Trotz intensiver Forschung ist die Ätiologie der sporadischen amyotrophen Lateralsklerose (sALS) weiterhin unbekannt. Zahlreiche Anzeichen deuten allerdings auf eine Mitbeteiligung von oxidativem Streß an der Pathogenese der sALS hin. So fand sich eine verminderte Aktivität der zellulären Glutathion-Peroxidase (GPX-1), eines als Radikalenfänger fungierenden Enzyms, in den Gyrus praecentrales bei sALS-Patienten. Zusätzliche Studien fanden eine Trinukleotid-Expansion des GGG-repeats im 1. Exon des für die GPX-1 kodierenden Gens. Da Trinukleotid-Expansionen bei einer Vielzahl von neurodegenerativen Erkrankungen wie dem Kennedy-Syndrom und der spinozerebellären Ataxie nachgewiesen werden konnten, war das Ziel dieser Arbeit, eine fragliche Mitbeteiligung dieser Trinkukleotid-Expansion der GPX-1 an der Pathogenese der sALS zu klären. Nach Etablierung der Methode bestehend aus einer Kombination von Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus (RFLP) zeigte sich, dass der Genotyp 4*5 bei einer Gruppe von 231 sALS-Patienten signifikant häufiger vertreten war, wohingegen der Genotyp 5*6 in der Kontrollgruppe signifikant überrepräsentiert war. Im Vergleich zu bisher veröffentlichten Ergebnissen ließ sich der Genotyp 4*4 in der Kontrollgruppe signifikant häufiger nachweisen. Ursache hierfür könnte - neben einem tatsächlich erhöhten Risiko, an sALS zu erkranken - der Zusammenhang mit einem C/T-Polymorphismus der GPX-1 sein, der zu einem Austausch von Prolin zu Leucin führt. Die für Leucin kodierende Variante tritt hierbei nur zusammen mit 5 GCG-repeats auf, während die für Prolin kodierende Variante mit dem Auftreten von 4 und 6 GCG-repeats korreliert. / In spite of intensive research efforts the ethiology of sporadic amyotrophic lateral sclerosis (sALS) remains unknown. Various indices indeed suggest an involvement of oxidative stress in the pathogenesis of sALS. Thus a decreased activity of the cellular glutathione peroxidase (GPX-1) in gyrus praecentrales of sALS patients could be detected, an enzym strongly participating in the clearence of free radicals. Additional studies uncovered a trinucleotid expansion of a GCG repeat in the 1st exon of the gene coding for GPX-1. Such trinucleotid expansions play a major role in a variety of neurodegenerative disorders like the Kennedy Syndrom and spinal-cerebellary ataxia. Goal of this work was to disclose a possible involvement of the GCG expansion in the pathogenesis of sALS. Through the successful establishment of the methodology consisting of a combination of polymerase chain reaction (PCR) and restriction fragment length polymorphism (RFLP) we could demonstrate a significant decrease of the genotype 4*5 in a group of 231 sALS patients, whereas the genotype 5*6 was overrepresented in the control group. Compared to hitherto publications we detected an increased occurrence of the 4*4 genotype in the control group. Besides an effective increased risk to contract sALS, the distribution of the GCG-repeat expansion could originate from another C/T polymorphism of GPX-1-gene leading to a substitution of proline with leucine. The leucine coding mutation occurs together with 5 GCG repeats, whereas the proline coding mutant correlates with 4 and 6 GCG-repeats.

