Neurulation is a complex morphogenetic process, requiring the integration of various molecular and cellular events in order to culminate in the development of sophisticated brain structures. Many mechanistic aspects of the regulatory cues, which pre-pattern the neural plate and further specification of the neuroepithelial stem cells, remain largely unknown. Nonetheless, understanding of the coordination between pivotal developmental processes is indispensable in successful prevention of congenital brain defects in human.

My Ph.D. work significantly contributed to understanding the mechanisms underlying the etiology of congenital brain disorders. I functionally characterized the potential genetic modifiers rendering mouse models with a higher predisposition to neural tube defects. Results from this work can further be extrapolated to human disease penetrance. One of the key signaling molecules at the onset of neurulation is the morphogen SHH, which is required for ventral midline specification. Mice deficient for the LRP2, a SHH co-receptor in the ventral forebrain, suffer from insufficient SHH uptake by the neuroepithelium and develop holoprosencephaly (HPE) on C57BL/6N background. Congenic Lrp2 mutants on FVB/N background, however, show normal SHH levels in the ventral forebrain and normal forebrain separation. We have identified new candidate modifier genes, Pttg1 and Ulk4, that influence the capacity of SHH signaling pathway. Higher expression levels of Pttg1 and Ulk4 in developing brain of FVB/N mice are likely to contribute to advantageous cellular environment, which maintains the necessary SHH morphogen gradient in the ventral forebrain, independent of the receptor-mediated uptake, hence preventing HPE. The rational is that these novel, disease relevant, positive modulators of the SHH pathway make the early forebrain developmental processes less susceptible to disturbances in the SHH pathway. Positive regulation of the SHH machinery is associated with efficient ciliogenesis. For the first time, I describe PTTG1 as a novel primary cilia component. I identified PTTG1 at the basal body – the primary cilia organizing center – and in the ciliary shaft. The variable localization of PTTG1 amongst different cilia suggested that it is not a structurally required component of the primary cilium, but may shuttle into the ciliary shaft in a regulated fashion to support ciliary function and/or axoneme assembly, ultimately enhancing SHH signaling capacity.

Besides the ventral forebrain defect, there is a SHH-independent, dorsal phenotype in Lrp2 mutant mice, reminiscent of neural tube closure defects (NTDs) affecting C57BL/6N and FVB/N mice. Combining mouse and Xenopus work from Kerstin Feistel’s lab, we unraveled a conserved, novel function of the receptor, beyond its highly anticipated signaling scope. Neural plate bending and closure is a dynamic process involving cytoskeletal remodeling and apical constriction. We characterized LRP2-dependent apical membrane remodeling necessary for efficient upfolding of the neural plate. We documented for the first time in neuroepithelium, functional interaction of LRP2 with PDZ-containing adaptor proteins, which serve as a bridge to link LRP2 to the intracellular scaffold of neuroepithelial cells. Endocytic activity of the receptor facilitates apical membrane remodeling during apical constriction and simultaneously contributes to the apicobasal distribution of VANGL2, indicating a close interface between cell shape control and maintenance of planar cell polarity. Furthermore, I report the function of LRP2 goes beyond the neuroepithelium, and affects cranial neural crest, thus placing LRP2 in the context of multiple stem cell niches in the developing brain.

To conclude, on one hand, my work describes new aspects relevant for understanding the genetic modulation of signaling pathways and thus genetic predispositions to neural tube disorders. On other hand, we provide a detailed functional characterization of cell-autonomous mechanism in NTD etiology. LRP2 serves as a hub, orchestrating the signaling and endocytic pathways with cytoskeletal remodeling, at the periciliary compartment of the neuroepithelial stem cell. By this mechanism, LRP2 ensures homeostasis of neural stem cell niches and, simultaneously, facilitates the biomechanics of neural tube formation.

Smart-wheelchair navigation is a daunting problem even when autonomous cars are slowly taking on the roads. Smart-wheelchairs ought to navigate in highly unstructured and diverse indoor and outdoor conditions that lack the conventions that simplify autonomous car driving. Furthermore, smart-wheelchairs have astringent limitations to the size, weight, energetic consumption, and cost of the components used for autonomous navigation. Despite the challenge, the development of smart assistive technology is necessary because the number of users is likely to rise due to demographic tendencies. This dissertation explores the use of the visual compass algorithm VCA for outdoor route-following with a smart-wheelchair. The VCA infers the travel direction by aligning the current-view with snapshots stored in a visual memory. Image matching is performed using simple IDFs on low-resolution panoramic images, as inspired by insect navigation findings. The VCA is an attractive alternative because it only requires an omnidirectional camera and modest computational resources. Nevertheless, the algorithm suffers from well-known limitations, and its performance for tasks like smart-wheelchair navigation is poorly understood because most studies evaluated have focused on highly controlled conditions. This investigation presents three extensions to the VCA. The first one is the use of texture-based representations of the panoramic images to reduce aliasing. Then, the TVCC, which enables the use of multiple representations and IDFs. The third extension introduces KT, i.e., using visual memories to navigate with a different setup than the one used to acquire them, which is an essential aspect of large-scale applications. Furthermore, this dissertation presents an algorithm to correct off-route translational error without resorting to multiscale analysis or probatory movements.

In der vorliegenden Arbeit wird die These aufgestellt, dass die heutige Landschaftsauffassung von dem neolithischen Fundort Göbekli Tepe (Südosttürkei) nicht auf Grundlage einer tatsächlichen Erforschung der Landschaft entstand. Stattdessen gehe ich davon aus, dass sich die Landschaftsauffassung durch eine semantische Übertragung der dem Platz zugeschriebenen Singularität auf die Landschaft herausbildete. Verschiedene Aspekte, die das heute gängige Narrativ zum Göbekli Tepe und insbesondere das zu seiner Landschaft prägen, werden als Spiegel rezenter Denkweisen und Wahrnehmungsformen angesehen. Ziel der Arbeit ist es einerseits diese These zu überprüfen und andererseits überprüfbare landschaftliche Analysen zu liefern, die als dringend notwendig erachtet werden, um zukünftig ein theoretisch begründetes und reflektiertes Narrativ zum Göbekli Tepe entwickeln zu können. Einem hermeneutischen Ansatz folgend, wird die Landschaft des Göbekli Tepe in ›zirkulär‹ aufeinander aufbauenden Teilen aus der Perspektive unterschiedlicher Landschafts bzw. Raumbegriffe betrachtet. Um sich der Landschaftswahrnehmung im Neolithikum nähern zu können, wird ein emphatischer Zugang gewählt, bei dem von den eigenen abweichende, intersubjektive, also nachvollziehbare Wahrnehmungsmuster betrachtet werden. Mit Hilfe dieser Vorgehensweise, die gewinnbringend archäologische und geographische Arbeitsweisen interdisziplinär miteinander verknüpft, erfolgt eine Neuinterpretation des Göbekli Tepe. Die Stätte wird hierbei nicht wie bisher meist angenommen als die Neolithisierung vorantreibend angesehen, sondern als rückwärtsgewandter Ort, an dem an der paläolithischen Lebensweise festgehalten wurde. Es wird gezeigt, dass die Standortwahl nicht aus den in der Literatur zumeist angeführten Gründen einer gewünschten Kontrolle, Effizienz oder Prominenz erfolgte. Stattdessen sind die Architektur und der Standort des Göbekli Tepe als Ausdruck der Unsicherheit zu interpretieren, die der Transformationsprozess von einer aneignenden zu einer produzierenden Lebensweise im frühen Neolithikum auslöste. Die These, dass das Narrativ zu der Landschaft des Göbekli Tepe stark auf heutigen Denkmustern aufbaut, wird als bestätigt angesehen.

In times of technological dynamics, knowledge intensification and increasing networking between business stakeholders, absorptive capacity has become one of the most prominent concepts in innovation and management research. However, despite the attention devoted to absorptive capacity in the academic community, there is still a limited understanding of how firms without institutionalised R&D departments and formal R&D expenditure can absorb and leverage external knowledge successfully. With its strong focus on R&D-intensive firms and high-tech industries as well as on R&D-related aspects, existing research has overlooked the variety in patterns of knowledge absorption and, due to its reliance on inappropriate measures, tends to underestimate absorptive capacity in non-R&D firms.

Therefore, the overall objective of this dissertation is to advance our understanding of absorptive capacity beyond the R&D-based context by providing novel empirical insights on how non-R&D-performing manufacturing firms build their AC to access and leverage external knowledge successfully in their innovation activities.

The dissertation consists of three distinct but complementary research papers. The empirical analyses in these papers are based on the qualitative data from multiple case studies of four non-R&D-performing German manufacturing firms, as well as the quantitative cross-sectional data from the German Manufacturing Survey 2015.

In the first paper, which relies on qualitative data, I explore how non-R&D firms organise their efforts to deploy absorptive capacity, and which personnel resources and organisational practices they rely on. The empirical results provide in-depth insights into the nature and specific character of the AC process in the non-R&D context, and highlight the focal role of a few key absorptive agents in the configuration of absorptive capacity. A crucial factor for success is the integration of these individuals into the process of absorptive capacity by means of aligned organisational practices.

