Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2001--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2002--Tübingen.

Magnetisch-induktive Techniken finden seit langer Zeit viele Anwendungsfelder in der Medizin, Sicherheitstechnik und der Industrie. Obwohl die technischen Grundlagen seit vielen Jahrzehnten bekannt sind, werden auf Basis detaillierter Analysen spezielle Lösungsansätze verfolgt, die neuartiges Anwendungspotential erschließen sollen. Dazu dienen verbesserte Werkzeuge wie Computersimulationen und analytische Berechnungen sowie neu kombinierte Methoden und Aufbauten aus Leistungselektronik und Signaldetektion. Die Vorteile magnetisch-induktiver Techniken sind dabei u.a., dass sie das Prüfobjekt nicht schädigen, berührungslos arbeiten, robust gegenüber Verschmutzungen und einfach im Aufbau sind. Ein Nachteil dieser Technik ist die unzureichende Auflösung von feinen Strukturen. In der aktuellen Forschung und Entwicklung werden unterschiedliche Spulenanordnungen zur Anwendung in industriellen und medizinischen Fragestellungen untersucht und optimiert. Thema dieser Arbeit ist es, durch Verbesserung der Spuleneigenschaften, neue Anwendungsbereiche für die zerstörungsfreie Materialprüfung zu erschließen. Es wird eine Methode vorgestellt, die Eigenschaften magnetisch-induktiver Tastspulen zu verbessern und so den Aufwand bei der Signalverarbeitung zur Rekonstruktion im Rechner zu reduzieren sowie die Auflösung zu erhöhen. Dazu werden zwei Spulenanordnungen, Transmissions - Tastspulen und Gradiometer - Tastspulen, vergleichend gegenübergestellt und ihre technischen Grenzen aufgezeigt. / Magneto-inductive techniques are found in many fields of application areas so in medicine, security technology and industry. Although the technical basis has been known for many decades, special solutions are pursued on the basis of detailed analysis that should open new application potential. These are enhanced tools such as computer simulations, analytical calculations, new combined methods and structures of power electronics and signal detection. The advantages of magneto-inductive techniques are that they do not damage the test object, are contactless, robust against dirt and simple in construction. A disadvantage of this technique is the insufficient resolution of fine structures. In current research and development different coil assemblies are investigated in industrial and medical applications. The aim of this work is to improve the coil properties by changing geometric constructions and current patterns of the coils, in order to allow a sharper localization of objects in space and to tap new application areas for non-destructive testing. A method to improve the properties of magneto-inductive coils and thus to reduce the effort in signal processing and image reconstruction as well as to increase the resolution is presented. Two different coil assemblies, gradiometer – coils and transmission – coils, are compared and their technical limits shown.

Magnetisch-induktive Techniken finden seit langer Zeit viele Anwendungsfelder in der Medizin, Sicherheitstechnik und der Industrie. Obwohl die technischen Grundlagen seit vielen Jahrzehnten bekannt sind, werden auf Basis detaillierter Analysen spezielle Lösungsansätze verfolgt, die neuartiges Anwendungspotential erschließen sollen. Dazu dienen verbesserte Werkzeuge wie Computersimulationen und analytische Berechnungen sowie neu kombinierte Methoden und Aufbauten aus Leistungselektronik und Signaldetektion. Die Vorteile magnetisch-induktiver Techniken sind dabei u.a., dass sie das Prüfobjekt nicht schädigen, berührungslos arbeiten, robust gegenüber Verschmutzungen und einfach im Aufbau sind. Ein Nachteil dieser Technik ist die unzureichende Auflösung von feinen Strukturen. In der aktuellen Forschung und Entwicklung werden unterschiedliche Spulenanordnungen zur Anwendung in industriellen und medizinischen Fragestellungen untersucht und optimiert. Thema dieser Arbeit ist es, durch Verbesserung der Spuleneigenschaften, neue Anwendungsbereiche für die zerstörungsfreie Materialprüfung zu erschließen. Es wird eine Methode vorgestellt, die Eigenschaften magnetisch-induktiver Tastspulen zu verbessern und so den Aufwand bei der Signalverarbeitung zur Rekonstruktion im Rechner zu reduzieren sowie die