Überkopfsportler*innen führen häufige Wurf- und Schlagbewegungen über Kopf bzw. der Horizontallinie aus und sind hohen Risiken für Verletzungen der Schultergelenke ausgesetzt. Die Identifikation von Risikofaktoren und adäquate Diagnostik sind für die Entwicklung gezielter präventiver und therapeutischer Interventionen essentiell. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, Risikofaktoren für überlastungsbedingte Schulterbeschwerden bei Überkopfsportler*innen zu identifizieren sowie diagnostische Möglichkeiten zu erweitern und zu optimieren. Die Ergebnisse sollen Rückschlüsse auf grundlegende Verletzungsmechanismen der Schulter bei Überkopfsportler*innen liefern und zur Entwicklung und Verbesserung präventiver und therapeutischer Maßnahmen beitragen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Kerlan-Jobe Orthopaedic Clinic Shoulder and Elbow Score, ein Fragebogen zur patientenbezogenen Erfassung der Funktionsfähigkeit von Schulter und Ellenbogen bei Überkopfsportler*innen, ins Deutsche übersetzt, kulturell adaptiert und validiert. Des Weiteren wurden methodische Aspekte der ultraschallgestützten Untersuchung des subakromialen Raumes mittels der akromiohumeralen Distanz (AHD) untersucht, wobei die untersuchten Auswertemethoden eine ausgezeichnete Reliabilität aufwiesen. Darüber hinaus konnten Einflussfaktoren auf die AHD-Messung ermittelt werden, wobei eine erhöhte Aktivität der Schultermuskulatur zu größeren AHD-Reduktionen bei der Schulterabduktion führte. Außerdem zeigten sich kurzfristige Effekte handballspezifischer Belastung im Sinne einer Verringerung der AHD, welche durch Schulterabduktion sowie einer geringen Abduktionskraft verstärkt wurde und somit das Risiko für Schulterverletzungen erhöhen kann. Diese Arbeit liefert relevante Erkenntnisse über Risikofaktoren von Schulterverletzungen bei Überkopfsportler*innen und Einflussfaktoren der ultraschallgestützten AHD-Messung. Außerdem entstand der erste deutsche validierte Fragebogen für Überkopfsportler*innen. / Overhead athletes who perform frequent overhead throwing and striking movements as part of their sport-specific motions are at high risk for both acute and chronic overuse-related injuries of the shoulder joints. In order to develop specific therapeutic interventions and preventative measures, individualized diagnosis and risk factor identification are essential. The present work aims to identify risk factors for overuse-related shoulder symptoms in overhead athletes and to expand and optimize diagnostic capabilities. The results provide conclusions on basic injury mechanisms of the shoulder in overhead athletes and contribute to the development and improvement of preventive and therapeutic measures. In this dissertation, the Kerlan-Jobe Orthopaedic Clinic Shoulder and Elbow Score, a questionnaire for patient-related assessment of functional capacity of the shoulder and elbow in overhead athletes, was translated into German, culturally adapted, and validated. Furthermore, methodological aspects of acromiohumeral distance (AHD) acquisition using diagnostic ultrasound were investigated. The optimal evaluation method of the AHD measurement showed excellent intra-rater and inter-rater reliability. Factors affecting the AHD measurement were also identified, with increased shoulder muscle activity resulting in greater AHD reductions in shoulder abduction. In addition, short-term effects of handball-specific loading on AHD were assessed. In response to loading, AHD decreased, with shoulder abduction enhancing this mechanism. Low abduction strength had a negative effect on AHD maintenance, which may increase the risk of shoulder injury. This work provides relevant knowledge about risk factors of shoulder injuries in overhead athletes as well as influencing factors in AHD measurement using ultrasonography. In addition, the first German validated questionnaire specifically tailored for the group of overhead athletes was developed.

Die Dissertation befasst sich mit einer Form der Heilkunde, die Astrologie und Medizin kombinierte, und im antiken Babylonien (heute südlicher Irak) in der spätbabylonischen Zeit existierte (6–1. Jh. v. Chr.). Enthalten sind Editionen und Untersuchungen zu Keilschrifttafeln mit astro-medizinischen Texten, größtenteils aus Archiven und Tempelbibliotheken der beiden Orte Babylon und Uruk, den wichtigsten Zentren des wissenschaftlichen Lebens in dieser Zeit. Besondere Aufmerksamkeit wird hierbei dem Tierkreis sowie dem Mikrozodiak gewidmet, und dem Prozess der Integration astrologischen Wissens in die Heilkunst. Eines der betrachteten astromedizinischen Systeme ist das Stein-Pflanze-Holz-Schema. In diesem System wurden Materialien aus den drei Gruppen im Namen des Schemas den Tierkreiszeichen zugeordnet. Es gab neben der mit dem Tierkreis verbundenen Standardversion, die einen kalendarischen Vorläufer hatte, auch eine erweiterte Version in Verbindung mit den 144 Mikro-Tierkreiszeichen. Das einfache Zodiakschema wurde auch in den iatromathematischen Kalender integriert, ein astromedizinisches System, das u. a. aus einer Gruppe von Kalendertexten bestand, die für jeden Tag des schematischen 360-Tage-Kalenders pharmakologisch-therapeutische Anweisungen enthielten, und der Melothesie, einem Konzept, das jedem der Tierkreiszeichen einen Einfluss auf eine bestimmte Region des menschlichen Körpers zuschrieb. Die babylonische Astromedizin bildete die Grundlage für die spätere hellenistische Astromedizin, die viele der Konzepte und Methoden übernahm. / The thesis deals with a form of medicine combining astrology and medicine that existed in ancient Babylonia (now southern Iraq) in the late Babylonian period (6th-1st centuries BC). Editions and studies of astro-medical cuneiform tablets are included, mostly originating from archives and temple libraries in the two cities of Babylon and Uruk, the main centers of scholarly life in that era. Particular consideration is given to the zodiac and the micro-zodiac and to the process by which astrological knowledge began to be integrated into the healing arts. One astro-medical therapeutic system is the so-called ‘stone-plant-wood’-schema. In this system materials from the three groups of nature in the name of the schema are associated with the zodiacal signs. Two different versions of it existed: a standard one in connection with zodiac (which had a calendrical forerunner) and an advanced version in connection with the 144 micro-zodiac signs. The standard zodiac schema was also integrated in a comprehensive iatromathematical calendar, an astro-medical system which consisted inter alia of a group of calendar texts (menologies that give prescriptions for each day of the schematic 360-day calendar), remedies made of animal substances that were associated with the signs of the (micro)-zodiac, and melothesia i.e. a concept ascribing to each of the zodiac signs an influence on a specific region of the human body. Late Babylonian astrological medicine formed the basis for later Hellenistic astro-medicine which adopted many of the Babylonian concepts and methods.

