Der demografische Wandel und das Populationswachstum stellen eine globale Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar. Eine vielversprechende Lösungsstrategie liegt in der digitalen Überwachung, Prävention und Therapie akuter und chronischer Erkrankungen durch die Nutzung von innovativen Technologien aus dem Bereich der personalisierten Medizin. Die Digitalisierung in der Überwachung von Vitalparametern mittels Sensorik besitzt großes Potential für die längere Gesunderhaltung der Patienten und somit die Entlastung der Gesundheitssyteme im Ganzen. Da Wassermangel für eine Vielfalt von Krankheiten einen Katalysator darstellt, ist die Hydratation ein wichtiger aber bislang nur invasiv zugänglicher Vitalparameter. Zur Etablierung nicht invasiver Messungen des Wasserhaushaltes am Menschen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung der Mikrowellentechnologie untersucht. Dehydratation resultiert in der Veränderung des Osmolythaushaltes und beeinflusst biochemische Prozesse, was zur Entstehung von Morbidität führen kann. Im Rahmen der Arbeit werden Teilbereiche der Entwicklung eines Medizinproduktes abgebildet. Zu diesem Zweck wird die Machbarkeit der mikrowellenbasierten Analyse des Wasserhaushaltes in einer technischen Machbarkeitsstudie untersucht, um im zweiten Prozessschritt einen technischen Demonstrator in vitro und in vivo am Probanden erproben zu können. Hochfrequente elektromagnetische Wellen interagieren mit Molekülen, speziell Wasser. Enthält eine Probe freie Wassermoleküle, kann dies im reflektierten Signal detektiert werden. Zur Überprüfung des Sensorsystems in vitro dienen humane 3D-Vollhautmodelle mit spezifischer Hydratation und Gewebedichte der Matrixkomponenten als standardisiertes Modell zur Untersuchung definierter Exsikkoseszenarien und des Einflusses verschiedener Modellkomplexitäten. Die Eignungsüberprüfung des Systems mit einem technischen Demonstrator des künftigen Medizinproduktes belegt die Anwendbarkeit des Messsystems zur Erfassung des relativen Wassergehaltes. Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität bei der Destinktion von Proben mittels Frequenz- und Signalreflektionsdifferenzen aus. Neben den In-vitro-Testungen wird das entwickelte Sensorsystem aus regulatorischer Sicht zur klinischen Leistungsüberprüfung vorbereitet und im Rahmen eines bewilligten Ethikvotums in vivo erprobt. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit der nichtinvasiven Erfassung des Wasserhaushaltes durch mikrowellenbasierte Messungen. Die Technologie birgt das Potential, in ein körpernahes Sensorsystem integriert zu werden, welches als Medizinprodukt zur persönlichen Gesundheitsüberwachung zugelassen werden kann. / The demographic change and the growth of mankind are challenging worldwide, especially for healthcare systems. One possible solution to keep humans healthier at all ages coeval fighting disease-related consequences is given by modern technologies for personalized disease treat-ment and digital health monitoring. The digitalization of the health care through new technological advance in personalized disease treatment and health monitoring using sensor-based technologies helps people to recover from illness or stay healthy, to monitor the health state of patients in need and to assist caregivers during their daily routine. This thesis aims to analyze microwave measurements as a technology to monitor the hydration status as a particularly important vital parameter, which can be catalyst for diverse secondary disorders. Wireless body area networks (WBANs) are used for individually tailored therapy of disease and preventive monitoring of health parameters. There are some already existing technologies but there is not yet a way to monitor non-invasively the entire health state and especially hydration as a particularly critical vital parameter. WBANs may help to pave the way for personalized med-icine, improve acute and preventive healthcare and support individual physical fitness. Tissue dehydration results in impaired biochemical processes, and can finally cause severe mor-bidity. The aim of this study was to demonstrate the feasibility of microwave measurements for the non-invasive analysis of the hydration status in vitro and in vivo and to develop a prototype of a medical device for this measurment. Moreover, accompanying regulatory aspects are con-sidered as a basis for an approval of the sensor technology as medical device. Electromagnetic waves at high frequencies interact with molecules, especially water. Thus, free water molecules can be detected via the reflected microwave signal. To develop the sensor system, human three-dimensional skin equivalents were instituted as a standardized test platform mimicking repro-ducible exsiccosis scenarios. Therefore, skin equivalents with a specific hydration and density of matrix components were generated and microwave measurements were performed. Hydration-specific spectra allowed deriving the hydration state of the skin models. A further advantage of the skin equivalents was the characterization of the impact of distinct skin components on the measured signals to investigate mechanisms of signal generation. Together with these in vitro results, the technology is investigated in vivo within initial testing scenarios on test subjects. The results demonstrate the feasibility of non-invasive microwave-based hydration measurements and thus the technologies potential to be integrated in a wearable medical device for personal digital health monitoring.

