Systemische Inflammation (SIRS) und Sepsis sind bekannte postoperative Komplikationen nach kardiochirurgischen Eingriffen. Bei 77,1 % der untersuchten 3653 kardiochirurgischen Patienten bestanden am ersten postoperativen Tag definierte Symptome eines SIRS. Nur 20 % dieser Patienten entwickelten ein prolongiertes SIRS über mindestens die ersten 72 Stunden postoperativ und 4,4 % eine Sepsis im weiteren primären intensivmedizinischen Verlauf. Aus der Patientengruppe mit prolongiertem SIRS entwickelten immerhin 21,8 % eine Sepsis. Die 564 Patienten mit prolongiertem SIRS waren durch eine signifikant (p< 0,001) verlängerte Beatmungs- und Behandlungsdauer auf der Intensivstation (ICU), eine erhöhte Krankenhausliegedauer sowie eine um den Faktor 10 signifikant erhöhte ICU- und Krankenhausmortalität im Vergleich zu Patienten ohne prolongiertes SIRS gekennzeichnet. Die 135 Patienten mit einer Sepsis während ihrer primären postoperativen intensivstationären Behandlung hatten eine deutlich erhöhte intensivstationäre Mortalität von 40,7 % gegenüber 1,6 % bei Patienten ohne Sepsis. Die Patienten mit prolongiertem SIRS (15,4 % der Gesamtpopulation) benötigten insgesamt 52,9 % der Bettentage und 57,7 % der Gesamtkosten der intensiv-medizinischen Behandlung. Die septischen Patienten (3,7 %) verursachten alleine 24,6 % der intensivstationären Behandlungstage sowie 28,7 % der Gesamtkosten. Die fünf Variablen weibliches Geschlecht, das Auftreten definierter intraoperativer Komplikationen, ein APACHE II- Score > 17 bei Aufnahme auf der Intensivstation, der postoperative Bedarf von mehr als einem Inotropikum sowie das Vorhandensein von definierten, therapiebedürftigen metabolischen Störungen innerhalb der ersten 24 Stunden postoperativ diskriminierten in Bezug auf das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein der Zielvariablen prolongiertes SIRS (> 3 Tage ) mehr als 88 % der Patienten richtig. Jeweils über 96 % der Patienten konnten durch die aus diesen Variablen entwickelten Regressionsgleichungen richtig zugeordnet werden bezüglich des Auftretens oder Nicht-Auftretens einer Sepsis bzw. eines letalen Ausgangs. Das intern validierten Modell für die Zielvariable prolongiertes SIRS (> 3 Tage) erreichte eine hohe Spezifität von über 97 % bei einer Sensitivität von 39 %. Die vorliegenden Regressionsgleichungen ermöglichen es somit, am Patientengut dieser Institution prospektiv Patienten mit erhöhtem Risiko auf ein prolongiertes SIRS bzw. eine Sepsis mit hoher Spezifität zu selektionieren. / The development of a systemic inflammatory response syndrome (SIRS) and sepsis are well known complications after cardiac surgery. In the present study, 77.1 % of the 3653 cardiac surgical patients developed SIRS or SIRS-like symptoms on the first postoperative day. Only 20 % of these patients, however, showed a prolonged SIRS during the first 3 postoperative days. 4.4 % of all patients had septic complications during their stay on the intensive care unit (ICU). However, 21.8 % of the patients with prolonged SIRS developed sepsis. The identified 564 patients with prolonged SIRS showed a significantly (p < 0.001) increased duration of mechanical ventilation, ICU- and hospital treatment, respectively. Their ICU- and hospital mortality was tenfold higher than in patients without prolonged SIRS. The ICU-mortality of 135 septic patients was 40.7 % in contrast to 1.6 % in patients without sepsis. Patients with prolonged SIRS (15.4 % of the study population) accounted for 52.9 % of the bed days on ICU and for 57.7 % of the total costs. Septic patients (3.7 % of the study population) required 24.6 % of the bed days and 28.7 % of the total costs during their ICU-stay. The use of 5 variables including female gender, defined intraoperative complications, an APACHE II- Score of > 17 on ICU-admission, the use of more than one inotrope postoperatively, and the treatment of defined metabolical disorders identified 88 % of the patients with prolonged SIRS (> 3 days) correctly during the first 24 hours postoperativly. The resulting predictive models identified more than 96 % of the patients with sepsis or lethal outcome correctly. The internal validation of the predictive model for prolonged SIRS (> 3 days) demonstrated a specifity of 97 % and a sensitivity of 39 %. Therefore, the early identification of patients at risk for the development of prolonged SIRS or sepsis in our institution seems to be possible using multiple logistic regression of these predictive models.