Based on the quantitative cross-sectional data, the second paper compares non-R&D and R&D SMEs in terms of their openness to external knowledge and major external sources of innovation impulses. Further, it takes a deeper look at non-R&D SMEs and examines how the internal organisation of absorptive capacity in these firms varies depending on the type of external knowledge source targeted. The results indicate that both non-R&D and R&D SMEs are open to external knowledge sources to a similar degree. However, non-R&D SMEs are more likely to search for innovation knowledge from suppliers and less likely to search for science-based knowledge than R&D SMEs do. Moreover, the results show that different search patterns are associated with different modes of knowledge absorption.

The third and final paper explores the heterogeneity in patterns of absorptive capacity and explains how the configuration of absorptive capacity is shaped by a firm’s dominant innovation mode. To address its research objective, the paper develops an integrated conceptual framework of absorptive capacity that offers a more differentiated perspective of absorptive capacity and enables the investigation of heterogeneous configurations of absorptive capacity across different types of firms. The framework was illustrated and tested using the qualitative data from the case studies with non-R&D performing firms and was shown to be appropriate for the operationalisation of absorptive capacity configurations associated with the Doing, Using and Interacting (DUI) mode of innovation and practical, tacit knowledge. This makes this framework particularly relevant for non-R&D firms and SMEs.

This dissertation contributes to innovation management research and enriches the absorptive capacity literature in several important ways. First, by responding to the call to explore absorptive capacity beyond the R&D-based context, this dissertation provides novel empirical insights into the hitherto overlooked empirical context of non-R&D manufacturing firms. It brings more conceptual clarity and explains how non-R&D firms manage to build absorptive capacity directed towards strategically relevant knowledge. Second, this dissertation proposes a holistic conceptual framework that integrates fragmented findings from different research fields on the underlying building blocks of absorptive capacity, such as dimensions, constitutive elements and microfoundations. In doing so, it enriches our understanding of the internal configuration of a firm’s absorptive capacity. Third, this dissertation explores and explains inter-firm heterogeneity in patterns of absorptive capacity, which has received little attention in the previous literature. Thus, the dissertation provides a broader understanding of absorptive capacity beyond R&D and explains how firms can build and develop their absorptive capacity in a more differentiated manner. Finally, this dissertation, and in particular the developed framework, can serve as the cornerstone for the improved, more comprehensive operationalisation and measurement of absorptive capacity.

Patienten mit einer endothelialen Erkrankung können nach einer DMEK mit einer sehr guten Visusrehabilitation rechnen. Zur Vermeidung von Komplikationen lassen sich einige Empfehlungen formulieren: Während der Voruntersuchung von DMEK Patienten sollten unkomplizierte Fälle identifiziert werden. Für dies Patienten bietet sich an, während der Operationsvorbereitung auf eine Peribulbäranästhesie zu verzichten und das Auge lediglich mit einer Tropfanästhesie zu betäuben. So lassen sich die Risiken einer invasiven Peribulbäranästhesie vermeiden und die Patienten auf eine subjektiv weniger schmerzhafte Art vorbereiten, ohne dabei die eigentliche Operation zu verkomplizieren. Während der Operation kann die Descemetorhexis durch die Verwendung eines Femtosekundenlasers vereinfacht werden. Durch die höhere Präzision dieser Methode lassen sich Überlappungen von Spender und Empfängerendothel vermeiden und endothelfreie Bereiche reduzieren. Dies könnte einen positiven Effekt auf die Endothelzellzahl haben und die Rate von postoperativen Transplantatablösungen reduzieren. Unterstützt werden sollte dies weiterhin durch eine Lufttamponade der gesamten Vorderkamme, die physiologische Druckwerte des Auges ermöglicht und mind. zwei Stunden beibehalten wird. Den Patienten ist, nachdem ein Teil der Luft abgelassen wurde, zu raten weiterhin die meiste Zeit am Tag in einer horizontalen Lage zu verbringen. Transplantate pseudophaker Spender sind für die DMEK geeignet. Es ist aber ratsam, solche Transplantate überwiegend bei Patienten ohne okuläre Vorerkrankungen, die einen negativen Einfluss auf die Endothelzellzahl haben könnten, zu verwenden, da sie zu einem schnelleren Endothelzellverlust neigen. In jedem Fall sollten Empfänger pseudophaker Spenderorgane postoperativ eng kontrolliert werden, um eine kritische Endothelzellzahl frühzeitige erkennen zu können.

Timely and accurate genome duplication is essential to maintain genome integrity and cell survival. DNA replication-associated damage is one of the leading causes of genome instability and a precursor for carcinogenesis. The DNA replication fork (RF), the site for assembly of replication proteins, encounters a variety of obstacles, which slow or stall its progression, a process termed replication stress. Cells have evolved a number of mechanisms to stabilize stalled forks and to ensure replication restart and timely completion. However, during chronic stress, forks can no longer be stabilized and collapse, creating toxic DNA double-strand breaks (DSB). These DSBs, when left unrepaired, can lead to chromosomal rearrangements and promote genomic instability. RIF1, a multifunctional protein, is critical not only to promote fork stability and to ensure that replication is completed, but also to repair DSBs in the event of prolonged replication stress. While modulation of DSB repair pathways represents one of the resistance mechanisms to chemotherapeutic drugs, maintenance of fork stability is critical to prevent carcinogenesis from developing in the first place. Here, we have identified novel post translational modifications of RIF1 that are critical for its role in the maintenance of genome stability. Specifically, phosphorylation of a conserved cluster of SQ sites in RIF1 modulates its role in fork stabilization while being dispensable for its function in DSB repair.

Der Schlaganfall ist epidemiologisch und sozioökonomisch ein hochrelevantes Krankheitsbild. In der vorliegenden Arbeit stellen wir ein gut charakterisiertes und zuverlässiges Modell zur Verfügung, um den Einfluss von chronischem Stress bei Schlaganfall zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass chronische Stressexposition über die Aktivierung der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse zu einer stressinduzierten endothelialen Dysfunktion führt, was bei Schlaganfall eine erhöhte Vulnerabilität zur Folge hat. Weiterhin charakterisieren wir multimodal ein neues Mausmodell für die Post-Schlaganfall Depression, das die mögliche pathophysiologische Bedeutung von sekundären Veränderungen des mesolimbischen dopaminergen Systems hervorhebt. Das Ansprechen der EPND auf medikamentöse Interventionen könnte ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze für eine subakute Schlaganfallbehandlung darstellen. Darüber hinaus wurde ein experimentelles Schlaganfallmodell entwickelt, das ein etabliertes kortikales Schlaganfall-Modell um ein chronisches Schädelfenster erweitert und so die longitudinale Intravitalmikroskopie als auch die lokale Applikation von Medikamenten ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit der Schlaganfallvolumina und niedrige Komplikationsraten, was insbesondere im Hinblick auf die Untersuchung von Langzeitverläufen sowie regenerativen Prozessen hoch relevant ist. Die Gefäßdichte, Dynamik des Blutflusses als auch die dynamische Rekrutierung zirkulierender Zellen sowie Zell-zu-Zell-Interaktionen können mit Hilfe eines Multi-Fluoreszenz-Epifluoreszenz- Mikroskopiesystems bzw. eines konfokalen Dual-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskops untersucht werden. In Vorbereitung auf eine klinische Studie, konnten wir das chronische Schädelfenster zur Langzeitbeobachtung auch nutzen, um die lokale Anwendung einer neuartigen Applikationsform (NicaPlant®) des Calziumantagonisten Nicardipin zu untersuchen. Die topische Applikation von NicaPlant® im Mausmodell führte zu keinen unerwünschten Nebenwirkungen und bietet in-vitro eine nahezu lineare Freisetzung von Nicardipin über einen Zeitraum von 21 Tagen, was auf den pathophysiologischen Zeitverlauf der aSAB abgestimmt ist.

Angesichts des ausgeprägten Organspendermangels sollte aktuell mehr denn je das bestmögliche Ergebnis für jede individuelle Transplantation erreicht werden. Ein vorzeitiges Transplantatversagen, und eine damit eventuell verbundene erneute Listung zur Transplantation vergrößern die Konkurrenz und somit die Wartezeit auf ein Spenderorgan. Eine Re-Transplantation ist in der Regel komplizierter als eine primäre Transplantation und birgt ein höheres Risiko für eine schlechteres Gesamtergebnis. Dabei gibt es eine Reihe von immunologischen und nicht-immunologischen Einflussfaktoren, die relevant sind, um ein optimales Transplantat- und Patientenüberleben zu erreichen. Eine Auswahl wichtiger Einflussfaktoren erfolgte in dieser Habilitationsschrift.

Animals continuously sense the temperature in their environment, which is crucial for survival and for maintaining an optimal energy expenditure. Thermal perception is enabled by sensory afferent neurons that innervate the skin and express molecules that transduce thermal stimuli into electrical signals, which are later processed by the nervous system. In the recent years, studies in genetically modified mice have found sensory afferents and ion channels that transduce cooling in mammals, but the perceptual ability of mice to sense warmth and the underlying encoding mechanisms remain unknown.

