Im aktuellen Zeitalter der zielgerichteten Krebstherapien müssen sich pathologische Institute in regelmäßigen Abständen auf immer wieder neu zu testende prädiktive Biomarker einstellen. Das bedeutet, dass potentielle Testverfahren validiert werden müssen, sowie der Nachweis der entsprechenden diagnostischen Güte im Rahmen von Ringversuchen gezeigt werden muss. Je seltener das zu testende Ereignis bei der entsprechenden Erkrankung vorkommt, umso schwieriger wird die Gesamtsituation. Dies erfordert institutsübergreifende Kooperationen. In der vorliegenden Arbeit konnten wir den Stellenwert der Ringversuche am Beispiel der ALK-Alterationen im NSCLC herausarbeiten. Wir konnten zeigen, dass der diagnostische Goldstandard (FISH) unter gewissen Umständen kritisch betrachtet werden muss. Hinsichtlich der in den Ringversuchen eingesetzten ISH-Verfahren (FISH und CISH), sowie bezüglich der verschiedenen Sonden unterschiedlicher Anbieter zeigten sich keine Vor- oder Nachteile. Die Daten zeigen weiterhin, dass nur bestimmte Antikörper-Klone nach Harmonisierung der Methodik im immunhistologisch diagnostischen Alltag verlässlich eingesetzt werden können. Dieser Ansatz ist nicht nur zeit- und kostensparend, sondern verbessert zusätzlich die diagnostische Sicherheit insbesondere bei den „Borderline“-Fällen. Bisherige und zukünftig NGS-basierte Daten werden dabei helfen, die IHC nicht nur als Screening-Methode, sondern gegebenenfalls als „stand-alone“ Test zu etablieren. Dennoch, in immunhistologisch unklaren Fällen sollte mindestens eine weitere Methode (ISH, NGS) angewendet werden können. Hierbei ist das Wissen um deren Vor- und Nachteile und der damit verbundenen Ergebnisinterpretation entscheidend. In der Folge wird die FISH, welche die Methode der Wahl in den zur Medikamentenzulassung führenden Studien war, möglicherweise an ihrer zentralen Bedeutung verlieren. Begründet ist dies nicht nur in etwaigen technischen Artefakten, auch wirtschaftliche Argumente (Kosten, technischer und zeitlicher Aufwand, Bearbeitungszeit) spielen letztendlich eine Rolle. Ein Screening aller Lungenkrebsfälle mittels FISH ist nicht in jeder Institution umzusetzen, mittels IHC ist dies leichter möglich. Ferner erlauben es die zur Verfügung stehenden NGS-Panel neben ALK weitere Marker wie z.B. ROS1 parallel mit zu testen, um eine qualifizierte Entscheidung für eine optimale Therapie zu ermöglichen.

Alcohol dependence is a psychiatric disorder with a lifetime prevalence of over 10% and a leading cause of morbidity and premature death. A better understanding of the neural mechanisms underlying alcohol dependence to improve prevention, diagnosis and treatment is thus of great societal interest. Recent advancements in the analysis of neuroimaging data based on machine learning have opened new paths to a better quantitative understanding of the disorder. The present habilitation reviews both works with a focus on improving machine learning methodology and empirical works in which machine learning was applied to investigate the neural basis of alcohol dependence. The methodological works advanced several aspects of machine learning in neuroimaging. In particular, they introduced i) a novel classifier (weighted robust distance – WeiRD), which operates parameter-free, computationally efficient and enables a transparent inspection of feature importances, ii) a method to preprocess neuroimaging data based on multivariate noise normalization, which yielded a substantial improvement in classification performance compared to previous the state-of-the-art, and iii) a novel method to reintroduce meaningful graded information into discretized classification accuracies by utilizing classifier decision values. Drawing on a large neuroimaging dataset of alcohol-dependent patients and controls from the LeAD-study (www.lead-studie.de; clinical trial number: NCT01679145), machine learning methods were applied in empirical works to investigate structural and functional alterations in alcohol dependence. Structural damage associated with alcohol dependence were investigated from two conceptually different angles. A first study was aimed at providing the first quantitative evidence for a long-standing hypothesis about the damaging effects of alcohol – the premature aging hypothesis. To this end, a machine learning model was trained on the relationship between grey-matter pattern information and chronological age in a healthy control group and then applied to the sample of alcohol-dependent patients. The predicted ‘brain age’ of patients was found to be was several years higher than their chronological age, thus not only providing quantitative evidence for brain aging in alcohol dependence, but also showing that these aging effects are indeed substantial in relation to the human lifespan. The second study used machine learning to quantify the predictive accuracy of grey-matter pattern information for the diagnosis and a severity measure (lifetime consumption) of alcohol dependence. On average, machine learning models correctly predicted the diagnosis in three of four subjects and accurately estimated the amount of lifetime alcohol consumption. Closer inspection of the prediction model indicated an important role of dorsal anterior cingulate cortex. Comparison with an experienced radiologist, who, like the classifier, was provided with the structural brain scans of the subjects, demonstrated superior performance of computer-based classification and in addition a more effective consideration of demographic information (age and gender). Finally, a third study used functional magnetic resonance imaging to investigate a specific hypothesis about reduced goal-directed learning in alcohol dependence as well as its relation to relapse after detoxification. Computational modelling in combination with machine learning revealed that the interaction of model-based learning and high alcohol expectancies was predictive of diagnosis (patients versus controls) and treatment outcome (abstainers versus relapsers). This finding was paralleled by a signature of model-based learning in medial prefrontal cortex, which was reduced in patients relative to controls and in relapsers relative to abstainers. In sum, the works presented in this habilitation advance machine learning methods for neuroimaging and show that these methods yield novel insights into the neural basis of alcohol dependence. An emerging theme across the three empirical studies on alcohol dependence is the disturbance of executive frontal brain structure and function, supporting a top-down rather than bottom-up view for the aetiology of alcohol dependence.

Mit der multiparametrischen Magnetresonanztomographie (mpMRT) können klinisch signifikante Prostatakarzinome mit hoher Sensitivität und Spezifität detektiert werden. Eine Leitlinie zur Durchführung der mpMRT der Prostata einschließlich eines strukturierten Befundungssystems, des Prostate Imaging an Data Reporting Systems (PI-RADS) Version 1, wurde erstmals 2012 von der European Society of Urogenital Radiology (ESUR) publiziert (ESUR Prostate MR Guidelines 2012). 2015 wurde von der ESUR und dem American College of Radiology (ACR) eine aktualisierte Version veröffentlicht: PI-RADS Version 2. In dieser Habilitationsschrift werden vier Originalarbeiten vorgestellt, die sich mit Fragestellungen zur Durchführung und Befundinterpretation der mpMRT zur Detektion des Prostatakarzinoms, der möglichen Rolle der mpMRT bei biopsienaiven Patienten mit Verdacht auf ein Prostatakarzinom (die ProKOMB Studie) und dem Vergleich dynamischer kontrastmittelverstärkter MRT-Sequenzen mit dem kontrastmittelverstärkten Ultraschall befassen. Darüber hinaus werden zwei Originalarbeiten vorgestellt, die sich mit der Rolle der mpMRT in der Therapieplanung des Prostatakarzinoms befassen.

In den ESUR Prostate MR Guidelines 2012 wird keine Empfehlung bezüglich der Verwendung einer endorektalen Spule für die mpMRT bei 3 Tesla zur Detektion von Prostatakarzinomen gegeben [12]. In Originalarbeit 1 wurde im Rahmen einer prospektiven Studie bei 45 Patienten mit Verdacht auf ein Prostatakarzinom ein intraindividueller Vergleich der Bildqualität und diagnostischen Genauigkeit von mit einer Kombination aus Oberflächenspule und luftgefüllter endorektaler Spule und lediglich mit einer Oberflächenspule bei 3 Tesla akquirierten T2-gewichteten und diffusionsgewichteten Sequenzen durchgeführt. Die Bildqualität wurde bewertet und die suspekteste Läsion innerhalb der Prostata nach PI-RADS Version 1 beurteilt. Das Ergebnis einer gezielten MRT/transrektaler Ultraschall (TRUS) Fusionsbiopsie diente als Referenzstandard. Zwar führte der Einsatz einer endorektalen Spule teils zu einer verbesserten Bildqualität der T2-gewichteten Sequenzen. Es konnte aber kein signifikanter Unterschied der diagnostischen Genauigkeit gezeigt werden (AUC Oberflächenspule und endorektale Spule: 0,93-0,97; AUC Oberflächenspule: 0,95-0,99; p=0,1395). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass bei der Akquisition T2-gewichteter und diffusionsgewichteter Sequenzen zur Detektion eines Prostatakarzinoms und Beurteilung nach PI-RADS Version 1 auf die Verwendung einer endorektalen Spule verzichtet werden kann.