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir verschiedene Aspekte von Herzrhythmen, von einzelnen Zellen bis zu den gesamten menschlichen Vorhöfen. Das Hauptprojekt ist die Entwicklung eines realistischen und effizienten Modells für die Erregungsausbreitung in den menschlichen Vorhöfen. Im ersten Kapitel untersuchen wir stimulierte Herzellen und den Verlust vom 1:1-Rhythmus für steigende Frequenzen. Weiter untersuchen wir Wellenausbreitung in Gewebe mit besonderen elektrophysiologischen Eigenschaften, die mit chronischen Erkrankungen der Vorhöfe in Verbindung stehen. Dann wenden wir uns Ionenmodellen zu, die ein zentraler Teil des Vorhofmodells sind. Wir untersuchen die Auswirkungen einer Verletzung der Ladungserhaltung, die in allen Ionenmodellen vorliegt, die die Konzentrationen der Ionen als Variablen enthalten, und erklären, warum diese Auswirkungen meist vernachlässigbar sind. Wir entwickeln weiter eine Methode, Ionenmodelle zu vereinfachen und dabei ihre für die Wellenausbreitung wichtigen Eigenschaften nur minimal zu verändern. Diese Methode wenden wir auf ein realistisches Ionenmodell für menschliches Vorhofgewebe an und kombinieren es mit anatomischen Daten, um das gewünschte realistische Vorhofmodell zu erhalten. Schließlich benutzen wir dieses Modell, um mögliche Mechanismen der Enstehung von Herzrhythmusstörungen zu untersuchen. / In this thesis, we study heart rhythms at different levels, from single cells to the entire human atria. The main project of this thesis is the development of a realistic and efficient model of wave propagation in the human atria. We start by studying paced single cells and their loss of 1:1 rhythmicity for increasing frequency. We go on to study wave propagation in tissue with special electrophysiologic properties, related to chronical disease of the atria. Then we treat ionic models, which are a central part of our atrial model. We discuss a recently discovered mathematical degeneracy present in all models of cardiac cells that include intracellular ion concentrations and we explain why this degeneracy has only a negligible effect on wave propagation. We develop a method to reduce the complexity of ionic models while closely retaining their wave propagation properties. Then we apply this method to a realistic ionic model of the human atria and combine it with anatomical data to get the desired model. We use this model to explore possible mechanisms for the genesis of arrhythmias.

In der vorliegenden Arbeit wurden einige Aspekte der Angiogenese unter besonderer Berücksichtigung des Wachstumsfaktors Angiogenin untersucht. In der Sektion I der Arbeit wird ein standardisiertes Tiermodell in der Ratte vorgestellt, das die Wirkung angiogenetischer Faktoren zur Stimulierung der Angiogenese in ischämischen Geweben quantitativ erfaßt. Damit wurde ein in vivo Modell geschaffen, das die quantitative Beurteilung der therapeutischen Effekte von lokal applizierten Wachstumsfaktoren zur indirekten Revaskularisation ischämischer Gewebe erlaubt. Bereits 1,9 ng des Wachstumsfaktors Angiogenin, lokal appliziert, stimulierten 07 Tage nach Ischämieinduktion die Angiogenese signifikant. Gesamtgefäßanzahl und Kapillaren pro mm 2 waren nach Angiogeningabe signifikant höher. Langzeitbeobachtungen bis 70 Tage nach Ischämieinduktion zeigten, daß die Regulation der Angiogenese einer gedämpften sinusförmigen Schwingung entspricht, deren Amplitude und Frequenz durch Angiogeninapplikation im Vergleich zu den Kontrollen deutlich gesteigert wurde. Dieser Trend ließ sich abgeschwächt auch bei alleiniger lokaler Applikation von Collagen I ohne Gabe eines Wachstumsfaktors nachweisen. Bei dem Vergleich der Dosis-Wirkungsbeziehung von Angiogenin und basischem Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF) erwies sich Angiogenin zur Stimulation der indirekten Revaskularisation 2,5-mal potenter. 10 ng Angiogenin stimulierten signifikant die Angiogenese 07 Tage nach Applikation. 250 ng bFGF und 100 ng Angiogenin stimulierten jeweils hoch signifikant die Gefäßneubildung. Der initiale angiogenetische Effekt von bFGF und Angiogenin beruht auf der Neubildung haupt-sächlich von Kapillaren. In der Sektion II wird eine Methode zur Beschichtung kleinkalibriger Gefäßprothesen mit Wachstumsfaktoren beschrieben und ein Tiermodell in White New Zealand Kaninchen zur Testung der Offenheitsrate der Gefäßprothesen in vivo vorgestellt. Die "patency rate" der im-plantierten 5 cm langen und im Durchmesser 2 mm messenden PTFE-Prothesen war auch mit angiogenetischer Beschichtung für klinische Zwecke nicht ausreichend. Offenheitsraten von 24 Stunden wurden mit der kombinierten angiogenetischen Beschichtung der Prothesen mit 1 µg bFGF und 285 µg Angiogenin erreicht. Alle anderen Beschichtungen zeigten eine wesentlich kürzere Offenheitsrate. Prothesen mit alleiniger Angiogeninbeschichtung (285 µg) blieben 8 Stunden offen. Prothesen mit alleiniger Beschichtung mit bFGF (1 µg) waren bereits nach 6 Stunden verschlossen. Die schlechteste Offenheitsrate mit nur 2 Stunden