Hintergrund Durch die Entwicklung neuer in vivo Bildgebungsmethoden, z.B. der Computertomographie (CT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), konnte in den letzten Jahren das Verständnis über die Pathophysiologie des akuten Lungenversagens (acute respiratory distress syndrome, ARDS) maßgeblich verbessert werden. So zeigten PET/CT-Messungen, dass beim ARDS pathophysiologische Veränderungen von Lungenbelüftung und -durchblutung zu einer Störung des Gasaustausches beitragen. Die deshalb erforderliche mechanische Beatmung kann allerdings zu einer weiteren Schädigung der Lunge führen (ventilator induced lung injury, VILI). Bisher konnten weder die exakten pathophysiologischen Mechanismen des ARDS noch der potentiell schädigende Einfluss der mechanischen Beatmung vollständig geklärt werden. Fragestellung In dieser Doktorarbeit wurden PET/CT-Bildgebungstechniken für die Quantifizierung der pulmonalen Belüftung, neutrophilischen Inflammation und Perfusion im experimentellen Modell des ARDS verwendet. Hierfür wurden zwei Substudien durchgeführt. Ziel der ersten Substudie war es, in einem tierexperimentellen Modell des ARDS den relativen Einfluss der beiden wesentlichen Mechanismen von VILI, das zyklische Öffnen und Schließen von Alveolen (Atelektrauma) und die alveoläre Überdehnung (Volutrauma), auf die pro-inflammatorische Antwort der Lunge zu untersuchen. Die zweite Substudie hatte das Ziel, die Anwendung von Fluoreszenz-markierten Mikrosphären für Messungen der pulmonalen Perfusionsverteilung in akut geschädigten Lungen zu validieren. Es sollte geprüft werden, ob ex vivo Messungen mittels Fluoreszenz-markierten Mikrosphären alternativ zu in vivo PET/CT-Messungen mittels Gallium-68 (68Ga)-markierten Mikrosphären im experimentellen Modell das ARDS herangezogen werden können. Material und Methoden Es wurden zwei Substudien in analgosedierten, intubierten und mechanisch beatmeten Schweinen durchgeführt. Die Induktion des ARDS erfolgte durch repetitives, bronchoalveoläres Lavagieren mit isotonischer Kochsalzlösung. In der ersten Substudie erfolgten Untersuchungen an 10 Tieren. Nach Rekrutierung beider Lungen wurde eine absteigende Titration des positiven, end-exspiratorischen Drucks (positive end-expiratory pressure, PEEP) durchgeführt. Es folgte eine randomisierte Zuordnung der Versuchstiere zu einer vierstündigen Beatmungstherapie der linken, VILI Lunge zur Induktion eines Atelektraumas oder Volutraumas. In beiden Versuchsgruppen wurde ein vergleichbares Tidalvolumen von 3 ml/kg Körpergewicht appliziert. Zur Induktion von Volutrauma wurde ein hoher PEEP gewählt (2 cmH2O oberhalb des Levels, an dem sich die dynamische Compliance während der PEEP-Titration um mehr als 5 % erhöht). Zur Induktion von Atelektrauma wurde ein niedriger PEEP appliziert (PEEP, bei dem eine mit Volutrauma vergleichbare Atemwegsdruckdifferenz (Differenz aus Spitzendruck und PEEP) auftritt). In der rechten Lunge, welche als Kontrolllunge diente, wurde ein kontinuierlicher, positiver Atemwegsdruck von 20 cmH2O aufrechterhalten. Der Gasaustausch, insbesondere die Eliminierung von Kohlenstoffdioxid, wurde extrakorporal unterstützt. Nach vierstündiger Beatmung der linken, VILI Lunge erfolgte die Bildgebung. Für die Quantifizierung von Ausmaß und regionaler Verteilung der pulmonalen Inflammation wurde 2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose (18F-FDG) intravenös injiziert und die Aktivität mittels dynamischen PET/CT-Aufnahmen erfasst. Die Erfassung der Lungenperfusion erfolgte mittels intravenös injizierten, 68Ga-markierten Mikrosphären und statischen PET/CT-Aufnahmen. Anschließende CT-Aufnahmen während Atemmanövern am Ende der Inspiration, Exspiration und am mittleren Atemvolumen dienten der Bestimmung von