Auflösung zu erhöhen. Dazu werden zwei Spulenanordnungen, Transmissions - Tastspulen und Gradiometer - Tastspulen, vergleichend gegenübergestellt und ihre technischen Grenzen aufgezeigt. / Magneto-inductive techniques are found in many fields of application areas so in medicine, security technology and industry. Although the technical basis has been known for many decades, special solutions are pursued on the basis of detailed analysis that should open new application potential. These are enhanced tools such as computer simulations, analytical calculations, new combined methods and structures of power electronics and signal detection. The advantages of magneto-inductive techniques are that they do not damage the test object, are contactless, robust against dirt and simple in construction. A disadvantage of this technique is the insufficient resolution of fine structures. In current research and development different coil assemblies are investigated in industrial and medical applications. The aim of this work is to improve the coil properties by changing geometric constructions and current patterns of the coils, in order to allow a sharper localization of objects in space and to tap new application areas for non-destructive testing. A method to improve the properties of magneto-inductive coils and thus to reduce the effort in signal processing and image reconstruction as well as to increase the resolution is presented. Two different coil assemblies, gradiometer – coils and transmission – coils, are compared and their technical limits shown.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) unterstützt vielfältig die Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft. Eine ihrer Kernkompetenzen als das nationale Metrologie-Institut der Bundesrepublik Deutschland ist die Messtechnik. In diesem Sinne kalibriert die Arbeitsgruppe „Solarzellen“ der PTB i. d. R. den Kurzschlussstrom unter Standardtestbedingungen (I_STC) von Referenzsolarzellen. Der I_STC von Referenzsolarzellen ist in Photovoltaik-Kalibrierketten bei der Bestimmung der Bestrahlungsstärke von zentraler Bedeutung und fließt signifikant in die Berechnung der Wirkungsgrad von Solarzellen und Solarmodulen ein. Um den I_STC einer Solarzelle mit geringster Messunsicherheit zu bestimmen, wurde die Differential Spectral Responsivity (DSR)-Methode verwendet. Sie basiert auf der Messung der differentiellen spektralen Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken. Anhand dieser kann die absolute spektrale Empfindlichkeit s(λ) unter Standardtestbedingungen sowie der I_STC berechnet werden. Da jedoch die Umgebungsbedingungen meistens von den STC abweichen, reichen letztere nicht zum umfassenden Vergleich der Wirkungsgrade in der Praxis aus. Um Einflussfaktoren (Temperatur, Bestrahlungsstärke, Winkelabhängigkeit,...) genauer untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit an der PTB ein neuer Laser-basierter DSR-Messplatz aufgebaut und charakterisiert. Mit dem neuen Messplatz wurden c-Si Referenzsolarzellen, organische Solarzellen auf Basis kleiner Moleküle sowie Farbstoffsolarzellen umfassend untersucht. Unter anderem wurden die elektrischen Leistungsparameter einer organischen Solarzelle (aktive Schicht: DCV5T-Me:C60) mit denen einer c-Si Solarzelle verglichen. Es zeigt sich, dass der Wirkungsgrad der organischen Solarzelle mit zunehmender Bestrahlungsstärke sinkt und mit zunehmender Temperatur steigt, während die c-Si Solarzelle ein gegensätzliches Verhalten aufweist. Darüber hinaus wurde u.a. die Winkelabhängigkeit der zweiten organischen Solarzelle (aktive Schicht: C60:DCV5T-Me(3,3)) untersucht und mit den Resultaten einer c-Si Solarzelle verglichen. Diese Untersuchungen haben ergeben, dass die Winkelabhängigkeit des Kurzschlussstroms der organischen Solarzelle im Vergleich zu einer c-Si Solarzelle insbesondere zwischen 20° < ϑ < 60° eine „Super-Kosinus-Anpassung“ aufweist. Ergänzend wurde an der PTB im Rahmen dieser Arbeit ein mobiler Messplatz für Outdoormessungen aufgebaut. Mit diesem konnten die mittels Indoor-Untersuchungen erhaltenen spektralen Empfindlichkeiten mit Outdoor-Messungen verglichen werden. Des Weiteren wurden spektrale Charakterisierungen der Himmelshalbkugel durchgeführt und Methoden für Korrekturen von Sekundärkalibrierungen untersucht.