bzw. nur 1 Stunde wiesen die nur mit Heparin (100 E) bzw. nur mit Gelatine beschichteten Prothesen auf. Die Verwendung des Matrixfaktors Gelatine als Träger der Angiogenesefaktoren zur Beschichtung der Prothesen war aufgrund seiner hohen Thrombogenität hauptsächlich für die schlechte Offenheitsrate verantwortlich. In der Sektion III wird eine Methode zur Herstellung modifizierten Angiogenins vorgestellt. Durch Phosphorylierung der Aminosäure Serin im Angiogeninmolekül durch Proteinkinase C, ließ sich ein weniger kationisches Angiogenin in vitro herstellen, daß im alkalischen Milieu (bei pH 8) instabil war. Mit der Phosphorylierung durch Proteinkinase C ließen sich Phosphorylie-rungsraten für Angiogenin von bis zu 49 % erzielen. Höhere Phosphorylierungs-raten wurden mit der Proteinkinase C bei der Phosphorylierung von Histon V S mit über 50 % und von bFGF mit 84 % erzielt. Die spezifische Aktivität der Proteinkinase C betrug 2,7 µmol/min/mg bei Histon V S als Substrat. Die Michaelis-Konstanten wurden für Angiogenin mit km = 50 µM, für bFGF mit km = 3,3 µM und für Histon V S mit km = 10,0 µM be-stimmt. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit lag dabei für die Phosphorylierung von Angiogenin bei vmax = 120 pmol/min/mg, von bFGF bei vmax = 100 pmol/min/mg und von Histon V S bei vmax = 66,7 nmol/min/mg. Die im Abschnitt 3 formulierten Fragen 1 12 lassen sich zusammenfassend wie folgt beantworten: 1. Ist die Wirkung angiogenetischer Faktoren in einem standardisierten Tiermodell quantifizierbar? Ja. Das an männlichen Lewis Inzuchtratten standardisierte Tiermodell erlaubt die quantitative Untersuchung der angiogenetischen Potenz von Wachstumsfaktoren zur indirekten Revaskularisierung ischämischer Gewebe in vivo. 2. Welche Langzeitwirkung hat Angiogenin in vivo bei der Revaskularisierung ischämischer Gewebe im standardisierten Tiermodell? Die initiale Stimulation der Angiogenese 07 14 Tage nach Applikation von Angiogenin besteht in der Neubildung von Kapillaren. Im weiteren Verlauf tritt die Zunahme der Prä-kapillaren in den Vordergrund. 3. Über welchen Zeitraum lassen sich im standardisierten Tiermodell in vivo angiogenetische Effekte von lokal appliziertem Angiogenin nachweisen? 1,9 ng Angiogenin stimulierten die Angiogenese 07 Tage nach Applikation signifikant (p £ 0,05). Bis 70 Tage nach der Gabe von Angiogenin war im Vergleich zu den Kontrollen eine Stimulation der Angiogenese erkennbar. 4. Gibt es für die angiogenetische Wirkung von Angiogenin und bFGF in vivo eine Dosis-Wirkungsbeziehung? Ja. Im vorliegenden Tiermodell betrug die optimale Dosis zur Stimulation der Angiogenese für bFGF 250 ng. Für Angiogenin lag die optimale Dosis zwischen 10 und 100 ng. 5. Sind Angiogenin und bFGF in ihrer angiogenetischen Potenz gleich? Wenn nicht, worin unterscheiden sie sich? Angiogenin erwies sich als 2,5-mal stärker gefäßneubildend als bFGF im vorliegenden Tiermodell. Beide Wachstumsfaktoren stimulierten in optimaler Dosis die Angiogenese 07 Tage nach Ischämieinduktion hoch signifikant (P < 0,002). Der initiale Effekt beider Wachstumsfaktoren bestand in einer Stimulierung der Neubildung von Kapillaren. 6. Lassen sich die angiogenetische Wirkung von bFGF und Angiogenin zur indirekten Vaskularisierung nutzen? Die Anwendung von rekombinantem humanem Angiogenin und bFGF wies für beide Wachstumsfaktoren eine ausgeprägte Stimulation der indirekten Revaskularisation im verwendeten Tiermodell nach. Eine gleichartige, jedoch möglicherweise nicht gleich starke Reaktion ist bei der Anwendung dieser humanen Wachstumsfaktoren am Menschen zu er-warten. Ein Ausnutzen der angiogenetischen Potenz dieser Faktoren zur gezielten therapeutischen Stimulation der indirekten Revaskularisation beim Menschen, z. B. bei Durchblutungsstörungen des Herzens oder anderer Körperregionen erscheint sinnvoll und vielversprechend. 7. Sind angiogenetische Faktoren, insbesondere Angiogenin und bFGF allein oder in Kombination zur Verbesserung der Biokompatibilität schmallumiger synthetischer, nicht biologischer Gefäßprothesen geeignet? Bei insgesamt für klinische Zwecke noch unbefriedigender Offenheitsrate der angiogenetisch beschichteten PTFE-Prothesen mit einem Durchmesser von 2 mm war eindeutig zu erkennen, daß die Kombination von Angiogenin und bFGF der alleinigen Beschichtung mit nur einem Wachstumsfaktor oder nur mit Heparin überlegen ist. 8. Ist mit angiogenetisch beschichteten Gefäßprothesen eine Endothelialisierung der Prothese in vivo und in situ möglich? Die erzielten Resultate mit angiogenetisch beschichteten Gefäßprothesen ließen keine in vivo/in situ Endothelialisierung an den implantierten Prothesen aufgrund der schlechten Offenheitsrate von maximal 24 Stunden nachweisen. Weitere Untersuchungen mit weniger thrombogenen Matrixfaktoren in der Kombination auch mit anderen Wachstumsfaktoren werden sicher neue Erkenntnisse bringen. 