Lungenbelüftung, zyklischer Überdehnung und Rekrutierung. In der zweiten Substudie wurde in 7 Schweinen die Perfusion der linken und rechten Lunge untersucht (n = 14 Lungen). Nach jeweils einstündiger mechanischer Beatmung mittels zweiphasigem, positivem Beatmungsdruck überlagert mit einem Anteil an Spontanatmung am Minutenvolumen von 0 % oder > 60 % wurden Fluoreszenzmarkierte und 68Ga-markierte Mikrosphären intravenös injiziert. Unmittelbar im Anschluss erfolgten PET/CT-Messungen der Verteilung der 68Ga-markierten Mikrosphären. Für die Analyse der Verteilung der Fluoreszenz-markierten Mikrosphären wurden die Lungen am Versuchsende entnommen, getrocknet, in Würfel gesägt und die emittierende Fluoreszenz sowie das Gewicht jedes Würfels gemessen. Die in vivo PET-Aktivitätsmessungen wurden auf die mittels CT bestimmte Lungenmasse normalisiert (QRM). Die QRM-Daten wurden auf die Auflösung der Fluoreszenzmessungen herunterskaliert (QRM,downscaled). Die Analyse der ex vivo Fluoreszenzmessungen erfolgte durch Normalisierung auf die Masse der Lungenwürfel (QFM,Mass), auf deren Volumen (QFM,Volume) und auf Würfelmasse und -volumen (QFM,Mass,Volume). Die Auflösung und die äußeren Konturen der Lungen wurden zwischen ex vivo und in vivo Messungen verglichen. Lineare Regressionen von Perfusion und axialer Verteilung jedes Lungenvolumenelementes dienten der Bestimmung von Perfusionsgradienten entlang der ventro-dorsalen und kranio-kaudalen Achse. Die Anstiege der Regressionsgeraden wurden zwischen den Messmethoden verglichen. Für jede Lunge wurde die globale und regionale Perfusionsheterogenität bestimmt und zwischen den Messmethoden verglichen. Ergebnisse In der ersten Substudie verdeutlichten PET/CT-Messungen, dass, trotz vergleichbarer Perfusion, Volutrauma im Vergleich zu Atelektrauma zu einer höheren spezifischen Aufnahme von 18F-FDG in den beatmeten, VILI Lungen führte. Dieser Effekt trat hauptsächlich in zentralen Lungenregionen auf. Weiterhin führte Volutrauma, aber nicht Atelektrauma, zu einer höheren spezifischen 18F-FDG-Aufnahme in den beatmeten, VILI Lungen im Vergleich zu den nicht-ventilierten Kontrolllungen. CT-Aufnahmen verdeutlichten, dass Atelektrauma einen höheren Anteil an nicht belüfteten Lungenkompartimenten und mehr zyklische Rekrutierung zur Folge hatte. Volutrauma bedingte hingegen höhere Anteile an überblähten und normal belüfteten Lungenarealen und mehr zyklische Überdehnung. Die Atemwegsdruckdifferenzen waren anfänglich zwischen den Gruppen vergleichbar, stiegen im Verlauf bei Atelektrauma, aber nicht bei Volutrauma, an. In der zweiten Substudie verdeutlichten sowohl ex vivo QFM,Volume-Messungen, als auch in vivo QRM-Messungen die Existenz von Perfusionsgradienten entlang der ventrodorsalen und kranio-kaudalen Achsen, trotzdem QFM-Messungen eine 21-fach geringere Auflösung aufwiesen und die erforderliche Lungenentnahme und -trocknung eine Lungendeformation bedingte. Beide Messverfahren zeigten stärkere Perfusionen dorsaler und kaudaler im Vergleich zu ventraler und kranialer Lungenareale. Im Vergleich zu QRM,downscaled-Messungen wiesen QRM-Messungen höhere globale Perfusionsheterogenitäten auf. Verglichen mit QRM,downscaled-Messungen wiesen sowohl QFM,Volume-Messungen, als auch QFM,Mass,Volume-Messungen vergleichbare regionale Perfusionsheterogenitäten auf. Schlussfolgerungen In der ersten Substudie führte Volutrauma im Vergleich zu Atelektrauma, trotz vergleichbarem Tidalvolumen, geringerer Atemwegsdruckdifferenz und vergleichbarer Perfusion, zu einer höheren pulmonalen Inflammation. Dies deutet darauf hin, dass in diesem Modell des ARDS die mit Volutrauma assoziierten hohen statischen Drücke im Vergleich zu dynamischen Einflüssen die schädlicheren Mechanismen von VILI sind. Die zweite Substudie verdeutlichte, dass