept to discuss petroleum’s ambiguous contribution to modernity: both promise of prosperity and destructive force of socio-cultural and ecological environments. Covering a broad spectrum of historical material from aerial and color photography, visual arts, postage stamps, and master plans to architecture and also contemporary art from the Gulf, it dismantles petro- modernity’s visual legacy.

Over the past two decades, ideas coming from quantum information science have become increasingly relevant in high-energy physics. This is particularly evident in an area of quantum gravity called holography, also known as the AdS/CFT correspondence, where two concepts which have led to novel insights are entanglement and complexity. Particularly compelling open problems in our understanding of these quantities include the time-dependence of complexity and the interplay between complexity and entanglement both in non-equilibrium systems and for mixed states in quantum field theories (QFTs). In this talk, we explore these problems in scenarios which allow us to make tractable computations and extract universal properties of these quantities. We first study the time-dependence of complexity in a free scalar theory undergoing a quench through a critical point, finding evidence for universal scaling behaviour. We then study generalizations of complexity and entanglement entropy to mixed states and study their universal properties, finding qualitative agreement with holographic expectations. Finally, we identify the long-distance behaviour of correlations in mixed states as an interesting limit and explores its properties, leading to a novel prediction across all conformal field theories with a gap in the operator spectrum. Collectively, these findings set the stage for a better understanding of complexity and entanglement in QFTs. This is paramount for elucidating the mechanism which connects gravity and quantum theories in holography. Consequently, we believe that our results can lead to a better understanding of quantum gravity and quite possibly to new tools in the study of quantum many-body systems.

Small mammal species have been the study object for various scientific disciplines because their adaptation skills into different habitats, the basic position they occupy in the trophic pyramid and the role of multiple of these species as host and reservoir for parasites and zoonotic pathogens. From a veterinary point of view, there is a lack of information on the diseases of wild small mammal species and the pathogens they might carry, especially in degraded and anthropogenically modified environments, which could have a negative effect on the animal’s health. For this reason, this project investigated 15 different small mammal species and a total number of 346 individuals captured between 2012 and 2013 along a landuse gradient in Northern Borneo from the tropical rainforest to the urban area of Kota Kinabalu. The animals belonged to the families Muridae, Sciuridae, Soricidae and Tupaiidae and were classified according to their habitat preference into forest species, i.e. forest rodents and treeshrews, the generalist Sundamys muelleri found along all habitat gradient and urban species as Rattus spp. and the shrew Suncus murinus. After capture animals were immediately euthanized, dissected and tissue samples were collected. Subsequently all animals were examined for subclinical histopathological changes followed by a scoring of their lesions to estimate the individuals’ health status. Additionally, molecular analyses and transmission electron microscopy were conducted to identify selected pathogens. The histopathological assessment showed that endoparasitic lesions were the most prevailing finding. Comparing the occurrence of pathological changes of the different organs the lung was predominantly affected with 89% (277/310), follow by lesions in liver (60% (192/321)), gastrointestinal tract (38% (102/266)) and striated muscle (sarcosporidiasis) (35% (108/309)). In all animals, the organs affected to a lesser degree were kidney and heart in 28% (89/314) and 19% (60/324), respectively. One the more notable findings were dense bacterial layers on the mucosal surface of the stomachs in the forest rodents Maxomys spp. and Niviventer sp., which so far was only described in laboratory rodents. Further, the first time a Klossiella-like infection in the kidneys of two Sundascirurus lowii squirrels was described. As the majority of pathological changes were observed in individuals from all species, the exposure to pathogens seems to occur regardless their chosen habitat. However, although lesions with parasitic origin were detected in forest species as well as in the generalist Sundamys muelleri, they were more predominant in urban individuals from the Rattus genus. Possible reasons could be the high density and the colony social structure, which favour parasite occurrence and transmission. The evaluation and scoring of the health status, based on the histopathological findings showed that the majority of the individuals were estimated to be moderately affected 66% (219/331) by their lesions, while 22% (74/331) had no or only mild lesions and were classified as clinically healthy. In contrast to this, only 12% (38/331) of all individuals were assumed to have a severely affected health status. Comparing the ecological groups, the health status was similar, however, there were distinct differences of the health status between certain species living in the same habitat. Among forest species, treeshrews were healthier than forest rodents, which health status was similar to the generalist species Sundamys muelleri. Amongst urban species, the shrew Suncus murinus presented a better health status than individuals from the Rattus genus. These findings suggest that in general the habitat has not a significant influence of the health status. But intraspecific characteristics based on the behaviour, predation pressure and/or social structure may have an impact in the health of the species. Species living in urban areas, mainly Rattus species, as well as the generalist Sundamys muelleri, were predominantly infected with Leptospira interrogans. While in contrast to this, infections of forest species showed a higher diversity of the detected Leptospira spp. DNA of the blood parasite Trypanosoma spp. was found in approximately 9% (24/277) of all investigated individuals. Amongst them, the potentially zoonotic Trypanosoma lewisi was predominantly found in Sundamys muelleri and urban Rattus species, meanwhile forest individuals were infected with either novel or unclassified Trypanosoma species. Histopathological investigations revealed that 30% (108/309) of all animals were infected by Sarcocystis. Further examination of the ultrastructural features of the Sarcocystis walls revealed the presence of three different Sarcocystis species (S. singaporensis, S. zuoi and S. villivillosi) in the forest species Sundascuirus lowii and Maxomys whiteheadi, and the generalist Sundamys muelleri. Additionally, a novel species, Sarcocystis scandentiborneensis sp. nov., was detected in treeshrews, corroborated by unique ultrastructural wall characteristics and phylogenetic evaluations. The morphological evaluation of Sarcocystis spp. showed a higher diversity among forest species and Sundamys muelleri, supporting that a broad range of small mammal species are intermediate hosts for the Sarcocystis spp. The occurrence of herpesvirus DNA was similar to Sarocystis spp. (29% (46/156) of all individuals), and although due to rather short fragments of herpesvirus DNA strain identification was not possible, sequence results indicated a wide diversity due to marked genetic heterogeneity of herpesviruses among animals from all habitats. For the first time this study investigated multiple small mammal species trapped along a landuse gradient not only by molecular techniques, but by histopathology. This allowed to not only detect the presence of a given pathogen, but to get an estimate of the individuals’ health status. Moreover, it lead to the identification of a novel parasite species (S. scandentiborneensis sp. nov.). Such investigations are only possible with an interdisciplinary approach, but to be able to better understand the interconnectivity of multiple animal species and pathogens in an ecosystem such approaches are indispensable.