Komplette pharmakologische Unterbrechung des Baroreflexes mittels eines Ganglienblockers führt zu einer starken Zunahme der Wirkung vasoaktiver Substanzen auf den Blutdruck. Eine ähnliche Überempfindlichkeit gegenüber vasoaktiven Substanzen ist auch bei Erkrankungen zu beobachten, die mit Schädigungen des afferenten oder des efferenten Schenkels des Baroreflexes einhergehen. Variabilität der Baroreflexfunktion innerhalb der Population trägt somit in erheblichem Umfang zur Variabilität des Ansprechens auf vasoaktive Substanzen bei. Durch Vergleich der Wirkung kreislaufwirksamer Substanzen oder physiologischer Interventionen vor und während Ganglienblockade können zentrale und periphere Effekte voneinander unterschieden werden. Mit dieser Methode können Änderungen der vaskulären Sensitivität und der Pufferfunktion des Baroreflexes bei Krankheitszuständen charakterisiert werden. / Complete pharmacological interruption of the baroreflex using ganglionic blockade is associated with a profound increase in the blood pressure response to vasoactive substances. Similar hypersensitivity to vasoactive substances can be observed in disorders that involve the afferent arc or the efferent arc of the baroreflex. Therefore, interindividual variability in baroreflex function contributes substantially to the variability in the responsiveness to vasoactive substances. Comparison of the response to cardiovascular medications before and during ganglionic blockade can be used to dissect central and peripheral effects. This approach is also useful to characterize changes in vascular sensitivity and in baroreflex buffering function in diseases.

Von regenerativen Zellen freigesetzte vesikuläre Strukturen mit einer Lipiddoppelmembran, sogenannte extrazelluläre Vesikel (EVs), stellen einen vielversprechenden Ansatz dar zukünftig Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu behandeln. In diesem Zusammenhang untersuchte die vorliegende Arbeit die Eignung von EVs allogener humaner Herzzellen (CardAP-Zellen) als mögliches Therapeutikum für Erkrankungen des Herzens. Zu diesem Zwecke wurden die EVs durch differentielle Zentrifugation aus dem konditionierten Medium von CardAP-Zellen nach Kultivierung mit oder ohne pro-inflammatorische Zytokine gewonnen. Die so isolierten EV- Präparationen beider Konditionen zeigten vergleichbare Konzentrationen und verfügten sowohl über charakteristische vesikuläre Strukturen als auch transportierte Moleküle, wie die Tetraspanine. Allerdings wiesen stimulierte EVs im Gegensatz zur nichtstimulierten Vergleichsgruppe ein größeres Repertoire an miRNAs und kleinere Durchmesser auf. In verschiedenen in vitro Analysen konnte zudem nachgewiesen werden, dass EVs von CardAP-Zellen i) die Angiogenese fördern, ii) die Apoptose von Herzzellen vermindern, iii) nur schwach immunogen sind und iv) induzierte Immunreaktionen verringern können. Dabei wurden teils deutliche Unterschiede zwischen den induzierten Effekten von EVs aus stimulierten und nichtstimulierten Konditionen dokumentiert, die darauf schließen lassen, dass verschiedene Mechanismen in der Empfängerzelle angeregt werden durch die Interaktion mit den jeweiligen EVs. Insbesondere konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass CD14+ Immunzellen eine essentielle Rolle bei der immunmodulierenden Wirkung der EVs in induzierten Immunreaktionen besitzen. Zusammenfassend stellen EVs von allogenen CardAP-Zellen ein aussichtsreiches therapeutisches Werkzeug für Herz-Erkrankungen dar und zukünftige Studien werden klären, ob eine Anwendung im Menschen möglich ist. / From cells released vesicular structures with a lipid bilayer, the so-called extracellular vesicles (EVs), cannot reproduce but can affect important processes in a recipient cell. EVs of regenerative cells represent a promising therapeutic approach. In this context, the present work investigated whether heart diseases could be treated in the future by using EVs from allogeneic regenerative human cardiac cells (CardAP cells). For this purpose, EVs were isolated by differential centrifugation from the conditioned medium of CardAP cells cultured with or without pro-inflammatory cytokines. These obtained EV preparations from both EV biogenesis conditions exhibited comparable concentrations, characteristic vesicular structures, and characteristic transported molecules, such as the tetraspanins. However, stimulated EVs showed a larger repertoire of miRNAs and smaller diameters in contrast to their unstimulated counterpart. Most importantly, different in vitro analysis demonstrated that the