ex vivo Messungen der Verteilung von Fluoreszenz-markierten Mikrosphären bei Volumennormalisierung, trotz geringerer Auflösung und auftretenden Lungendeformationen, vergleichbare Messergebnisse hinsichtlich der Existenz und des Ausmaßes von Lungengradienten mit in vivo PET/CTMessungen aufzeigen. Eine Anpassung der Auflösung der in vivo Perfusionsmessungen an die der ex vivo Messungen verringerte sowohl die globale, als auch die regionale Perfusionsheterogenität. Bei gleicher Auflösung zeigten ex vivo QFM,Volume-Messungen vergleichbare globale und regionale Perfusionsheterogenitäten wie in vivo Messungen. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass für die Quantifizierung von pulmonalen Perfusionsgradienten ex vivo QFM,Volume-Messungen alternativ zu in vivo PET/CTMessungen durchgeführt werden können.

Der ischämische Schlaganfall ist ein ernstzunehmendes Ereignis, welches rascher Rekanalisationstherapie bedarf. Hierfür stehen mehrere Therapieansätze zur Verfügung. Bildgebungsgestützte Patientenselektion zur individuell geeigneten Therapie kann das abschließende klinische Behandlungsergebnis des einzelnen Patienten maßgeblich verbessern. Der Alberta Stroke Program Early CT Score (ASPECTS), eine einfach und schnell anwendbare 10-Punkte-Skala zur Auswertung von Schädel-CT-Untersuchungen, wurde bereits als hilfreicher Prädiktor für das klinische Behandlungsergebnis nach erfolgreicher thrombolytischer Therapie identifiziert. Ein Nachteil der nativen Schädel-CT ist, dass der Infarktkern erst mit mehreren Stunden Verzögerung erkennbar wird. Das aktuelle Ausmaß des Infarktkerns kann durch Bestimmung des zerebralen Blutvolumens (CBV) anhand von Perfusions-CT-Untersuchungen schneller ermittelt werden.  Diese Studie analysiert retrospektiv multimodale CT-Bildgebung einer Patientenkohorte von 51 Patienten mit akutem ischämischen Schlaganfall aufgrund eines Verschlusses im M1-Segment der Arteria cerebri media bezüglich des Behandlungsergebnisses nach endovaskulärer Therapie. Die CT-Daten wurden mit kommerzieller Computersoftware nachverarbeitet. Zwei erfahrene Neuroradiologen werteten getrennt voneinander Nativ- und Perfusions-CT-Daten mithilfe des ASPECTS aus. Die Befunde der Patientengruppe mit schlechtem klinischen Behandlungsergebnis wurden mit denen der Gruppe mit gutem Ergebnis verglichen. Variablen, welche statistisch signifikante Unterschiede aufwiesen, wurden daraufhin untersucht. Zwischen den Ergebnissen der Rekanalisationstherapie, den Zeitintervallen oder den nativen CT-ASPECTS-Ergebnissen beider Gruppen bestand kein signifikanter Unterschied. Signifikant unterschieden sich die Gruppen im Hinblick auf das Patientenalter. Die übrigen Basischarakteristika der beiden Patientengruppen unterschieden sich nicht signifikant. Es ergaben sich weiterhin signifikante Unterschiede im Bezug auf den ASPECTS für zerebralen Blutfluss (CBF-ASPECTS) und die Differenz zwischen ASPECTS für zerebrales Blutvolumen (CBV-ASPECTS) und CBF-ASPECTS [Δ(CBV - CBF)-ASPECTS]. Für CBV-ASPECTS > 7 konnte die höchste Sensitivität (84 %) und Spezifität (79 %) zur Voraussage eines guten klinischen Behandlungsergebnisses ermittelt werden.  Diese Studie zeigt, dass durch ASPECTS ausgewertete CT-Perfusionsparameter eine optimale Voraussagekraft für das klinische Behandlungsergebnis nach erfolgreicher Rekanalisationstherapie besitzen und diese sensitiver und spezifischer als der native CT-ASPECTS sind. Der ASPECTS erlaubt einen einfachen und schnellen quantitativen Überblick über die tatsächliche aktuelle Situation des einzelnen Patienten. Die Berücksichtigung dieser Parameter bei Therapieentscheidungen könnte helfen, Patienten der geeigneten Therapie zuzuführen und die Anzahl vergeblicher Rekanalisationsbehandlungen zu reduzieren.