Veterinary Public Health (VPH) ist ein wichtiger Teil des Tiermedizinstudiums. Die Entstehung neuartiger Zoonosen und die Gefahren zunehmender Globalisierung, und damit auch des Warenhandels tierischer Produkte, zeigen, wie wichtig dieser Bereich auch für die Gesellschaft und damit auch im One Health Konzept ist (Greiner et al. 2017). Es ist daher wichtig dieses Themengebiet interdisziplinär im Studium zu lehren und die Studierenden mit VPH-Fällen zu konfrontieren und für diesen Bereich zu motivieren. Der Querschnittsunterricht ist eine interdisziplinäre Lehre von 196 Stunden im Tiermedizinstudium, in dem praxisrelevante Fallbeispiele zu klinischen und VPH-Themen den Studierenden gelehrt werden sollen (Bundesministerium für Gesundheit 2006). Aufgrund einer Studierendenevaluation und der Visitation der EAEVE (European Association of Establishments for Veterinary Education) stellte sich heraus, dass dieser Unterricht am Fachbereich Veterinärmedizin der Freien Universität Berlin nicht interdisziplinär genug gelehrt wurde und auch nur einen geringgradigen VPH-Anteil aufwies (EAEVE 2007; Schunter 2016). Die Studierenden konnten daher keinen Mehrwert des Querschnittunterrichts erkennen. Im Rahmen dieses Dissertationsprojektes wurde ein neues fallbasiertes Blended Learning (BL) Konzept in den Querschnittsunterricht am Fachbereich Veterinärmedizin der Freien Universität Berlin vom 6.- 8. Semester eingeführt und systematisch evaluiert. Dabei sind 11 verschiedene VPH-Onlinefälle in den Themenbereichen Tierschutz, Tierseuchenbekämpfung, Lebensmittelsicherheit und Epidemiologie entstanden. Drei dieser Fälle wurden zusätzlich von Studierenden für ihre Kommiliton*innen erstellt. Untersucht wurden die Akzeptanz des Formats, die subjektive Lernmotivation und der Lerngewinn sowie das Interesse der Studierenden an den angebotenen Themenkomplexen aus dem Bereich VPH. Dies wurde auf zwei verschiedenen Ebenen untersucht. Erstens durch die umfangreiche Evaluation eines Pilotfalls und anschließendem Pilotmodul zum Thema Ausbruchsuntersuchungen und Zoonosen in Bezug auf die Fallstruktur, die Benutzbarkeit, das BL-Format, die Lernmotivation und den Lerngewinn. Zweitens durch die Etablierung des fallbasierten BL-Ansatzes in dem gesamten Querschnittsunterricht über drei Semester und dem damit einhergehenden Vergleich der Lernmotivation und des -gewinns zwischen dem alten und dem neuen Format. Es zeigte sich, dass die Studierenden das fallbasierte BL-Konzept sehr gut in ihrer VPH-Lehre akzeptieren, dadurch einen subjektiven Lerngewinn erzielen können und motiviert waren, an den VPH-Fällen teilzunehmen. Für das Pilotmodul gaben 87% der Studierenden an, gerne an den Fällen gearbeitet zu haben und 77% der Studierenden gaben an, dass sich ihr Interesse an dem angebotenen Themenkomplex durch dieses Lehrkonzept verstärkt hat. Diese Ergebnisse können als Anreiz genutzt werden, um weitere fallbasierte BL-Konzepte in die VPH-Lehre zu integrieren und damit das Interesse der Studierenden für diese Themen zu verstärken.