Bei Anwendung des Befundungssystems PI-RADS Version 1 wird für jede auffällige Läsion innerhalb der Prostata für T2-gewichtete, diffusionsgewichtete und dynamische kontrastmittelverstärkte Sequenzen basierend auf der Wahrscheinlichkeit für ein klinisch signifikantes Prostatakarzinom ein Punktwert auf einer 5-Punkt-Likert-Skala anhand vorgegebener Kriterien vergeben. Zusätzlich soll ein Gesamtpunktwert beziehungsweise eine Bewertungskategorie für jede Läsion vergeben werden. PI-RADS Version 1 beinhaltet keine Empfehlung, wie die Punktwerte für die einzelnen Sequenzen zu einem Gesamtpunktwert integriert werden sollen. In Originalarbeit 2 wurden im Rahmen einer retrospektiven Studie der prädiktive Wert der Punktwerte der einzelnen Sequenzen, der Summe der Punktwerte aller Sequenzen sowie T2-gewichteter und diffusionsgewichteter Sequenzen in 113 Läsionen bei 55 Patienten evaluiert. Alle Patienten hatten zuvor eine mpMRT bei 1,5 Tesla sowie eine direkte MRT-gestützte Prostatabiopsie suspekter Läsionen erhalten. Zwei Radiologen bewerteten die Läsionen, aus denen die Biopsien entnommen worden waren, nach PI-RADS Version 1. Das Ergebnis der direkten MRT-gestützten Biopsie diente als Referenzstandard. Dynamische kontrastmittelverstärkte Sequenzen zeigten die niedrigste diagnostische Genauigkeit (AUC 0,76) im Vergleich zu T2-gewichteten (AUC 0,88; p=0,06) und diffusionsgewichteten MRT-Sequenzen (AUC 0,93; p=0,004). Es zeigte sich eine Überlegenheit der T2-gewichteten Sequenzen gegenüber den diffusionsgewichteten Sequenzen in der Transitionalzone (p=0,25) und eine Überlegenheit der diffusionsgewichteten Sequenzen gegenüber den T2-gewichteten Sequenzen in der peripheren Zone (p=0,04). Ein Vorgehen, bei dem für die Transitionalzone der Punktwert der T2-gewichteten Sequenzen und für die periphere Zone der Punktwert der diffusionsgewichteten Sequenzen verwendet wurde, zeigte die höchste diagnostische Genauigkeit (AUC 0,96) und scheint zur Detektion von Prostatakarzinomen ausreichend. Die abgeleitete Empfehlung nimmt teilweise Änderungen in PI-RADS Version 2 im Vergleich zu PI-RADS 1 vorweg: Entsprechend PI-RADS Version 2 werden für die Beurteilung der Transitionalzone T2-gewichteten Sequenzen und für die Beurteilung der peripheren Zone diffusionsgewichtete Sequenzen als jeweils dominante Sequenzen beurteilt.

Verschiedene Studien zeigten teils sehr hohe negativ prädiktive Werte der mpMRT für klinisch signifikante Prostatakarzinome. Eine auf Grundlage der mpMRT durchgeführte gezielte MRT/TRUS Fusionsbiopsie erreicht höhere Detektionsraten klinisch signifikanter Prostatakarzinome und niedrigere Detektionsraten klinisch insignifikanter Prostatakarzinome sowohl bei Patienten mit vorheriger negativer TRUS Biopsie als auch bei biopsienaiven Patienten. In Originalarbeit 3 wird das Studienprotokoll der prospektiven ProKOMB (Prostata – Kooperatives MRT-Projekt Berlin) Studie vorgestellt, die unter Mitwirken des Autors dieser Habilitationsschrift geplant wurde und aktuell durchgeführt wird. Mit der ProKOMB Studie soll in einem die Versorgungssituation in Deutschland abbildenden Setting bei 600 Patienten die Hypothese überprüft werden, dass bei biopsienaiven Patienten mit Verdacht auf Prostatakarzinom durch die mpMRT zur Patientenstratifikation eine relevante Zahl von Prostatabiopsien vermieden werden kann. Im Rahmen der Studie erhalten nur Patienten mit einem uneindeutigen oder suspekten Befund in der mpMRT nach PI-RADS Version 2 eine TRUS Biopsie, wobei uneindeutige oder suspekte Läsionen gezielt biopsiert werden. Im Rahmen der Studie soll die Anzahl vermeidbarer Biopsien bei unauffälliger mpMRT bestimmt werden. Durch eine klinische Verlaufskontrolle über 3 Jahre soll außerdem die Zahl der verpassten klinisch signifikanten Karzinome bei Patienten ohne suspekten Befund in der mpMRT bestimmt werden.

Mittels ausgewählten, auf Grundlage von dynamischen kontrastmittelverstärkten Sequenzen berechneten Parametern kann die Aggressivität von Prostatakarzinomen in der peripheren Zone der Prostata abgeschätzt werden. Verschiedene Studien haben das Potential des kontrastmittelverstärkten Ultraschalls zur Detektion von Prostatakarzinomen aufgezeigt. In Originalarbeit 4 wurde im Rahmen einer post-hoc Analyse bei 92 Patienten die diagnostische Genauigkeit dynamischer kontrastmittelverstärkter MRT-Sequenzen und des kontrastmittelverstärkten Ultraschalls für die Detektion von Prostatakarzinomen und die Abschätzung des Tumorgradings evaluiert. Das Ergebnis einer gezielten MRT/TRUS Fusionsbiopsie diente als Referenzstandard. Von den basierend auf dem kontrastmittelverstärkten Ultraschall berechneten Parametern zeigte ausschließlich Time-to-peak (TTPCEUS) in Läsionen der peripheren Zone der Prostata signifikante Unterschiede zwischen benignen und malignen Läsionen (p=0,05; AUC 0,65). Von allen basierend auf dynamischen kontrastmittelverstärkten Sequenzen berechneten Parametern war die auf Grundlage eines pharmakokinetischen Kompartimentmodells (Tofts-Modell) berechnete Ratenkonstante (Kep) der beste Diskriminator hochgradiger Prostatakarzinome in der gesamten Prostata (AUC 0,83) und in der peripheren Zone (AUC 0,89). Die diagnostische Genauigkeit beider kontrastmittelverstärkten Techniken war in der peripheren Zone besser als in der Transitionalzone. Zum aktuellen Zeitpunkt kann basierend auf den Ergebnissen von Originalarbeit 4 der kontrastmittelverstärkte Ultraschall nicht als Ersatz für dynamische kontrastmittelverstärkte MRT-Sequenzen empfohlen werden.

Radikale Therapien des Prostatakarzinoms, wie die Prostatektomie, führen häufig zu Harninkontinenz oder Impotenz. Durch Anwendung spezieller nervenschonender operativer Techniken kann die Rate dieser Nebenwirkungen zumindest reduziert werden. Eine direkte Darstellung der Nervenbahnen des periprostatischen neurovaskulären Bündels (NVB) wäre wünschenswert, um diese Techniken zu optimieren. Im Rahmen verschiedener Studien gelang mittels Diffusions-Tensor Traktographie jeweils die Darstellung von Faserbahnen, die vorgeblich das NVB darstellen. Verschiedene während der Bildakquisition und Nachbearbeitung wählbare technische Parameter beeinflussen die Sensitivität und Spezifität der Diffusions-Tensor Traktographie für die Darstellung von Nervenbahnen, unter anderem der für die Traktographie verwendete Grenzwert für die fraktionale Anisotropie (FA). In Originalarbeit 5 konnte im Rahmen einer prospektiven Studie bei 10 gesunden Probanden mit der Diffusions-Tensor Traktographie ebenfalls Faserbahnen im Bereich des NVB dargestellt werden. Hierzu waren jedoch sehr niedrige FA-Grenzwerte nötig, die eine Darstellung von Faserbahnen auch innerhalb der Prostata und angedeutet innerhalb der uringefüllten Harnblase erlaubten. Basierend auf den Ergebnissen von Originalarbeit 5 muss bezweifelt werden, dass die Nervenbahnen des NVB mit der Diffusions-Tensor Traktographie sinnvoll dargestellt werden können.