isolated EVs from CardAP cells i) promote angiogenesis, ii) decrease cardiac cell apoptosis, iii) have a low immunogenicity, and iv) can reduce induced immune responses. Interestingly, differences were documented in these beneficial features between stimulated and unstimulated EV preparations, suggesting that different mechanisms in the recipient cell are stimulated by the interaction with the respective EVs. Moreover, CD14+ cells (mainly monocytes) were shown to play an essential role in the detected immunomodulation of EVs. In summary, EVs from CardAP cells appear to be a promising therapeutic tool for cardiac diseases and further studies will clarify open questions such as the efficacy in the organism.

Bewegungsstabilität wird durch die Fähigkeit des neuromuskulären Systems adäquat auf Störungen der Bewegung antworten zu können erreicht. Einschränkungen der Stabilität werden z. B. mit Sturzrisiko in Verbindung gebracht, was schwere Konsequenzen für die Lebensqualität und Kosten im Gesundheitssystem hat. Nach wie vor wird debattiert, wie eine geeignete Bewertung von Stabilität vorgenommen werden kann. Diese Arbeit behandelt den maximalen Lyapunov Exponenten. Er drückt aus, wie sensitiv das System auf kleine Störungen eines Zustands reagiert. Eine Zeitreihe wird zunächst mittels zeitversetzter Kopien in einen mehrdimensionalen Raum eingebettet. In dieser rekonstruierten Dynamik berechnet man dann die Steigung der mittleren logarithmischen Divergenz initial naher Punkte. Die methodischen Konsequenzen für die Anwendung dieser Systemtheorie auf Bewegungen sind jedoch bislang unzureichend beleuchtet. Der experimentelle Teil zeigt klare Indizien, dass es bei Bewegungen weniger um die Analyse eines komplexen Systemdeterminismus geht, sondern um verschieden hohe dynamische Rauschlevel. Je höher das Rauschlevel, desto instabiler das System. Anwendung von Rauschreduktion führt zu kleineren Effektstärken. Das hat Folgen: Die Funktionswerte der Average Mutual Information, die bisher nur zur Bestimmung des Zeitversatzes genutzt wurden, können bereits Unterschiede in der Stabilität zeigen. Die Abschätzung der Dimension für die Einbettung (unabhängig vom verwendeten Algorithmus), ist stark von der Länge der Zeitreihe abhängig und wird bisher eher überschätzt. Die größten Effekte sind in Dimension drei zu beobachten und ein sehr früher Bereich zur Auswertung der Divergenzkurve ist zu empfehlen. Damit wird eine effiziente und standardisierte Analyse vorgeschlagen, die zudem besser imstande ist, Unterschiede verschiedener Bedingungen oder Gruppen aufzuzeigen. / Reductions of movement stability due to impairments of the motor system to respond adequately to perturbations are associated with e. g. the risk of fall. This has consequences for quality of life and costs in health care. However, there is still an debate on how to measure stability. This thesis examines the maximum Lyapunov exponent, which became popular in sports science the last two decades. The exponent quantifies how sensitive a system is reacting to small perturbations. A measured data series and its time delayed copies are embedded in a moredimensional space and the exponent is calculated with respect to this reconstructed dynamic as average slope of the logarithmic divergence curve of initially nearby points. Hence, it provides a measure on how fast two at times near trajectories of cyclic movements depart. The literature yet shows a lack of knowledge about the consequences of applying this system theory to sports science tasks. The experimental part shows strong evidence that, in the evaluation of movements, the exponent is less about a complex determinism than simply the level of dynamic noise present in time series. The higher the level of noise, the lower the stability of the system. Applying noise reduction therefore leads to reduced effect sizes. This has consequences: the values of average mutual information, which are until now only used for calculating the delay for the embedding, can already show differences in stability. Furthermore, it could be shown that the estimation of the embedding dimension d (independently of algorithm), is dependent on the length of the data series and values of d are currently overestimated. The greatest effect sizes were observed in dimension three and it can be recommended to use the very first beginning of the divergence curve for the linear fit. These findings pioneer a more efficient and standardized approach of stability analysis and can improve the ability of showing differences between conditions or groups.