Honigbienen sind zwar die bekanntesten Bienen, aber sie stellen nur einen Bruchteil der weltweit existierenden Bienenspezies dar. Der überwiegende Teil der Bienen wird nicht vom Menschen gehalten, sondern gilt als wildlebend. Für diese Wildbienen sind, aktuellen Berichten zu Folge, deutliche Rückgänge in Anzahl und Vielfalt zu beobachten. Neben Faktoren, wie Klima und Veränderungen in der Landnutzung, gelten Krankheitserreger (Pathogene) als eine Ursache für die beobachteten Rückgänge. Unter den vielzähligen, für Honigbienen pathogenen Erregern ist auch die Gattung Nosema (Mikrosporidien) mit den relevanten Arten Nosema apis und Nosema ceranae finden. Bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts hat man N. apis-Infektionen als Ursache der überwiegend im Frühjahr in Honigbienenvölkern auftretenden und mit Diarrhoe verbundenen Darmerkrankung `Nosemose´ nachweisen können. Mit dem weltweiten Bekanntwerden von N. ceranae, der ursprünglich für die Östliche Honigbiene spezifisch geltenden Nosema-Art, ist eine Vielzahl von Berichten erschienen, wonach eine neuartige Form der Nosemose festzustellen sei. Diese als `Typ-C-Nosemose´ betitelte, neuartige Form soll sich von der bekannten Erkrankung besonders durch Asaisonalität, nicht vorhandene Durchfallsymptomatik und eine gesteigerte Virulenz unterscheiden. Letztere soll laut Publikationen der letzten Jahre sogar dazu geführt haben, dass N. ceranae sich neue Wirte, beispielsweise Hummeln, eine Gattung der Wildbienen, erschlossen habe. Auf diesen speziesübergreifenden Infektionen der Hummeln begründet, vermuten einige Wissenschaftler mindestens eine Beteiligung des neuartigen Erregers am aktuell beobachteten Rückgang der Wildbienen. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich mich intensiv mit der Epidemiologie, Symptomatik und Virulenz von N. ceranae beschäftigt. Diesbezüglichen konnte ich wertvolle Ergebnisse für die bestehende Kontroverse über Nosema ceranae produzieren. Mindestens für Nordostdeutschland geltend, habe ich im Rahmen meiner vorliegenden Doktorarbeit dazu beigetragen, die Existenz einer Saisonalität von N. ceranae-Infektionen aufzudecken. Auch ist es gelungen, das Symptom Durchfall (Diarrhoe), bei Nosemose auf Grund von N. ceranae-Infektionen in Honigbienenvölkern, nachzuweisen. Abgerundet wird diese Arbeit durch die überraschenden Ergebnisse unserer umfassenden Studie über die Erreger-Wirt-Beziehung zwischen Nosema ceranae und Bombus terrestris (Hummeln), hinsichtlich der Fähigkeit des neuartigen Erregers Wildbienen infizieren zu können und somit bezüglich seines Potentials, Erreger einer sogenannten „emerging-infectious-disease“ (EID) zu sein.

Moderne Whole-Slide-Image (WSI) Scanner sind in der Lage eine Digitalisierung von gesamten mikroskopischen Gewebeproben mit hoher Auflösung durchzuführen und ermöglichen somit eine breite Anwendung der digitalen Pathologie für die Diagnostik, Lehre und Forschung. Die Betrachtung des WSI am Bildschirm durch einen Menschen (digitale Mikroskopie) findet bereits routinemäßige Anwendung für die Untersuchung von Gewebeproben in Laboren und in der Ausbildung von (Tier-)Medizinstudierenden unter anderem aufgrund einer verbesserten Arbeits- beziehungsweise Lernflexibilität. Hingegen werden automatisierte Analysen von WSIs durch Computersoftware (automatisierte Bildanalyse) bisher vorwiegend in Forschungsinstitutionen eingesetzt, obwohl Bildanalysealgorithmen unter Verwendung von künstlicher Intelligenz – insbesondere Deep Learning – auch für die Diagnostik ein sehr großes Potential haben, die Effizienz, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Befunde zu verbessern. Allerdings lagen vor meinem PhD-Projekt unzureichende Erkenntnisse für die Tiermedizin hinsichtlich der diagnostischen Sicherheit der digitalen Mikroskopie, des Meinungsbildes von Studierenden in Abhängigkeit vom Erfahrungslevel und der Anwendungsmöglichkeiten der automatisierten Bildanalyse für diagnostische Fragestellungen in der Histopathologie und Zytologie vor. Daher haben sich die eigenen Untersuchungen mit einem breiten Anwendungsspektrum der digitalen Pathologie für die Veterinärpathologie und -zytologie beschäftigt: 1) Validierung der digitalen Mikroskopie für die Diagnose von Hauttumoren des Hundes, 2) Erfassung des Meinungsbildes von Studierenden drei verschiedener Jahrgangsstufen und 3) Entwicklung und Evaluation von Bildanalysesoftware unter Verwendung von Deep Learning für die Objekterkennung von histologischen Prognoseparametern in kaninen Tumoren sowie von verschiedenen Zelltypen in zytologischen Präparaten von Lungenspülproben des Pferdes. Unsere Validierungsstudie war die erste für die Tierpathologie. Wir konnten zeigen, dass die Untersuchung von diversen kaninen Hauttumoren mittels der digitalen Mikroskopie nicht unterlegen ist im Vergleich zu der Untersuchung mittels der Lichtmikroskopie. Allerdings wurde in der Tumorgruppe der Rundzelltumore und dem Tumorgrading der Mastzelltumore eine geringfügig niedrigere Konkordanzrate für die digitale Mikroskopie festgestellt. Die durchschnittliche Zeit für die Diagnosestellung war hingegen signifikant kürzer mittels digitaler Mikroskopie. Zusätzliche Validierungsstudien für weitere Anwendungsgebiete sind notwendig, um eine generelle Aussage über die diagnostische Sicherheit der digitalen Mikroskopie treffen zu können. Die eigene Meinungsumfrage über die Anwendung der digitalen Mikroskopie im Histopathologie-Curriculum hat erstmals das Meinungsbild der Studierenden aus drei aufeinanderfolgenden Jahrgängen erfasst. Unabhängig vom Semester wurde die digitale Mikroskopie als sehr positiv für das Selbststudium und als Demonstrationstool in Vorlesungen bewertet. Allerdings ergaben sich Unterschiede im Meinungsbild hinsichtlich der größten Nachteile: Studierende aus den früheren Semestern befürchteten vor allem eine mangelnde Ausbildung in der Lichtmikroskopie, während Studierende aus dem höchsten Semester vorwiegend eine unzureichende Ladegeschwindigkeit der WSIs (bedingt durch eine unzureichende Internetverbindung) kritisierten. Die digitale Mikroskopie ist ein geschätztes Instrument für die Histopathologieausbildung von Tiermedizinstudierenden aller Jahrgangsstufen mit bestehenden technischen Limitationen. Allerdings wird das Erlernen der Lichtmikroskopie weiterhin als wichtiger Bestandteil des Curriculums angesehen. Die eigenen Deep learning-basierten Bildanalysealgorithmen, die zusammen mit Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Technischen Hochschule Ingolstadt entwickelt wurden, haben durchweg eine sehr hohe Leistungsfähigkeit (vergleichbar oder besser als zahlreiche Experten/innen) erreicht. Für derartige Ergebnisse sind qualitativ und quantitativ hochwertige Datensätze notwendig, welche wir für die verschiedenen histopathologischen und zytologischen Fragestellungen generieren konnten. Die meisten unserer Datensätze wurden öffentlich zugänglich gemacht, sodass diese für die weitere Entwicklung der künstlichen Intelligenz durch andere Arbeitsgruppen zur Verfügung stehen. Weiterhin haben wir erforscht, wie die Qualität und Quantität von Datensätzen durch algorithmisch-assistierte Labelingmethoden und dem Multi-Experten-Konsensus verbessert werden kann. Neben Algorithmen für die Quantifizierung von Hämosiderophagen und Zelltypen in zytologischen Präparaten von Lungenspülflüssigkeiten des Pferdes sowie die Erkennung von zwei- und mehrkernigen Tumorzellen in histologischen Schnitten war unser Forschungsschwerpunkt die Erkennung von Mitosefiguren in histologischen Tumorschnitten. Alle Ansätze haben das Potential gezeigt, die Diagnosefähigkeiten bzw. die diagnostische Effizienz der/des Pathologin/en sinnvoll zu unterstützen. Auf dem Gebiet der Mitosefiguren konnten wir beispielweise zeigen, dass unsere Algorithmen durchschnittlich eine bessere Auswahl an Regionen mit der höchsten Mitosedichte im Gewebeschnitt treffen konnten. Bildanalysen können – im Unterschied zu Pathologen/innen – die Informationen des gesamten WSI innerhalb kurzer Zeit verarbeiten und bieten somit Vorteile für eine Regionauswahl.

