Quantifizierung des postmortalen RNA-Status im Gehirn mittels Real-time-PCR: Ein Beitrag zur Bestimmung der Leichenliegezeit Der postmortale Nukleinsäureabbau verläuft unterschiedlich: während DNA im Allgemeinen als stabil angesehen wird und erst mit Einsetzen von Fäulniserscheinungen stärkerer Degradation unterliegt, wird RNA mit dem Sistieren der Kreislauftätigkeit relativ rasch abgebaut. Eine Reihe von Studien hat aber gezeigt, dass RNA in bestimmten Geweben eine höhere Stabilität besitzt als ursprünglich angenommen. Dies könnte Bedeutung für die molekulare Medizinforschung besitzen, die auf Genexpressionsstudien in postmortalem Gewebe angewiesen ist. Außerdem könnte eine Quantifizierung der RNA-Degradation z.B. durch Real-time-PCR zur Eingrenzung der Leichenliegezeit genutzt werden. In dieser Studie wurde ein quantitativer Vergleich verschiedener sog. Haushaltsgene (u.a. GAPDH, ß-Actin, FASN) in Gehirngewebe mit einer Leichenliegezeit zwischen 0 und 96 Stunden und unter alternativen Ansätzen zur reversen Transkription (oligo-(dT)-Primer mit und ohne sog. Anker, Random Hexamer Primer) durchgeführt. Zunächst erfolgten systematische Untersuchungen zur Effektivität der RNA-Isolierung, reversen Transkription und der PCR im Hinblick auf eine möglichst präzise Quantifizierung. Es zeigte sich, dass die Resultate der Real-time-PCR ein Maß für die ursprünglich in der Probe vorhandene mRNA-Menge darstellen. Weiterhin stellte sich heraus, dass eine deutliche und evtl. auch zur Liegezeitbestimmung nutzbare RNA-Degradation erst nach 24h einsetzt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Random- und oligo-(dT)-priming der reversen Transkription war dabei nicht festzustellen. Diese Ergebnisse belegen zum einen, dass RNA im frühen postmortalen Intervall relativ stabil ist und als Substrat für quantitative Untersuchungen dienen kann, zum anderen, dass ein zeitabhängiger Abbau besteht, der eine Eingrenzung der Leichenliegezeit z.B. mittels Grenzwerten in ein frühes und mittleres Postmortalintervall zulässt. / Quantification of the postmortem RNA-status in human brain by means of real-time-PCR: A contribution to the determination of the postmortem interval The postmortem degradation of nucleic acid proceeds differently: whereas DNA is generally considered as stable and is only subject to stronger degradation with the beginning of putrefaction, RNA degrades very fast when the circulation is suspended. A series of studies, however, has shown that RNA has a greater stability in certain tissues than originally expected. This could be important for molecular medical research which is dependent on gene expression studies using postmortem tissue. Furthermore, the quantification of RNA-degradation by means of real-time-PCR could be used for the limitation of the postmortem interval. In this study, a quantitative comparison has been made between different so-called housekeeping-genes (e.g. GAPDH, ß-Actin, FASN) in human brain and a postmortem interval between 0 and 96 hours. Different alternative approaches have been used for the reverse transcription (oligo-(dT)-Primer with and without Anker, Random Hexamer Primer). At first, systematic examinations concerning the effectiveness of RNA isolation, reverse transcription and PCR have been undertaken with regard to a preferably exact quantification. It turned out that the results of the real-time-PCR represent a measure for the mRNA amount originally present in the specimen. Moreover, it emerged that a clear RNA degradation, which could possibly be used for the determination of the postmortem interval, begins after 24 hours. An important difference between random and oligo-(dT) priming of the reverse transcription could not be stated. These results demonstrate, on the one hand, that RNA is relatively stable during the early postmortem interval so that it can serve as substrate for quantitative examinations. On the other hand, it is shown that a time-dependent degradation exists which allows a limitation of the postmortem interval into an early and middle postmortem interval by means of threshold values for example.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2004 / Hergestellt on demand