Die Irreversible Elektroporation (IRE) gilt als vielversprechendes Verfahren zur fokal ablativen Therapie insbesondere niedriggradiger und unifokaler Prostatakarzinome. Sie ermöglicht eine relativ scharfe Begrenzung der Ablationszone, deren Größe und Form durch die Positionierung der Elektroden kontrolliert werden kann. Da extrazelluläre Strukturen wie das Endoneurium erhalten bleiben, ist die Regeneration von im Rahmen der Therapie geschädigten Nervenbahnen des NVB grundsätzlich möglich. In Originalarbeit 6 wurde ein neues Verfahren vorgestellt, bei dem die Positionierung der für die IRE notwendigen Elektroden unter Bildkontrolle per MRT/TRUS Fusionstechnik erfolgt. Erste Erfahrungen mit diesem Verfahren in 10 Patienten wurden berichtet. Die beschriebene MRT/TRUS Fusionstechnik kombiniert den Vorteil des TRUS, Bildgebung der Prostata in Echtzeit mit einem mobilen Gerät durchzuführen, mit dem Vorteil der mpMRT, klinisch signifikante Prostatakarzinome in der Prostata zu detektieren, das Tumorvolumen abzuschätzen und die Ablationszone entsprechend zu planen. Diese Technik kann helfen, den Vorteil der IRE in vollem Umfang zu nutzen.

Psychopharmaka sind ein wichtiger Baustein in der Behandlung einer Vielzahl psychiatrischer Erkrankungen. Die Therapie wird jedoch häufig durch unzureichendes Ansprechen auf die Medikation oder teilweise schwerwiegende Nebenwirkungen erschwert, so dass oft Wechsel der medikamentösen Behandlungsstrategie erforderlich sind. Auch Non-Compliance ist eine verbreitete Folge dieser Einschränkungen der Pharmakotherapie. Eine individuelle Vorhersage, wie eine Person auf ein Medikament ansprechen und ob es zu Nebenwirkungen kommen wird, ist derzeit mit klinischen Prädiktoren nicht möglich. Daher besteht ein großes Interesse an potentiellen biologischen Markern, durch welche eine individualisierte Behandlung ermöglicht werden könnte. Ein wichtiger und vielversprechender Ansatz ist die Pharmakogenetik, welche darauf zielt, genetische Varianten mit relevantem Einfluss auf das Ansprechen auf die Medikation und deren Nebenwirkungen zu identifizieren. In den vorliegenden Arbeiten wurden daher pharmakogenetische Einflüsse auf das Ansprechen auf Antipychotika und Antidepressiva bzw. Nebenwirkungen der Behandlung untersucht. In der ersten Arbeit konnte ein signifikanter Einfluss des ITIH3-rs2535629 Polymorphisums, welcher wiederholt in großen genomweiten Untersuchungen mit psychiatrischen Erkranungen, v.a. Schizophrenie, assoziiert wurde, auf das Ansprechen von Negativsymptomen auf die Behandlung mit Clozapin über einen Zeitraum von bis zu sechs Monaten gezeigt werden. Dabei war das G-Allel, welches mit erhöhtem Risiko für psychiatrische Erkrankungen verbunden ist, mit schlechteren Ansprechen auf die Medikation assoziiert. Das Ergebnis der Studie reiht sich in frühere Untersuchungen ein, in denen wiederholt ein Einfluss von Schizophrenie-Risikovarianten auf das Ansprechen auf Antipsychotika gefunden werden konnte, wobei sich in einigen Untersuchungen ähnlich der vorliegenden vor allem ein Einfluss auf die Verbesserung von Negativsymptomen zeigte. In der zweiten Arbeit wurden zwei Polymorphismen in CYP3A43, einem Gen aus der CYP3A4-Familie, hinsichtlich eines Einflusses auf das Ansprechen auf verschiedene Antipsychotika untersucht. Ein Polymorphismus, rs472660, war bereits in einer früheren Studie mit dem Ansprechen auf Olanzapin und Olanzapin-Clearance assoziert worden. Die Assoziation dieses Polymorphismus mit dem Ansprechen auf Antipsychotika konnten wir nicht replizieren, fanden jedoch einen signifikanten Einfluss von rs680055, einem funktionellen CYP3A43-Polymorphismus, sowie des rs680055G-rs472660A-Haplotyps auf das Ansprechen auf die Behandlung. Die dritte Arbeit untersuchte mit einem genomweiten Ansatz genetische Einflüsse auf Antipsychotika-induzierte Gewichtszunahme, eine häufige, mit Komplikationen verbundene und stigmatisierte Nebenwirkung der meisten Antipsychotika, vor allem der zweiten Generation. Hierzu re-analysierten wir eine verfeinerte Teilstichprobe aus der Clinical Antipsychotic Trials of Intervention Effectiveness-Studie, wobei wir ausschließlich Personen, die für die Durchführung von Untersuchungen zu Gewichtszunahme unter Antipsychotika gut geeignet waren, aus der Gesamtstichprobe auswählten. Hier fand sich eine suggestive, jedoch nicht genomweit signifikante Assoziation von rs9346455 nahe OGFRL1 mit Gewichtszunahme unter Olanzapin, Risperidon und Quetiapin. Das mit höherer Gewichtszunahme verbundene G-Allel war in einer Replikationsstichprobe von mit Olanzapin und Clozapin behandelten Patientinnen und Patienten signifikant mit Gewichtszunahme assoziiert. Auch in der vierten Arbeit untersuchten wir genetische Einflüsse auf Antipsychotika-induzierte Gewichtszunahme. Aufgrund der Rolle von Varianten in Genen mit Einfluss auf den Glucosestoffwechsel in der Gewichtsregulation wurden für diese Untersuchung Polymorphismen im Gen für Glucagon-like Peptide 1, GCG, und dessen Rezeptor, GLP1R, ausgewählt und in einer Stichprobe von mit verschiedenen Antipsychotika assoziierten Personen untersucht. Ein signifikanter Einfluss von rs13429709 nahe GCG auf Gewichtszunahme bei Personen europäischer Herkunft, welche mit Olanzapin oder Clozapin behandelt wurden, konnte gezeigt werden. Eine explorative Gen-Gen-Interaktionsanalyse zeigte eine signifikante Interaktion von rs2268639 in GLP1R mit rs13429709 in GCG, auch wenn kein GLP1R-Polymorphismus selbst einen signifikanten Einfluss auf die Gewichtszunahme hatte. Je mehr Risikoallele der beiden Polymorphismen vorlagen, desto höher war das Ausmaß der beobachteten Gewichtszunahme. Die fünfte Arbeit beschäftigte sich mit genetischen Einflüssen auf das Ansprechen auf Antidepressiva bei Personen mit Zwangsstörungen, einer häufig schwer pharmakologisch zu behandelnden Patientengruppe. Hier untersuchten wir genetische Varianten in CYP2D6 und CYP2C19 und dadurch bedingten Unterschieden in der klinischen Aktivität beider Enzyme in einer Stichprobe von Patientinnen und Patienten mit Zwangsstörungen, bei denen retrospektiv das Ansprechen auf verschiedene Antidepressiva, Nebenwirkungen und die Gesamtzahl von Behandlungsversuchen erfasst wurden. Hier zeigte sich zwar kein signifikanter Einfluss von CYP2D6 und CYP2C19 auf das Ansprechen auf einzelne Medikamente bzw. deren Nebenwirkungen, wir fanden jedoch signifikant mehr vorangegangene medikamentöse Behandlungsversuche bei Personen mit genetisch bedingt schneller oder langsamer klinischer CYP2D6-Aktivität. Die vorliegenden Studien unterliegen einigen gemeinsamen Limitationen, wie limitierter Stichprobengröße, heterogenen Stichproben und nicht vorliegenden Plasmaspiegeln. Auch stehen unabhängige Replikationen der vorgestellten Ergebnisse noch aus, bevor die klinische Relevanz der Befunde abschließend beurteilt werden kann. Dennoch leisten die vorgestellten Arbeiten einen wichtigen Beitrag zur pharmakogenetischen Forschung in der Psychiatrie. Auch wenn das Ziel einer Anwendung pharmakogenetischer Befunde in der klinischen Praxis aktuell mit wenigen Ausnahmen noch nicht erreicht ist, liegen erste vorsichtige Anwendungsempfehlungen, z.B. für die Berücksichtigung von CYP2D6- und CYP2C19-Genotypen in der Pharmakotherapie, vor. Zukünftige, größere Studien mit detaillierter Phänotypisierung und Berücksichtigung von Kosten-Nutzen-Daten werden helfen, den Stellenwert einer breiteren Anwendung von Pharmakogenetik in der psychiatrischen Behandlung zu beurteilen.