To refine experimental procedures (including housing conditions) and reduce severity for laboratory animals, we need to integrate the animal's perspective. This dissertation focuses on mice and the development of tests, which investigate the preferences of mice.

In Chapter 2, a literature review, potential approaches towards severity assessment from an animal's perspective are summarised. This includes preference tests (or choice tests) like the T-maze preference test, the home cage based preference test and the conditioned place preference test. These tests differ strongly in their conduction and can be used to assess different aspects of the experimental or housing procedures. However, they all share that options are compared typically pair-wise, leaving the mice a simultaneous, dichotomous choice. For example, the T-maze test can be used to compare different food items as a reward. Here, the mice is placed in the start arm of a T-shaped maze and can choose between the two goal arms, which each contain one of the options (in this case food). The home cage based preference test, on the other hand, can be used to investigate the mice's preference for specific housing conditions by connecting two cages with different housing conditions (e.g., different bedding materials) and measuring the time the mice spent in each cage.

In Chapter 3, the usability of the T-maze for preference test was investigated by development of a working protocol to compare different food rewards. However, instead of displaying preference behaviour for the food rewards, the mice alternated their choices. This was even the case when comparing reward vs. no reward (i.e., similar to a simple learning test). Thus, we have to conclude that the T-maze is unsuitable for this research question, at least with the protocols used here (without food-restriction to keep severity of the preference test itself as low as possible).

In Chapter 4, the home cage based preference test is thematised. Conduction of this test is usually time-consuming (when using video analysis) or cost-intensive (when using commercially available tracking software). Thus, we developed the Mouse Position Surveillance System (MoPSS), an automatic RFID based tracking system which facilitates the conduction and analysis of home cage based preference tests. It is low-cost, open-source (except for the RFID readers), accurate even for fast moving mice and easy to rebuilt, which ensures that other research groups can adopt this method for their experiments. The system will hopefully help to assess the preferences of mice, and on that basis, also to improve housing conditions of laboratory mice in the future.

In Chapter 5, the main findings of the publications presented in the previous chapters are summarised. Especially two main factors observed during the experiments are highlighted: habituation and motivation. An effective habituation is the necessary foundation to make sure, the animals will actually behave according to their preference of the presented options. Otherwise other motivations (e.g., exploration or fear) might interfere with the preference test. In addition, reporting procedures in full detail in publications is mandatory to find influencing factors for preference.

In conclusion, developing tests to assess the mice's preference is challenging but nonetheless important if we want to include their perspective to improve experimental and housing procedures.