Einleitung: Aliarcobacter (A.) cryaerophilus und Aliarcobacter butzleri gelten weltweit als lebensmittelbedingte und zoonotische Krankheitserreger, die vorrangig über kontaminierte Lebensmittel oder Trinkwasser übertragen werden. Beim Menschen stellt sich die Infektion meist als selbstlimitierende Enteritis dar, wohingegen sie bei Tieren neben gastrointestinalen Erkrankungen mit Mastitiden, Aborten und Reproduktionsstörungen assoziiert wird. Aufgrund der engen Verwandtschaft mit den thermophilen Campylobacter spp., deren antimikrobielle Resistenz in den letzten Jahren einen starken Anstieg verzeichnet, ist es wichtig, das Resistenz- und Virulenzprofil dieser beiden Spezies zu untersuchen. Ziel der Untersuchungen: Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der phänotypischen und genotypischen Antibiotikaresistenz sowie die Ermittlung der Virulenzprofile von Aliarcobacter cryaerophilus- und Aliarcobacter butzleri-Stämmen, die aus Kotproben von Wassergeflügel aus Thüringen isoliert worden waren. Tiere, Material und Methoden: In die Untersuchung gingen insgesamt 250 Kotproben von 135 Gänsen, 45 Flugenten, 40 Mularden und 30 Pekingenten ein, die in den Jahren 2016 und 2017 von zehn verschiedenen Wassergeflügel-Betrieben in Thüringen, Deutschland, gesammelt und auf Aliarcobacter spp. untersucht wurden. Die mit MALDI-TOF MS und multiplex-PCR identifizierten Aliarcobacter-Isolate wurden anschließend mithilfe des Epsilometertest (E-Test) auf ihre antimikrobielle Empfindlichkeit gegenüber acht verschiedenen Antibiotika getestet. Nach der DNA-Isolierung und Gesamtgenom-Sequenzierung wurde die phylogenetische Verwandtschaft sowie die Anwesenheit von potentiellen Resistenz- und Virulenzgenen mit Hilfe bioinformatischer Programme untersucht. Ergebnisse: Aus 55 Aliarcobacter-positiven Kotproben wurden mittels MALDI-TOF MS und multiplex-PCR 27 A. cryaerophilus- und 47 A. butzleri-Isolate identifiziert. Die hier untersuchten A. cryaerophilus-Stämme gehören dem Cluster I und somit dem Genomovar A. cryaerophilus gv. pseudocryaerophilus an. Zusätzlich wurde durch die phylogenetischen Untersuchungen deutlich, dass beide Aliarcobacter-Spezies eine hohe genetische Diversität aufweisen. Gleichzeitig bildeten einige A. cryaerophilus- und A. butzleri-Isolate Untergruppen. In diesen waren die einzelnen Bakterienstämme, welche zum Teil aus unterschiedlichen Betrieben stammten, nur wenige Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) voneinander entfernt. Die Bestimmung der phänotypischen antimikrobiellen Empfindlichkeit offenbarte, dass allen 74 Aliarcobacter-Isolaten die Cefotaxim-Resistenz gemein war. Ferner waren mehr als drei Viertel der Aliarcobacter-Stämme resistent gegen Streptomycin. Die 27 A. cryaerophilus-Stämme zeichneten sich durch eine Empfindlichkeit gegenüber Erythromycin, Gentamicin sowie Ampicillin und somit durch ein homogenes Resistenzprofil aus. Im Gegensatz dazu zeigten die 47 A. butzleri-Stämme ein heterogenes Resistenzprofil. Während die A. butzleri-Stämme eine deutlich höhere Resistenzrate gegenüber den Tetracyclinen aufwiesen, waren die A. cryaerophilus-Stämme vermehrt gegen Ciprofloxacin resistent. In beiden Aliarcobacter-Spezies wurde ein großes Arsenal an potentiellen Resistenzgenen identifiziert. Neben mehreren Effluxpumpen wurden verschiedene β-Laktamase-Gene sowie die bekannte Ciprofloxacin-Resistenz vermittelnde Punktmutation an Position 254 in der Chinolon-Resistenz-bestimmenden Region im gyrA-Gen detektiert. Des Weiteren wurde eine Vielzahl an potentiellen Virulenzgenen in beiden Aliarcobacter-Spezies ermittelt. Zum Repertoire gehören unter anderem ein komplettes