In this work, I have investigated the neurobiological mechanisms that underlie the perception of warmth. To do so, I have employed the mouse (Mus musculus) as a model system due to both the phylogenetic proximity to humans and the availability of genetic tools for mechanistic studies.

Using a sensory detection behavior, I first show that mice perceive tiny (0.5oC) changes in temperature of the forepaw. Like humans, mice are able to discriminate warming from cooling, they are less sensitive to warmth and the baseline temperature strongly impacts the perceptual saliency. Together, these data indicate that mice and humans share many features of thermal perception, suggesting common sensory coding mechanisms.

Cooling perception in mice is known to require cool-activated sensory afferents that express the channel TRPM8, but the neurons encoding warmth are unknown. Here, warming recruited two polymodal afferent populations: one fired upon warming (warm-activated) and the other was both warm-silenced and cool-activated. To investigate their role in perception, I used gene knockouts and optogenetic afferent stimulation and found that mice sense and encode warming without the warm-activated ion channels TRPV1, TRPM3, TRPA1 and TRPM2. However, surprisingly, despite TRPM8+ afferent stimulation evoked a cooling percept, TRPM8-null mice cannot detect warming. Trpm8-/- mice possess warm-activated afferents but lack warm-silenced neurons, suggesting that cooling input from warm-inhibited fibers is required for warmth perception.

In preliminary work I have also investigated the role of primary somatosensory cortex in warm perception. Using intrinsic optical imaging I observed that cooling and touch, but not warming, elicits robust responses; but silencing of this brain region impaired the perception of warming stimuli.

Altogether, the data from my thesis suggest that warming perception is an integrative process and requires input from both warm- and cool-activated sensory pathways.

Anthropogenic activity causes excessive CO2 emission in the atmosphere. In the CO2 reduction reaction (CO2RR), CO2 is converted electrochemically into valuable products including methane, ethylene, and other hydrocarbons. Large-scale employment of efficient CO2RR could diminish the use of fossil-fuel resources and thereby counteract rising levels of atmospheric CO2. Although plenty of catalysts have been investigated, copper (Cu) is the only metal that can produce reasonable amount of hydrocarbon products with two or more carbon atoms (C2+ products). However, low selectivity and high overpotentials remain as two obstacles for practical application. The reactivity determinants and reaction mechanisms in CO2RR and their relation to formation of specific products are insufficiently understood only. Therefore, operando techniques that provide insight in reaction mechanism for the catalyst material during electrocatalytic operation are of great importance. In this thesis, operando Raman spectroscopy was adopted to investigate Cu-based foam-like materials for CO2RR catalysis. These Cu foams, which have been characterized regarding CO2RR activity previously, are shown to exhibit surface-enhanced Raman scattering (SERS) activity, thereby facilitating the detection of surface-bound molecular species. A normalization procedure was developed for meaningful analysis of the electric potential dependence of the detected species. A comprehensive overview of various potential dependencies of Raman spectra are reported. Special focus was put on the role of oxides and the bicarbonate electrolyte. Evidence for copper carbonate hydroxide (CuCarHyd), which resembles the mineral malachite, was obtained. Its carbonate ions can be directly converted to CO at low overpotentials. These and further experiments, including 13C isotope experiments and local pH detection, suggest a basic mode of CO2/carbonate reduction at Cu electrodes that contrasts previous mechanistic models: the starting point in carbon reduction is not CO2 but carbonate ions bound to the metallic Cu electrode in form of CuCarHyd structures. Cu oxides residues could enhance CO2RR indirectly by supporting formation of CuCarHyd motifs. The presence of CuCarHyd patches at catalytic potentials may result from alkalization in conjunction with local electrical potential gradients, enabling the formation of metastable CuCarHyd motifs over a large range of potentials. It is conceivable that the interaction of oxide and bicarbonate also may be the key for the enhanced C2+ production activity. Operando Raman spectroscopy was also used to investigate a bimetallic catalyst CuAg foam that shows a primary selectivity for CO. The Raman spectra on CuAg foam shows an earlier departure of CO from the surface. Further 13C isotope experiments probed a surface intermediate that can be assigned to the symmetrical stretching vibration of bidentate. Mass transport limitations of carbonate species may influence the CO2RR mechanism. Raman spectroscopy (without SERS) was used to detect the local pH at the Cu foam surface. Severe local alkalization was observed. The same process was analyzed in D2O electrolyte and using a flow-cell setup, persistent local alkalization was also observed. Further results of potential influences of local pH change on the CO2RR are presented.

Adoptive transfer of T cells, engineered with antigen-specific receptors, is clinically used against acute lymphoblastic leukemia and certain types of large-B-cell lymphomas. Reliable and efficient use of such T cells against solid tumors has not been established yet. However, adoptive transfer of autologous, tumor infiltrating T cells (TILs) can eradicate established solid tumors in some patients. A limitation with this form of therapy is that isolation and expansion of TILs fails in the majority of patients and success seems to depend on the presence of a mutant neoantigen-specific T cell population in the transferred TIL product. Mutant neoantigen-specific T cells can be found in almost all analyzed cancer types. Furthermore, TCR genes can be isolated from TILs and used for viral transduction of patient‑derived, autologous peripheral blood lymphocytes (PBLs). As of yet, it is unknown how many different TCRs from T cell clonotypes of the polyclonal TIL response are needed to achieve cure. Therefore, the main objective of this thesis was to determine the requirements for mutant neoantigen-specific TCR-transduced T cells to achieve eradication of established solid tumors by adoptive transfer. For this, unmanipulated murine tumors were targeted using TCRs that recognized autochthonous, naturally occurring mutant neoantigens. Using such animal models, it was possible to show that tumors can be eradicated with just two cancer‑specific TCR clonotypes. One TCR had to target the cancer cells directly by recognition of a cancer-specific MHC class I restricted antigen, while the second TCR had to target a MHC class II restricted mutant neoantigen presented by cells of the tumor stroma. It shows that both TCR clonotype are sufficient and essential to achieve tumor rejection because a combination of two TCRs targeting independent MHC class I restricted mutant neoantigens was not as efficient and led to tumor escape even though the tumor that had been targeted was developed from a cancer cell clone, seemingly lacking tumor heterogeneity. Targeting only the tumor stroma with a MHC class II restricted mutant neoantigen‑specific TCR led to tumor destruction followed by long‑term growth arrest but never eradicated the tumor. This effect was caused by regression of tumor vasculature and depended on tumor stroma recognition only. For tumor eradication, direct cancer cell recognition was essential because lack of surface expression of MHC class I molecules by cancer cells led to failure of tumor rejection despite the presence of both TCR clonotypes. These data created the hypothesis that a four cell-type interaction is required for effective elimination of solid tumors and gives insights that simplifications for translation into clinical applications may be possible without sacrificing efficacy for adoptive, mutant neoantigen-specific, TCR-redirected T cell transfer.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden radiologische Methoden der quantitativen Bildanalyse für die umfassende Charakterisierung maligner Lebertumoren und deren Veränderungen im Rahmen lokoregionärer Therapien untersucht. Die vorliegende Arbeit trägt zum einen dazu bei, die diagnostischen Fähigkeiten MR-basierter Methoden durch volumetrische und automatisierte Auswertungen (Originalarbeiten 1-3 und 7) sowie molekulare MRT-Methoden (Originalarbeiten 4-6) für das Gebiet der onkologischen Bildgebung zu erweitern. Zum anderen werden therapiespezifische (Originalarbeiten 1-3 und 7) und molekulare (Originalarbeiten 4-6) bildbasierte Marker im Kontext lokoregionärer Therapien untersucht. Dafür wurden umfassende Untersuchungen in vitro, in vivo im Tiermodell sowie in klinischen Studien durchgeführt, um die bildbasierten Marker schrittweise zu etablieren.

Zunächst wurde anhand einer retrospektiven Bildanalyse von 38 Patienten (n=23 HCC, n=15 andere Lebermalignome) vor und nach SIRT ein Modell zur volumetrischen Tumor- und Lebersegmentierung, multimodalen Bildregistrierung (MRT, CT, SPECT) und Quantifizierung der postinterventionellen SPECT erstellt (Originalarbeit 1). Bei allen Patienten zeigte sich das prozentuale Tumorenhancement gemessen als ETV als prädiktiver Marker für die Yttrium-90-Verteilung, wobei vitale, stark vaskularisierte Tumoren mit hohem ETV mehr Yttrium-90 aufnahmen. Somit ist die Verwendung des ETV als tumorspezifischer Marker geeignet, um potentiell die invasive Testangiographie zu ersetzen, die Indikationsstellung für eine SIRT zu personalisieren und so die Erfolgschancen der SIRT zu vergrößern bei gleichzeitig reduziertem Risiko therapieassoziierter Komplikationen. Im Gegensatz dazu begünstigte eine eingeschränkte Leberfunktion (Child-Pugh-B) eine extratumorale Yttrium-90-Anreicherung und einen erhöhten hepatopulmonalem Shunt. Bei HCC konnte die Yttrium-90-Verteilung schließlich als therapiespezifischer Surrogatmarker für das Tumoransprechen nach SIRT etabliert werden. Die Arbeit trägt dazu bei, einen Algorithmus zur Quantifizierung der in der klinischen Routine rein qualitativ beurteilten Yttrium-90-Verteilung in der SPECT zu etablieren, sodass bereits wenige Stunden nach SIRT eine Abschätzung des Therapieeffektes ermöglicht wird.

