Peripheral arterial occlusive disease (PAOD) affects 8 to 12 million Americans over the age of 50. As the disease progresses, arterial occlusions arising from atherosclerotic lesions inhibit normal metabolic vasodilation in the peripheries, resulting in limb ischemia and claudication. Pharmacological and surgical treatments currently used to treat both the hemodynamic and pain symptoms associated with PAOD can involve adverse and potentially life-threatening side effects. Thus, there is a need for additional innovative therapies for PAOD. Neurostimulation has a known analgesic effect on both acute and chronic pain. Although the exact mechanisms remain under investigation, local vascular tone may be modulated by neurostimulation in addition to pain modulation. The Gate Control Theory proposes that electrical activation of mechanoreceptive afferent somatosensory nerves, specifically Aβ fibers, inhibits pain signaling to the brain by activating an inhibitory interneuron in the dorsal horn of the spinal cord which dampens signaling from afferent, C type peripheral nociceptor nerves. Interestingly, Aβ fiber activation may also inhibit norepinephrine release from sympathetic nerve terminals on efferent neurons by activating α-2 adrenergic receptors along the same dermatome, resulting in localized vasodilation in both limbs. Ultimately, electrical stimulation may decrease mean blood pressure and increase local blood flow. The focus of this study was to optimize protocols and perform a small scale clinical study to investigate hemodynamic and analgesic responses to neurostimulation during acute ischemia. We hypothesized that ganglial transcutaneous electrical neurostimulation (TENS) and interferential current (IFC) treatments would decrease pain perception and vascular resistance in the periphery in young, healthy subjects. We further hypothesized that IFC may have a greater hyperemic and analgesic effect on acute ischemia than TENS as its current waveform may be more efficient at overcoming skin impedance. Interestingly, we found trends suggesting that TENS and IFC may increase vascular resistance (VR) and have no noticeable analgesic effect, though TENS may have a slightly lower increase in VR associated with an increase in pain. Further work characterizing the hemodynamic effects of different stimulus waveforms is needed to inform future research into possible neuromodulation therapies for ischemic disease.

Introduction: Diabetes Mellitus is a metabolic disorder that affects a person’s ability to either produce insulin (Type I diabetes mellitus) or properly use insulin (Type II diabetes mellitus) in order to maintain adequate blood glucose levels. The most severe diabetic complications arise due to hyperglycemia – a state of extremely high blood glucose levels – such as, coronary artery disease (CAD), in which coronary stent therapy is a popular method of treatment. However, research has shown a high rate of in-stent restenosis in diabetic patients with CAD, most likely due to activation of cellular adhesion molecules on endothelial cells exposed to the hyperglycemic environment. Blood vessel mimics (BVMs) have been researched as viable options for in vitro studies on vascular stents; thus, it would be beneficial to create an in vitro diabetic BVM for stent manufactures to evaluate and determine the root cause of the high failure rate of stents in the diabetic population. In addition, a diabetic BVM would help manufactures optimize coatings or stent configurations for diabetic patients. Methods: The purpose of this thesis was to take the initial steps towards the goal of a diabetic BVM. The first aim was to establish a procedure of developing glycemic cell media solutions of various glucose concentrations, and to establish a feasible method of monitoring the glucose concentration of the solutions. Glycemic cell media solutions were developed and their glucose concentrations were evaluated with a blood glucose meter (specifically, the Aviva Accu-Chek blood glucose meter) or visual blood glucose test strips (Glucoflex R visual blood glucose test strips). The second aim was to ensure that the developed glycemic cell media solutions could be monitored in a cell culture environment over time, and to determine if the hyperglycemic conditions induced any change to endothelial cells. Bovine aortic endothelial cells (BAECs) and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were used to evaluate glucose consumption and cell morphology. Glucose concentration of the cell media was recorded to evaluate glucose consumption, and the cells were evaluated under a microscope in order to determine cell morphology and an increase in cell death. Results & Conclusions: Data accumulated from the first set of experiments confirmed that glycemic cell media solutions can be developed by adding Sigma G6512 D-(+)-glucose to base cell media. Additionally, the Aviva Accu-Chek blood glucose meter recorded the most accurate and precise glucose concentrations of the various glycemic cell media solutions compared to the Glucoflex-R blood glucose visual test strips. Lastly, the series of experiments with BAECs and HUVECs confirmed that the glycemic cell media solutions could be effectively monitored over time, and that these conditions evoked higher glucose consumption by the endothelial cells compared to the normal glycemic cell media solutions. Additionally, neither glycemic environment evoked significant cell death. These results met the aims of this thesis, and therefore provide the foundation for further development of a diabetic BVM.