Chemotaxis-System, ein Urease-Cluster, mehrere Flagellum-Gene sowie ein Lipid-A-Cluster. Schlussfolgerungen: Obwohl die untersuchten Isolate auf eine Region (Thüringen), einen bestimmten Wirtstyp (Wassergeflügel) und eine kurze Studienzeit (2 Jahre) begrenzt waren, deuten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit auf ein hohes Maß an genetischer Diversität unter den A. cryaerophilus- und A. butzleri-Stämmen hin. Dabei ist die Stammdiversität innerhalb beider Spezies unabhängig von der geographischen Lage, dem Ursprung der Isolate und der Wirtsart. Aliarcobacter-Isolate, die aus dem selben Betrieb stammen, wurden aufgrund ihrer klonalen Verwandtschaft der gleichen Untergruppe zugeordnet. Die Existenz phylogenetisch ähnlicher Stämme aus mehreren Betrieben, weist auf eine mögliche epidemiologische Verbindung zwischen den einzelnen Betrieben hin. Durch die Untersuchungen wurde deutlich, dass auf die Bestimmung der phänotypischen antimikrobiellen Empfindlichkeit zugunsten der genotypischen Resistenzbestimmung nicht verzichtet werden kann, da der Genotyp nur in einem beschränken Umfang mit der phänotypischen Charakterisierung übereinstimmt. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Anwesenheit einer bekannten Mutation im gyrA-Gen und der phänotypischen Ciprofloxacin-Resistenz konnte nur bei den A. butzleri-Stämmen festgestellt werden. Die im Rahmen dieser Studie erstellte Resistenz- und Virulenzdatenbank, ermöglicht eine unkomplizierte Bestimmung des genotypischen Resistenz- und Virulenzprofiles von A. butzleri-Stämmen.

Radiotherapy remains one of the most important treatment modalities for cancer therapy. Malignant tumors show an extended spectrum of intrinsic radiation sensitivity even among tumors of the same entity or with similar histological features. Predicting intrinsic radiation sensitivity might improve treatment outcome and allow individualized treatment. Hence, an assay that provides a predictive information of the tumor’s intrinsic radiation sensitivity is of great need. Histone H2AX, a histone variant of histone H2A family, is rapidly phosphorylated upon DNA double strand break (DSB) induction resulting in gamma H2AX (γH2AX). Gamma H2AX accumulates at DNA DSB sites and subsequently recruits DNA damage repair factors. Formation of γH2AX is visualized by an immunohistology-based approach and detected as foci under an epifluorescent microscope. Gamma H2AX foci represent DNA DSBs, while residual γH2AX foci (foci detected 24 h post irradiation) are considered as unrepaired damages. In previous studies, the γH2AX foci assay showed a high potential as a predictive method for radiosensitivity. This thesis aims to further translate and optimize the ex vivo γH2AX foci assay for a clinical applicability. In this study, all experiments were performed using human head and neck squamous cell carcinoma (hHNSCC) xenograft models. For ex vivo investigations, tumors on the hind legs of nude mice were excised and cut into multiple pieces, or fine-needle biopsies of the tumors were taken. Tumor biopsies were reoxygenated in culture medium for 10 h or 24 h followed by radiation exposure of 0 8 Gy. Tumor biopsies were fixed and embedded in paraffin 24 h post irradiation. For the γH2AX foci assay under in vivo conditions, tumors-bearing mice were irradiated with single doses of 0 8 Gy. Tumors were excised, fixed, and paraffin embedded 24 h post irradiation. Manual quantification of γH2AX foci was performed exclusively in perfused areas, which were identified by pimonidazole (hypoxic marker) and BrdU (proliferation marker) staining. Foci number was corrected, normalized, and statistically analyzed