Im folgenden Schritt wurde dieses Konzept eines therapiespezifischen Biomarkers im Rahmen einer prospektiven klinischen Studie (ClinicalTrials.gov: NCT02753881) auf eine andere IAT, die Lipiodol-basierte cTACE übertragen (Originalarbeit 2). Eingeschlossen wurden 30 Patienten mit malignen Lebertumoren (n=26 HCC, n=4 andere Lebermalignome), welche mit einer cTACE behandelt wurden. Vor sowie zu neun Zeitpunkten nach der Behandlung (5, 10, 20, 40 Minuten; 1, 2, 4, 24 Stunden; 3-4 Wochen) wurde die systemische Verteilung des lokal applizierten Doxorubicin und seines Metaboliten Doxorubicinol analysiert. Während die Mehrheit der rezenten pharmakokinetischen Studien Formen der DEB-TACE untersuchen, liefert diese prospektive Studie einen neuen Referenzstandard für die cTACE, wie sie heutzutage in der klinischen Routine vorwiegend praktiziert wird. Als klinisch besonders relevant stellte sich heraus, dass die Lipiodolverteilung auf der postinterventionellen CT (segmental vs. multisegmental vs. lobär) mit den peripheren Spitzenkonzentrationen (Cmax) von Doxorubicin und Doxorubicinol korrelierte. Auch ein hohes ETV und eine eingeschränkte Leberfunktion (Child-Pugh B) gingen mit erhöhten Doxorubicin-Cmax einher. Während der Fokus dieser Studie auf der Pharmakokinetik des lokal applizierten Chemotherapeutikums lag, wurde auch im Kontext der cTACE - ähnlich wie Yttrium-90 nach SIRT bei HCC - das ETV als prädiktiver Marker für die Lipiodolverteilung in den Tumor und das Tumoransprechen identifiziert.

Während die vorherigen Studien Methoden der volumetrischen, semiautomatischen Segmentierung und Bildanalyse verwendeten, wurden in der folgenden „Proof-of-Concept“ Studie (Originalarbeit 3) radiologische und klinische Daten von 36 Patienten mit HCC untersucht, um erstmalig die diagnostische Genauigkeit für die Vorhersage des Tumoransprechens auf TACE durch Hinzunahme supervidierter Machine Learning Algorithmen (Random Forest und Logistische Regression) zu verbessern. Anhand der enhancement-basierten, volumetrischen qEASL-Kriterien wurden die Patienten als Responder oder Non-Responder eingestuft (Outcome-Label). Beide Algorithmen sagten das Tumoransprechen mit einer Gesamtgenauigkeit von 78% voraus (Sensitivität 62,5%, Spezifität 82,1%). Analog zu den zuvor genannten Studien wurden als stärkste Prädiktoren für ein Tumoransprechen nach TACE eine klinische (Vorliegen einer Leberzirrhose) und eine bildgebende Variable (relative Tumorsignalintensität) identifiziert. Es konnte außerdem die Empfehlung ausgesprochen werden, sowohl Bilddaten als auch klinische Daten in einem Modell zu berücksichtigen. Angesichts des Mangels an evidenzbasierten Richtlinien zur Unterstützung des Einsatzes einer bestimmten IAT gegenüber anderen, kann der Einsatz von Machine Learning-Algorithmen in der klinischen Routine die Therapieentscheidung und Patientenselektion unter Berücksichtigung aller verfügbaren Daten unterstützen.

Eine Herausforderung in der Onkologie im Allgemeinen und der Therapie des HCC im Speziellen ist die molekulare Heterogenität von Tumoren und deren TMU. In den folgenden Arbeiten wurde daher angestrebt, konventionelle radiologische Methoden um spezifische, molekulare Bildgebungstechniken zu erweitern, die den Tumor und seine TMU nicht-invasiv charakterisieren. Ein Kennzeichen maligner Lebertumoren auf molekularer Ebene ist der "Warburg-Effekt", bei dem die Glykolyserate sauerstoffunabhängig ansteigt und eine Akkumulation von Protonen und Laktat im Extrazellulärraum resultiert 56. Die dadurch bedingte pH-Absenkung in der TMU begünstigt das Tumorwachstum, reduziert die Wirksamkeit vieler Tumortherapieregime und verschlechtert so die Prognose 58. Daher wurde insbesondere die Fähigkeit der MRT zur quantitativen Überwachung des Tumor-pH als funktioneller Surrogat-Biomarker für die Vitalität von Tumorzellen untersucht.

Hierfür wurde eine pH-spezifische MRS-Technik entwickelt und zunächst in organotypischen Kollagen-basierten 3D Zellkulturen getestet (Originalarbeit 4). Diese simulieren durch die Interaktionen der Tumorzellen mit der extrazellulären Matrix das Tumorwachstum in vivo besser als konventionelle Monolayer-Zellkulturen und haben gegenüber in vivo-Versuchen den Vorteil, Untersuchungen an humanen Zelllinien mit hohem Durchsatz zu ermöglichen. Im Vergleich zu Hepatozyten wurde bei vier Leberkrebszelllinien ein saurer pH festgestellt, welcher mit einer Überexpression von GLUT-1 korrelierte. Während die Zugabe von Glukose den pH in den Krebszellinien signifikant senkte, normalisierte die Behandlung mit dem antiglykolytischen 3-BrPA bereits in subletalen Dosierungen den Tumor-pH. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Tumor-pH als funktioneller Vitalitätsparameter eine frühere und empfindlichere Überwachung des Tumoransprechens auf eine Therapie ermöglicht. Der pH-Status des Tumors und der TMU geht als Mitursache für die dann folgenden morphologischen Veränderungen (messbar mit z.B. Proliferationsassays in vitro, Tumorbildgebung in vivo) diesen voraus. Die Studie stellte erstmalig eine Hochdurchsatz-pH-Kartierungsplattform vor, die für effiziente in vitro-Arzneimitteltests verwendet werden und dazu beitragen kann, die Medikamentenwahl zu personalisieren und gezielte Strategien zur Abschwächung von Tumorresistenzmechanismen zu entwerfen.

Die Erkenntnisse wurden in der nachfolgenden translationalen Studie (Originalarbeit 5) auf das orthotope VX2-Kaninchentumormodell für Lebertumoren übertragen, um den Tumor-pH in vivo als Biomarker für den Therapieerfolg nach cTACE zu untersuchen. Zweiunddreißig Lebertumor-tragende Kaninchen erhielten eine longitudinale Bildgebung an klinischen 3 Tesla-MRT- und CT-Scannern vor und bis zu 2 Wochen nach vollständiger cTACE. Wie in der 3D-Zellkultur zeigten unbehandelte VX2-Tumoren einen signifikant niedrigeren pH als das Leberparenchym, welcher mit einer erhöhten Expression der metabolischen Marker GLUT-1 und LAMP-2 in den Lebertumoren einherging. Nach vollständiger cTACE wurde ein allmählicher Anstieg des Tumor-pH innerhalb von 2 Wochen beobachtet, der mit der abnehmenden Nachweisbarkeit der metabolischen Marker korrelierte. Zusätzlich zeigte die pH-Kartierung in einer Subgruppenanalyse nach unvollständiger cTACE sowohl einen niedrigen pH vitaler Tumorresiduen als auch einen erhöhten Tumor-pH in den behandelten Regionen. Die Arbeit zeigte somit erstmalig die Anwendung der MRS-basierten pH-Bildgebung als longitudinales Überwachungsinstrument für Lebertumore nach cTACE und legt die Normalisierung des Tumor-pH als frühen funktionellen Biomarker für einen Therapieerfolg nahe.

Die in dieser Habilitationsschrift vorgelegten Originalarbeiten zur molekularen Tumorbildgebung vollziehen bezüglich der Etablierung und Anwendungsbereiche der pH-MRS somit eine Entwicklung, welche durch die Originalarbeit 6 abgeschlossen wird. In dieser Arbeit wurden die Erkenntnisse über den Tumor-pH sowie die Möglichkeit der in vivo Bildgebung ebendieses genutzt, um eine therapeutische Strategie zu entwickeln, die TMU für eine potentiell effektivere immuno-onkologische Therapie zu konditionieren. Insgesamt wurden 21 VX2-Lebertumor-tragende Kaninchen untersucht. Es konnte eine signifikante Erhöhung des Tumor-pH durch die Kombination von cTACE mit einer vorangehenden Natriumbikarbonat-Injektion in die tumorzuführenden Arterien erreicht werden. Zusätzlich zeigte sich in den immunhistochemischen Färbungen, dass der niedrige pH unbehandelter Lebertumoren sowie von Tumoren kurz nach cTACE mit einer relativ geringen peri- und intratumoralen Infiltration antigen-präsentierender Zellen einherging, die durch die pH-Modulation mit Natriumbikarbonat verstärkt werden konnte. Um dieses immuno-metabolische Wechselspiel in vivo zu visualisieren, war ein weiteres Ziel dieser Arbeit die Entwicklung molekularer, immunzellspezifischer MRT-Biomarker. Hierfür wurden sowohl Eisenoxidpartikel, die von peritumoralen Makrophagen phagozytiert werden, als auch neu entwickelte Gd-markierte Antikörper gegen antigen-präsentierende Zellen in der TMU hergestellt. Nach Applikation dieser immunzellspezifischen Sonden waren in der MRT lokalisierte peritumorale Signalalterationen messbar, welche mittels radiologisch-pathologischer Korrelationsanalysen als selektive Depositionen der MRT-Biomarker validiert werden konnten. Neben einer besseren Stratifizierung von Patienten, kann eine solche nicht-invasive Immunphänotypisierung der TMU auch in der Evaluation des Tumoransprechens nach immuno-onkologischen Therapien eine Rolle spielen, um frühzeitig beispielsweise zwischen echter und Pseudoprogression (temporäre Infiltration des Tumors mit Immunzellen) zu unterscheiden.