Die Versorgungsforschung hat als zentralen Gegenstand ihrer Betrachtung die komplexe medizinische Versorgung der Bevölkerung mit sämtlichen Aspekten, Determinanten und Effekten. Hierzu gehören die Bestimmung des Ist-Zustandes der Versorgung, die Analyse der Prozesse und Akteure und vor allem das Outcome der PatientInnen, die Behandlungsqualität und die resultierenden Kosten. Im Vergleich zu den Grundlagenwissenschaften und der klinischen Forschung erfährt die Versorgungsforschung ihre Limitationen durch die vorgegebene Versorgungsrealität innerhalb derer sie sich bewegt. Die Adressaten der Ergebnisse sind neben dem Wissenschaftszirkel, dem Klinikbetrieb und der allgemeinen Öffentlichkeit, die Entscheidungsebenen im Gesundheitssystem, wie beispielsweise der gemeinsame Bundesausschuss (G-BA), die Versicherungsträger von gesetzlichen und privaten Krankenkassen (GKV, PKV) und die Einrichtungen der gemeinsamen Selbstverwaltung. Sie ist damit ein Instrument auf Makro- aber auch Mikroebene, mit dem sich die unterschiedlichen Effektoren des klinischen Alltages untersuchen lassen, mit dem Ziel Prozesse und Outcome zu verbessern. Sie ist geeignet, belastbare Handlungsempfehlungen zu generieren oder auch politisch betrachtet, als solides Instrument argumentativ für oder wider bestimmte Entwicklungen in der Gesundheitspolitik oder Krankenhauswirtschaft zu agieren. Aus Sicht einer chirurgischen Klinik ist sie als multidimensionaler PDCA-Zyklus nutzbar, mit dem jeder Sektor, in diesem Falle eine chirurgische Universitätsklinik mit Versorgungs-, Lehre- und Forschungsaufgaben, näher analysiert werden kann. Damit sind sowohl qualitätsorientierte Ansätze, Bestrebungen zu mehr Transparenz und Patientenpartizipation und ökonomisches Arbeiten, nicht zuletzt im Sinne einer ethischen Verantwortung mit den endlichen Ressourcen des Gesundheitssystems verantwortungsbewusst umzugehen, konkret adressierbar. Die Fülle des Datenschatzes der Routine- und Kostendaten - mit all ihren Limitationen - sollte für Prozessbetrachtungen und intellektuelle Fragestellungen unbedingt genutzt werden.

Dendritische Zellen (DCs) sind die wichtigsten antigen-präsentierenden Zellen des Immunsystems. Sie stellen die Verbindung zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem dar und entscheiden über die Art der Immunantwort, über Toleranz oder Immunität. Inzwischen ist bekannt, dass es zahlreiche unterschiedliche DC Subtypen gibt. Bis vor kurzem war eine eindeutige Differenzierung von Makrophagen, cDCs und moDCs in der Haut unmöglich. Somit blieb der Beitrag der einzelnen myeloiden Subpopulationen in der Hautintegrität und Hautimmunität ungeklärt. Mit unseren hier beschriebenen Arbeiten konnten wir dazu beitragen, die verschiedenen myeloiden Zellsubpopulationen der Haut zu identifizieren und zu differenzieren. Durch eine Kombination verschiedener Oberflächenmarker in der Durchflußzytometrie ist es uns nun gelungen, bislang unbekannte Funktionen der verschiedenen myeloiden Subpopulationen in der Maushaut zu charakterisieren. Im Kontaktekzemmodell infiltrieren eine große Anzahl von Ly-6C+-Monozyten aus dem Blut in die entzündete Dermis und generieren moDCs. Während der frühen Phase eines Psoriasismodells infiltrierten Neutrophile die Epidermis, Monozyten und moDCs waren in der Dermis vorherrschend. Während der späten Phase dominierten lokal proliferierende Langerhans Zellen in der Epidermis und Makrophagen in der Dermis. Weiterhin untersuchten wir die Rolle der einzelnen DC-Subpopulationen im therapeutischen Kontext im Mausmodell. In der Allergen-spezifischen Immuntherapie (ASIT) haben Mikropartikel-Adjuvanzien, nämlich Strontium-doped hydroxyapatite porous spheres (SHAS), nicht nur Adjuvanseigenschaften, sondern sie sind auch vielversprechende Vakzinierungsträger infolge ihrer einmaligen Proteinbindungseigenschaften. Im Mausmodell konnten wir weiterhin zeigen, dass das direkte Targeting von Impfstoff-Molekülen auf kreuzpräsentierende DCs mittels XCR1 eine neuartige und vielversprechende Methode zur Induktion von protektiven CD8+ T-Zell-Antworten darstellt. Mittels Laser-generierten Mikroporen konnten wir die XCR1+ DCs in der oberen Dermis direkt erreichen und so ohne den Zusatz von exogenen Adjuvanzien ein starke protektive Immunantwort im Tumormodell hervorrufen. Die Existenz funktionell äquivalenter XCR1+ dermaler DCs beim Menschen sollte die Translation der laser-assistierten intradermalen Applikation von Tumor-spezifischen Vakzinen ermöglichen. In den nächsten Jahren werden sicherlich zahlreiche weitere neue Erkenntnisse über diese faszinierenden Zellen erforscht werden. Dies wird hoffentlich auch zu innovativen und effektiven Therapien verschiedener Erkrankungen führen.

Eine Vielzahl von molekularen und zellulären Prozessen hat Einfluß auf die periphere Nervenregeneration. Sie bilden sich zum Teil auch im morphologischen Verhalten einzelner regenerierender Axone ab. Ramon y Cajal beschrieb vor mehr als einhundert Jahren erstmalig das generelle Verhalten regenerierender Axone als Antwort auf das jeweilig bestehende Milieu ihrer Umgebung. Mit dem hier etablierten Mausmodell, bei dem anteilig axoplasmatisches Gewebe im peripheren Nerven fluoresziert, sind wir in der Lage, das individuelle Verhalten einzelner Axone als Antwort auf Nerventranssektion und Koaptation zu untersuchen. Der frühe Regenerationsprozess läuft gestaffelt ab, eine Woche nach Nervennaht haben erst 25% der regenerierenden Axone die Reparations-stelle überquert. Danach treffen sie in zwei fundamental unterschiedlichen Art und Weisen auf den distalen Nervenstumpf: neben individuell überquerenden Axonen, die vor dem Eintauchen in eine distale Schwann’sche Zelle eine laterale Deviation ihres Verlaufes erfahren, gibt es eine große Anzahl von Axonen, die hier arborisieren. Einzeln regenerierende Axone können aus über 100 möglichen Schwann’schen Zellen ihren distalen Regenerationsweg wählen. Da die funktionellen Ergebnisse nach peripherer Nervennaht auch heute noch sehr reduziert sind, wird diese Entscheidung des Axons wohl eher auf lokale Faktoren basierend als auf eine korrekte Endorgan-Zuordnung getroffen werden. Verschiedene Versuchsansätze zur Beeinflussung der axonalen Regeneration ergaben in morphologischer Hinsicht immer eine Steigerung des Anteils der sich arborisierenden Axone. Demgegenüber blieb die Anzahl der Äste pro arborisierendem Axon konstant. Die Morphologie arborisierender Axone legt einen Mechanismus zur axonalen Wegfindung nahe, der individuellen, sich nicht ästelnden Axonen nicht zur Verfügung steht, und zwar die gleichzeitige Interaktion mit einer Vielzahl von möglichen distalen Pfaden, um den geeignetsten herauszufinden. Dieses und die im weiteren Verlauf stattfindende Rückkürzung solcher Kollateraläste (collateral pruning), könnten insgesamt zur Erhöhung der Spezifität bei der Regeneration beitragen.

