Matrix assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI MS) and the corresponding visualization technique MALDI MS Imaging (MSI) have emerged as important analytical tools in biochemical sciences, e.g., for drug development or to trace the metabolomic changes in cancerous tissues. Initially developed for the detection of high molecular weight compounds (HMWC; M > 1000 Da), in recent years the reliable and reproducible detection of low molecular weight compounds (LMWC; M < 1000 Da) has gained high attention, e.g., in the research fields of metabolomics and lipidomics. By using a protective matrix, the MALDI technique is capable of soft ionization of analytes to prevent their fragmentation or degradation. This matrix is responsible for the spatial separation of the analyte molecules, their protection from the strong laser shots, and their ionization. Commonly used matrices are small organic matrices (SOMs; M < 500 Da), which are utilized in HMWC analytics and recently also in LMWC analytics since they show sufficient absorption of the laser radiation, high crystallinity, and good ionization efficiency. However, their utilization can cause several drawbacks: (i) High background interferences below m/z = 1000 (not MALDI silent), which is disadvantageous specifically for LMWC analytics; (ii) low vacuum stability, which is especially problematic for standard instruments operated under high vacuum (HV); (iii) challenging homogeneous thin-layer coating, potentially causing inconsistent measurement conditions; and (iv) usually no suitability for dual polarity mode experiments, i.e., carrying out positive and negative mode measurements with the same matrix. Polymeric materials are promising candidates for MALDI silent matrices, as the large variety of possible molecular layouts potentially allows to meet all prerequisites of a MALDI matrix: (a) Sufficient ultra-violet (UV) laser radiation absorption, implemented by introducing conjugated π-electron systems in the polymer backbone or side chains; (b) high ionization efficiency, enhanced by adding acidic and/or basic functional groups to the polymer’s molecular structure, potentially also allowing dual polarity mode measurements; (c) MALDI silence, enabled by the high molar mass of the polymer chains; (d) high vacuum stability, also granted by the polymer’s molar mass; and (e) homogeneous thin-films, achieved by multiple available coating methods. Yet, despite their high potential only a handful of polymeric matrices were reported in literature and so far, investigations to develop conscious design strategies are missing. The target of this thesis is to contribute to the field of MALDI silent matrices by developing and investigating different polymers as macromolecular MALDI MS and MSI matrices for LMWC analytics. Therefore, two different strategies were explored: (i) Investigating conjugated polymers, and (ii) polymerizing SOMs. For the first strategy, five conjugated polymers were tested as MALDI matrices for the detection of various LMWCs. Among these, four were found to be excellent matrices, with sufficient ionization efficiencies and rare dual polarity mode suitability and allowed LMWC detection with low background interferences (MALDI silent). A high crystallinity of the matrix (SOM) is reported to be crucial to ensure successful measurements, yet conjugated polymer matrices (CPMs) are semi-crystalline, i.e., they contain crystalline and amorphous domains. Hence, the analytes are expected to be incorporated in the crystalline domains of the CPMs, depending on their degree of crystallization. Therefore, two amorphous CPMs were synthesized and tested, showing similar matrix performances (e.g., ionization efficiencies, dual polarity mode, MALDI silence) as a structurally related semi-crystalline CPM. This indicates that the analytes are incorporated in the amorphous parts of the CPM. The second strategy towards polymeric matrices (PMs) is the polymerization of standard SOMs. As the matrix performance of the corresponding SOMs is known, the performance of the respective polymerized SOMs (P(SOMs)) can be validated against this benchmark. At the same time, polymerization can induce the properties needed to enable efficient LMWC analytics. Therefore, two standard SOMs were modified and polymerized, resulting in P(SOMs), which were vacuum stable and MALDI silent, and showed similar optical properties, analyte scopes and ionization efficiencies in benchmark tests with their respective SOMs. For the fast and facile comparison of the matrix performances of PMs and standard matrices, the graphing software OriginPro was used to visualize, process, and evaluate the acquired mass spectra. To automatize these tasks, a script was programmed using the OriginPro-native programming languages LabTalk and OriginC: X Functions.