Auch im Hinblick auf eine Phänotypisierung der systemischen Immunantwort konnten neue Impulse gesetzt werden. In Originalarbeit 7 wurde in einer retrospektiven Fallanalyse von 46 Patienten mit therapienaivem HCC erstmals der Zusammenhang des zellulären Immunprofils mit Radiomics-basierten Tumorcharakteristika und das Outcome nach TACE beschrieben. Dieser zeigte sich für aus dem Differenzialblutbild errechnete Verhältnisse von Immunzellen, wobei eine hohe NLR und PLR mit einem invasiven Tumorwachstum sowie einem schlechteren Tumoransprechen nach qEASL-Kriterien und einem kürzeren PFS korrelierten. Die Studie suggeriert den prognostischen Wert innovativer Radiomics-basierter Bildparameter sowie leicht verfügbarer, quantitativer immunologischer Biomarker für das Outcome von Patienten mit HCC nach TACE. Gleichzeitig ruft sie zur kritischen Betrachtung etablierter klinischer Leitlinien (z.B. BCLC) auf, in welche die hier genannten Parameter leicht implementiert werden könnten. Die Arbeit legt außerdem nahe, dass die Kombination radiologischer und klinischer Daten ein Paradigma zur personalisierten Anwendung lokoregionärer Therapien des HCC darstellt.

In dieser Habilitationsschrift wurden zwei Aspekte der aktuellen radiologischen Forschung aufgegriffen. Zum einen widmete sich die Arbeit der verbesserten Quantifizierung bereits etablierter, morphologischer Charakteristika von Lebertumoren und therapiespezifischer bildbasierter Marker für das Ansprechen auf IAT. Zum anderen wurden neue Methoden der molekularen Bildgebung in einem schrittweisen Versuchsaufbau entwickelt und etabliert, welche die TMU charakterisieren und so neue Biomarker für Lebertumoren im Kontext lokoregionärer Therapien bereitstellen. Auch wenn eine breite Anwendung der vorgestellten Techniken bisher nur in Teilen umgesetzt ist, wurde ihre Durchführbarkeit bereits in translationalen oder klinischen Studien untersucht, um die Umsetzung in die Routineversorgung von Patienten mit HCC zu bahnen. Es ist ein weiterer Schritt auf dem Weg, die angemessene individuelle Therapiestrategie mit einem optimalen Verhältnis aus Therapiewirkung und Nebenwirkungen und der daraus resultierenden Belastung für die schwerkranken Patienten zu finden.

Ein wesentlicher Antrieb für diese Forschung war meine Neugierde. Aus erwarteten und zufälligen Beobachtungen der einen Studie entwickelten sich neue Impulse und Fragestellungen für die nächste. In diesem Zusammenhang denke ich an die Worte eines britischen Philosophen und Mathematikers:

„Necessity is the mother of invention is a silly proverb. Necessity is the mother of futile dodges is much closer to the truth. The basis of growth of modern invention is science, and science is almost wholly the outgrowth of pleasurable intellectual curiosity.“ —Alfred North Whitehead (1861–1947)

Das übergeordnete Ziel meiner Forschung ist jedoch geleitet durch den Hippokratischen Eid und das ärztliche Bedürfnis, meinen Patienten zu helfen, welche mich stets daran erinnern, bei allen aufregenden medizinischen Entwicklungen die klinische Relevanz für den Patienten nicht aus den Augen zu verlieren.

Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die morphologische und molekulare Charakterisierung neuroonkologischer und neuromuskulärer Erkrankungen zur Identifizierung genetischer und epigenetischer Veränderungen, die der diagnostischen, prognostischen und prädiktiven Einordnung dienen sollen. Die Studienergebnisse sollen dabei Eingang in die klinische Routineversorgung der Patient*innen finden. Ziel ist vor allem auch die Identifizierung bestimmter Biomarker zur therapeutischen Stratifizierung der Patient*innen.

In dieser Arbeit sollte ein Überblick über die Veränderungen der antiviralen Behandlung und Prophylaxe von Patienten nach Lebertransplantation auf dem Grund einer Hepatitis B oder C dargestellt werden. An unserem Zentrum wurden seit den 80ziger Jahren 372 HBV-assoziierte und über 500 HCV-assoziierte Lebertransplantation durchgeführt. Die Patienten erhielten allesamt eine enge Nachsorge über unsere spezialisierte Hochschulambulanz. Hauptanliegen in beiden Patientengruppen war stets, die Vermeidung von Sekundärkomplikationen durch eine virale Rekurrenz. Eine Besonderheit war die Möglichkeit einer histopathologischen Evaluation, da unsere Patienten im Rahmen der Nachsorge regelmäßigen Routinebiopsien zur Kontrolle des Transplantats unterzogen wurden. Eine Reinfektion mit HBV ließ sich bereits früh mittels HBIG deutlich reduzieren und letztlich durch den Einsatz moderner NUCs vollständig vermeiden. Dennoch war die Prävention dem Wandel der Zeit unterlegen und der Benefit bzw. die Auswirkungen einer Prophylaxe nicht von vornherein erkenntlich. Somit führten wir zum einen eine umfassende Evaluation unserer 30-jährigen Erfahrung in der Betreuung von HBV-Patienten durch, um eine praktikable, patientenorientierte und sichere Prophylaxe zu ermöglichen. Hier zeigte sich, dass zum einen die kontrollierte HBV-Reinfektion, die heutzutage durch den Einsatz von hoch-potenten NUCs als gut therapierbar gilt, die Prognose nicht schwerwiegend beeinträchtigt. Somit fiel die Entscheidung, Patienten weiterhin mit dem niedrig-potenteren Lamivudin kontrolliert zu schützen und nur im Falle einer Reinfektion die Substanz zu eskalieren. Eine weitere Neuerung aus den Untersuchungen zeigte, dass der Langzeit-Einsatz von HBIG als kombinierte Prophylaxe ebenfalls als nicht notwendig gilt. Das kontrollierte Absetzen führt jedoch bei den Patienten zu einer gesteigerten Lebensqualität und nicht zuletzt zur Reduktion der Arzt-Patientenkontakte und relativen Kostenersparnis. Im Gegensatz dazu bestand für die Hepatitis C keine geeignete Reinfektionsprophylaxe. Mit der Zulassung der DAAs nach 2014 eröffnete sich die Möglichkeit, die Patienten adäquat antiviral zu behandeln. Dies erfolgte schrittweise und teils außerhalb der medikamentösen Zulassungsbestimmungen, da initial wenige Daten zum Einsatz von DAAs in Transplantkohorten existierten. Dennoch schienen die Medikamente auch in dieser Randgruppe eine hohe Effizienz aufzuweisen, da innerhalb unserer behandelten Kohorte unabhängig vom Genotyp und vorbestehendem Fibrosegrad eine SVR von 100% erreicht werden konnte. Ribavirin spielt hierbei keine tragende Rolle mehr. Die HCV-assoziierten Sekundärkomplikationen, die Inflammation und Fibrose, wie auch die Nierenfunktion und der Diabetes mellitus profitierten signifikant von der antiviralen Behandlung. Dank der Sofosbuvir-basierten antiviralen Therapie konnte das Thema der HCV-Rekurrenz an unserer Klinik beendet werden.