Neuroblastoma, the most common extracranial solid childhood cancer, arises from precursors of the developing sympathetic nervous system. MYCN oncogene amplification is a determinant of high risk and occurs in ~25% of neuroblastomas. Despite intensive treatment, more than half these patients succumb to their disease, implying persistence of therapy-resistant MYCN-amplified minimal residual neuroblastoma cells. This thesis proposes a comprehensive concept for the specific diagnostic detection of the MYCN amplicon and evaluates new treatment options for MYCN-amplified neuroblastoma. Disease-relevant nucleotide changes, structural gene rearrangements and copy number alterations were detected in tumor material by next-generation sequencing of a customized hybrid capture-based targeted panel. Unique MYCN amplicon breakpoints in the rearranged gene constitute a target sequence for a personalized minimal residual disease (MRD) PCR diagnostic. MYCN amplicon breakpoints in neuroblastoma cell lines and tumors were identified and recovered by individual, semi-quantitative PCR assays and Sanger sequencing. The assay was further developed for highly sensitive, real-time quantitative and droplet digital PCR detection for selected MYCN breakpoints in cell lines. MRD level detected in bone marrow aspirates collected during therapy outlined different disease courses in patients, including MRD persistence until relapse and good response to the first treatment course. Combining multi-agent chemotherapy in current high-risk protocols with indirect MYCN inhibitors provides a potential route to improve poor cure rates for MYCN-amplified neuroblastomas. Different hyperactive biological networks in MYCN-amplified neuroblastoma were tackled using small molecule inhibitors of the bromodomain and extra-terminal (BET) domain-containing protein BRD4, phosphoinositide 3-kinase (PI3K) and polo-like kinase 1 (PLK1). BET (JQ1, OTX015 and TEN-010) and kinase (alpelisib, volasertib and rigosertib) inhibitors demonstrated anti-cancer activity by diminishing viability in cell line-based drug screens at nanomolar to low micromolar concentrations. Rigosertib treatment altered PLK1 and PI3K signaling and strongly impaired the cellular ability for wound healing and colony formation. In line with in vitro observations, rigosertib reduced tumor growth in patient-derived neuroblastoma xenografts in mice. Combining OTX015 and volasertib produced synergistic anti-tumor responses in two MYCN-amplified neuroblastoma cell lines. To prevent MYCN-driven proliferation of tumor cells, further indirect MYCN targets are also being considered. This is exemplified by a substrate of PLK1, ASPM, which is elevated in MYCN-amplified primary neuroblastomas. Knockdown of ASPM, a microtubule-associated protein involved in mitotic spindle assembly, in MYCN-amplified neuroblastoma cell lines reduced viability and proliferation, accompanying a neuronal differentiation phenotype with neurite-like outgrowth, cytoskeletal changes and increased expression of differentiation markers. This study presents clinical implementable molecular diagnostics to pinpoint unique MYCN-amplified neuroblastoma cells within non-invasively accessible biopsy material, and proposes indirect small molecule-based MYCN therapies and potentially new drug targets for a personalized treatment.

E. coli is a commensal bacterium, as well as a versatile pathogen. Its ability to colonize distinct environmental niches provides an evolutionary advantage to acquire and disseminate antibiotic resistance traits within or across the different populations. In this study, we analyzed a diverse collection of 1,198 strains of E. coli isolated from different hosts, and a microbial GWAS was applied to determine the host-associated genomic determinants leading to host-adaptation. The E. coli were randomly distributed over the whole phylogeny, but small host-associated clusters (enriched with specific STs) were observed based on the core-genome phylogeny and clustering of strains based on their accessory genes. GWAS identified a novel nan gene cluster associated with E. coli strains isolated from humans. These nan genes were predicted to be responsible for the metabolism of sialic acid. It is located on the chromosome as inferred from the RefSeq complete genome collections of E. coli and was predominantly found in ST131 and ST73 ExPEC lineages; both are known multidrug-resistant and highly virulent lineages. On the other hand, a significant association of the omptin family of proteases with chicken and cattle hosts is also intriguing. The genes encoding for ompP and arlC (ompTp) proteases were associated with cattle and chicken hosts, respectively, instead of chromosomally encoded ompT protease. Preference for omptin proteases seems to correlate with the fact that both cattle and chicken have differences in innate immunity responses. In addition to that, GWAS also revealed the bor gene’s (involved in increased serum resistance in animal serum) association with cattle and confirms the previous association of iroBCDEN gene cluster with chicken in contrast to humans or other hosts. Here, we observed that host-associated genes belong to accessory-genome and these genes were found in few lineages of associated host. These determinants might play an essential role in adaptation and provide a fitness advantage over others in different host environments. To confirm their role in influencing a strain’s AMR carrying ability and dissemination, additional in-vitro or in-vivo studies are required.