In this thesis we apply methods from algebraic topology on questions from geometry, combinatorics and functional analysis. First we study amplituhedra – images of the totally nonnegative Grassmannians under projections that are induced by linear maps. They were introduced in Physics by Arkani-Hamed & Trnka (Journal of High Energy Physics, 2014) as model spaces that should provide a better understanding of the scattering amplitudes of quantum field theories. The topology of the amplituhedra has been known only in a few special cases, where they turned out to be homeomorphic to balls. Amplituhedra are special cases of Grassmann polytopes introduced by Lam (Current developments in mathematics 2014, Int. Press). We show that some further amplituhedra are homeomorphic to balls, and that some more Grassmann polytopes and amplituhedra are contractible. Next we study equipartitions of measures in a Euclidean space by certain families of convex sets. Our first result gives partitions of the ambient space into convex prisms – products of convex sets, that equipart a given set of measures, and our second result gives partitions of the Euclidean space by regular linear fans, that also equipart a given set of measures. The next result is a continuous analogue of the conjecture of Holmsen, Kynčl and Valculescu (Computational Geometry, 2017). For given a large enough family of positive finite absolutely continuous measures in the Euclidean space, we prove that there exists a partition of the ambient space, such that every set in the partition has positive measure with respect to at least c of the given measures, where we allow c to be greater than the dimension of the ambient Euclidean space. Additionally, we obtain an equipartition of one of the measures. The proof relies on a configuration space/test map scheme that translates this problem into a novel question from equivariant topology: We show non-existence of equivariant maps from the ordered configuration space into the union of an affine arrangement. Furthermore, we prove an extension of the Gromov’s theorem on the waists of spheres (Geometric and Functional Analysis, 2003). Gromov showed that for every n > k ≥ 1 and for every continuous map f : S n → R k from a sphere to a Euclidean space, there exists a point z ∈ R k , such that the volume of the tubular neighborhood of the inverse image f −1 (z) is at least as large as the volume of the tubular neighborhood of the (n − k)-dimensional equatorial sphere. We show that if the map f is Z p -equivariant for a prime p, and if the action of Z p on S n and R k satisfies certain properties, one can choose z in Gromov’s theorem to be the origin in R k . Finally, we study oriented matroid Grassmannians, also called MacPhersonians. An oriented matroid Grassmannian is the order complex of the set of all oriented matroids of a fixed rank and a fixed number of elements, ordered by weak maps. They were introduced by MacPherson (Topological Methods in Modern Mathematics, 1993), and firstly used by Gel’fand and MacPherson to give a combinatorial formula for Pontrjagin classes. For a given rank and a number of elements, the MacPhersonian is conjectured to be homotopy equivalent to the corresponding Grassmannian. We give some computational evidence in rank 3 and 4 that support the conjecture.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Theorie der Isokristallen, insbesondere mit zwei Vermutungen von de Jong und Deligne. Im ersten Teil zeigen wir über log erweiterbare Isokristalle von Rang 1 auf nicht-projektiven Varietäten: Wenn die zahme Fundamentalgruppe der Varietät trivial ist, dann sind alle solche Isokristalle trivial. Dies dehnt Ergebnisse von Esnault und Shiho aus.

Ferner, stellen wir die Menge der Isokristallen von Rang 1 auf einer projektiven Kurve als Unterraum des de Rham Modulraums von Simpson und Langer dar. Wir vergleichen die l-adische Kohomologie dieses Unterraums mit der l-adischen Kohomologie des Modulraums, indem wir Ergebnisse aus der Theorie von Berkovich verwenden. Wir beweisen damit eine Vermutung von Deligne.

Permeation processes of molecules through lipid bilayers have a high physiological relevance, and a theoretical description of such processes is essential for the understanding of transport mechanisms of drugs in human tissue. In experiments, only integrated permeation coefficients of membranes are accessible, hence computer simulations are necessary to obtain a position–resolved picture of molecular permeation. Since the bilayer interior is a highly viscous medium, the time scales of both the lipid relaxation and the molecule motion overlap, which induces memory effects to the molecule dynamics. The aim of this thesis is the analysis of the modifications of current models for the passive permeation if memory effects are considered. Since the lipid phase significantly determines the permeability of lipid membranes, we begin with a comparison of the hydration repulsion between membranes in the gel and fluid phase. We show that inconsistencies between experimental data from literature disappear if the interaction pressures are plotted as a function of the repeat distance instead of the water layer thickness. Subsequently, we compare our simulations to the converted experimental data and obtain quantitative agreement. We observe that the decay length of the hydration pressure in the gel phase is by a factor of two smaller than in the fluid phase. A decomposition of the hydration pressures into membrane–membrane interactions and water-mediated interactions reveals that these two contributions have opposite signs and are one order of magnitude larger than their sum. We conclude that in both phases the hydration repulsion is a result of a subtle interplay between the direct attraction of membranes and a slightly stronger water-mediated repulsion. In the second part we perform simulations of five different molecules in water, which we confine by harmonic potentials. We modified an existing iterative method from literature for the extraction of memory kernels from trajectories and applied it to compute the friction coefficients of the molecules. We observe that for all molecules the friction increases with the confinement strength due to changes in the long time tail of the memory kernel. The increase of the friction is amplified in water–glycerol mixtures as solvent, which are more viscous than pure water. This result is explained by a dynamic coupling between the solvent relaxation and the molecule diffusion, which emerges when both processes proceed on the same time scale. In the last part we compute the permeation coefficient of water through a lipid membrane. We first determine the free energy and diffusivity profiles of water inside the membrane using a description of the water dynamics based on the memoryless Fokker-Planck equation. We then apply our method developed in part two to calculate the memory kernels of water inside the membrane. The resulting diffusion coefficients are compared to the memoryless model and to literature values from simulations, yielding a reduction of the diffusivity by a factor of up to 20 in the membrane interior when memory effects are considered. This indicates that both the free energy as well as the diffusivity are equally important for the permeation process.

Zum Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Hygiene-Hypothese formuliert, die besagt, dass in den Industrieländern der Rückgang parasitärer und bakterieller Erkrankungen das Risiko erhöht Allergien oder Autoimmunerkrankungen zu entwickeln. In der Zwischenzeit wurde die Th2-dominierte Immunantwort gegen parasitäre Helminthen erforscht und deren Modulation durch Effektormoleküle aufgeklärt. Proteine und andere Moleküle der Helminthen sind verantwortlich für eine veränderten Immunreaktion, die gleichzeitig unabhängige Entzündungen reduzieren können. Basierend auf den immunmodulatorischen Eigenschaften und der Hygiene-Hypothese wurde überlegt, Helminthen, wie den Schweinepeitschenwurm Trichuris suis (T. suis), zur Behandlung von Allergien und Autoimmunerkrankungen einzusetzen. In initialen klinischen Studien wurden verringerte Krankheitssymptome nach der T. suis ova (TSO) Therapie für Patienten mit Colitis ulcerosa und Morbus Crohn nachgewiesen. Jedoch zeigten einige Studien, dass die TSO Behandlung zwar keine schädlichen Nebenwirkungen für Patienten hat, aber auch keine klinisch relevanten Verbesserungen bringt. Daher wird die Erforschung der TSO-Therapie in relevanten Krankheitsmodellen immer wichtiger. Unsere Arbeitsgruppe hat im Vorfeld gezeigt, dass sekretorische (excretory/ secretory ES) Produkte von T. suis Larven potente Immunmodulatoren in einem Modell der allergischen Atemwegserkrankung sind. Des Weiteren wurde auch in Krankheitsmodellen für entzündliche Darmerkrankungen und Multiple Sklerose eine positive Immunmodulation durch T. suis ES nachgewiesen. Deshalb war es Ziel dieser Arbeit, ES Proteine von T. suis Larven zu identifizieren, die möglicherweise unabhängige Immunantworten beeinflussen. Nach der rekombinanten Herstellung einzelner Proteine, sollten mögliche immunregulatorische Mechanismen aufgeklärt werden. Zu diesem Zweck wurden zehn potentielle Immunregulatoren im ES von T. suis L1 Larven ausgewählt. Von diesen wurden sechs Proteine rekombinant exprimiert und sowohl in vitro als auch in vivo getestet. In vitro Assays haben gezeigt, dass die LPS-induzierte Zytokinsekretion dendritischer Zellen (DCs) durch die Behandlung mit den rekombinanten Proteinen reduziert wird, wobei die Expression der DC-Oberflächenmarker nicht reguliert wurden. Von den 6 rekombinant exprimierten Proteinen milderte eines in vivo die allergische Atemwegserkrankung. Es wurde nicht nur die Eosinophilie in der Lunge und die Atemwegsresistenz reduziert, sondern sondern auch die Anzahl an interstitiellen Relm-alpha+ Lungenmakrophagen vermehrt. Des Weiteren wurde nachgewiesen, dass dieses Protein (TsES1) eine funktionell aktive Chitinase ist, die eine für Chitinasen typischen Struktur besitzt. Da auch Mäuse Chitinasen und Chitinase-like Proteine (CLPs) produzieren, überraschten die Beobachtungen der Immunregulation durch die Behandlung mit einer Helminthenchitinase. Untersuchungen zum Mechanismus haben ergeben, dass die TsES1-Behandlung kreuzreaktive Antikörper und regulatorische B-Zellen induziert und diese möglicherweise als regulatorische Faktoren wirken. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen neue Regulationswege auf, die einen Beitrag zur Erforschung der TSO-Therapie leisten. Obwohl TsES1 vermutlich kein guter Kandidat ist, können möglicherweise einzelne immunmodulatorische Proteine zukünftig eine Infektion mit lebenden Helminthen als Therapie von Allergien und Autoimmunerkrankungen ersetzen.