Techniques for conditional gene or protein expression are important tools in developmental biology and in the analysis of physiology and disease. On the protein level, the tunable and reversible expression of proteins can be achieved by the fusion of the protein of interest to a destabilizing domain (DD). In the absence of its specific ligand (Shield-1), the protein is degraded by the proteasome. The DD-Shield system has proven to be an excellent tool to regulate the expression of proteins of interests in mammalian systems but has not been applied in teleosts like the medaka. We present the application of the DD-Shield technique in transgenic medaka and show the ubiquitous conditional expression throughout life. Shield-1 administration to the water leads to concentration-dependent induction of a YFP reporter gene in various organs and in spermatogonia at the cellular level.

The vasomotor axon reflex can be evoked in peripheral epidermal nociceptive C-fibers to induce local vasodilation. This neurogenic flare response is a measure of C-fiber functional integrity and therefore shows impairment in patients with small fiber neuropathy. Laser Doppler flowmetry (LDF) and laser Doppler imaging (LDI) are both techniques to analyze vasomotor small fiber function by quantifying the integrity of the vasomotor-mediated axon reflex. While LDF assesses the flare response following acetylcholine iontophoresis with temporal resolution at a single defined skin point, LDI records flare responses with spatial and temporal resolution, generating a two-dimensional map of superficial blood flow. LDF is characterized by a high intra- and interindividual measurement variability, which is smaller in LDI due to its spatial resolution. Nevertheless, LDI still lacks standardized methods for image analysis. Consequently, use of the technique currently remains on an experimental level. Here, we sought to review the current literature on laser Doppler assessment of vasomotor function and discuss potential future applications of established techniques as well as those that are still experimental.

As dental caries is one of the most common diseases, the early and noninvasive detection of carious lesions plays an important role in public health care. Optical coherence tomography (OCT) with its ability of depth-resolved, high-resolution, noninvasive, fast imaging has been previously recognized as a promising tool in dentistry. Additionally, polarization sensitive imaging provides quantitative measures on the birefringent tissue properties and can be utilized for imaging dental tissue, especially enamel and dentin. By imaging three exemplary tooth samples ex vivo with proximal white spot, brown spot, and cavity, we show that the combination of polarization sensitive OCT and the degree of polarization uniformity (DOPU) algorithm is a promising approach for the detection of proximal carious lesions due to the depolarization contrast of demineralized tissue. Furthermore, we investigate different sizes of the DOPU evaluation kernel on the resulting contrast and conclude a suitable value for this application. We propose that DOPU provides an easy to interpret image representation and appropriate contrast for possible future screening applications in early caries diagnostics.

The common way to diagnose hard and soft tissue irregularities in the oral cavity is initially the visual inspection by an experienced dentist followed by further medical examinations, such as radiological imaging and/or histopathological investigation. For the diagnosis of oral hard and soft tissues, the detection of early transformations is mostly hampered by poor visual access, low specificity of the diagnosis techniques, and/or limited feasibility of frequent screenings. Therefore, optical noninvasive diagnosis of oral tissue is promising to improve the accuracy of oral screening. Considering this demand, a rigid handheld endoscopic scanner was developed for optical coherence tomography (OCT). The novelty is the usage of a commercially near-infrared endoscope with fitting optics in combination with an established spectral-domain OCT system of our workgroup. By reaching a high spatial resolution, in vivo images of anterior and especially posterior dental and mucosal tissues were obtained from the oral cavity of two volunteers. The convincing image quality of the endoscopic OCT device is particularly obvious for the imaging of different regions of the human soft palate with highly scattering fibrous layer and capillary network within the lamina propria.