Die technikgestützte Rehabilitation wird im Rahmen der Schlaganfallbehandlung als therapeutisches Verfahren zur Wiedererlangung der motorischen Bewegungsfähigkeit oberer Extremitäten eingesetzt. Zudem wächst durch die Digitalisierung des Alltags und den demographischen Wandel das Forschungsinteresse an telerehabilitativen Behandlungskonzepten, die die Schlaganfallversorgung durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien ergänzt sowie erweitert. Dabei wird das Ziel verfolgt, einen dauerhaften und nachhaltigen Therapieerfolg zu ermöglichen. Durch die Möglichkeit zur Vernetzung der stationären sowie ambulanten Rehabilitation mit der Nachsorge soll eine kontinuierliche, über die notwendigen Gesundheitssektoren der Schlaganfallbehandlung hinweg, eine Begleitung der Patient:innen durch die betreuenden Behandler:innen gewährleistet werden. Der erfolgreiche Einsatz entsprechender Therapiesysteme in der Nachsorge verlangt einen benutzerzentrierten Entwicklungsprozess. Ausgangspunkt sollten die von den beteiligten Nutzer:innengruppen gestellten Anforderungen an derartige Systeme sein. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, auf verschiedene Aspekte des Technikeinsatzes und die damit einhergehende Zufriedenheit sowie Akzeptanz der technikgestützten Schlaganfallrehabilitation und Nachsorge der beteiligten Nutzer:innengruppen einzugehen. Eine Kombination aus drei explorativen Untersuchungen, einer Grundlagenbefragung und zwei empirischen Feldstudien, analysieren abhängige Faktoren des Technikeinsatzes, um entsprechende Auswirkungen auf die Entwicklung und Praxis abzuleiten. Im Rahmen der Grundlagenbefragung werden das Nutzungsverhalten sowie die Nutzungsbereitschaft von Informations- und Kommunikationstechnologien von Schlaganfallpatient:innen und Behandler:innen analysiert. Daraus abgeleitet werden notwendige Ressourcen, die bereitgestellt werden müssen, um technikgestützte Verfahren sowohl in der Rehabilitation als auch Nachsorge zu ermöglichen. Die erste empirische Studie untersucht Veränderungen im Nutzer:innenerleben, der Zufriedenheit und Technikakzeptanz, zwischen zwei Therapiegeräten in der klassischen Versorgung mit zwei experimentellen Therapiesystemen mit visuellem und zum Teil haptischem Feedback. In einer zweiten Feldstudie werden zeitbezogene Veränderungen untersucht, die bei längerfristiger Nutzung über zehn Behandlungseinheiten mit dem Bi-Manu-Interact auftreten können. / Using technically assisted rehabilitation in stroke treatment as a therapeutic procedure to regain motor mobility of upper extremities. In addition, the digitalisation of everyday life and demographic change are increasing research interest in telerehabilitative treatment concepts, which supplement and expand stroke care by using information and communication technologies. The aim is to achieve lasting and sustainable therapeutic success. The possibility of integrating in-patient and out-patient rehabilitation with aftercare is intended to ensure that patients are continuously accompanied by the attending physicians across the necessary health sectors of stroke treatment. The successful use of appropriate therapy systems in aftercare requires a user-centered development process. The starting point should be the requirements placed on such systems by the user groups involved. The aim of the present study is to deal with different aspects of the use of technology and the associated satisfaction as well as acceptance of the technology-supported stroke rehabilitation and aftercare of the participating user groups. A combination of three explorative studies, a basic survey and two empirical field studies analyse dependent factors of the use of technology in order to determine corresponding effects on development and practice. The basic survey analyses the usage behaviour and readiness of stroke patients and therapists to use information and communication technologies. From this, resources are derived to enable technology-supported procedures in rehabilitation and aftercare. The first empirical field study investigates changes in user experience, satisfaction and technology acceptance between two therapy devices in classical care with two experimental therapy systems with visual and partly haptic feedback. The second field study investigates time-related changes that can occur with long-term use of more than ten therapy units with the therapy system "Bi-Manu-Interact".