Das Prostatakarzinom ist eine der häufigsten Tumorerkrankungen des Mannes in der westlichen Welt. Insbesondere vor dem Hintergrund der Überdiagnose von Low-Grade-Karzinomen ergibt sich neben der Tumordiagnose die Herausforderung einer Einschätzung hinsichtlich klinisch signifikanter Karzinome. Dabei ist die MRT der Prostata als nicht-invasive Technik zur Abklärung eines klinischen Karzinomverdachts zunehmend in den Fokus gerückt. Diese wird zur Prostatakarzinomdetektion und Tumorcharakterisierung intensiv beforscht und kontinuierlich optimiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Weiterentwicklungen der MRT der Prostata im Kontext einer stärkeren Objektivierbarkeit der Technik untersucht. Dabei beschäftigen sich drei Arbeiten mit neuen, quantitativen MRT-Verfahren und drei Arbeiten mit qualitativen MRT-Verfahren. Das quantitative MRT-Kartierungsverfahren des T2-Mapping (T2-Kartographie) ermöglicht durch Erfassung der Relaxationszeiten die interindividuelle Vergleichbarkeit der Signalintensitäten eines Gewebes. Hierbei findet das T2-Mapping schon regelhaften Einsatz in der Bildgebung von Herzmuskel und Knorpel und konnte auch bei der Prostata bereits eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das T2-Mapping hinsichtlich der Prostatakarzinomdetektion evaluiert. Nachdem die T2-Kartographie das Potential zur Unterscheidung zwischen benignen und malignen Prostataläsionen hat, wurde die Wertigkeit ihres zusätzlichen Einsatzes bei 40 Patienten mit klinischem Verdacht auf ein Prostatakarzinom untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die T2-Kartographie die Sensitivität zur Prostatakarzinomdetektion potentiell erhöht (Sensitivität Standard T2 mit T2-Mapping 73,0% vs. Standard T2 alleine 49,2%, P=0,006). Eine weitere quantitative MRT-Technik stellt die Elastographie dar. Hierbei werden mechanische Wellen in den Körper eingekoppelt und mittels bewegungskodierter Sequenzen die Scherwellengeschwindigkeiten im untersuchten Gewebe bestimmt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die technische Machbarkeit der MRT-Elastographie der Prostata geprüft und mechanische Charakteristika des Prostatakarzinoms bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die Gewebeeigenschaften der Prostata mittels MRT-Elastographie quantifiziert werden können. Aufbauend darauf wurde die klinische Anwendungsmöglichkeit der MRT-Elastographie der Prostata analysiert. Als biophysikalische Messwerte wurden die Scherwellengeschwindigkeit (c) als Maß für die Gewebesteifigkeit und der Verlustwinkel des Schermoduls (φ) als Maß für die Viskosität herangezogen. Dabei konnten Unterschiede zwischen Prostatakarzinom und normalem Prostatagewebe sowohl bei der Scherwellengeschwindigkeit als auch bei dem Verlustwinkel des Schwermoduls ermittelt werden. Somit konnte gezeigt werden, dass maligne Prostatagewebeveränderungen bei der MRT-Elastographie distinkte biophysikalische Eigenschaften aufweisen, die sowohl eine Änderung der elastischen als auch der viskösen Gewebeeigenschaften umfassen. Die Evaluation der Bilddaten der MRT der Prostata erfolgt semiqualitativ mittels Kriterien der strukturierten Befundung. Etabliert hat sich hierfür das PI-RADS System. In die strukturierte Befundung findet die metrische Erfassung sowohl der gesamten Prostata als auch verdächtiger Prostataläsionen Eingang. Diese beiden Messparameter wurden untersucht. Es wurde die Aussagekraft der MRT-basierten Volumetrie bei der Prostatakarzinomdetektion evaluiert. Es sollte die Genauigkeit der Ellipsoidformel (Breite x Tiefe x Höhe x π/6) zur Prostatavolumenbestimmung bewertet werden und das Prostatavolumen mit der Karzinomdetektionsrate korreliert werden. Untersucht wurden in der retrospektiven Studie 143 Patienten mit karzinomverdächtigem Befund in der mpMRT, welche eine MRT/Ultraschall fusionsgestützte Prostatazielbiopsie und eine systematische Biopsie erhalten hatten. Es konnte gezeigt werden, dass das mittels Ellipsoidformel berechnete Volumen sehr gut dem planimetrierten Prostatavolumen entspricht und somit eine gute Volumenabschätzung der Prostata ermöglicht. Es zeigte sich eine moderate, aber signifikante inverse Korrelation von Prostatavolumen und positivem Biopsieergebnis, welche in der Zielbiopsie noch deutlicher war (r=-0,24, p=0,004 bzw. r=-0,34, p<0,001). Gründe dafür können einerseits technische Aspekte der Biopsie, andererseits eine mögliche erschwerte Beurteilbarkeit der bei großen Drüsenvolumina komprimierten peripheren Zone sein. Damit ermöglicht das Prostatavolumen eine zusätzliche Einordnung sowohl des Bildbefundes als auch des Biopsieergebnisses. Weiterhin wurde die Bedeutung der Läsionsgröße in der mpMRT zur Detektion des Prostatakarzinoms untersucht. Ziel war eine Untersuchung des Größenkriteriums im PI-RADS System, wo zonenunabhängig eine Läsionsgröße von 15 mm als Grenze zur Unterscheidung zwischen einem PI-RADS Score 4 und 5 definiert ist. Mittels ROC-Analyse konnte gezeigt werden, dass die Korrelation zwischen Läsionsgröße und klinisch signifikantem Prostatakarzinom in der peripheren Zone größer war als in der Transitionszone (AUC = 0,73 bzw. 0,63). Es konnte somit gezeigt werden, dass die Läsionsgröße in der mpMRT ein weiteres Kriterium hinsichtlich Karzinomwahrscheinlichkeit darstellt, wobei Karzinome der peripheren Zone mittels des Größenkriteriums zuverlässiger detektiert werden können. Das PI-RADS System hat mit dem für eine MRT der Prostata ermittelten Wahrscheinlichkeitsscore für das Vorliegen eines klinisch signifikanten Prostatakarzinoms einen entscheidenden Einfluss auf das weitere klinische Vorgehen. Dabei wird das PI-RADS System kontinuierlich aktualisiert, wobei sich zwischen den jeweiligen Versionen entsprechende Veränderungen in der Läsionsbeurteilung ergeben. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung der Läsionsklassifikation in der mpMRT zur Prostatakarzinomerkennung untersucht. Es wurde ein Vergleich von PI-RADS Version 1 und Version 2 durchgeführt. Es zeigten sich Unterschiede im Gesamt-PI-RADS Score in 52%, begründet zum einen durch das neue kategoriale System in PI-RADS Version 2 (51%) und zum anderen durch das eingeführte Größenkriterium von 15 mm zur Unterscheidung zwischen PI-RADS 4 und 5 Befunden (31%). Dabei war bei histologisch als Gleason-Score >/=4+3 gesicherten Läsionen der Unterschied meist durch das Größenkriterium für PI-RADS 5 bedingt. Korrespondierend dazu lieferte die Kombination aus PI-RADS 4 und 5 in beiden PI-RADS Versionen die gleiche Treffsicherheit. In 17% der Fälle blieb der Grund des unterschiedlichen Scorings unklar. Dies ist ein Hinweis darauf, dass subjektive Beurteilungen weiterhin den PI-RADS Score beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurden Weiterentwicklungen quantitativer und qualitativer MRT-Verfahren untersucht, um die Objektivierbarkeit der MRT zur Prostatakarzinomdetektion und Tumorcharakterisierung zu erhöhen. Es konnte das Potential des quantitativen T2-Mappings-Verfahrens für eine bessere Karzinomdetektion und eine verbesserte Einordnung unklarer Prostataläsionen gezeigt werden, sowie die Elastographie der Prostata als innovative und reproduzierbare Technik etabliert werden, bei der das Prostatakarzinom quantifizierbare mechanische Eigenschaften aufweist. Zudem wurde der Stellenwert der metrischen Erfassung von Prostatavolumen und Läsionsgröße insbesondere auch hinsichtlich Karzinomwahrscheinlichkeit aufgezeigt. Schließlich konnten die Gründe für Unterschiede bei der Läsionseinordnung verschiedener PI-RADS Versionen eruiert werden. Es wurde demonstriert, dass das PI-RADS System beim mpMRT der Prostata eine Methode hin zu strukturierterer und reproduzierbarer Befundung darstellt, die weiter verbessert werden kann.

Postoperative cognitive dysfunction (POCD) is characterized by a cognitive decline from pre- to post-surgery assessment, but is underresearched from an epidemiological perspective. Previous studies have identified metabolic dysfunction as a risk factor for age-related cognitive impairment (ACI) which too is characterized by cognitive deficits but occurs in the general population during ageing. Thus, metabolic dysfunction is a strong candidate risk factor for POCD. Here, I used a total of 4 surgical cohort studies of middle-aged to older adults with extensive anthropometric, clinical (and in part molecular) phenotyping as well as detailed pre- and post-surgical cognitive assessment to test the hypothesis that ACI and POCD share metabolic risk factors. I found partial evidence for in favor of this hypothesis. The implications of this work are three-fold: i) the findings suggest that ACI and POCD may (in part) be driven by similar pathophysiological mechanisms. ii) by measuring metabolic function before surgery, we may be able to risk stratify older surgical patients and – in elective surgery settings – empower at-risk patients for informed decision making. ii) if future work determines that the associations found here reflect causal relationships of metabolic dysfunction with ACI and POCD, we could set up preventive measures. Ultimately, the epidemiological analyses presented here provide one step towards a better understanding of ACI and POCD.