by a linear mixed effects model (LMEM), linear regression model or analysis of covariance. To investigate tumor heterogeneity in the ex vivo γH2AX foci assay, γH2AX foci were enumerated in four equally treated tumor specimens per group i.e. unirradiated and ex vivo irradiated with 4 Gy. Strong intratumoral heterogeneity in γH2AX foci was determined with a minor intertumoral heterogeneity. No significant effect of reoxygenation between 10 h or 24 h was observed, enhancing clinical practicability of the assay. The effect of experimental settings was studied by analyzing data from this study (ex vivo) and from comparable published data (in vivo) with LMEM. Radiation induced nuclear area alteration was detected in some of the evaluated tumor models in under both experimental conditions. A greater intra and intertumoral heterogeneity were observed in the ex vivo set up compared to the in vivo set up. Radiation response determined by the γH2AX foci assay in ex vivo irradiated biopsies and in the corresponding in vivo irradiated tumors was evaluated. Between in vivo and ex vivo, four out of five tumor models showed comparable slopes of dose response curves (SDRC) of normalized and corrected γH2AX foci. SDRC of normalized γH2AX foci was able to classify tumors according to their intrinsic radiation sensitivity (TCD50). In conclusion, the ex vivo γH2AX foci assay holds a promising potential for predicting radiation sensitivity in solid tumors. The comparable radiation response assessed by γH2AX foci of in vivo irradiated tumors and the matching ex vivo irradiated tumor biopsies supports clinical applicability of the assay. Using SDRC of γH2AX foci as a predictor of radiosensitivity, radioresistant and radiosensitive tumors could be classified. The significant intratumoral heterogeneity in the ex vivo γH2AX foci assay suggests a limited representativeness of a single biopsy for radiosensitivity prediction. Additionally, the change of tumor microenvironment modulated cellular adaptation and DNA damage repair capability. The outcomes suggested that a sufficient number of cells, regions of interest, and biopsies are required to obtain a solid prediction.:Contents List of Abbreviations List of Figures List of Tables 1. Introduction 1.1 Effect of ionizing radiation on cellular level 1.1.1 Radiation induces cell death 1.1.2 Cell-cycle arrest mediated by radiation 1.2 DNA damage repair 1.2.1 Non homologous end joining (NHEJ) 1.2.2 Homologous recombination (HR) 1.2.3 Base damage repair and single strand break repair 1.2.4 Role of γH2AX in DNA damage repair 1.3 Prediction of tumor radioresponsiveness 1.3.1 Prediction of tumor radiation sensitivity by γH2AX 2 Tumor heterogeneity determined with a γH2AX foci assay: A study in human head and neck squamous cell carcinoma (hHNSCC) 2.1 Summary of the publication 3 Heterogeneity of γH2AX foci increases in ex vivo biopsies relative to in vivo tumors. 3.1 Summary of the publication 4 Comparable radiation response of ex vivo and in vivo irradiated tumor samples determined by residual γH2AX foci 4.1 Summary of the manuscript 5 Discussion 5.1 Tumor heterogeneity in γH2AX foci assay 5.2 Alteration of nuclear area post irradiation 5.3 Clinical relevance of the γH2AX foci assay 5.4 Technical challenges and limitations of the assay 5.5 Conclusion and Outlook 6 Abstract 7 Zusammenfassung 8 Bibliography Acknowledgement Appendices Part A: Materials A.1 Tumor lines A.2 Chemicals and Materials A.3 Devices and Software Part B: Supplementary materials B.1 Supplementary materials of publication I B.2 Supplementary materials of publication II B.3 Supplementary materials of manuscript