9. Ist die Modifizierung des Angiogeninmoleküls durch Phosphorylierung mit Proteinkinase C in vitro möglich? Ja. Proteinkinase C war in einem optimierten Phosphorylierungsansatz unter Verwendung ihrer Stimulatoren Ca 2+ , Phosphatidylserin und Diolein in der Lage Angiogenin mit einer Effektivität von bis zu 50 % in vitro zu phosphorylieren. 10. Mit welchen Methoden läßt sich phosphoryliertes Angiogenin nachweisen? Mit der SDS-PAGE ist bei Verwendung von (g-32 P)ATP als Phosphatdonator der Phos-phorylierungsreaktion phosphoryliertes Angiogenin als 32 P-Angiogenin qualitativ und quantitativ nachweisbar. 11. Welche Methoden sind geeignet phosphoryliertes Angiogenin zu isolieren und zu reinigen? Zur Separation von niedermolekularen Verunreinigungen und von überschüssigem Phosphor sind für präparative Zwecke die SEPHADEX G25 Molekularsiebsäulenzentrifugation und die CENTRICON 10 Membranfilterzentrifugation geeignet. Mit der sauren Proteinfällung ließ sich am einfachsten die quantitative Bestimmung phosphorylierten Angiogenins durchführen. 12. Stellt die Phosphorylierung von Angiogenin durch PKC möglicherweise eine physiologische Reaktion in der Wirkungskette von Angiogenin dar? Zur Beantwortung dieser Frage sind weitere Versuche in vivo und in vitro erforderlich. Bisherige Hinweise auf die zentrale Funktion der Proteinkinase C in vielen intra/extra-zellulären Informationsübertragungsprozessen ("second messenger" Reaktionen und "signalling" Prozesse) führen aufgrund der guten Phosphorylierbarkeit von Angiogenin durch PKC zu der Vermutung, daß die Phosphorylierung von Angiogenin durch PKC auch in vivo eine Rolle spielt. Möglicherweise stellt die Phosphorylierung von Angiogenin im molekularen Wirkungsmechanismus von Angiogenin auf der zellulären Ebene z. B. bei der extra/intrazellulären Informationsübertragung, oder bei der Modifizierung der biologischen Aktivität, evtl. auch bei der Inaktivierung von Angiogenin eine zentrale Schlüsselreaktion dar. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, daß Angiogenin ein potenter Stimulator der indirekten Revaskularisierung in vivo ist und die Wirkung im standardisierten Tiermodell an der Ratte quantitativ untersucht werden kann. Die Offenheitsrate kleinkalibriger (Æ 2 mm) PTFE-Gefäßprothesen läßt sich im entwickelten Tiermodell an White New Zealand Kaninchen in vivo testen. Die angiogenetische Beschichtung der Prothesen mit dem Matrixfaktor Gelatine als Trägersubstanz der Angiogenesefaktoren und mit Heparin, Angiogenin und bFGF als Mitogenen zeigte keine für klinische Fragestellungen akzeptable Offenheitsrate. Mit der Phosphorylierung von Angiogenin durch Proteinkinase C in vitro unter Verwendung ihrer Stimulatoren Ca 2+ , Phospholipid und Diolein konnten Phosphorylierungsraten von bis zu 50 % erzielt werden. Mit phosphoryliertem Angiogenin steht nun ein weiterer molekular veränderter Wachstumsfaktor für Untersuchungen seiner biologischen Eigenschaften und der angiogenetischen Potenz in vivo und in vitro zur Verfügung. / The growth of new vessels is called angiogenesis. Special growth factors e.g. basic fibroblast growth factor (bFGF), vascular endothelial growth factor (VEGF) are potent stimulators of angiogenesis in vivo and in vitro. Angiogenin another angiogenic protein was isolated first by Fett et al. 1985 from human carcinoma cells. Part I: The effect of angiogenin to stimulate angiogenesis in ischemic hind legs of inbred male Lewis rats is described. In this new animal model ischemia was induced by the ligature of the femoral artery. To stimulate angiogenesis angiogenic proteins (bFGF, angiogenin) were locally applied and compared to untreated ischemic animals. Already 1.9 ng locally applied angiogenin significantly stimulated the growth of collaterals in ischemic rat hind legs which could be demonstrated already 7 days after the application of angiogenin. The best stimulation of angiogenesis was achieved by the local application of 100 ng angiogenin which was 2.5-fold more angiogenic than 250 ng bFGF in the ischemic rat legs. The angiogenic effect of angiogenin as well as of bFGF was dependent on the applied dose reaching an optimum concerning angiogenin between 10 and 100 ng and for bFGF at 250 ng. Part II: The patency of PTFE vascular grafts with different angiogenic luminal coatings was tested in an animal model. In White New Zealand rabbits the abdominal aorta was replaced by a 5 cm long PTFE vascular graft 2 mm in diameter. Angiogenin and bFGF luminal coated PTFE grafts were 24 hours patent. Angiogenin coated grafts were after 8 hours occluded by a small distal thrombus. bFGF coated grafts were occluded after 6 hours. Heparine coated grafts were totally occluded by a thrombus after only 2 hours and gelatine coated grafts were already occluded after 1 hour. Part III: Protein Kinase C (PKC) isolated from rat brain was able to phosphorylat angiogenin with an effiency reaching 49% using Ca2+, Phospholipids and Dioleins as stimulators of the reaction. Histone V S was phosphorylated to 50% and bFGF to 84% by the same PKC. The determined Michaelis-Menten- Factor was concerning angiogenin km = 50 µM, bFGF km = 3.3 µM and Histone V S km = 10 µM. The separation of phosphorylated angiogenin