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Background To investigate vascular-related pathophysiological characteristics of two human lung cancers with modifiable vascularisation using MRI and CT. Methods Tumour xenografts with modifiable vascularisation were established in 71 rats (approval by the Animal Care Committee was obtained) by subcutaneous transplantation of two human non-small-cell lung cancer (NSCLC) cells (A549, H1299) either alone or co-transplanted with vascular growth promoters. The vascularity of the tumours was assessed noninvasively by MRI diffusion-weighted-imaging (DWI), T2-weighted, and time-of-flight (TOF) sequences) as well as contrast-enhanced CT (CE-CT), using clinical scanners. As a reference standard, histological examinations (CD-31, fluorescent beads) were done after explantation. Results Microvessel density (MVD) was higher in co-transplanted tumours (171 ± 19 number/mm2) than in non-co-transplanted tumours (111 ± 11 number/mm2; p = 0.002). Co-transplanted tumours showed higher growth rates and larger tumour vessels at TOF-MRI as well as larger necrotic areas at CE-CT. In co-transplanted tumours, DWI revealed higher cellularity (lower minimal ADCdiff 166 ± 15 versus 346 ± 27 mm2/s × 10−6; p < 0.001), highly necrotic areas (higher maximal ADCdiff 1695 ± 65 versus 1320 ± 59 mm2/s × 10−6; p < 0.001), and better-perfused tumour stroma (higher ADCperf 723 ± 36 versus 636 ± 51 mm2/s × 10−6; p = 0.005). Significant correlations were found using qualitative and quantitative parameters: maximal ADCperf and MVD (r = 0.326); maximal ADCdiff and relative necrotic volume on CE-CT (r = 0.551); minimal ADCdiff and MVD (r = −0.395). Conclusions Pathophysiological differences related to vascular supply in two human lung cancer cell lines with modifiable vascularity are quantifiable with clinical imaging techniques. Imaging parameters of vascularisation correlated with the results of histology. DWI was able to characterise both the extent of necrosis and the level of perfusion.

Background To investigate vascular-related pathophysiological characteristics of two human lung cancers with modifiable vascularisation using MRI and CT. Methods Tumour xenografts with modifiable vascularisation were established in 71 rats (approval by the Animal Care Committee was obtained) by subcutaneous transplantation of two human non-small-cell lung cancer (NSCLC) cells (A549, H1299) either alone or co-transplanted with vascular growth promoters. The vascularity of the tumours was assessed noninvasively by MRI diffusion-weighted-imaging (DWI), T2-weighted, and time-of-flight (TOF) sequences) as well as contrast-enhanced CT (CE-CT), using clinical scanners. As a reference standard, histological examinations (CD-31, fluorescent beads) were done after explantation. Results Microvessel density (MVD) was higher in co-transplanted tumours (171 ± 19 number/mm2) than in non-co-transplanted tumours (111 ± 11 number/mm2; p = 0.002). Co-transplanted tumours showed higher growth rates and larger tumour vessels at TOF-MRI as well as larger necrotic areas at CE-CT. In co-transplanted tumours, DWI revealed higher cellularity (lower minimal ADCdiff 166 ± 15 versus 346 ± 27 mm2/s × 10−6; p < 0.001), highly necrotic areas (higher maximal ADCdiff 1695 ± 65 versus 1320 ± 59 mm2/s × 10−6; p < 0.001), and better-perfused tumour stroma (higher ADCperf 723 ± 36 versus 636 ± 51 mm2/s × 10−6; p = 0.005). Significant correlations were found using qualitative and quantitative parameters: maximal ADCperf and MVD (r = 0.326); maximal ADCdiff and relative necrotic volume on CE-CT (r = 0.551); minimal ADCdiff and MVD (r = −0.395). Conclusions Pathophysiological differences related to vascular supply in two human lung cancer cell lines with modifiable vascularity are quantifiable with clinical imaging techniques. Imaging parameters of vascularisation correlated with the results of histology. DWI was able to characterise both the extent of necrosis and the level of perfusion.