The study and application of diatoms as biological indicators in Mexico is infrequent, despite the multiple advantages offered by these organisms in the assessment and monitoring of freshwaters. In the few diatom studies of Mexican freshwaters, there seems to be low species diversity and an inherent cosmopolitanism of taxa, contrary to what would have been expected of a megadiverse country. This was mainly because of 1) force-fitting identifications based on monographs from temperate regions and 2) the lone use of light microscopy for identifications, which not always differentiates between closely related species. In order to better assess the diatom diversity of the country and to set an identification baseline for future studies using diatoms as biological indicators, this dissertation presents an integrative approach to epilithic diatom diversity analysis in tropical streams from the Lerma-Chapala Basin, Central Mexico. This study is based on a representative sampling of diatoms from small, mostly undisturbed, mountain streams from the north and east sections of the basin, as well as samples from the west of the basin, which include the heavily polluted Lerma River and some of its major tributaries. Samples were collected during the most contrasting periods of the year, the rainy and dry seasons. In the first part of this work, the diatom samples of the small mountain streams from the north and east sections of the basin were cultivated for morphological, ecological, molecular and phylogenetic analysis. The morphological evaluation resulted in the largest diatom diversity reported for Mexico to date, 274 infrageneric taxa, including the description of two new species, Brachysira altepetlensis and Sellaphora queretana. The ecological analysis revealed that the community composition observed was mainly driven by the ionic composition of the water, with indicator taxa identified for the varying conditions in pH, conductivity and nutrients. Under the premise that diatom identifications at species level in environmental DNA (eDNA) metabarcoding studies rely heavily on the completeness of reference databases, a regional morphological and molecular taxonomic reference library was assembled by diatom cultivation. The eDNA metabarcoding approach tested here, which integrates molecular and tree-based phylogenetic methods, revealed a larger diversity than the one recorded by morphological analysis. One quarter of the taxa assigned to species level in the eDNA metabarcoding approach was attributable to the herein assembled taxonomic reference library, supporting the aforementioned premise. The use of a regional sequence reference database is to increase the identification success, particularly in poorly studied regions such as the tropics. By comparing the diversity retrieved by morphology and eDNA metabarcoding, it was found that neither morphology nor eDNA metabarcoding were a better method than the other in catching the entire diversity; they were rather complementary. The cultivation of diatoms revealed a concealed diversity not detected by morphology or eDNA metabarcoding, suggesting cultivation as a further method to unravel species diversity from environmental samples. The relative abundances recorded by morphology (diatom valves) and eDNA metabarcoding (sequence reads) showed large disparities, even after the application of correction factors. This suggests that further methodological improvements are needed in order to establish eDNA metabarcoding as a standard method for water analysis. Furthermore, the results presented here support the retrieval of DNA reference barcodes from High-Throughput Sequencing data. In the second part of this study all the samples, including those from the Lerma River and its major tributaries, were studied by microscopy (light and scanning electron microscopy) in order to prepare a detailed illustrated identification guide. The analysis resulted in 307 infrageneric taxa, with the description of ten new species, belonging to Cocconeis, Craticula, Gomphonema and Sellaphora. This identification guide represents the baseline for diatom identification in future monitoring studies and programs in the region. In the third part of this dissertation, the taxonomy and systematics of the Planothidium lanceolatum/P. frequentissimum species complexes were explored by morphological and molecular data obtained from clonal cultures and from sequences deposited at the INSDC databases. Besides Mexico, the analyzed strains came from France, Germany, the Faroe Islands, Korea, Lake Baikal in Russia, New Zealand and the USA. The analysis resulted in the recognition of eight species, with three described as new to science. Both molecular and morphology-based phylogenetic analyses led to postulate the sinus and cavum as important stable taxonomic characters. The fine-grained taxonomy applied in this study allowed to revisit the distribution of Planothidium frequentissimum and P. lanceolatum, taxa previously considered to be cosmopolitan. Morphological and molecular based approaches for the study of diversity are often seen as antagonistic, with morphology seen as methodologically outdated and time consuming while molecular methods are seen as a means of choice. However, the results of this study rather underline complementarity of both methods. The integrative approach to the study of diatoms presented in this dissertation allowed an improved assessment of the diversity of epilithic diatoms from the Lerma-Chapala Basin, Central Mexico, setting the baseline for future monitoring studies in this biodiversity rich but threatened region of Mexico.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Salzstress und/oder Besiedlung mit dem arbuskulären Mykorrhizapilz (AM) Glomus intraradices auf Pflanzen-wachstum und Pflanzengesundheit von Rebstecklingen der Unterlagssorte 5BB (Vitis berlandieri x riparia) in Gewächshausversuchen untersucht. Zu diesem Zweck wurden die folgenden ausgewählten Parameter überprüft:

• (a) Biomasseproduktion • (b) biochemische Veränderungen von Stressanzeigern wie Prolin- und Malondialdehydgehalt in den Weinrebenblättern • (c) Aufnahme von bestimmten Nährstoffen (Na+, K+, Ca2+, Mg2+ und P) • (d) Mykorrhizifierungsgrad der Rebwurzeln

Die präsentierten Daten in der vorliegenden Arbeit zeigten im Allgemeinen, dass die Biomasse der unterirdischen und oberirdischen Pflanzenteile durch AM G. intraradices bei den mykorrhizierten Reben im Vergleich zu den Kontrollpflanzen in allen Salzstufen signifikant erhöht werden konnte. Nur im ersten Vegetations-versuch ist bei oberirdischen Pflanzteilen (AM-Reben, ohne NaCl mykorrhizierte Pflanzen) keine statistisch gesicherte Steigerung der Biomasseproduktion im Vergleich zu den ohne NaCl kultivierten Kontrollpflanzen (Co.-Reben) zu beobachten.

Die Salzzugabe in den Gefäßversuchen mit unterschiedlichen Konzentrationen [(0 mM (AM und Co.),171 mM (AM I und Co. I) sowie 342 mM (AM II und Co. II)] hatte eine Abnahme der pflanzlichen Biomasse in den AM-Gruppen sowie in den Kontrollgruppen zur Folge. Die höchste Reduktion des Trockengewichts durch Salzstress lag in den Kontrollpflanzen zwischen Co. II und Co. mit 64.91 % (1. Versuch) und in den AM-Pflanzen zwischen AM II und AM mit 45.5 % (1. Versuch) bei den oberirdischen Pflanzteilen.

Bei höheren Salzkonzentrationen in den AM- und Kontrollpflanzen stieg gleichzeitig signifikant der Prolingehalt in den Blättern besonders in Kontrollreben im Vergleich zu den AM-Gruppen. Somit bestätigt sich die bedeutende Funktion von Prolin zum Schutz der Pflanzen gegen den Salzstress. Weiterhin zeigten die Ergebnisse, dass durch den Anstieg von NaCl eine höhere Malondialdehyd-Konzentration in den Weinrebenblättern der Kontroll-Reben in Vergleich zu AM-Pflanzen angesammelt wurde. Im Gegensatz dazu ist in Abwesenheit von NaCl bei den AM-Pflanzen lediglich ein tendenzieller Unterschied gegenüber den Co-Pflanzen zu beobachten.

Die Mineralstoffanalysen ergaben, dass NaCl auf die Nährstoffversorgung der Reben einen negativen Einfluss hat, sodass sich durch eine Erhöhung der Salzzufuhr die Konzentrationen des Na+-Gehaltes in den unterirdischen und oberirdischen Pflanzenteilen erhöhte, während der Gehalt an K+, Ca2+, Mg2+ und P in den Pflanzen abnahm. Mit steigenden NaCl-Konzentrationen im Boden war der Rückgang der K+- und Ca2+-Konzentration im Spross im Vergleich zu ohne Salz kultivierten Pflanzen beachtlich. Besonders eklatant war die Abnahme der K+- und Ca2+-Konzentration in den höchsten Salzstufen (AM II-Reben) gegenüber den AM-Reben (ohne Salz), so dass der K+-Gehalt um 37,2 % (3. Veg.) und der Ca2+-Gehalt um 25,7 % (2. Veg.) sank. Die Behandlungen der Reben mit AM auf salzigem Boden führte zu einer tendenziellen Steigerung von Kalium, Calcium, Magnesium und Phosphor in den Wurzeln und den oberirdischen Pflanzteilen im Vergleich mit Co-Reben. Sie sind aber nur teilweise statistisch abgesichert.