This dissertation describes the development and implementation of advanced slice-accelerated (SMS) MRI methods for imaging blood perfusion and water diffusion in the human brain. Since its introduction in 1977, Echo-Planar Imaging (EPI) paved the way toward a detailed assessment of the structural and functional properties of the human brain. Currently, EPI is one of the most important MRI techniques for neuroscientific studies and clinical applications. Despite its high prevalence in modern medical imaging, EPI still suffers from sub-optimal time efficiency - especially when high isotropic resolutions are required to adequately resolve sophisticated structures as the human brain. The utilization of novel slice-acceleration methods can help to overcome issues related to low temporal efficiency of EPI acquisitions. The aim of the four studies outlining this thesis is to overcome current limitations of EPI by developing methods for slice-accelerated MRI. The first experimental work of this thesis describes the development of a slice-accelerated MRI sequence for dynamic susceptibility contrast imaging. This method for assessing blood perfusion is commonly employed for brain tumor classifications in clinical practice. Following up, the second project of this thesis aims to extend SMS imaging to diffusion MRI at 7 Tesla. Here, a specialized acquisition method was developed employing various methods to overcome problems related to increased energy deposition and strong image distortion. The increased energy depositions for slice-accelerated diffusion MRI are due to specific radiofrequency (RF) excitation pulses. High energy depositions can limit the acquisition speed of SMS imaging, if high slice-acceleration factors are employed. Therefore, the third project of this thesis aimed at developing a specialized RF pulse to reduce the amount of energy deposition. The increased temporal efficiency of SMS imaging can be employed to acquire higher amounts of imaging data for signal averaging and more stable model fits. This is especially true for diffusion MRI measurements, which suffer from intrinsically low signal-to-noise ratios. However, the typically acquired magnitude MRI data introduce a noise bias in diffusion images with low signal-to-noise ratio. Therefore, the last project of this thesis aimed to resolve the pressing issue of noise bias in diffusion MRI. This was achieved by transforming the diffusion magnitude data into a real-valued data representation without noise bias. In combination, the developed methods enable rapid MRI measurements with high temporal efficiency. The diminished noise bias widens the scope of applications of slice- accelerated MRI with high temporal efficiency by enabling true signal averaging and unbiased model fits. Slice-accelerated imaging for the assessment of water diffusion and blood perfusion represents a major step in the field of neuroimaging. It demonstrates that cur- rent limitations regarding temporal efficiency of EPI can be overcome by utilizing modern data acquisition and reconstruction strategies.

Die nichtproteinogene Aminosäure GABA (γ-Aminobuttersäure) gilt als der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Zentralnervensystem von Vertebraten sowie Invertebraten und vermittelt ihre Wirkung u. a. über die metabotropen GABAB-Rezeptoren. Bisher sind diese Rezeptoren bei Insekten nur rudimentär untersucht. Für die Amerikanische Großschabe als etablierter Modellorganismus konnte pharmakologisch eine modulatorische Rolle der GABAB-Rezeptoren bei der Bildung von Primärspeichel nachgewiesen werden. Ziel dieser Arbeit war eine umfassende Charakterisierung der GABAB-Rezeptor-Subtypen 1 und 2 von Periplaneta americana. Unter Verwendung verschiedenster Klonierungsstrategien sowie der Kooperationsmöglichkeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. T. Miura (Hokkaido, Japan) in Hinsicht auf eine dort etablierte P. americana EST-Datenbank gelang die Klonierung von zwei Rezeptor-cDNAs. Die Analyse der abgeleiteten Aminosäuresequenzen auf GB-spezifische Domänen und konservierte Aminosäure-Reste, sowie der Vergleich zu bekannten GB Sequenzen anderer Arten legen nahe, dass es sich bei den isolierten Sequenzen um die GABAB-Rezeptor-Subtypen 1 und 2 (PeaGB1 und PeaGB2) handelt. Für die funktionelle und pharmakologische Charakterisierung des Heteromers aus PeaGB1 und PeaGB2 wurden Expressionskonstrukte