Coronary artery disease affects millions of people and the ability to detect and treat the disease is advancing at a rapid rate. As a result, the development of intravascular technologies is the focus of many medical device manufacturers. Specifically, coronary stent implantation is being performed in an increasing number of patients and a number of new stent designs have been introduced to the market, resulting in the need for improved preclinical testing methods. An in vitro tissue engineered “blood vessel mimic” (BVM) system has previously been established and its feasibility for the initial testing of newly emerging intravascular technology has been demonstrated. There are limitations that exist with this original design, however, and the focus of this thesis was to both improve and expand upon the original model. Therefore, research was conducted based on two specific aims. The first aim was to develop a more ideal BVM system to accommodate a wider range of stent lengths and diameters, while allowing for easy graft insertion and seal-ability. The second aim was to develop next generation BVM systems,focused on future needs and technology, such as long, angulated and bifurcated geometries. The work described in this thesis demonstrates that a BVM chamber can be created which has the advantages of easy graft insertion and seal-ability, as well as the ability to accommodate varying sizes of vessel scaffolds, all while maintaining the needs of a tissue engineering bioreactor system. The next generation BVM systems presented demonstrate that the BVM concept can be expanded to meet the needs of long, angulated and bifurcated geometries. Overall, the work in this thesis describes the design and optimization of an in vitro blood vessel mimic bioreactor system for the evaluation of intravascular devices, specifically coronary stents, in simple and complex vessel geometries.

Hyperspectral imaging (HSI) in abdominal surgery is a new non-invasive tool for the assessment of the perfusion and oxygenation of various tissues and organs. Its benefit in pancreatic surgery is still unknown. The aim of this study was to evaluate the key impact of using HSI during pancreatoduodenectomy (PD). In total, 20 consecutive patients were included. HSI was recorded during surgery as part of a pilot study approved by the local Ethics Committee. Data were collected prospectively with the TIVITA® Tissue System. Intraoperative HS images were recorded before and after gastroduodenal artery (GDA) clamping. We detected four patients with celiac artery stenosis (CAS) caused by a median arcuate ligament (MAL). In two of these patients, a reduction in liver oxygenation (StO2) was discovered 15 and 30 min after GDA clamping. The MAL was divided in these patients. HSI showed an improvement of liver StO2 after MAL division (from 61% to 73%) in one of these two patients. There was no obvious decrease in liver StO2 in the other two patients with CAS. HSI, as a non-invasive procedure, could be helpful in evaluating liver and gastric perfusion during PD, which might assist surgeons in choosing the best surgical approach and in improving patients’ outcomes.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24835号 / 医博第5003号 / 新制||医||1068(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 浅野, 雅秀, 教授 柳田, 素子, 教授 近藤, 玄 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Seit drei Jahrzehnten eröffnet die elektrische Stimulation des Nervus vagus (N. X) neue Möglichkeiten in der Therapie chronischer Erkrankungen wie Epilepsie oder rheumatoider Arthritis. Hierfür erfolgt die chirurgische Implantation einer Elektrode am cervicalen Anteil des N. X. Therapeutische Nebenwirkungen treten bei zwei von drei Patienten auf (Giordano et al. 2017), während bei einem Viertel der behandelten Patienten kein therapeutischer Nutzen messbar ist (Englot et al. 2011). Ultraschall wird zur Beurteilung der Morphologie und zur Messung der Nervenquerschnittsflächen des N. X eingesetzt. Bis heute ist jedoch unklar, wie präzise der Ultraschall den N. X im Kontext der Stimulationstherapie beschreiben kann. Ziel dieser Arbeit war es