Die weiteren Ergebnisse zeigten, dass die Zunahme der NaCl-Konzentration eine Reduktion des Mykorrhizierungsgrades von Wurzeln in allen Vegetations-versuchen zur Folge hatte.

Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen führen zu der Schlussfolgerung, dass in dieser Pflanzenforschung der Mykorrhizapilz Glomus intraradices in Anwesenheit von NaCl einen positiven Einfluss auf die Entwicklung und die Gesundheit der Rebstecklingen der Unterlagssorte 5BB im Vergleich zur Abwesenheit von NaCl hat.

Understanding particle transport in hydrogels is an important step for the development of advanced drug delivery techniques. A large body of experimental research has shown that besides excluded volume effects and hydrodynamics, other nonsteric particle-gel interactions can also determine particle mobility in hydrogels. In this thesis, we aim to systematically investigate the effect of long-ranged repulsive or attractive particle-gel interactions on the particle mobility and to determine general particle diffusion mechanisms in hydrogels. For this, we present general models to simulate diffusion of particles in gels with different particle-gel interactions.

First, we introduce a model for the diffusion of particles smaller than the mesh size in hydrogels with electrostatic particle-gel interactions. The gel is comprised of a spatially ordered, cubic symmetric fiber lattice. The diffusive behavior is highly charge asymmetric: Particles are slowed down more strongly by attractive than by repulsive electrostatic interactions. Furthermore, the particle mobility is highly sensitive to the ionic strength, particularly for electrostatic attraction, in agreement with experimental data.

Second, we examine the effect of spatial disorder of the polymer lattice on the particle diffusive behavior. The effect of spatial disorder is linked to the presence of long-ranged particle-gel interactions. For repulsive interactions, an intermediate degree of disorder minimizes the particle mobility inside the gel but for high degrees of disorder, the diffusivity increases again. For attractive interactions, disorder slows down diffusion since particles are immobilized in regions with locally increased fiber density. A comparison between simulations with spatially disordered gels and published experimental data reveals qualitative agreement.

Third, we extend our model to simulate the diffusion of particles in heterogeneous gels with mixed electrostatically attractive and repulsive interaction sites, as relevant for biological hydrogels. Mixed interaction sites are modeled with a random distribution of attractive and repulsive fiber sections. Interaction disorder, in the form of randomly mixed interaction sites, and spatial disorder have a qualitatively similar effect on the particle diffusivity. Charged particles of either sign are immobilized, since attractive particle-gel interactions determine the diffusive behavior. Qualitative agreement between simulation and experiments carried out by our collaborators from the group of Prof. Dr. DeRouchey is found.

Finally, we examine the effect of hydrodynamic interactions in conjunction with long-ranged particle-gel interactions. %Agreement between simulation and experiment is improved when hydrodynamic interactions are included. Repulsive interactions decrease the effect of hydrodynamic interactions on the particle diffusivity, whereas attractive interactions increase the effect of hydrodynamic interactions, due to spatial particle-fiber correlations.

With our simulations we elucidate the effects of various model features such as spatial disorder, interaction disorder and hydrodynamic interactions on the particle mobility and the detailed microscopic mechanisms governing particle diffusion in hydrogels.

Das Parlamentsgebäude (1894–1902) in Bern zeugt vom Bundesstaat Schweiz – vom Architekten Hans Auer für die Ewigkeit geschaffen, von der Nachwelt lange verpönt, erfüllt es weiterhin seine ursprüngliche Funktion und dient zudem als Nationaldenkmal und Wahrzeichen. Der Bundesstaat errichtete nach der Gründung von 1848 vorerst keine eigenen Monumentalbauten, da er bis 1875 die Bundessitzverpflichtungen der Stadt Bern überließ und danach seinen Raumbedarf durch Ankauf oder Miete deckte. Erst mit der neuen Baustrategie von 1884 begann er, eigene Staatsbauten zu errichten und so staatliche Präsenz zu markieren.

Das Thema der Dissertation ist die politische Genese und Planung des Parlamentsgebäudes. Die Arbeit untersucht die Wirkungsabsichten der Akteure und erschließt die Mechanismen und Entscheidungsprozesse, die den Bau in den Rang eines Nationaldenkmals erhoben. Die Dissertation erforscht, inwieweit die Architekturwettbewerbe von 1885 und 1891 liberale Forderungen nach Gleichheit, Öffentlichkeit und freier Meinungsbildung erfüllten. Sie thematisiert zudem, inwiefern sich die Ideale des freiheitlich-demokratischen Bundesstaates auf die Planung und die Partizipationsmöglichkeiten von Parlament, Regierung und Stimmbürger auswirkten. Die Dissertation will damit einen Beitrag zur Erforschung der Geschichte des Nationaldenkmals, des modernen Architekturwettbewerbs und der Bauaufgabe Parlament leisten.

The goal of forensic DNA analysis is to reliably distinguish individuals by their DNA profiles and clearly assign them to a trace. Full autosomal STR profiles are individual, while the evidence of Y-chromosomal STR profiles (haplotype) is still significantly lower. A reason for this is the paternal inheritance of the Y chromosome, meaning the recombination-free transmission of identical copies from generation to generation, which can only be differentiated by spontaneous mutations. However, it is precisely this male-specific property that makes the Y-STRs so valuable for complex mixed biological traces in cases of sexual assault, which is why nowadays Y-chromosomal analyses belong to the standard repertoire of forensic laboratories. With the use of the new Y-STR marker sets, the discrimination capacity of Y-chromosomal haplotypes is improved and thus the evidential value of a Y-chromosomal match in forensic applications is clearly increased. In my thesis, two new high-resolution Y-STR marker sets (23 and 13 Y-STR panel) were examined in population genetics and analyzed and evaluated for molecular genetic and forensic parameters. The 36 Y-STRs showed high gene diversity, in particular the 13 Y-STRs with higher mutation rates (μ > 10-2 [1]). Their application reached (almost) complete differentiation of unrelated males of a population. With the increasing number of Y-STRs used and their selection for mutability and variability, the individualization level of a DNA sample was significantly increased, which means that a proportion of the relatives in the paternal line can now be distinguished. The results for the establishment of a new DNA-based analytical method using autosomal and Y-chromosomal markers (total of 39 STRs) in mixed biological traces and touch stains in sexual assault cases showed a clear gain in information. In 287 cases, 110 informative autosomal (reportable to database) profiles and a total of 133 infor-mative (complete) Y-chromosomal single-source profiles were generated, an increase of ~ 21 % informative profiles compared to stand-alone autosomal STR analysis. With the help of the single-copy Y-STRs, mixtures of several male donors could be detected three times more frequently than with autosomal STRs. It remains to be noted that one-tenth of all cases would have remained inconclusive; the (autosomal) latent male DNA would have remained undetected, if Y-STR analysis had been omitted. The Y-chromosomal analysis with the markers described here thus improves the sensitivity and accuracy of the forensic DNA analysis.

Hintergrund: Hemiparetischer Schlaganfall resultiert in einer Vielzahl von strukturellen und metabolischen Gewebeveränderung der quergestreiften Skelettmuskulatur und begünstigt in Folge erheblich die körperliche Beeinträchtigung und Behinderung von Schlaganfallüberlebenden. Diese Alterationen können sich wiederum auf Leistungsvermögen und Metabolismus auswirken. Die metabolischen Prozesse in situ sind auf muskuloskelettaler Gewebeebene bislang jedoch nicht untersucht worden. Wir vermuten, dass Patienten nach hemiparetischem Schlaganfall eine eingeschränkte muskuläre Stoffwechselkapazität aufweisen und dass die Veränderungen maßgeblich die paretische im Vergleich zur nicht-paretischen Extremität betreffen. Methoden: Unter Berücksichtigung der lokalen Gewebeperfusion unterzogen sich neun männliche Schlaganfallüberlebende mit Hemiparese (Alter, 62 ± 8 Jahre; BMI 28 ± 4 kg/m2; mediane Latenzzeit seit Schlaganfall, 23 Monate mit einer Spannweite von 7 bis 34 Monaten nach Schlaganfallereignis) dynamischen In-situ-Messungen des Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsels. Eine bilaterale Mikrodialysetestung von paretischem und nicht-paretischen Musculus vastus lateralis diente zur Bestimmung der interstitiellen Markermetaboliten nach Nahrungskarenz und während einer oralen Glukosetoleranzmessung. Ferner wurden die Serumspiegel der Intermediaten sowie der systemische Energieverbrauch anhand indirekter Kalorimetrie berücksichtigt. Zum Vergleich dienten die Ergebnisse 8 gesunder, männlicher Probanden in ähnlichem Alter und mit ähnlichem BMI. Ergebnisse: Es zeigten sich keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen paretischer und nicht-paretischer Skelettmuskulatur hinsichtlich der lokalen Gewebeperfusion sowie der Nüchtern- und postprandialen Profile der interstitiellen Metaboliten Glukose, Pyruvat, Laktat und Glycerol. Gegenüber gesunden Kontrollen zeigten sich in der Patientengruppe erhöhte Nüchtern- und postprandiale Dialysat-Glycerolspiegel (p < 0.001) sowie höhere Plasmaparameter für freie Fettsäuren (Nüchternwerte für freie Fettsäuren; 0.63 ± 0.23 vs. 0.29 ± 0.17 mmol/L; p = 0.004). Die Patienten präsentierten zudem eine höhere glykolytische Aktivität mit gesteigerter Laktatproduktion nach Glukosegabe im Vergleich zur Kontrollgruppe (p < 0.001) sowie höhere RQ-Werte und einen reduzierten postprandialen Energieumsatz (jeweils p < 0.05). Schlussfolgerung: Es bestand keine Diskrepanz zwischen den skelettmuskulären Stoffwechseleigenschaften der paretischen und nicht-paretischen Extremität von Schlaganfallüberlebenden. Eine gesteigerte Aktivität von Lipolyse und Glykolyse auf Gewebeebene wies allerdings auf einen eingeschränkten Substratmetabolismus mit verringertem oxidativen Energiestoffwechsel in bilateralem Skelettmuskel nach Schlaganfall hin. Weitere Forschungsbemühungen sind dringend erforderlich, um die klinischen Auswirkungen dieser eingeschränkten muskulären Stoffwechselflexibilität zu untersuchen und eine integrierte Perzeption von Schlaganfallpatienten zu fördern.