was possible with the method of Sephadex G25 molecular sieve centrifugation as well as with the Centricon 10 membran centrifugation. The presented results demonstrate that angiogenin is a potent angiogenic protein stimulating the formation of new collaterals which was quantitatively evaluated in a new standardized rat animal model. The stimulation of indirect revascularization by angiogenin may be of therapeutical value in the treatment of ischemic cardio-vascular diseases. The patency of PTFE vascular prostheses 2 mm in diameter can successfully be tested in an animal model in White New Zealand rabbits by replacing the abdominal aorta by a 5 cm long PTFE vascular graft. Testing variant angiogenic luminal coatings of these PTFE grafts showed that a combination of bFGF/angiogenin had the best patency. Phosphorylation of angiogenin with PKC in vitro was possible reaching an effiency of 49% by using the stimulators Ca2+, Phospholipids and Dioleins for the reaction. Phosphorylated angiogenin may be a valuable modified angiogenic protein to study its biological and angiogenic activity in vivo and in vitro and could be helpful in the evaluation of its cellular pathways and receptors. © Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

Im Fokus der Dissertation stand die Evaluierung molekularer Möglichkeiten zur Findung geeigneter Biomarker für das Prostatakarzinom (PCa). Zunächst wurde die epigenetische Promotormethylierung der Gene GSTP1, RARbeta2, APC und PITX2 im Hinblick eines möglichen Methylierungsfeldeffektes untersucht. Die RARβ2-Promotormethylierung konnte als potentieller Marker zur Tumorvorhersage im histologisch normal erscheinenden Gewebe bestimmt werden. GSTP1 zeigte eine äußerst spezifische Tumormethylierung, was dessen diagnostisches Potenzial unterstreicht. Die Methylierung korrelierte zudem mit pathologischen Parametern. Ein Screening im Array-Format identifizierte weitere Gene, deren Promotormethylierung diagnostisch interessant sein könnten. Des Weiteren wurden Genexpressionsanalysen angiogenetischer und Endothel-assoziierter Faktoren durchgeführt, deren diagnostische und prognostische Aussagekraft für das PCa ermittelt wurden. Dabei konnte für Caveolin-1 (CAV1) eine signifikante Herunterregulierung der mRNA-Menge im Tumor gezeigt werden. Die Bisulfit-Sequenzierung von sieben CpG-Dinukleotiden im CAV1-Promotor ergab zwischen Tumor- und tumorangrenzendem Gewebe differenzielle Methylierungsmuster, die zu einer verminderten CAV1-Transkription führen könnten. Zudem führte eine 5-Aza-2-desoxycytidin-Behandlung der CAV1-defizienten LNCaP-Zelllinie zur Reexpression. Weiterhin assoziierte CAV1 invers mit pathologischen Parametern und zeigte prognostische und diagnostische Relevanz. Immunhistologisch wurde CAV1 z.T. deutlich verringert in Endothelzellen und Fibroblasten des Tumors nachgewiesen. Ko-Kultivierungsversuche von HUVEC mit konditionierten Zellmedien ergaben z.T. signifikant reduzierte CAV1-Mengen in HUVEC. Die Ergebnisse zeigen, dass epigenetische Veränderungen wertvolle Informationen zur Diagnostik, Prognostik und Progression des PCa liefern. Zudem konnte CAV1 als potentieller Marker des PCa identifiziert werden. / The focus of the thesis was to evaluate molecular possibilities to find suitable biomarkers for prostate cancer (PCa). First, the epigenetic promoter methylation patterns of several genes (GSTP1, RARbeta2, APC and PITX2, respectively) were investigated for a possible methylation field effect. The RARbeta2 promoter methylation could be determined as a possible marker for tumor prediction in histologically normal-appearing tissue. GSTP1 showed a highly specific tumor methylation, underlining its diagnostic potential. The methylation also correlated with pathological parameters. Screening in an array format identified other genes whose promoter hypermethylation could be diagnostically interesting. Furthermore, gene expression analysis of angiogenic and endothelial-associated factors was performed to determine their diagnostic and prognostic potentials for PCa. For CAV1, a significant down-regulation of its mRNA level could be determined in the tumor. Bisulfite sequencing of seven CpG dinucleotides in the CAV1 promoter showed different methylation patterns between tumor and tumor adjacent tissue that could cause a reduced transcription. Furthermore, treatment of the CAV1-deficient LNCaP cell line with 5-aza-2-deoxycytidine led to CAV1 reexpression. Additionally, CAV1 inversely associated with pathological parameters and showed prognostic and diagnostic relevance. Immunohistochemical analysis clearly demonstrated decreases in CAV1 protein expression in endothelial cells and fibroblasts of the tumor. Conditioned media of cultivated tumor cells partly induced downregulation of the CAV1 protein level in HUVEC. The results show that epigenetic and angiogenic processes play crucial roles and provide valuable information for diagnosis, prognosis and progression of PCa. Moreover, CAV1 could be identified as a potential marker of prostate cancer.