Purpose: To investigate if apparent diffusion coefficient (ADC) values within primary central nervous system lymphoma correlate with cellularity and proliferative activity in corresponding histological samples. Materials and Methods: Echo-planar diffusion-weighted magnetic resonance images obtained from 21 patients with primary central nervous system lymphoma were reviewed retrospectively. Regions of interest were drawn on ADC maps corresponding to the contrast enhancing parts of the tumors. Biopsies from all 21 patients were histologically analyzed. Nuclei count, total nuclei area and average nuclei area were measured. The proliferation index was estimated as Ki-67 positive nuclei divided by total number of nuclei. Correlations of ADC values and histopathologic parameters were determined statistically. Results: Ki-67 staining revealed a statistically significant correlation with ADCmin (r = -0.454, p = 0.038), ADCmean (r = -0.546, p = 0.010) and ADCmax (r = -0.515, p = 0.017). Furthermore, ADCmean correlated in a statistically significant manner with total nucleic area (r = -0.500, p = 0.021). Conclusion: Low ADCmin, ADCmean and ADCmax values reflect a high proliferative activity of primary cental nervous system lymphoma. Low ADCmean values—in concordance with several previously published studies—indicate an increased cellularity within the tumor.

A new dual-boron-cored luminogen ligated with a nitrogen-containing multidentate ligand and four bulky phenyl rings was readily synthesized. The unique molecular structure endows this BN-containing luminogen with rich photophysical properties in either solution or in the solid state, including a large Stokes shift, aggregation induced emission activity and reversible piezochromism. Furthermore, this BN-containing luminogen exhibits good capabilities for imaging living cells and sensing of fluoride anions.

The collagen telopeptides play an important role for lysyl oxidase-mediated crosslinking, a process which is deregulated during tumour progression. The DEKS motif which is located within the N-terminal telopeptide of the α1 chain of type I collagen has been suggested to adopt a βI-turn conformation upon docking to its triple-helical receptor domain, which seems to be critical for lysyl oxidase-catalysed deamination and subsequent crosslinking by Schiff-base formation. Herein, the design and synthesis of cyclic peptides which constrain the DEKS sequence in a β-turn conformation will be described. Lysine-side chain attachment to 2-chlorotrityl chloride-modified polystyrene resin followed by microwave-assisted solid-phase peptide synthesis and on-resin cyclisation allowed for an efficient access to head-to-tail cyclised DEKS-derived cyclic penta- and hexapeptides. An Nε-(4-fluorobenzoyl)lysine residue was included in the cyclopeptides to allow their potential radiolabelling with fluorine-18 for PET imaging of lysyl oxidase. Conformational analysis by ¹H NMR and chiroptical (electronic and vibrational CD) spectroscopy together with MD simulations demonstrated that the concomitant incorporation of a D-proline and an additional lysine for potential radiolabel attachment accounts for a reliable induction of the desired βI-turn structure in the DEKS motif in both DMSO and water as solvents. The stabilised conformation of the cyclohexapeptide is further reflected by its resistance to trypsin-mediated degradation. In addition, the deaminated analogue containing allysine in place of lysine has been synthesised via the corresponding ε-hydroxynorleucine containing cyclohexapeptide. Both ε-hydroxynorleucine and allysine containing cyclic hexapeptides have been subjected to conformational analysis in the same manner as the lysine-based parent structure. Thus, both a conformationally restricted lysyl oxidase substrate and product have been synthetically accessed, which will enable their potential use for molecular imaging of these important enzymes.