Background: Telomerase, a cellular reverse transcriptase enzyme that can counteract telomere shortening and, in addition, preserves healthy cell function, constitutes a promising target for research into the pathological effects of stress on cellular aging. Previous studies that have included measures of telomerase have typically measured telomerase expression or activity under basal (resting) conditions. It is, however, challenging to reliably quantify or interpret these data because leukocyte telomerase is typically expressed at very low levels and is dynamic in nature. In contrast to basal measures, telomerase activity can be quantified in response to an ecologically-valid challenge such as mitogen stimulation in vitro. The potential advantage of this approach is that it may bypass the above-mentioned limitations to provide an indicator of individual differences in the capacity of the telomere biology system to respond to an immunological challenge. Objective: The aim of this study was to validate an in vitro measure of leukocyte maximal telomerase activity capacity (mTAC) for use in human studies of telomere biology, and to determine its association with measures of stress and stress responsivity. Methods: First, the optimal post-stimulation time course to characterize mTAC was established using an in vitro mitogen challenge (phytoheamagglutinin (PHA) supplemented with interleukin(IL)-2). Next, mTAC was measured in leukocytes and cortisol concentrations were assessed in saliva obtained from 28 healthy young women and men at different times of the day and before and after a standardized laboratory stressor. In addition, immune cell distributions prior to mitogen stimulation were determined by flow cytometry in a subset of the participants. Perceived (chronic) stress also was assessed using the Perceived Stress Scale. Results: The optimal time point to quantify human leukocyte mTAC was 72 hours after mitogen stimulation. mTAC exhibited substantial within-subject stability across time and was not influenced by situational factors including time of day, cortisol concentration, acute stress exposure, and immune cell distribution. A significant proportion of the between-subject variability in mTAC was associated with measures of stress and stress responsivity. Particuarly, there was a 25% difference in mTAC between subjects reporting high compared to medium or low levels of perceived (chronic) stress. Also, individual differences in the cortisol response to stress-exposure accounted for as much as 32% of the variation in mTAC. Conclusion: Based collectively on these findings, it appears that mTAC may represent a potentially useful individual difference measure in stress-related studies of the human telomere biology system.

Einleitung. Der endoprothetische Ersatz des Schultergelenkes hat in den letzten Jahren progredient zugenommen, ebenso die Entwicklung neuer Endoprothesen. Die „SidusTM Schaftfreie Schulterprothese“ ist ein neues schaftfreies Design, das metaphysär verankert wird. Bisher gibt es zu dieser Endoprothese noch keine publizierten Studien. Ziel dieser Studie ist es demnach, die „SidusTM Schaftfreie Schulterprothese“ bei primärer Omarthrose klinisch und radiologisch zu evaluieren.

Methoden. In dieser prospektiven, nicht randomisierten Multicenterstudie wurden im Zeitraum von November 2012 – November 2014 an neun Zentren in Europa insgesamt 151 Sidus-Endoprothesen bei 148 Patienten implantiert. Bei 121 Patienten (80,1%) lag eine primäre Omarthrose vor. Die Daten wurden präoperativ, drei Monate, sechs Monate, ein Jahr und zwei Jahre postoperativ erhoben. Klinisch erfolgte die Evaluierung anhand des Bewegungsausmaßes, des Constant-&-Murley-Scores (CS), des American-Shoulder-and-Elbow-Score (ASES) und des Subjective Shoulder Values (SSV). Radiologisch wurde auf Zeichen der Lockerung, Migration, Osteolyse, Knochenminderung und Radiolucency lines (RL) geachtet.

Ergebnisse. Insgesamt konnten 105 der 121 Patienten (86,8%) zum Zwei – Jahres – Zeitpunkt nachuntersucht werden. 53 davon waren weiblich (50,5%) und 52 männlich (49,5%), das durchschnittliche Alter betrug 64 Jahre. Insgesamt wurden 73 Total- und 32 Hemiendoprothesen implantiert. Der CS verbesserte sich von 26 Punkte präoperativ auf 70 Punkte zwei Jahre postoperativ (p < 0,001), der ASES von 34 Punkte auf 86 Punkte (p < 0,001) und der SSV von 34% auf 83% (p < 0,001). Auch das Bewegungsausmaß verbesserte sich signifikant von 86° auf 144° Flexion (p < 0,001) und von 13° auf 41° Außenrotation (p < 0,001). Patienten mit einer Totalendoprothese schnitten dabei signifikant besser ab als Patienten mit einer Hemiendoprothese. Radiologisch wurden weder Lockerungen noch Migration der Komponenten beobachtet. Es kam zum Auftreten von RL (≥ 2 mm) bei drei Patienten, die bisher aber keine klinische Relevanz zeigten. Die allgemeine Komplikationsrate lag bei 6,7% und die Revisionsrate bei 0%.

Schlussfolgerung. Die „SidusTM Schaftfreie Schulterprothese“ erzielt im Kurzzeitverlauf gute bis zufriedenstellende klinische Ergebnisse mit einer niedrigen Komplikations- und Revisionsrate. Mittel- und Langzeituntersuchungen sind nötig zur Validierung dieser Ergebnisse.

Anaphylaxis is a potentially life-threatening condition with increasing epidemiological and medical significance. This makes anaphylaxis relevant for emergency medicine. The objective of this study was to examine the treatment of anaphylaxis in various structures of emergency care in Germany and to determine possible diagnostic markers for detecting a severe allergic reaction with an unspecific clinical manifestation. The anaphylaxis cases treated by emergency physicians in Berlin between 2010 and 2011 were determined prospectively based on a survey. As a comparison, data from the ADAC air rescue service about the treatment of anaphylaxis in the period of 2010-2011 were analyzed. In addition, data from the anaphylaxis register, which primarily includes emergency treatment in practices and clinics, were examined. Aside from the registration of cases treated, in some emergency care centers in Berlin, blood samples were taken during the acute phase. Different biomarkers (tryptase, histamine, leukotrienes, and prostaglandin) were measured and checked in a second blood sample of the patients during a symptom-free interval. The basic epidemiological data were comparable in the different groups. Drugs were found to be the most common triggers of the cases registered and treated by emergency physicians for all levels of severity. When only the higher levels of severity were viewed, the triggers were inhomogeneous, with food being the leading cause. With respect to treatment data, it was found that adrenalin was used by emergency physicians more often than for acute treatment in outpatient clinics. Overall, adrenalin is not yet administered according to the recommendations of the national and international guidelines. Of the mediators in blood that were examined, prostaglandin D2 had the highest sensitivity and specificity. Further studies with larger cohorts are needed to establish prostaglandin D2 as a diagnostic marker. The studies showed that the acute treatment of anaphylaxis in Germany still does not follow the guidelines and there is need for improvement, especially regarding the intramuscular administration of adrenalin. Using safe and easily administered diagnostic tools such as point- of-care testing with prostaglandin D2, the implementation of guideline-based treatment of anaphylactic emergencies could be improved.