für die Transfektion in HEK-flpTM-Zellen hergestellt. Das Heteromer aus PeaGB1 und PeaGB2 hemmt bei steigenden GABA-Konzentrationen die cAMP-Produktion. Die Substanzen SKF97541 und 3-APPA konnten als Agonisten identifiziert werden. CGP55845 und CGP54626 wirken als vollwertige Antagonisten. Das in vitro ermittelte pharmakologische Profil im Vergleich zur Pharmakologie an der isolierten Drüse bestätigt, dass die GABA-Wirkung in der Speicheldrüse tatsächlich von GBs vermittelt wird. Für die immunhistochemische Charakterisierung konnte ein spezifischer polyklonaler Antikörper gegen die extrazelluläre Schleife 2 des PeaGB1 generiert werden. Ein weiterer Antikörper, welcher gegen den PeaGB2 gerichtet ist, erwies sich hingegen nicht als ausreichend spezifisch. Western-Blot-Analysen bestätigen das Vorkommen beider Subtypen im Zentralnervensystem von P. americana. Zudem wird der PeaGB1 in der Speicheldrüse und in den Geschlechtsdrüsen der Schabenmännchen exprimiert. Immunhistochemische Analysen zeigen eine PeaGB1-ähnliche Markierung in den GABAergen Fasern der Speicheldrüse auf. Demnach fungiert der PeaGB1 hier als Autorezeptor. Weiterhin konnte eine PeaGB1-ähnliche Markierung in nahezu allen Gehirnneuropilen festgestellt werden. Auch die akzessorischen Drüsen der Männchen, Pilzdrüse und Phallusdrüse, sind PeaGB1-immunreaktiv. / The non-proteinogenic amino acid GABA (γ-aminobutyric acid) is the major inhibitory neurotransmitter in the central nervous system of vertebrates and invertebrates, and GABA mediates its action among others via metabotropic GABAB receptors (GBs). So far, these receptors are only rudimentary characterized in insects. In the American Cockroach, which is an established model organism, pharmacological studies have pointed out a modulatory role of GBs in the production of primary saliva in the salivary gland. Therefore, the aim of this study is the profound characterization of the GABAB receptor subtypes 1 and 2 of Periplaneta americana. Diverse cloning strategies and the access to a Periplaneta EST-database enabled the cloning of two receptor-cDNAs. The analysis of the deduced amino acid sequences for GB-specific domains and conserved amino acid-residues, and the comparison to known GB-sequences of other species revealed that the sequences correspond to GABAB receptor subtypes 1 and 2 (PeaGB1 and PeaGB2). Next, we functionally and pharmacologically characterized the receptor-heteromer of PeaGB1 and PeaGB2. Therefore, we established expression constructs for the transfection of HEK-flpTM-cells. The PeaGB1/PeaGB2 heteromer inhibits dose-dependently the production of cAMP. The substances SKF97541 and 3-APPA imitate the GABA effect. In contrast, CGP54626 and CGP55845 are considered to be proper antagonists. The comparison of the in vitro with the known pharmacology of isolated glands reveals that GBs indeed mediate the effect of GABA in the salivary gland. For immunohistochemical localization, a specific polyclonal antibody was raised against the extracellular loop 2 of PeaGB1. A second antibody, which was raised against the analogous region of the PeaGB2, must be considered to be non-specific. Western blot analyses demonstrate the localization of both subtypes in the central nervous system of P. americana. Additionally, PeaGB1 is expressed in the salivary gland and in male accessory glands. Immunohistochemical analyses reveal the expression of PeaGB1 in GABAergic nerve fibers of the salivary gland. As a consequence, PeaGB1 must act as an autoreceptor in this organ. A widespread distribution of PeaGB1 in almost all neuropiles was detected in the cockroach brain. In the male accessory glands mushroom gland and phallic (conglobate) gland, an intense PeaGB1-like immunoreactivity was measured.

Context: Beta-site alpha-amyloid protein cleaving enzyme1 (BACE1) plays a key role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Additional to its moderate expression in the brain, high levels of BACE1 mRNA were found in the pancreas. Murine Bace1 has been immunohistochemicaly detected at the apical pole of acinar cells within the exocrine pancreas of mice and Bace1 activity was observed in pancreatic juice. In vitro experiments revealed enteropeptidase as a putative substrate for Bace1 suggesting a role in acute pancreatitis.