Seit vielen Jahren werden Glukokortikoide routinemäßig eingesetzt, um Zeichen der inflammatorischen Reaktion nach kardiochirurgischen Eingriffen unter extrakorporaler Zirkulation (EKZ) zu mildern. Glukokortikoide sind jedoch für ihre immunsuppressiven Wirkungen bekannt, und bisher blieben die möglichen Auswirkungen auf immunologische Funktionen weitgehend hypothetisch. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, den Einfluss von Methylprednisolon (MP) und Tirilazad Mesylat (TM), einer antiinflammatorischen Substanz aus der Klasse der Aminosteroide auf immunologische Funktionen nach koronarchirurgischen Eingriffen mit EKZ zu untersuchen. 38 Patienten wurden randomisiert den Behandlungsgruppen Placebo (NaCl 0,9 %, n=13), MP (15 mg/ kg KG, n=12) und TM (10 mg/kg KG, n=13) zugeteilt. Die Verläufe der Plasmakonzentrationen von IL-6 und IL-10, der monozytären HLA-DR Expression und der ex vivo LPS-stimulierten TNF-alpha, IL-1RA, IFN-gamma und IL-12 Sekretion wurden bestimmt. Im Vergleich zu Placebo resultierte die Gabe von MP in geringeren postoperativen Plasmakonzentrationen von IL-6, aber einer deutlichen Erhöhung von IL-10. Die monozytäre HLA-DR Expression nahm postoperativ in allen Gruppen ab mit einer deutlichen Verstärkung durch MP. Die ex vivo stimulierte TNF-alpha Sekretion nahm postoperativ in allen Gruppen deutlich ab, ebenfalls mit einer deutlichen Verstärkung durch MP. Die IL-1RA Sekretion hingegen war zu keinem Zeitpunkt eingeschränkt. Die ex vivo stimulierte IFN-gamma und IL-12 war postoperativ in allen Gruppen stark vermindert ohne Einfluss einer medikamentösen Behandlung. Die Gabe von TM zeigte keinerlei Beeinflussung aller gemessenen Parameter im Vergleich zu Placebo. Nach koronarchirurgischen Eingriffen sind insbesondere monozytäre Funktionen stark eingeschränkt. Diese Suppression wird durch die Gabe von MP verstärkt, während die Gabe von TM nicht in einer zusätzlichen Immunsuppression resultiert. IL-10 scheint eine Schlüsselrolle bei der beobachteten monozytären Funktionseinschränkung einzunehmen. / Glucocorticoids have been routinely applied in cardiac surgery involving cardiopulmonary bypass (CPB) for many years in order to diminish inflammatory stress reactions. On the other hand glucocorticoids are well known for their immunosuppressive effects, and data on the consequences on immune function are scarce. Thus it was the aim of this trial to determine the influence of methylprednisolone (MP) and tirilazad mesylate (TM), an antiinflammatory drug of the class of aminosteroids, on immunological parameters after coronary surgery involving CPB. 38 patients were randomised to receive either placebo (NaCl 0.9 %, n=13), MP (15 mg/kg, n=12) or TM (10 mg/kg, n=13) treatment. Plasma concentrations of IL-6 and IL-10, monocyte surface expression of HLA-DR and the ex vivo endotoxin-stimulated secretion of TNF-alpha, IL-1RA, IFN-gamma und IL-12 were measured. Compared to placebo IL-6 concentrations were lower after MP treatment, whereas IL-10 levels were much higher. The rate of HLA-DR+-monocytes decreased in all groups with a significant aggravation by MP treatment. The ex vivo stimulated TNF-alpha secretion was postoperatively diminished in all groups, with again significantly lower values after MP treatment. IL-1RA secretion was not suppressed at any point. The ex vivo stimulated IFN-gamma and IL-12 secretion was strongly suppressed postoperatively regardless of the treatment. TM treatment resulted in no alterations of any parameter measured. It was demonstrated that especially monocyte functions are depressed after coronary surgery, and that MP treatment results in marked aggravation of this immunosuppression, whereas TM treatment shows no additional immunosuppressive effect. IL-10 seems to play a key role in the observed monocyte functional depression.