In den hier vorgestellten Forschungsarbeiten widme ich mich den Freisetzungsstellen für chemische Transmitter in zwei Modellsystemen, Maus chromaffinen Zellen und der Neuromuskulären Endplatte von Drosophila melanogaster Larven. In der ersten Studie (2.1) entwickelte ich ein neues quantitatives mathematisches Modell, das detaillierte Einblicke in die Reaktionsgeschwindigkeiten und molekularen Abhängigkeiten der Transmitterfreisetzung lieferte. In diesem Model wurde die Hypothese getestet, ob sequenzielle, Kalziumkatalysierte Reaktionen der Vesikelreifung ursächlich für die beobachtete biphasische Transmitterfreisetzung sein können, was der Fall ist. Im Vergleich zu klassischen Modellen mit zwei unabhängigen (parallelen) Fusionsreaktionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit waren beide Modelle ähnlich gut geeignet, um die Transmitterfreisetzung aus wildtypischen Maus chromaffinen Zellen zu beschreiben. Allerdings konnten durch das neue, sequenzielle Modell, Effekte der Mutation des vesikulären SNARE Proteins Synaptobrevin-2 etwas leichter (durch die Anpassung weniger Parameter) interpretiert werden und die Kalzium-beschleunigte Wiederauffüllung der freisetzbaren Vesikel nach einem Stimulus genauer vorhergesagt werden. In der zweiten Studie (2.2) identifizierten wir die molekulare Identität von synaptischen Freisetzungsstellen an der glutamatergen neuromuskulären Endplatte von Drosophila melanogaster Larven. Diese Freisetzungsstellen limitieren die Neurotransmitterfreisetzung. Obwohl ihre Existenz über 50 Jahre bekannt war, war ihre molekulare Identität unbekannt geblieben. Mit Hilfe von genetischen Experimenten, elektrophysiologischen Messungen, Lebendmikroskopie und hochauflösender Mikroskopie beschreiben wir eine essentielle Rolle des evolutionär konservierten (M)Unc13 Proteins hierfür. In der dritten Studie (2.3) identifizierten wir eine hierarchische Sequenz molekularer Reaktionen, die eine homöostatische Erhöhung der Neurotransmitterfreisetzung ermöglichen. An der Drosophila melanogaster neuromuskuläern Endplatte zeigen wir, dass diese Potenzierung von (M)Unc13 abhängt. Mit Hilfe hochauflösender Mikroskopie und neuer Algorithmen zur Untersuchung der Ultrastruktur von Synapsen entdeckten wir, dass Synapsen hierfür schnell umgestaltet werden können und zeitlich zwei Potenzierungsphasen unterschieden werden können: Die schnelle Potenzierung beruht zunächst auf dem verfügbaren präsynaptischen Material. Aber dann erfolgt innerhalb von Minuten die zusätzliche Inkorporation mehrerer Proteine ins Zentrum der Synapsen. Dies ist erforderlich, um die Potenzierung über einen Zeitraum von Stunden bis Tagen aufrechtzuerhalten. Wir zeigten, dass sowohl die akute als auch die langanhaltende Potenzierung von (M)Unc13 abhängen und dass die selektive Manipulation (M)Unc13s im Fliegenhirn die Gedächtnisbildung stört, was darauf hindeutet, dass dieses Protein in mehreren Formen der Plastizität fungiert, einschließlich derjenigen, die zum Lernen benötigt werden. In der vierten Studie (2.4) stellten wir das erste schnelle und lichtinduzierte Lipid-Uncaging des Signallipids PI(4,5)P2 vor. Dies wurde mit schnellen elektrophysiologischen Aufzeichnungen der Neurosekretion kombiniert. Wir zeigten eine rasche Regulation (<1 s) der Transmitterfreisetzung durch PI(4,5)P2 und identifizierten in genetischen Experimenten die Proteine Synaptotagmin und (M)Unc13 als essentiell dafür. In der fünften Studie (2.5) untersuchten wir quantitativ die Verteilung der Distanzen zwischen synaptischen Freisetzungsstellen und spannungsgesteuerten Kalziumkanälen. Wir konnten zeigen, dass die Verteilung stark heterogen ist und dass dies direkte Effekte auf die sogenannte Kurzzeitplastizität hat, die schnellen Veränderungen synaptischer Antworten. Mittels stochastischer Simulationen wurden unterschiedliche Modelle der Kurzzeitplastizität untersucht und mit Experimentaldaten verglichen. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Variabilität synaptischer Antworten und deren Kurzzeitplastizität am ehesten durch eine schnelle Regulation der partizipierenden synaptischen Freisetzungsstellen erklärbar sind. Durch die hier vorgestellten Studien wurden viele Erkenntnisse zum molekularen Aufbau, der Funktion und Regulation synaptischer Freisetzungsstellen gewonnen. Anders als zunächst erwartet, zeichnet sich zum jetzigen Zeitpunkt ab, dass Freisetzungsstellen hochdynamisch durch Kalzium und Signallipide reguliert werden können. Zukünftige Studien können physiologisch wichtige Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen liefern und wie diese synaptische Transmission auf verschiedenen Zeitskalen für Signalverarbeitung, Homöostase und Gedächtnisbildung modulieren.

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle, physikalisch-technische und translationale Entwicklungen der DBS zur Behandlung von Bewegungsstörungen beschrieben. In einer tierexperimentellen Studie konnten wir zeigen, dass die DBS neben den bekannten unmittelbaren Effekten auf Motorsymptome ein neuromodulatives und neuroprotektives Potential in sich trägt, welches möglicherweise über die Beeinflussung von neurotrophen Faktoren vermittelt wird. Die Ergebnisse dieser Studie geben Anhalt zu der Annahme, dass die DBS zukünftig in einer Reihe weiterer neurodegenerativer Erkrankungen wirksam krankheitsmodulierend eingesetzt werden könnte. In einer zweiten bildgebenden Studie wurde verdeutlicht, dass im Zuge jüngster Verbesserungen in der MRT Auflösung heute morphometrische Merkmale erkrankter Gehirne erkennbar geworden sind, die möglicherweise Rückschlüsse auf die jeweilige Krankheitspathogenese zulassen. So konnten wir in einer Kohorte von Dystonie-PatientInnen Volumenveränderungen der Basalganglien und Signalalterationen beschreiben, die Hinweise auf regionale Überaktivität und Degeneration geben. Eine dritte Studie zur Einführung eines intraoperativen Computertomographen verdeutlicht, wie technische und strukturelle Weiterentwicklungen zur Beschleunigung und Rationalisierung intraoperativer Abläufe in der stereotaktischen Chirurgie geführt haben. In den letzten beiden Publikationen zu den Impulsgebern zeigten wir auf, dass das IPG-Nachfolgermodell des gegenwärtigen Marktführers eine kürzere Batterielaufzeit aufweist als das Vorläufermodell, und legten technische Parameter dar, die die Batterielaufzeit beeinflussen. Die Verkürzung der IPG-Lebensdauer hatte sowohl für die behandelten PatientInnen, als auch für unser Gesundheitssystem erhebliche Nachteile zur Folge gehabt. Hier wurde die Abhängigkeit der funktionellen Neurochirurgie von industrieller Entwicklung und Produktion deutlich. Die hier vorgelegten Arbeiten stehen beispielhaft für die rasanten technischen Entwicklungen der DBS über das vergangene Jahrzehnt und weisen ferner darauf hin, dass die Technik neben dem therapeutischen Nutzen ein ungeahntes Potential, weitere Einblicke in die Elektrophysiologie und die funktionelle Vernetzung des Gehirns zu erhalten, in sich birgt.