Das normale Kolonepithel weist eine strenge Zellhierarchie auf, die aus bekannten Zelltypen besteht. Bei Darmkrebs (CRC) ist die Struktur weniger konserviert und nicht gut verstanden. Krebsauslösende Mutationen können die Prävalenz von Zelltypen verändern, und Zellen können sich auch dedifferenzieren, um einer gezielten Krebstherapie zu entgehen. Mein Ziel ist es, die Existenz heterogener Zelltypen in Organoiden zu bestätigen und Signalnetzwerke in CRC zu untersuchen, indem ich mit pharmakologischen Eingriffen spezifische Signalwege inhibiere, die Zellhierarchien im normalen Darm kontrollieren. Strategisch ausgewählte Medikamente wurden eingesetzt, um Knotenpunkte in verschiedenen Signalwegen zu hemmen, die für das Fortschreiten von Darmkrebs relevant sind. Ich untersuchte, ob die Inhibition von Signalwegen die Zusammensetzung der Zelltypen und den Differenzierungszustand verändert oder welche Kombinationen von Inhibitoren Plastizität oder Apoptose auslösen könnten. Von Patienten stammende Organoide mit verschiedenen onkogenen Treibermutationen wurden kultiviert und 48 Stunden lang mit einer Reihe von Inhibitoren und Inhibitorkombinationen behandelt. Diese Organoide wurden hauptsächlich auf zwei Ebenen untersucht: durch scRNA seq zur Ermittlung ihres Transkriptoms und durch CyTOF, das die Proteinhäufigkeit pro Zelle misst, um die Aktivität von Signaltransduktionskaskaden zu beurteilen. Beide Methoden wurden eingesetzt, um die Heterogenität des CRC zu quantifizieren. Ich konnte feststellen, dass sich Organoide mit denselben Treibermutationen ähnlicher verhalten und dass die molekularen Grundlagen der verschiedenen Linien Unterschiede im Therapieerfolg bedingen. Heterogene Transkriptome und Proteinexpression wurden durch einen Differenzierungsgradienten beeinflusst und konnten durch die Zugabe von Inhibitoren verändert werden. Die MAPK-Aktivität folgt diesem Differenzierungsgradienten und eine MAPK-Inhibition verringerte die Zellheterogenität und führte zu Plastizität. Darüber hinaus stellte ich fest, dass ein Teil der Zellen in Apoptose geht und die verbleibenden Zellen einen nicht-proliferativen Stammzellzustand annehmen, der es den Zellen ermöglicht, sich nach Aussetzung der Behandlung zu erholen. Es wurden in silico und in vitro Analysen durchgeführt, um neuartige Inhibitorkombinationen zur Maximierung der Apoptose in CRC-Organoiden zu finden, um die Entstehung therapieresistenter Subpopulationen weiter zu reduzieren. Wirksame Behandlungskombinationen bleiben jedoch zelllinienabhängig. Durch die getrennte Analyse des Zelldifferenzierungszustands und des Zellsignalisierungszustands habe ich dazu beigetragen zu verstehen, wie Tumorzellen einer gezielten Therapie durch nicht-genetische Resistenzmechanismen entgehen können. Die MAPK-Inhibition zur Verringerung der Zellheterogenität in Kombination mit anderen Inhibitoren könnte in Zukunft zur Optimierung des Therapieerfolgs eingesetzt werden. / Normal colon epithelium has a strict cell hierarchy consisting of well-known cell types. In colorectal cancer (CRC) the structure is less conserved and poorly understood. Cancer driver mutations may modulate the prevalence of cell types, and cells may also dedifferentiate to overcome targeted cancer therapy. My aim is to confirm the existence of heterogeneous cell types in organoids and investigate signaling networks in CRC by targeting specific signaling pathways with pharmacological intervention, which control cell hierarchies in the normal intestine. Strategically selected drugs were used to inhibit nodes in different signaling pathways relevant to the progression of CRC. I explored whether signaling inhibition changes cell type composition and differentiation state, or which inhibitor combinations might induce plasticity or apoptosis. Patient-derived organoids with different oncogenic diver mutations were cultured and treated with a panel of inhibitors and inhibitor combinations for 48 hours. These organoids were mainly examined on two levels: by scRNA seq to assess their transcriptome and by CyTOF, which measures protein abundance to assess the activity of pathways. Both methods were used to quantify CRC heterogeneity. I was able to see that organoids with the same driver mutations behave more similarly and that the molecular underpinnings of the different lines drive differences in therapy response. Heterogeneous transcriptomes and protein expression were affected by a differentiation gradient and could be altered by inhibitor addition. MAPK activity was graded along this differentiation gradient, and MAPK inhibition reduced cell heterogeneity and induced plasticity. Additionally, I found that a fraction of cells undergo apoptosis, and the remaining cells adopt a non-proliferative stem cell state, which allows cells to recover after suspension of treatment. \textit{In silico} and \textit{in vitro} analyses were performed to find novel inhibitor combinations to maximize apoptosis in CRC organoids to further reduce the emergence of therapy-resistant subpopulations. However, effective treatment combinations remain cell-line dependent. By separately analyzing cell differentiation state and cell signaling state I contributed to our understanding of how tumor cells can evade targeted therapy by non-genetic resistance mechanisms. Using MAPK inhibition to reduce cell heterogeneity in combination with other inhibitors may be used in the future to optimize therapy success.