daher, die im Ultraschall ermittelte Nervenquerschnittsfläche des N. X kritisch im Hinblick auf ihre Bedeutung für die klinische Stimulationstherapie zu beurteilen. Die Abformung mit Epineurium des N. X mit zeichnungsscharfen dentalen Abformmaterialien ermittelt Messwerte, die der Nervenquerschnittsfläche im klinischen Kontext am ehesten entsprechen (Reid 1990; Spuck et al. 2010; Giordano et al. 2017; González et al. 2019; Patil et al. 2001). Bei 12 nativen Körperspendern wurde deshalb die Nervenquerschnittsfläche des N. X im Ultraschall und in der Histologie dargestellt und mit Messwerten aus einer manuellen Abformung des Nervs verglichen. Die Kombination dreier Methoden zur Ermittlung der Nervenquerschnittsfläche des N. X stellt einen neuen und bisher nicht praktizierten Untersuchungsansatz dar und ist Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit. Die Nervenquerschnittsfläche des N. X im Ultraschall war kleiner als in der Abformung mit Epineurium und in der Histologie (1,5±0,4 vs. 3,1±0,9 vs. 2,3±0,7 mm2). Die Berücksichtigung des Epineuriums ergab signifikante Unterschiede in der gemessenen Nervenquerschnittsfläche. Die Messung der Nervenquerschnittsfläche des N. X im Ultraschall führte zu einer systematischen Unterschätzung, während die Ultraschallmessung mit Epineurium zu einer systematischen Überschätzung der Querschnittsfläche im Vergleich zur Messung in der Abformung mit Epineurium führte. Der Ultraschall ist somit wahrscheinlich keine geeignete Messmethode zur präoperativen Einschätzung der Nervenquerschnittsfläche des N. X. In der klinischen Praxis könnte durch eine zu kleine Elektrode die Gefäßversorgung des N. X unterbrochen und die folgende Hypoxie mit partialer axonaler Degeneration die häufig auftretenden Nebenwirkungen erklären. Stimmbandlähmungen wurden in diesem Kontext bereits als Folge der resultierenden Hypoxie beschrieben (Robinson und Winston 2015; Révész et al. 2016). Eine zu große Elektrode könnte in einer insuffizienten Überleitung elektrischer Impulse von der Elektrode auf den Nerv resultieren und erklären, weshalb die Stimulationstherapie bei einigen Patienten keine messbare Wirkung entfaltet. Die Magnetresonanztomographie (MRT) bildet möglicherweise eine Alternative in der Darstellung der Nervenquerschnittsfläche des N. X zum Ultraschall. Zukünftige Arbeiten könnten die Nervenquerschnittsfläche des N. X in der MRT mit Messergebnissen aus einer mechanischen Abformung mit Epineurium vergleichen, um Aussagen über die Anwendung der MRT zur präoperativen Einschätzung der Nervenquerschnittsfläche des N. X treffen zu können. Die Nervenquerschnittsfläche des N. X ist abhängig von der Körperseite (rechts signifikant größer als links). Ursächlich sind wahrscheinlich die Innervationsgebiete des N. X, die sich ebenfalls in Abhängigkeit der Körperseite unterscheiden und seitenspezifische Effekte in der Stimulationstherapie hervorrufen (Howland 2014). Der Body-Mass-Index korreliert signifikant mit der Nervenquerschnittsfläche des N. X und beeinflusst den Anteil des Epineuriums und den Anteil der Axone an der gesamten Nervenquerschnittsfläche. Die Nervenquerschnittsfläche des N. X steht in enger Verbindung mit dem Alter der Probanden. Ursächlich könnten die axonale Degeneration oder die an Häufigkeit zunehmenden pathologischen Prozesse mit steigendem Alter sein. Limitiert werden die Ergebnisse dieser Arbeit durch die geringe Fallzahl und die spezifische Altersgruppe (ø 88,4±8,5 Jahre) der Körperspender. Während der Ultraschall die Nervenquerschnittsfläche des N. X in corpore bestimmt, misst die Methode Abformung mit Epineurium die Struktur nach Verletzung der nervalen Integrität. Abschließend handelt es sich bei der histologischen Untersuchung um eine in vitro Messung.