In dieser Arbeit wird ein dreidimensionales Modell des menschlichen Kopfes beschrieben, das es erlaubt, mit der Methode der Finiten Elemente mechanische Einfluesse auf den Kopf zu modellieren. Eine exakte Geometriebeschreibung eines individuellen Modells wird aus einem Kernspintomogramm des Kopfes gewonnen. Ausgehend von diesen medizinischen Bilddaten wird die diskrete Darstellung des Kopfes als Verbund finiter Elemente mit einem Gittergenerator gewonnen. Dieser schnelle und stabile Algorithmus ermoeglicht die Erstellung von raeumlich hochaufgeloesten Finite-Elemente-Repraesentationen des Schaedels und interner neuroanatomischer Strukturen. Es besteht die Auswahl zwischen anisotropen und isotropen Wuerfel- und Tetraedernetzen. Auf deren Basis werden die dem physikalischen Geschehen zugrundeliegenden Differentialgleichungen mittels der Finite-Elemente-Methode numerisch geloest. Die FE-Analysen umfassen statische, dynamische und modale Simulationsrechnungen. Die zur Durchfuehrung der Simulationen noetigen numerischen Verfahren wurden optimiert und auf einer parallelen Rechnerarchitektur implementiert. Jeder der oben genannten Analysearten ist eine klinisch-relevante Anwendung zugeordnet. Mit der nichtlinearen statischen Analyse werden die mechanischen Konsequenzen von Tumorwachstum untersucht, die dynamische Analyse dient dem Studium der Auswirkungen von fokalen Gewalteinwirkungen auf den Kopf und die modale Analyse gibt Aufschluss ueber das Schwingungsverhalten des Kopfes. Die Validierung des Modells wird durch den Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentell ermittelten Daten erzielt. / A new FEM-based approach to model the mechanical response of the head is presented.To overcome restrictions of previous approaches our head model is based on individual datasets of the head obtained from magnetic resonance imaging (MRI). The use of parallel computers allows to carry out biomechanical simulations based on FE meshes with a spatial resolution about five times higher than that of previous models. A totally automatic procedure to generate FE meshes of the head starting from MR datasets is used. Models for individual clinical cases can be set up within minutes and clinically relevant simulations (impact studies, tumor growth consequences) are carried out and discussed by comparing simulation results with experimentally obtained data.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

In den letzten Jahren häufen sich Befunde zur positiven Wirkung von körperlicher Aktivität auf kognitive Leistungen und Lernprozesse. Bisher weitestgehend unverstanden sind jedoch die zugrunde liegenden Wirkmechanismen, die unzweifelhaft in der komplexen Struktur und Funktion des Gehirns verborgen liegen. Die Anpassungsfähigkeit der Gehirnstruktur und –funktion, auch als Neuroplastizität bezeichnet, bietet hierbei eine konzeptionelle Grundlage, um die kurz- und langfristigen Auswirkungen von Bewegung auf das Gehirn und deren Leistungen zu untersuchen. In der vorliegenden Habilitation wurde der Versuch unternommen, grundlegende Befunde zur trainingsinduzierten Neuroplastizität in einem translationalen Ansatz systematisch in die Sportpraxis zu überführen. Die Eckpfeiler dieses translationalen Ansatzes bilden die Lokalisation von trainingsinduzierter Neuroplastizität, die Modulation von Neuroplastizität und Lernen sowie deren Implikationen für die Praxis des Leistungssports. Unter Verwendung der Magnetresonanztomografie (MRT) wurden zunächst dynamische Anpassungen in der motorischen Hirnrinde durch das Erlernen einer komplexen Gleichgewichtsaufgabe (Stabilometer) lokalisiert. Weitere Analysen erbrachten, dass diese Anpassungen offensichtlich nicht durch die reine Nutzung der bewegungsausführenden Muskelgruppen zustande kamen, sondern vielmehr durch das Erlernen eines neuen Koordinationsmusters. Dies unterstreicht die außerordentlich dynamischen Eigenschaften des motorischen Systems und bietet Angriffspunkte für eine Steigerung des motorischen Lernens durch neuromodulatorisch wirksame Ausdauerprogramme. Eine empirische Untersuchung bestätigte diese Annahme und zeigt eine langfristige Verbesserung der Stabilometerleistung durch ein zweiwöchiges Ausdauertraining nach. Insbesondere erwiesen sich hochintensive im Vergleich zu moderaten Belastungen als vorteilhaft für die Leistungsentwicklung über eine 6-wöchige Lernphase. Diese Ergebnisse unterstützen damit indirekt die aktuell vielfach diskutierte Annahme von Laktat als Einflussfaktor auf die Neuroplastizität. Sollten sich diese intensitätsspezifischen Effekte in zukünftigen Studien bestätigen lassen, ergibt sich die Notwendigkeit einer optimierten Belastungssteuerung in den vielfältigen Anwendungsfeldern von Sport und Bewegung. Geringere Steigerungsraten fanden sich hingegen im Training der technisch-kompositorischen Sportarten (Wasserspringen und Turnen), was sich u.a. mit den methodischen Schwierigkeiten der Feldforschung begründen lässt. Es wurde zudem ein MRT-Analyseansatz entwickelt, der erstmals Besonderheiten in der Gehirnstruktur einzelner Athleten objektiviert. Diese Arbeiten sollen exemplarisch die integrative Funktion neurowissenschaftlicher Forschung im Spannungsfeld von Sportwissenschaft und –praxis andeuten.