Chronisches Nierenversagen kann zu einem endgültigen Funktionsverlust der Nieren führen. Nierenersatztherapien bleiben dabei die einzigen lebensrettenden Behandlungsmaßnahmen. Der globale Bedarf an Nierenorganen übersteigt jedoch bei weitem die Anzahl verfügbarer Spenderorgane. Humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) stellen eine vielversprechende Quelle für die Generierung funktioneller Nierenzellen dar. Die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen könnten zukünftig für zelluläre Ersatztherapien verwendet werden. Innerhalb dieser Arbeit sollten die aus hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen auf ihre Immunogenität überprüft werden. Dafür wurden hiPSC-Linien, reprogrammiert aus primären Urinzellen gesunder Spender, generiert. Die hiPSC wurden daraufhin in renale Vorläuferzellen (IM-Zellen) und proximale Tubuluszellen (PT-Zellen) differenziert. Die immunphänotypische Analyse ergab eine generell verminderte Expression immun-relevanter Gene verglichen zu adulten Urinzellen. Für die Immunigenitätsbestimmung wurden die Nierenzellen jeweils mit autologen oder allogenen Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) kokultiviert. Die IM- sowie PT-Zell-Kokulturen mit PBMC gesunder Spender sowie von Patienten mit diabetischer Nephropathie ergaben keine Proliferation autoreaktiver sowie allogener T-Zellen, im Vergleich zu primäre Urinzellen mit gleichen HLA-Merkmalen. Des Weiteren wiesen IM- und PT-Zellen aktive immunsupprimierende Eigenschaften auf. Diese konnten in langzeit-kultivierten PT-Zellen nicht mehr beobachtet werden. Zusätzlich zeigten die hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen eine Anfälligkeit gegenüber autologe sowie allogene natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Studie ergab erstmalig Einblicke in die Dynamiken der T- und NK-Zell-Antworten renal differenzierter hiPSC. Die hier gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung zukünftiger Therapien beitragen, um eine sichere Transplantation von hiPSC-abgeleiteten Nierenzellen, selbst im allogenen System, zu ermöglichen. / Kidneys are essential for numerous vital processes. Chronic damage can lead to end stage renal disease with the requirement of kidney replacement therapies. Kidneys are nowadays the most frequently transplanted human organs, however, the transplant demand is far exceeding the number of available donations. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) represent a promising alternative approach for the generation of functional renal differentiated cells suitable for autologous cell replacement therapies (CRT). Yet, the immunogenic potential of hiPSC and their progenies are among the major concerns. This study aimed to analyze immunogenic effects of hiPSC-derived renal cells in autologous and allogeneic settings in vitro. Therefor, primary urinary cells (pUC) from healthy donors were reprogrammed into hiPSC, which were differentiated into renal progenitors (IMC) and into proximal tubular cells (PTC). Immune-phenotypic characterization revealed overall reduced expression of immune-relevant genes in hiPSC and renal derivatives compared to pUC. Co-culture experiments of IMC or PTC with either autologous or allogeneic peripheral blood mononuclear cells of healthy donors or patients with diabetic nephropathy revealed no induction of T cell proliferation in comparison to pUC cells with the same HLA-types. IMC and PTC showed immunomodulatory effects on allogeneic T cell proliferation. These immunosuppressive capacities were lost in long-term cultivated PTC. hiPSC-derived renal cells showed to elicit autologous as well as for allogeneic natural killer cells (NK cells). This study provided insights about the immunogenic properties of hiPSC-derived renal cells. In vitro experiments revealed new hints about the dynamics of T- and NK cell responses dependent on the differentiation status of hiPSC-derived renal cells. These data show translational potential for the development of future CRT strategies aiming safe transplantation of hiPSC-derived renal cells across HLA barriers.