The presented thesis concentrates on the metabolism of three AAS in the human body and the synthesis of potential new long-term metabolites. It demonstrates an effective way of introducing new markers to anti-doping analysis and finally confirming the proposed structures. First, the substrate specificity of a human CYP (21A2) was elucidated to use its stereoselective hydroxylation capacity for the targeted synthesis of new metabolites of several AAS. Second, new metabolites of MD and MT were synthesized chemically, characterized, and detected in urine samples. Third, a controlled administration study with DHCMT was performed to reveal the metabolism of this doping substance and provide kinetic data of the metabolic products. Different synthesis methods were used depending on the structure: either a full chemical or a combined chemical and biotechnological approach. Several analysis techniques were used to provide sufficient information during the particular project steps. To verify intermediate products in the synthesis, gas chromatography coupled by electron ionization to single quadrupole-mass spectrometry (GC-EI-MS) was used. NMR experiments together with GC-EI-MS and gas chromatography coupled by electron ionization to quadrupole time-of-flight-mass spectrometry (GC-EI-QTOF-MS) were used for the structure elucidation of the synthesized reference material. Post administration samples were analyzed by GC-EI- QQQ-MS and LC-ESI-QTOF-MS. The results of this thesis show the ideal way of providing reference material to the anti-doping community or every other research field that is dealing with the metabolism of endogenous and exogenous substances in case that the concentrations are too low for other means of comprehensive identification. In a first step, the synthesis of reference material must be planned, and the used compounds, e.g., enzymes or reagents, must be evaluated for their potential use. Subsequently, the synthesis has to be performed, and the product needs to be fully characterized so that there is no doubt of its structure. Finally, an administration of the parent compound and subsequent analysis of the excreted metabolites confirm the previous work. In summary, this work shows how new ideas about metabolism should be dealt with. It helps to dispel the doubts that have existed for years about postulated results. At the same time, it shows that steroid metabolism still has various blind spots, whose elucidation must be the goal of further research. Although anti-doping was the all-dominant topic, the gained results are also relevant for fields in physiology and pharmacology.

Diese Dissertation besteht aus sechs Kapiteln, die sich mit der ökonomischen Analyse von Bildungs- und Haushaltsentscheidungen befassen. Diesen Kapiteln geht eine Einleitung voraus, in denen gemeinsame und komplementäre Beiträge der Forschungsarbeiten dieser Dissertation zur Literatur dargestellt und die einzelnen Forschungsfragen motiviert werden. Im Schlussteil werden Limitationen der Forschungsarbeiten, offene Forschungsfragen und Handlungsempfehlungen für die Politik diskutiert.

Kapitel 2 befasst sich mit den Effekten von Informationen auf die erwarteten monetäre und nicht-monetären Erträge eines Masterstudiums sowie der beabsichtigten und tatsächlichen Aufnahme eines Masterstudiums. Hierfür wurden im Rahmen eines Experiments Studierenden gezielt Online-Informationen bereitgestellt. Sechs Monate nach der Informationsintervention lassen sich kausale Effekte auf die erwarteten Erträge beobachten. Die Effekte auf erwartete Erträge sowie die Effekte auf die beabsichtigte und tatsächliche Aufnahme eines Masterstudiums unterscheiden sich nach Geschlecht und akademischem Hintergrund. Insbesondere Männer schätzen infolge der Informationsintervention ihre Perspektiven ohne Masterstudium besser ein als zuvor. Ein Masterstudium verliert für sie an Attraktivität. Mithilfe weiterer Erhebungen wird gezeigt wie sich die Intervention auf die tatsächliche Aufnahme eines Masterstudiums auswirkt. Zusammengefasst zeigt dieses Kapitel die Relevanz von Informationen zu monetären und nicht-monetären Erträgen eines Masterstudiums für die Studienentscheidung auf.

Kapitel 3 zeigt mithilfe von Zeitbudgeterhebungen aus der DDR und der wiedervereinigten Bundesrepublik Deutschland auf, dass Frauen in der DDR, und später in den ostdeutschen Bundesländern, mehr Zeit im Arbeitsmarkt und weniger Zeit mit Hausarbeit als westdeutsche Frauen verbringen. Bei der differenzierten Betrachtung dieser Unterschiede wird jedoch deutlich, dass keine Differenzen in der Hausarbeit zwischen ost- und westdeutschen Frauen bestehen, wenn Frauen mit gleichem zeitlichen Beschäftigungsumfang im Arbeitsmarkt verglichen werden. Da Männer eine höhere Arbeitsbelastung der Frauen am Arbeitsmarkt nicht durch die Übernahme von mehr Hausarbeit kompensieren, sind berufstätige Frauen in der DDR und BRD doppelt belastet. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Folgen von Geschlechternormen und möglichen Nebeneffekten von politischen Maßnahmen zur Erhöhung der Frauenerwerbsquote ab.

Kapitel 4 untersucht die Effekte eines umfangreichen Programms zur Eröffnung neuer Vorschulen in Kambodscha. Der Bau neuer Vorschulen im Jahr 2016 wurde mit zwei nachfrageseitigen Interventionen zur Stimulierung der Nachfrage nach Vorschulen in einer randomisierten kontrollierten Studie kombiniert. Während Kinder durch den verbesserten Zugang zu Vorschulen häufiger eine Vorschule besuchen, hatten die nachfrageseitigen Interventionen keinen zusätzlichen Effekt. Ein Jahr nach Beginn der Intervention wurden kleine Effekte auf die kognitive Entwicklung (0.04 Standardabweichungen) und sozio-emotionale Entwicklung (0.09 Standardabweichungen) der Kinder gemessen. Mittelfristige Effekte werden für Kinder des oberen Wohlstandsquartils zwei Jahre nach Beginn der Intervention gemessen. Dieses Kapitel zeigt zudem auf, dass das untersuchte Programm zu großen Verbesserungen in der strukturellen Qualität der vorhandenen Vorschulen geführt hat, jedoch nur geringe Effekte auf deren Prozessqualität hatte. Die Ergebnisse legen nahe, dass in Ländern mit niedrigem Einkommen, Kinder aus verhältnismäßig gutsituierten Haushalten stärker von den Vorschulangeboten profitieren. Ein Grund sind komplementäre Effekte des Vorschulbesuchs und bessere kognitive Stimulation und emotionale Unterstützung der Eltern. Die Ergebnisse zeigen auch auf, dass weitere Verbesserungen in der Prozessqualität von Vorschulen notwendig sind um die Entwicklung benachteiligter Kinder zu fördern.

Kapitel 5 untersucht die Effekte des gleichen Vorschulprogramms in Kambodscha mit besonderem Fokus auf die Tatsache, dass die neu geschaffenen Vorschulen mit bestehenden Vorschulangeboten von geringerer Qualität sowie familiärer Betreuung konkurrieren. In diesem Kontext wird aufgezeigt, dass sich die gemessenen Effekte des Vorschulprogramms auf die frühkindliche Entwicklung danach unterscheiden, ob ein Kind ohne die neuen Vorschulen eine andere Vorschule besucht hätte oder in familiärer Betreuung geblieben wäre. Mithilfe der Daten der randomisierten kontrollierten Studie werden verschiedene empirische Schätzmethoden angewandt, um den Effekt auf Kinder, die ohne die neuen Vorschulen in elterlicher Betreuung geblieben wären zu identifizieren. Es wird diskutiert, weshalb die Messung dieses Effekts von zentraler Bedeutung für die Wirkungsmessung von Vorschulangeboten ist und besser als konventionelle Schätzer (z.B. reduced-form estimates) für Vergleiche zwischen verschiedenen Studien und Kontexten geeignet ist. Es wird zunächst gezeigt, dass der Effekt auf die kognitiven Fähigkeiten von Kindern in kontrafaktischer elterlicher Betreuung, unter realistischen Annahmen, auf zwischen 0.14 und 0.39 Standardabweichungen eingegrenzt werden kann. Anschließend wird eine Instrumentvariablenschätzung angewandt, um die Effektgröße näher einzugrenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Effekt in etwa 0.2 Standardabweichungen beträgt. Der Effekt auf Kinder, die ohne das neue Programm eine andere Vorschule besucht hätten, ist klein und nicht statistisch signifikant.

Kapitel 6 untersucht den Zusammenhang verschiedener Qualitätsindikatoren kambodschanischer Vorschulen mit der Entwicklung frühkindlicher kognitiver und sozio-emotionaler Fähigkeiten auf Basis eines value-added Modells. Diese Studie basiert auf einer Stichprobe von 327 Vorschulen und etwa 3,000 Kindern in Kambodscha. Die Qualitätsindikatoren basieren auf detaillierten Unterrichtsbeobachtungen und beinhalten mehrere Dimensionen von Struktur- und Prozessqualität, wie zum Beispiel die pädagogischen Ansätze der Lehrkraft zur Vermittlung des Unterrichtsstoffes und die Berücksichtigung individueller Bedürfnisse von Kindern. Mithilfe einer Faktorenanalyse wird zunächst aufgezeigt, dass häufig verwendete Qualitätsindikatoren in weitere latente Variablen unterteilt werden sollten. Jedoch lässt sich auch mit detaillierten Qualitätsindikatoren kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Lehrqualität und frühkindlicher kognitiver Entwicklung nachweisen. Auch mit der sozio-emotionalen Entwicklung bestehen nur schwache Zusammenhänge. Jedoch zeigt sich deutlich, dass Kinder in Vorschulen mit besonders geringer Strukturqualität, aufgrund eines Mangels an grundlegender Ausstattung, geringere kognitive und sozio-emotionale Fähigkeiten haben. Die Ergebnisse legen nahe, dass im untersuchten Kontext zunächst universelle Qualitätsstandards für alle Vorschulen erreicht werden sollten, bevor eine gezielte Förderung einzelner Schulen angestrebt wird. Der fehlende Zusammenhang zwischen der beobachteten Prozessqualität und frühkindlicher Entwicklung kann erklären, weshalb die Effekte von Lehrerfortbildungen auf Lernerfolge oftmals geringfügig sind und zeigen die Schwierigkeiten bei der Erfassung effektiver Bildungs- und Betreuungsmethoden auf.