This work investigated different approaches to modify the release from PLGA matrices. The drug solid state in PLGA was analyzed with respect to its physical stability and impact on in-vitro drug release. Furthermore, the effect of drug particle size and the addition of a cationic excipient on the in-vitro drug release from PLGA was examined. First, the interactions between PLGA and the drugs ibuprofen, risperidone and dexamethasone were characterized. By assessing the solubility of the drugs in PLGA polymers of different grade, dexamethasone showed a lower solubility than risperidone and with up to 25 % ibuprofen exhibited the highest solubility. The examination of Hansen solubility parameters (HSPs) confirmed that the extend of interactions with PLGA was crucial for the solubility differences. The HSPs of ibuprofen and PLGA were more similar than those of dexamethasone and PLGA, leading to weaker interactions. The similarity of the risperidone HSPs to PLGA ranged in between dexamethasone and ibuprofen, which was in good accordance to the results from solubility testing. The similarity was assessed by calculating the HSP distance, Ra. The solid state stability of solid solutions and solid dispersions of the respective drugs in PLGA was characterized at ambient conditions, at 40 °C and 75 % RH and during in-vitro drug release. Films with solid solutions of all three drugs were stored under ambient conditions and dexamethasone and risperidone films remained stable over 3 month, while ibuprofen crystallized within 14 days. Polarized light microscopy and DSC suggested that ibuprofen formed a supersaturated solution in PLGA, leading to a time dependent crystallization. Storage of the films at 40 °C and 75 % RH gave a deeper insight into the crystallization mechanism of ibuprofen, denoting water uptake and the subsequent depression of glass transition temeprature as the main crystallization triggers. It is assumed that a pH decrease in the matrix contributed as well to the crystallization. The drug concentration in the matrix and polymer characteristics were able to control the crystallization. A higher level of supersaturation led to a faster crystallization, while a slower water uptake and a higher polymer viscosity slowed down the crystallization, because the nucleation of a drug crystal depended on the diffusion rate of drug molecules. A solid solution of risperidone remained stable at 40 °C and 75 % RH, but a risperidone dispersion started to dissolve into the polymer during incubation, due to a significant decrease of pH and the plasticizing effect of water. The opposite case than ibuprofen was observed here: A faster water uptake, decreasing the glass transition temperature and thus the polymer viscosity, led to a faster dissolution, since this process was likewise diffusion dependent. A higher drug loading led to a longer dissolution time, while polymer grades with a lower polymer viscosity and faster water uptake asset led to a faster dissolution. Additionally, the availability of carboxylic groups in the polymer influenced the dissolution rate, as it was shown that this process depended on the decrease in matrix pH. Dexamethasone solid solutions and dispersions did not show any solid state change during incubation at 40 °C and 75 % RH. With the help of HSPs the change in interaction between PLGA and drugs during incubation and associated water uptake was assessed and the calculated changes in Ra supported the observed drug behavior in PLGA. The in-vitro release studies showed that crystallization decelerated ibuprofen release, when the crystallization rate exceeded drug release rate. The observation of solid solutions at different ibuprofen loadings revealed multiple aspects: A high level of supersaturation led to a crystallization and thus a slower release. Likewise, drug loadings below the saturation solubility slowed down the terminal release phase from PLGA. Since the drug showed a higher solubility in the polymer than in the aqueous medium (factor 50), the drug only released by partitioning between PLGA and medium, leading to a slow terminal release rate. Risperidone solid dispersions were pre-incubated at 40 °C and 75 % RH to obtain solid solutions and their release was compared to untreated solid dispersions. Polarized light microscopic observations of the solid dispersion during release confirmed that the drug first dissolved into the PLGA film and released from the dissolved state into the medium. "Skipping" this dissolution (by pre-incubation) led to a faster release. Transferring these insights from PLGA films to implants supported the former findings. Solid solutions and solid dispersions of ibuprofen in PLGA were prepared by hot melt extrusion, controlling the solid state by extrusion temperature. The crystallization of ibuprofen during incubation at 40 °C and 75 % RH and in-vitro release was proven and quantified per DSC for different PLGA grades. The release studies confirmed that a fast crystallization decelerated the release to the level of a solid dispersion. A PLGA grade (503 H) with low water uptake and high polymer viscosity was able to stabilize the supersaturated solution and led to a faster release than from a solid dispersion of equal composition. Solid dispersions of risperidone were extruded directly, while solid solutions of risperidone were prepared by casting the respective composition and extruding dried film. The dissolution of dispersed risperidone into the polymer at 40 °C and 75 % RH was confirmed in implants and consequently the release from solid solution was faster than from a solid dispersion. In a second part, the effect of drug particle size was investigated with risperidone and dexamethasone, exhibiting different release characteristics. The dexamethasone particle size showed only slight effects on in-vitro release from films and implants. The polymer absorbed only low amounts of water in presence of dexamethasone. The low water amount limited the release, as the drug required water to dissolve inside the matrix before being released. The initial burst decreased with decreasing particle size, since the drug was better distributed in the PLGA matrix. In films with 20 % drug loading and implants with 50 % drug loading, a smaller particle size led to a faster terminal release phase due to a faster dissolution inside the implant. In risperidone loaded films the discovered release mechanism was confirmed by solid dispersions with different particle sizes: the drug dissolved into the polymer prior to release. At 50 % drug loading, a smaller risperidone particle size led to a faster release, since the drug dissolved faster into the PLGA matrix. However, this effect was not observed at a lower drug loading (20 %), since the dissolution into the polymer occurred very rapid, showing only minor differences among the particle sizes. Overall, the dexamethasone and risperidone release from PLGA was not very susceptible to particle size changes. Only high drug loadings revealed, that despite their different release mechanisms, the drug release profiles could be influenced by the drug particle size. Finally, the interactions between the cationic lipid, stearylamine, PLGA and the ionizable drugs ibuprofen and risperidone were investigated. A conductometric titration of stearylamine and lactic acid suggested ionic interactions between the amine groups of the cationic lipid and the carboxylic groups of the PLGA degradation product. Polarized light micrographs of casted and molten stearylamine-PLGA mixtures showed a homogeneous distribution of stearylamine in the polymer and DSC thermograms further supported an interaction potential between both components. The characterization of degrading PLGA-stearylamine implants without drug addition showed, that stearylamine retarded the degradation and erosion of PLGA, which was attributed to their ionic interactions. Implants with risperidone and ibuprofen loading and stearylamine addition were hot melt extruded. Hot stage polarized light microscopy revealed, that implants with risperidone were present as solid dispersion, while ibuprofen was molecularly dispersed in the PLGA stearylamine matrix. When stearylamine was added to risperidone-PLGA implants, the release was faster than without stearylamine, since the basic drug exhibited a cationic charge at pH 7.4, which led to electrostatic repulsion by the cationic lipid. The acidic drug ibuprofen showed the opposite behavior: its anionic charge at pH 7.4 interacted with stearylamine, leading to a delayed release compared to implants without stearylamine addition. Negative charges of ibuprofen compete with the carboxylic groups of degrading PLGA for the interaction with amine groups of stearylamine. With increasing amount of carboxylic groups, ibuprofen is displaced from the interaction an can be released. The interactions between ibuprofen and stearylamine were confirmed by the DSC thermogram of their physical mixture. In conclusion, the drug release profile of PLGA matrices was modified by a change in drug solid state or particle size and by addition of a cationic lipid. However, the effect of particle size was small compared to the other two approaches. In turn, controlling the solid state of a drug in PLGA is more elaborate and the physical stability of the formulation may be greater by varying only the drug particle size. The characterization of drug-PLGA interactions provided a deeper insight into the formation of solid solutions with PLGA and the release mechanisms from drug loaded PLGA matrices. The addition of a cationic excipients showed great impact on the release profile. Nevertheless, the data base for biocompatability and biodegradability of stearylamine is rather weak and thus investigation should be extended to other cationic excipients than stearylamine.