Die hyperspektrale Bildgebung stellt eine Schlüsseltechnologie in der nicht-invasiven Mineralanalyse dar, sei es im Labormaßstab oder als fernerkundliche Methode. Rasante Entwicklungen im Sensordesign und in der Computertechnik hinsichtlich Miniaturisierung, Bildauflösung und Datenqualität ermöglichen neue Einsatzgebiete in der Erkundung mineralischer Rohstoffe, wie die drohnen-gestützte Datenaufnahme oder digitale Aufschluss- und Bohrkernkartierung. Allgemeingültige Datenverarbeitungsroutinen fehlen jedoch meist und erschweren die Etablierung dieser vielversprechenden Ansätze. Besondere Herausforderungen bestehen hinsichtlich notwendiger radiometrischer und geometrischer Datenkorrekturen, der räumlichen Georeferenzierung sowie der Integration mit anderen Datenquellen. Die vorliegende Arbeit beschreibt innovative Arbeitsabläufe zur Lösung dieser Problemstellungen und demonstriert die Wichtigkeit der einzelnen Schritte. Sie zeigt das Potenzial entsprechend prozessierter spektraler Bilddaten für komplexe Aufgaben in Mineralexploration und Geowissenschaften. / Hyperspectral imaging (HSI) is one of the key technologies in current non-invasive material analysis. Recent developments in sensor design and computer technology allow the acquisition and processing of high spectral and spatial resolution datasets. In contrast to active spectroscopic approaches such as X-ray fluorescence or laser-induced breakdown spectroscopy, passive hyperspectral reflectance measurements in the visible and infrared parts of the electromagnetic spectrum are considered rapid, non-destructive, and safe. Compared to true color or multi-spectral imagery, a much larger range and even small compositional changes of substances can be differentiated and analyzed. Applications of hyperspectral reflectance imaging can be found in a wide range of scientific and industrial fields, especially when physically inaccessible or sensitive samples and processes need to be analyzed. In geosciences, this method offers a possibility to obtain spatially continuous compositional information of samples, outcrops, or regions that might be otherwise inaccessible or too large, dangerous, or environmentally valuable for a traditional exploration at reasonable expenditure. Depending on the spectral range and resolution of the deployed sensor, HSI can provide information about the distribution of rock-forming and alteration minerals, specific chemical compounds and ions. Traditional operational applications comprise space-, airborne, and lab-scale measurements with a usually (near-)nadir viewing angle. The diversity of available sensors, in particular the ongoing miniaturization, enables their usage from a wide range of distances and viewing angles on a large variety of platforms. Many recent approaches focus on the application of hyperspectral sensors in an intermediate to close sensor-target distance (one to several hundred meters) between airborne and lab-scale, usually implying exceptional acquisition parameters. These comprise unusual viewing angles as for the imaging of vertical targets, specific geometric and radiometric distortions associated with the deployment of small moving platforms such as unmanned aerial systems (UAS), or extreme size and complexity of data created by large imaging campaigns. Accurate geometric and radiometric data corrections using established methods is often not possible. Another important challenge results from the overall variety of spatial scales, sensors, and viewing angles, which often impedes a combined interpretation of datasets, such as in a 2D geographic information system (GIS). Recent studies mostly referred to work with at least partly uncorrected data that is not able to set the results in a meaningful spatial context. These major unsolved challenges of hyperspectral imaging in mineral exploration initiated the motivation for this work. The core aim is the development of tools that bridge data acquisition and interpretation, by providing full image processing workflows from the acquisition of raw data in the field or lab, to fully corrected, validated and spatially registered at-target reflectance datasets, which are valuable for subsequent spectral analysis, image classification, or fusion in different operational environments at multiple scales. I focus on promising emerging HSI approaches, i.e.: (1) the use of lightweight UAS platforms, (2) mapping of inaccessible vertical outcrops, sometimes at up to several kilometers distance, (3) multi-sensor integration for versatile sample analysis in the near-field or lab-scale, and (4) the combination of reflectance HSI with other spectroscopic methods such as photoluminescence (PL) spectroscopy for the characterization of valuable elements in low-grade ores. In each topic, the state of the art is analyzed, tailored workflows are developed to meet key challenges and the potential of the resulting dataset is showcased on prominent mineral exploration related examples. Combined in a Python toolbox, the developed workflows aim to be versatile in regard to utilized sensors and desired applications.