Kapitel 7 fasst zunächst anhand bestehender Literatur zusammen, wie die Ernährungssituation von Kindern und deren häusliches Umfeld, einschließlich des Ausmaßes, in dem sie kognitive Stimulation und emotionale Unterstützung von den Eltern erhalten, eine tiefgreifende Rolle für die frühkindlichen Entwicklung spielen. Dieses Kapitel ergänzt die bestehende Literatur mit Evidenz dazu, welche komplementären Einflüsse die frühkindliche Erziehung und Ernährungssituation auf die Entwicklung bei kambodschanischen Kindern im Vorschulalter haben. Hierzu werden Paneldaten aus den Jahren 2016-17 zu elterlicher Erziehung, dem Ernährungsstatus und der frühkindlichen Entwicklung (exekutive Funktionen, sprachliche Entwicklung, frühe Rechenfertigkeiten und sozio-emotionale Entwicklung) von 6,508 kambodschanischen Kindern im Alter von 3 bis 5 Jahren genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass Ungleichheiten in der frühkindlichen Entwicklung, die mit dem sozio-ökonomischen familiären Hintergrund verbunden sind, bereits im Alter von 3 Jahren deutlich zu beobachten sind und sich bei Kindern im Alter von 4 und 5 Jahren weiter verstärken. Mit Hilfe eines hierarchischen Regressionsmodells lässt sich ein signifikanter Anteil dieser Ungleichheiten durch Unterschiede in der elterlichen Erziehung und dem frühen Ernährungsstatus, gemessen durch Wachstumsstörungen, erklären. Für besser gebildete Eltern lässt sich mehr kognitive Stimulation und emotionale Unterstützung der Kinder beobachten. Allerdings ist die positive Assoziation zwischen elterlicher Erziehung und frühkindlichen kognitiven Fähigkeiten bei Kindern ohne Wachstumsstörungen um 35%-54% stärker und die elterlichen Aktivitäten erklären nur etwa 8%-14% des kognitiven Entwicklungsunterschieds zwischen dem untersten und obersten Wohlstandsquintil. Die Ergebnisse unterstreichen den Bedarf an zusätzlicher Forschung, die die Wechselwirkungen zwischen Einflussfaktoren, die den Wohlstand der Familie mit der Entwicklung des Kindes verbinden, aufzeigt.

Mit pathogenen Mikroorganismen kontaminierte Lebensmittel können zu schwerwiegenden Erkrankungen führen und stellen ein Risiko für den Verbraucher dar. Dabei haben vor allem Lebensmittel tierischen Ursprungs ein hohes Übertragungspotential von Lebensmittelerregern auf den Menschen. Lebensmittelassoziierte Krankheitserreger wie Escherichia (E.) coli spielen eine bedeutende Rolle als Verursacher von Lebensmittelinfektionen beim Menschen. Durch den zunehmenden Einsatz von Antibiotika zur Bekämpfung bakterieller Infektionen wird die Entwicklung von Resistenzen gefördert. Bakteriozine stellen als antimikrobielle Proteine eine vielversprechende Alternative dar, weil sie nicht toxisch auf eukaryotische Zellen wirken und ubiquitär in der Umwelt und somit auch natürlicherweise im Lebensmittel vorkommen. Die von E. coli produzierten Colizine und Mikrozine gelten als große Hoffnung pathogene E. coli im Lebensmittel zu reduzieren. Ziel dieser Arbeit war es, E. coli-Isolate aus Lebensmittelproben auf das Vorhandensein von Bakteriozinen im Spot-Assay zu untersuchen und die Bakteriozinbildner anschließend weitestegehend zu charakterisieren. Dafür wurde mittels PCR zum einen auf das Vorhandensein bekannter Colizin- und Mikrozin-Gene und zum anderen die Einteilung der Isolate in bestimmte Phylogruppen untersucht. Darüber hinaus erfolgte eine Bestimmung des Molekulargewichtes der Bakteriozinextrakte mittels SDS-PAGE. Mittels Zellzahlreduktions-versuchen wurde der Einsatz von Colizinen im Nährmedium und im Lebensmittel untersucht. Aus verschiedenen Lebensmittelamatrices konnte bei 97,5 % der Proben E. coli isoliert und mittels MALDI-TOF MS-Analyse bestätigt werden. Dabei wurden 51,3 % der E. coli-Isolate aus Fleisch isoliert. Mindestens einen Referenzstamm lysierten 52,5 % der isolierten E. coli im Spot-Assay, wobei der Referenzstamm E. coli K-12 DH5α die höchste Sensitivität aufwies. Die Colizin-Gene B, E7 und Ia konnten am häufigsten bei den untersuchten lysierenden E. coli-Isolaten aus Lebensmitteln nachgewiesen werden. Die E. coli-Isolate wurden überwiegend den Phylogruppen A (37,5 %) und B1 (36,3 %) zugeordnet. Neun der 33 untersuchten Proteinextrakte zeigten eine Lyse-Bande zwischen 55 und 75 kDa auf dem Overlay-Agar des inkubierten SDS-Gels. Nach Detektion von Bakteriozinbildnern und Charakterisierung der Bakteriozine, wurde ein Bakteriozin-Konzentrat hergestellt. In Versuchen wurde anschließend ermittelt, ob dieses Konzentrat in der Lage ist, den Referenzstamm E. coli K-12 DH5α unter definierten Bedingungen zu reduzieren. Das Konzentrat wurde aus der Übernachtkultur des E. coli 2116-Isolates hergestellt. Das Isolat wies Gene für die Colizine E2 und K sowie für das Mikrozin B17 auf. Die E. coli 2116 Übernachtkultur wurde mittels Tangentialflussfiltration bei einem Cut Off von 100 kDa filtriert und bei einem Cut Off von 30 kDa aufkonzentriert. Nach unmittelbarer Zugabe des E. coli 2116-Konzentrats konnte die Zellzahl von E. coli K-12 DH5α von 107 KbE/ml sowohl bei 37°C als auch bei 4°C-Umgebungstemperatur um sechs Log-Stufen reduziert werden. Bei 37°C Umgebungstemperatur stieg die Zellzahl innerhalb von 24 h wieder auf 108 KbE/ml an. Bei 4°C Umgebungstemperatur blieb die Zellzahl über die Gesamtversuchsdauer konstant bei 101 KbE/ml. Der Einsatz von Bakteriozinen zur Reduktion von E. coli-Zellzahlen ist im Nährmedium bei einer Umgebungstemperatur von 4°C gut geeignet. Bei der Zugabe von E. coli 2116-Konzentrat zu Hackfleisch kam es abhängig vom eingesetzten Volumen des Konzentrates zu Reduktionen von einer Log-Stufe bis unterhalb der Nachweisgrenze. Je höher verdünnt das Konzentrat eingesetzt wird, desto weniger Bakteriozine sind im Ansatz vorhanden, weshalb die Reduktion schwacher ausfällt. Vermutlich kommt es zusätzlich zu Wechselwirkungen zwischen Bakteriozinen und Bestandteilen des Fleisches. Für zukünftige Versuche sollten deshalb verschiedene Bakteriozinkonzentrate auf unterschiedlichen Lebensmittelmatrices getestet werden. Außerdem sollten Versuche durchgeführt werde, welche die Mechanismen und Wechselwirkungen zwischen Bakteriozinen und verschiedenen Matrices genauer untersuchen.

Infrastructure providers rely on the execution of third-party applications to offer their platforms to customers and researchers. The execution of each application without a preceded security review poses a risk for the system and the overall IT infrastructure. However, if the unreviewed application is available for execution, it is also available for an analysis to generate appropriate countermeasures to prevent unwanted behaviour. This work investigates the capabilities of an automated secure environment. This environment is generated based on the analysis of applications that are only available in their machine code format. The analysis focuses on the interaction of the application with the operating system through the system call interface. Therefore this work describes required technologies and mechanisms to collect data, process it and generate rules for a secure environment to protect assets from attacks. This process and the result environment is tested with real-world applications and attacks to determine its effectiveness and overall costs. It is shown that the described solution is able to decrease the rate of successful attacks against the system from 83% to 9% in selected use-cases. This is achieved with an execution overhead of 823 ms average. These results demonstrate that it is possible to utilise automatic software analysis pipelines to build restricted execution environments for pre-compiled applications. It also highlight the advantages and limitations of the selected approach to focus the analysis on the system call interface.