A major goal in biological imaging is to visualize interactions of different tissues, often fluorescently labeled, during dynamic processes. Only a few of these labels fit into the available spectral range without overlap, but can be separated computationally if the full spectrum of every single pixel is known. In medical imaging, hyperspectral techniques show promise to identify different tissue types without any staining. Yet, microscopists still commonly acquire spectral information either with filters, thus integrating over a few broad bands only, or point-wise, dispersing the spectra onto a multichannel detector, which is inherently slow. Light sheet fluorescence microscopy (LSFM) and optical projection tomography (OPT) are two techniques to acquire 3D microscopic data fast, photon-efficiently and gently on the specimen. LSFM works in fluorescence mode and OPT in transmission. Both are based on a fast widefield detection scheme where a 2D detector records the spatial information but leaves no room to acquire dispersed spectra. Hyperspectral imaging had not yet been demonstrated for either technique. In this work, I developed a line-scanning hyperspectral LSFM and an excitation scanning OPT to acquire 5D data (3D spatial, 1D temporal, 1D spectral) and optimized the performance of both setups to minimize acquisition times without sacrificing image contrast, spatial or spectral information. I implemented and assessed different evaluation pipelines to classify and unmix relevant features. I demonstrate the efficiency of my workflow by acquiring up to five fluorescent markers and the autofluorescence in \\zf and fruit fly embryos on my hyperspectral LSFM. I extracted both concentration maps and spectra for each of these fluorophores from the multidimensional data. The same methods were applied to investigate the transmission data from my spectral OPT, where I found evidence that OPT image formation is governed by refraction, whereas scattering and absorption only play a minor role. Furthermore, I have implemented a robust, educational LSFM on which laymen have explored the working principles of modern microscopies. This eduSPIM has been on display in the Technische Sammlungen Dresden for one year during the UNESCO international year of light. / Ein wichtiges Ziel biologischer Bildgebung ist die Visualisierung des Zusammenspiels von verschiedenen, meist fluoreszent markierten, Geweben bei dynamischen Prozessen. Nur wenige dieser Farbstoffe passen ohne Überlapp in das zur Verfügung stehende Spektrum. Sie können jedoch rechnerisch getrennt werden, wenn das gesamte Spektrum jedes Pixels bekannt ist. In medizinischen Anwendungen versprechen hyperspektrale Techniken, verschiedene Gewebetypen markierungsfrei zu identifizieren. Dennoch ist es in der Mikroskopie noch immer üblich, spektrale Information entweder mit Filtern über breiten Bändern zu integrieren, oder Punktspektren mithilfe von Dispersion zu trennen und auf einem Multikanaldetektor aufzunehmen, was inhärent langsam ist. Light Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM) und Optical Projection Tomography (OPT) nehmen 3D Mikroskopiedaten schnell, photoneneffizient und sanft für die Probe auf. LSFM arbeitet mit Fluoreszenz, OPT in Transmission. Beide basieren auf schneller Weitfelddetektion, wobei die räumliche Information mit einem 2D Detektor aufgenommen wird, der keinen Raum lässt, um die getrennten Spektren zu messen. Hyperspektrale Bildgebung wurde bis jetzt für keine der zwei Techniken gezeigt. Ich habe ein hyperspektrales LSFM mit Linienabtastung und ein OPT mit Wellenlängenabtastung entwickelt, um 5D Daten (3D räumlich, 1D zeitlich, 1D spektral) aufzunehmen. Beide Aufbauten wurden hinsichtlich minimaler Aufnahmezeit optimiert, ohne dabei Kontrast, räumliche oder spektrale Auflösung zu opfern. Ich habe verschiedene Abläufe zum Klassifizieren und Trennen der Hauptkomponenten implementiert. Ich nehme bis zu fünf Fluorophore und Autofluoreszenz in Zebrafisch- und Fruchtfliegenembryos mit dem hyperspektralen LSFM auf und zeige die Effizienz des gesamten Ablaufes, indem ich Spektren und räumliche Verteilung aller Marker extrahiere. Die Transmissionsdaten des spektralen OPT werden mit denselben Methoden untersucht. Ich konnte belegen, dass die Bildformation im OPT massgeblich von Brechung bestimmt ist, und Streuung und Absorption nur einen geringen Beitrag leisten. Außerdem habe ich ein robustes, didaktisches LSFM gebaut, damit Laien die Funktionsweise moderner Mikroskopie erkunden können. Dieses eduSPIM war ein Jahr lang in den Technischen Sammlungen Dresden ausgestellt.

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

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Isolierte Molekülcluster können durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie von Überschallexpansionen untersucht werden. Es wird gezeigt, wie Multischlitzdüsen verschiedener Geometrien sowohl zur Aufklärung des Strukturverhaltens von Wasseraggregaten bei thermischer Anregung als auch zur Erzeugung von Mischclustern bei gleichzeitiger Unterdrückung von Isotopenaustauschreaktionen eingesetzt werden können. Zusätzlich wurde ein Aufbau zur chemischen Bildgebung von Expansionen entwickelt und zur ortsaufgelösten Visualisierung von Aggregationsprozessen sowie Dichte- und Temperaturentwicklungen verwendet.