Die Entstehung und Progression maligner Tumoren ist ein mehrstufiger Prozeß, der auf einer Vielzahl genetischer Alterationen beruht. Essentielle Schritte sind die Aktivierung von Proto-Onkogenen und die Inaktivierung von Tumor-Suppressorgenen. Infolge dessen können die Zellen unabhängig von externen Wachstumssignalen ungebremst proliferieren, die Apoptose wird gehemmt, die Angiogenese wird aktiviert, und es kommt schließlich zur Metastasierung. Zu den bekanntesten Proto-Onkogenen, die in humanen Tumoren aktiviert werden, gehören die RAS Gene. Sie sind in einer Vielzahl von Tumoren mutiert und führen zu einer Stimulation der Proliferation. Um den Einfluß aktivierter RAS Onkogene auf die Regulation der Genexpression zu untersuchen wurden Genexpressionsprofile in Zellkultur-Modellen und humanen Tumoren erstellt. In einem Fibroblasten- und einem Epithelzell-basierten System konnten mehrere hundert, RAS-abhängig differenziell exprimierte Genen identifiziert werden. Aufgrund der bekannten Funktionen ihrer Genprodukte spielen sie eine wichtige Rolle im Verlust der Zellzyklus-Kontrolle, der Kontrolle der Signalübertragung, in der Angiogenese-Induktion sowie in der Invasion und damit Metastasierung. Die Zusammenhänge zwischen der Aktivierung bestimmter Signalkaskaden wie z.B. Raf-Mek-Erk oder PI-3K und der Expression von definierten Genmustern wurden hergestellt. Weiterhin konnte mit Hilfe von Microarray Analysen eine Vielzahl potentieller Tumormarker und Zielgene für therapeutische Intervention im Ovarialkarzinom identifiziert werden. Die Rolle der KlasseII Tumorsuppressor Gene Caveolin-1 und H-REV107-1 in humanen Ovarialkarzinomen wurde detailliert untersucht und ihre Rolle in der Regulation des Zellüberlebens nachgewiesen. Caveolin-1, ein negativer Regulator der RAS-abhängigen Signalübertragung, wird in über 80% der untersuchten humanen Ovarialkarzinome gehemmt. Hierbei spielen epigenetische Mechanismen eine Rolle, die jedoch nicht Caveolin-1 selbst, sondern einen unbekannten Regulator des Caveolin-1 Gens betreffen. Das H-REV107-1 Gen, ein Wachstumsregulator mit unbekannter Funktion wird in ca. 50% der untersuchten Ovarialkarzinome nicht mehr exprimiert. Ähnlich wie bei Caveolin-1, führt eine gezielte Expression des Gens in Tumorzellen zur Apoptose. Die Suche nach Interaktionspartnern des H-REV107-1 Gens führte zur Identifizierung der ubiquitär exprimierten Phosphatase2A (PP2A). Die Bindung zwischen H-REV107-1 und PP2A wurde weiter charakterisiert und ihre Rolle in der H-REV107-1 vermittelten Apoptose analysiert. / Development and progression of human tumours is a multistep process depending on numerous genetic alterations. Essentiell steps herein are the mutational activation of oncogenes and the inactivation of tumour suppressor genes. As a result of these alterations, the cells acquire the potential of unlimited growth independent of external growth factor signals, apoptosis is diminished, angiogenesis is stimulated and finally metastasis can occur. Among the best known proto-oncogenes, mutated in a number of human tumours, are the RAS genes. To investigate the role of RAS oncogenes in transformation-related transcriptional alterations, expressionsprofiling was performed from cell culture models and human tumours. Several hundred genes were identified to be de-regulated in a RAS-dependent manner in a fibroblast and an epithelial cell-based model. The protein products encoded by these genes play important roles in the loss of cell cycle control, control of signal transduction, angiogenesis induction as well as invasion and metastasis. Groups of de-regulated genes could be assigned to distinct signaling pathways such as the Raf-Mek-Erk or the PI-3 kinase dependent pathways. In addition, a number of potential tumour markers and potential target structures for therapeutic intervention were identified in ovarian carcinomas with the help of microarray studies. The role of the class II tumor suppressor genes Caveolin-1 and H-REV107-1 in human ovarian carcinomas was further investigated and their role in the regulation of cell survival was demonstrated. Caveolin-1, a negative regulator of RAS-dependent signal transduction, is supressed in more than 80% of the ovarian carcinomas analysed. This suppression is mediated by epigenetic mechanisms which due not target Caveolin-1 itself but an unknown regulator of the Caveolin-1 gene. The H-Rev107-1 gene, a growth regulator with unknown function, is no longer expressed in nearly 50% of the ovarian carcinomas analysed. Similar to Caveolin-1, also re-expression of H-REV107-1 results in apoptosis in the tumour cells. The search for proteins interacting with H-REV107-1 led to the identification of the ubiquitously expressed phosphatase 2A (PP2A). The interaction between H-REV107-1 and PP2A was further characterised and its role in the H-REV107-1 mediated apoptosis investigated.