Alkoholabhängigkeit (AA) zeichnet sich durch einen starken Drang nach Alkoholkonsum trotz schwerwiegender negativer Folgen aus. Eine gängige Theorie aus der Suchtforschung besagt, dass AA mit einer Verlagerung von zielgerichteter zu habitueller Kontrolle einhergeht, durch welche Handlungen automatisiert ausgeführt werden und weitgehend unabhängig von ihren Folgen sind. Evidenzen hierfür stammen weitgehend aus experimentellen Untersuchungen an Tieren. Das Fachgebiet des maschinellen Lernens hat zudem neue Experimente hervorgebracht, welche die Anwendung von Algorithmen erlauben, um die Verlagerung von zielgerichtetem zu habituellen Verhalten zu untersuchen. Diese Paradigmen fanden bisher keine Anwendung in der Untersuchung von alkoholabhängigen Patienten. Daher widmet sich diese Dissertation der Untersuchung von habituellem und zielgerichtetem Verhalten bei AA aus unterschiedlichen Perspektiven. Hierfür adaptierten wir zunächst ein Paradigma aus der Tierliteratur, durch welches habituelles Verhalten als reizgesteuerte Kontrolle quantifiziert wird. Anschließend nutzten wir eine Aufgabe, die aus dem maschinellen Lernen stammt und die Untersuchung von habitueller und zielgerichteter Kontrolle ermöglicht. Drittens untersuchten wir den Zusammenhang des Verhaltens über beiden Paradigmen hinweg. Zuletzt untersuchten wir, ob habitueller und zielgerichteter Kontrolle mit dem Alkoholkonsum in jungen sozialen Trinkern assoziiert ist. Die Ergebnisse liefern weitere Hinweise auf eine Verlagerung von zielgerichteter zu habitueller Kontrolle bei AA. Das Verhalten in beiden Paradigmen war miteinander assoziiert, was darauf rückschließen lässt, dass ähnliche kognitive Mechanismen involviert sind. Soziale Trinker zeigten keine Verlagerung von zielgerichteter zu habituellem Verhalten, was darauf hin weist, dass jenes Ungleichgewicht erst im Verlauf der AA entsteht und kein Korrelat von Alkoholkonsum per se darstellt. / Alcohol dependence (AD) manifests as a strong drive to consume alcohol despite serious adverse consequences. A popular theory in addiction research thus suggests that AD is characterized by a shift from goal-directed to habitual control, where actions are automatic and disentangled from outcomes. Evidence for this has mainly been drawn from experimental investigations in animals. The field of machine learning has additionally advanced new experiments that allow the application of reinforcement learning algorithms to investigate a shift towards habits. Again, these tasks have yet not been applied to human AD. To fill this gap, this thesis investigates habitual at the expense of goal-directed control from distinct theoretical fields in AD patients. We adapted a paradigm from the animal literature, which quantifies habits as cue-induced control over behavior. Then, we applied an experimental procedure inspired from machine learning that allows to investigate the balance between habitual and goal-directed control. Third, we examined the relationship between behavior across these paradigms. Last, we investigated whether the imbalance between habitual and goal-directed control was associated with alcohol consumption in young social drinkers. Our results add further evidence that AD is associated with a shift from goal-directed to habitual control, e.g. increased cue-induced control / reductions in goal-directed decision-making. Behavior across both paradigms were associated with each other, suggesting the involvement of similar mechanisms. As non-pathological alcohol intake was not associated with an imbalance between goal-directed and habitual control, this imbalance might arise over the course of AD rather than being a trait marker of alcohol intake.