Electrostatic phenomena, like lightning in a thunderstorm or a balloon sticking to our hair, are everywhere in our day-to-day life. These phenomena are based on forces exerted by electric charges described by Coulomb's law. Developed for macroscopic objects, Coulomb's law even holds on the nanoscale with astonishing accuracy describing the interactions of atoms, molecules, and ions, the building blocks of all matter. Understanding their behavior is essential for all-natural sciences. One molecule of utmost importance in natural science is water. An exact electrostatic description of liquid water and its interaction with other dissolved molecules or ions is impossible due to the complex structure of the liquid. Therefore, we are usually content with a continuum description by treating water as an unstructured homogenous - dielectric - material, already explaining several phenomena like ion solvation or colloid precipitation. However, it is known that at interfaces the isotropy and homogeneity of the water's dielectric properties break down. In fact, any modification of the dielectric constant at interfaces or in confined space fundamentally influences all electrostatic interactions including equilibria of chemical reactions or particle distributions.

This thesis aims to understand how the electrostatic interactions are modified in aqueous nanosystems and how well a dielectric continuum description performs. The dielectric properties of water and ions are quantified using classical force field atomistic simulations as well as using novel anisotropic linear continuum descriptions. and compared to recent experiments. For an accurate comparison between the simulations and the continuum description we develop a new simulation force field describing the physics of several monovalent ions in water with higher accuracy compared to previous parametrizations. During the subsequent study of the water properties at planar interfaces and in narrow planar channels, we find that dielectric effects differ in perpendicular and parallel surface direction but decay to the bulk value within 1 – 2 nm away from the surface. This universal scaling exists regardless of the studied surface type. For water-filled carbon nanotubes, we show that the dielectric tensor becomes, due to curvature effects, even more, anisotropic compared to planar systems.

Based on the dielectric properties extracted from our simulations we analytically calculate interactions of charges with surfaces and between other charges in planar and cylindrical geometry on a linear response level applying previously derived solutions of Poisson's equation. Comparing the analytic predictions to explicit simulations we quantify the breakdown of linear response theory at interfaces and reveal that interactions in confinement are drastically enhanced compared to non confined systems. The findings of this work have an impact for the understanding of the transport, adsorption and evaporation properties of atoms, molecules, and ions which is not only relevant in biological systems but also for technical applications like water purification or energy storage.