In der vorliegenden Arbeit wird der Hypothalamus, eine kleine, aber bedeutsame Struktur des Zwischenhirns untersucht. Er spielt unter anderem eine Rolle bei der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus, des Sexualverhaltens, der Stimmungslage, autonomer und Stoffwechsel-Funktionen. Veränderungen einzelner oder mehrerer spezifischer Kerngruppen sind bei neuropsychiatrischen bzw. -endokrinologischen Erkrankungen, wie Narkolepsie, Schizophrenie, affektiver Störung, Demenz, Borderline-Persönlichkeitsstörung, Pädophilie oder Adipositas zu beobachten. Die Substrukturierung und Darstellung der einzelnen Kerngruppen gelang bisher nur in Postmortem-Studien. Im Rahmen dieser Studie konnte mit Hilfe der Diffusions-Tensor-Bildgebung erstmals eine in-vivo Substrukturierung des Hypothalamus konsistent bei zehn gesunden Probanden vorgenommen werden. Dabei wurden nach einem Algorithmus zunächst die Segmentierung und anschließend die Parzellierung durchgeführt, woraus sich drei konsistente Cluster ergaben. Der topografische Vergleich der erhaltenen Cluster mit Postmortem-Studien der Literatur ergab vergleichbare und anatomisch plausible Korrelate. Mit der von uns entwickelten Methode könnten anhand einer größeren Patientengruppe pathophysiologische Zusammenhänge neuropsychiatrischer und –endokrinologischer Störungen genauer eruiert werden und zu einem besseren Verständnis des Krankheitsverlaufs und der Therapie beitragen.:1 Einleitung 1.1 Topographie und Funktion des Hypothalamus 1.2 MRT- Kartierung des Hypothalamus 1.3 Diffusions-Tensor- Bildgebung 1.3.1 Diffusionsellipsoid 1.3.2 Fraktionelle Anisotropie 1.3.3 Clusteranalyse 1.3.4 k-means- Clusteralgorithmus 1.4 Pathomorphologische Veränderungen des Hypothalamus bei neuropsychiatrischen Erkrankungen 1.4.1 Narkolepsie 1.4.2 Schizophrenie 1.4.3 Affektive Störung 1.4.4 Demenz 1.4.5 Borderline- Persönlichkeitsstörung 1.4.6 Pädophilie 1.4.7 Adipositas 1.4.8 Zusammenfassung 2 Fragestellung: Ist eine Subpartialisierung des Hypothalamus in-vivo mit struktureller Bildgebung möglich? 3 Material und Methoden 3.1 Probanden 3.2 Bilderfassung und -bearbeitung 3.3 Segementierung des Hypothalamus - Definition der ROI`s („region of interest“) 3.3.1 Präoptischer Hypothalamus 3.3.2 Anteriorer Hypothalamus 3.3.3 Tuberaler Hypothalamus 3.3.4 Posteriorer Hypothalamus, Mamillarkörperchen 3.4 Parzellierung und Clusteranalyse 4 Ergebnisse: Mit qualitativen Analysen konnte gezeigt werden, dass eine Subpartialisierung des Hypothalamus möglich ist. 4.1 Segmentierung des Hypothalamus 4.2 Substrukturen/Cluster 5 Diskussion der Ergebnisse 5.1 Neuroanatomie des Hypothalamus 5.1.1 Kerngruppen des Hypothalamus 5.1.2 Faserverbindungen des Hypothalamus 5.1.3 Zusammenfassung der Faserverbindungen der Kerngruppen 5.2 Interpretation der einzelnen Cluster 5.2.1 Anteriore Substruktur 5.2.2 Posteromediale Substruktur 5.2.3 Laterale Substruktur 5.3 Topografische Beziehung der drei Cluster untereinander 5.3.1 Ähnlichkeiten der Cluster der zehn Probanden 5.3.2 Unterschiede der Cluster der zehn Probanden 5.4 Verbesserung der Hypothalamusmaske 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis

Research in the last decades has shown that individuals with high degrees in the personality trait of alexithymia not only have difficulties in identifying and recognizing own feelings, but also show deficits in reading emotions from facial expressions of other people. Therefore, the current dissertation investigates the neural correlates of recognizing emotional facial expressions as a function of alexithymia. Initially, a theoretical introduction is given and existing findings from behavioral as well as structural and functional neuroimaging research are presented. Open questions are identified and addressed in one structural and two functional magnetic resonance imaging studies that were compiled into three original research articles. Study 1 examined the gray matter profile of high and low alexithymic individuals in selected brain regions relevant for processing emotional faces. In Study 2, functional neuroimaging was used to investigate the neural correlates of high alexithymic individuals\'' difficulties in labeling briefly presented (≤ 100 ms) facial expressions of emotion. Study 3 investigated neural activations as a function of alexithymia during the labeling of emotional facial expressions when these are presented with little temporal constraints (≥ 1 s). The results of these studies are summarized and integrated with the existing literature. Finally, open issues are discussed and ideas for further research are outlined.