The majority of cancer research projects mainly focus on the epithelial cancer cell, while the role of the tumour stroma has been largely neglected. Conventional 2D techniques, such as well plates and other kinds of tissue culture plastic, and animal models are mainly used to broaden our understanding of how tumours arise, develop, and induce metastasis. However, there is accumulating evidence suggesting a tremendous impact of the non‐cancerous tumour stroma on carcinogenesis, while other publications illustrate the great importance of advanced 3D in vitro models for cancer research. The overall goal of this work was to investigate how cancer associated fibroblasts (CAFs; the most abundant component in the tumour stroma) and normal prostate fibroblasts (NPFs), isolated from patients diagnosed with aggressive forms of prostate cancer, contribute to angiogenesis, an important hallmark of cancer progression. For this purpose, a 3D in vitro angiogenesis co‐culture model was established. At first, two (semi‐) synthetic hydrogel platforms, gelatine methacrylate (GelMA) and star‐shaped (star)PEG‐heparin hydrogels were characterised and their physicochemical properties were compared with each other. Interestingly, GelMA gels shrank while starPEG‐heparin gels swelled in cell culture medium over the course of 24 hours. The cell concentration, in addition to the stiffness, was critical for the formation of endothelial networks, and the knowledge of swelling behaviour enabled the adjustment of initial cell density to ensure the density between both gel types was comparable. Moreover, preliminary tests with mesenchymal stem cells demonstrated that the hydrogel can be actively remodelled, as evaluated by stiffness parameters at day one and seven of incubation. Growth factors (GFs) affect cellular fate and behaviour, and storage, presentation and administration of such chemokines can be critical for certain cellular applications. Due to the high anionic charge density of heparin, starPEG‐heparin hydrogels are known to reversibly immobilise several GFs and thereby might mimic the GF reservoir of the extra cellular matrix. Thus, transport processes of GFs with low and high heparin affinity inside these hydrogels were analysed by fluorescence correlation spectroscopy and a bulk diffusion approach. Results indicated that diffusion constants were synergistically decreased with increasing size and heparin affinity of the diffusant. Next, the capability of endothelial cells (ECs) to self‐assemble and organise into 3D capillary networks was tested in GelMA, starPEG‐heparin and Matrigel hydrogels. Only starPEG‐heparin hydrogels allowed the formation of interconnected capillaries in macroscopic hydrogel samples. However, as it is widely used to test for pro‐ and anti‐angiogenic agents, the 2D Matrigel angiogenesis assay was included for subsequent co‐culture experiments of ECs and fibroblasts in order to investigate how the stromal cells influence the formation of endothelial networks. For a detailed characterisation of 3D structures, a conventionally applied 2D method (Maximum Intensity Projection for 3D reconstructed images, MIP) was compared to an optimised 3D analysing tool. As a result, it was discovered that MIP analysis did not allow for an accurate determination of 3D endothelial network parameters, and can result in misleading interpretations of the data set. Indirect co‐cultures of hydrogel‐embedded ECs with a 2D layer of fibroblasts showed that fibroblast‐derived soluble factors, including stromal cell‐derived factor 1 and interleukin 8, affected endothelial network properties. However, only co‐encapsulation of ECs and fibroblasts in starPEG‐heparin hydrogel discs revealed remarkable changes in endothelial network parameters between CAF and NPF samples. In detail, the total length and branching of the capillaries was increased. For two donor pairs, the diameter of capillaries was decreased in CAF samples compared to NPF samples, underlining the high physiological relevance of this model. In contrast, significant differences in 2D Matrigel assays were not detected between, CAF, NPF and control (ECs only) samples. In summary, a 3D angiogenesis co‐culture system was successfully developed and used to characterise stromal‐endothelial interactions in detail. The combination of advanced biomaterials (starPEG‐heparin) and 3D analysing techniques goes beyond conventional 2D in vitro cancer research, and opens new avenues for the development of more complex models to further improve the acquisition of more biologically relevant data.

The non-invasive fetal ECG (NIFECG), derived from abdominal surface electrodes, offers novel diagnostic possibilities for prenatal medicine. Despite its straightforward applicability, NIFECG signals are usually corrupted by many interfering sources. Most significantly, by the maternal ECG (MECG), whose amplitude usually exceeds that of the fetal ECG (FECG) by multiple times. The presence of additional noise sources (e.g. muscular/uterine noise, electrode motion, etc.) further affects the signal-to-noise ratio (SNR) of the FECG. These interfering sources, which typically show a strong non-stationary behavior, render the FECG extraction and fetal QRS (FQRS) detection demanding signal processing tasks. In this thesis, several of the challenges regarding NIFECG signal analysis were addressed. In order to improve NIFECG extraction, the dynamic model of a Kalman filter approach was extended, thus, providing a more adequate representation of the mixture of FECG, MECG, and noise. In addition, aiming at the FECG signal quality assessment, novel metrics were proposed and evaluated. Further, these quality metrics were applied in improving FQRS detection and fetal heart rate estimation based on an innovative evolutionary algorithm and Kalman filtering signal fusion, respectively. The elaborated methods were characterized in depth using both simulated and clinical data, produced throughout this thesis. To stress-test extraction algorithms under ideal circumstances, a comprehensive benchmark protocol was created and contributed to an extensively improved NIFECG simulation toolbox. The developed toolbox and a large simulated dataset were released under an open-source license, allowing researchers to compare results in a reproducible manner. Furthermore, to validate the developed approaches under more realistic and challenging situations, a clinical trial was performed in collaboration with the University Hospital of Leipzig. Aside from serving as a test set for the developed algorithms, the clinical trial enabled an exploratory research. This enables a better understanding about the pathophysiological variables and measurement setup configurations that lead to changes in the abdominal signal's SNR. With such broad scope, this dissertation addresses many of the current aspects of NIFECG analysis and provides future suggestions to establish NIFECG in clinical settings.

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