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Klinische Bedeutung der Stimulationstherapie 3 1.2.1 Wirkungsweise der Nervenstimulation für ausgewählte Erkrankungen 3 1.2.2 Implantationsmethodik 5 1.3 Embryologie 6 1.3.1 Entwicklung des N. vagus 6 1.3.2 Entwicklung der Vagina carotica 8 1.4 Morphologie 8 1.4.1 Verlauf des N. X innerhalb der Vagina carotica 8 1.4.2 Relative Position des N. X in der Vagina carotica 10 1.4.3 Durchmesser und NQF des N. X 10 1.4.4 Vaskularisation des N. X 14 1.4.5 Qualitäten und Innervationsgebiete des N. vagus 16 2. Material und Methoden 17 2.1 Untersuchungsmaterial 17 2.2 Das Körperspendewesen des Instituts für Anatomie der Universität Leipzig 19 2.3 Übersicht über den Versuchsaufbau 19 2.3.1 Versuchsprotokoll 21 2.4 Ultraschalluntersuchung 22 2.4.1 Vorbereitungen des Schallgerätes 22 2.4.2 Darstellung des N. X 22 2.4.3 Digitale Dokumentation der NQF 26 2.4.4 Messung der NQF mittels der Software ImageJ 26 2.4.5 Bestimmung der morphologischen Zusammensetzung des N. X 30 2.4.6 Bestimmung der Position des N. X 30 2.4.7 Bestimmung der Nervenform 30 2.5 Makroskopische Präparation des N. X 33 2.6 Die Abformung mit Epineurium des N. X 37 2.6.1 Digitalisierung und Messung der NQF mittels der Software ImageJ 39 2.7 Die histologische Untersuchung des N. X 40 2.7.1 Probenentnahme 40 2.7.2 Fixierung mit Paraformaldehyd 40 2.7.3 Einbettung der Gewebeprobe 40 2.7.4 Herstellung der Gewebeschnitte 43 2.7.5 Färbung der histologischen Schnitte 44 2.7.6 Mikroskopische Untersuchung und digitale Analyse 46 2.8 Literaturrecherche 48 2.9 Statistische Auswertung 49 3. Ergebnisse 52 3.1 Ultraschall, Abformung, Histologie – Gibt es Unterschiede in der ermittelten NQF? 52 3.1.1 Unterschiede zwischen der NQF im Ultraschall und in der Abformung 56 3.1.2 Korrekturfaktor 57 3.1.3 Das Epineurium im Ultraschall – eine Messmethode Abseits der Norm 59 3.1.4 Welchen Einfluss hat die Fixierung des N. X mit Paraformaldehyd? 61 3.2 Morphologische Beobachtungen zum N. vagus 62 3.2.1 Ist die Querschnittsfläche des N. X abhängig von der Körperseite? 63 3.2.2 Ist der N. X eine kreisrunde Struktur? 64 3.2.3 Vaskularisation und Nervenfaszikel 67 3.2.4 Die Position des N. X im Halsbereich 68 3.2.5 Welchen Einfluss hat der BMI auf die Morphologie des N. X? 70 3.2.6 Die Veränderung des N. X im Alter 71 3.3 Wie variabel ist die NQF des N. X? 73 3.4 Die Konsistenz der Bestimmung der NQF – Intraklassen-Koeffizient 73 4. Diskussion 76 4.1 Warum treten signifikante Unterschiede zwischen Ultraschall, Abformung mit Epineurium und Histologie auf? 76 4.1.1 Welche Rolle hat das Epineurium in der Bestimmung der NQF? 77 4.1.2 Ist die Fehleinschätzung der NQF des N. X eine mögliche Ursache für Nebenwirkung bei der Stimulationstherapie? 77 4.1.3 Können Ultraschallmessungen zur NQF des N. X korrigiert werden? 79 4.1.4 Die NQF im Ultraschall in Referenz zur Literatur 79 4.1.5 Alternative bildgebende Verfahren zur Darstellung der NQF des N. X 81 4.2 Die NQF des N. X ist auf der rechten Körperseite größer als links 81 4.3 Einfluss des BMI auf die morphologische Zusammensetzung der NQF des N. X 83 4.4 Der Einfluss des Alters auf die NQF des N. X 84 5. Zusammenfassung 86 6. Literaturverzeichnis 88 7. Abbildungsverzeichnis 95 8. Tabellenverzeichnis 98 9. Anlagen 99 9.1 Ausführliche Informationen zu allen untersuchten Körperspendern 99 10. Eigenständigkeitserklärung 100 11. Lebenslauf 101 12. Publikation 102 13. Danksagung 103

In this thesis, a comprehensive understanding of supervised machine learning algorithms, namely Logistic Regression, Support Vector Machine, Random Forest, and Ensemble Stacking, is performed. This research also extends and further explores different feature selection techniques: correlation analysis, chi-squared, mutual information classification, and Recursive Feature Elimination (RFE). Then, a practical application in the context of coronary artery disease prediction was conducted to apply and analyze models' performance with different feature selection methods on various measures of accuracy, F1 score, and confusion matrix. The outcomes of this experimentation reveal that among models developed, Logistic Regression with chi-squared feature selection is a robust and reliable predictive model, achieving an accuracy of 87.65%. This research advances the understanding of machine learning algorithms and feature selection techniques, with practical implications for reliable prediction of coronary artery disease.

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