Bovine Dermatitis digitalis (DD) ist eine weltweit verbreitete Infektionskrankheit bei Rindern, die primär die plantare Haut über dem Kronenrand nahe des Zwischenzehenspalts der Hinterklauen betrifft. Schmerzhafte ulzero-proliferative Läsionen mit akuten und chronischen Erscheinungsformen führen zu Verhaltensänderungen und Lahmheit der Tiere. DD hat damit einen erheblichen Einfluss auf deren Wohl und ihre Leistungen. Zahlreiche Untersuchungen zur Ätiologie der Krankheit ergaben, dass es sich um das Zusammenspiel verschiedener Ursachen handelt. Einer synergistischen multifaktoriellen Infektion mit starker Beteiligung von Bakterien der Gattung Treponema kommt dabei besondere Bedeutung zu. Aspekte wie Tierhaltung, Hygienestandards und genetische Prädispositionen wurden ebenfalls intensiv untersucht. Nichtsdestotrotz bleiben Infektionsherde, Transmissionsrouten und Pathomechanismen weitgehend unklar. Zum besseren Verständnis der Ereignisse, die zu DD-Läsionen führen, sollte im Zuge dieser Arbeit ein organotypisches Zellkulturmodell der bovinen Haut erstellt werden, welches in späteren Versuchen mit dem Krankheitserreger zum Einsatz kommen soll. Verlässliche und reproduzierbare Techniken zur Isolation und Kultur von bovinen primären Keratinozyten und Fibroblasten wurden etabliert; geeignete Zellkulturmedien für die Langzeitkultivierung und –aufbewahrung der Hautzellen wurden identifiziert. Zur Erstellung des Hautmodells wurden zwei verschiedene Ansätze miteinander verglichen. Der zweite Ansatz, bei dem Keratinozyten direkt auf ein dermales Äquivalent, d.h. ein Pad aus bovinem Kollagen I mit eingesäten post-mitotischen Fibroblasten, gesät wurden, brachte ein vielversprechendes Hautmodell hervor. Die inkorporierten post-mitotischen Fibroblasten wiesen eine charakteristische Zellmorphologie mit intakten Nuklei auf. Die terminale Differenzierung der Keratinozyten auf dem dermalen Äquivalent wurde mittels Immunfluoreszenzfärbungen mit Antikörpern gegen die Markerproteine Keratin 14 und Desmoglein 1 gezeigt. Die Ergebnisse erster Experimente mit Treponema spp. verdeutlichen, dass das Hautäquivalent ein geeignetes Modell zur Untersuchung der Pathogenese der DD darstellt. / Bovine digital dermatitis (DD) is a worldwide occurring, infectious disease in cattle primarily affecting the plantar skin above the coronary band near the interdigital cleft on hind feet. Painful ulceroproliferative lesions with acute and chronic appearances lead to behavioral changes and lameness. Hence, DD has a major impact on animal welfare and performance. Substantial efforts in investigating the etiology of the disease revealed a synergistic origin with evidence for a multibacterial infection and the strong involvement of bacteria from the genus Treponema. As the interaction between host, pathogen and environment is not negligible, surrounding circumstances such as housing, general hygiene and genetic predispositions have been investigated intensively. Nevertheless, infection reservoirs, transmission routes and pathomechanisms remain widely unclear. To better understand the cellular and molecular events during Treponema-infection of bovine skin, it was the specific aim of this study to establish an organotypic in vitro skin model, which could be challenged with the causative agent of the disease. A technique to reliably and reproducibly isolate primary keratinocytes and fibroblasts from the site of infection was established. Appropriate cell culture media for the long-term cultivation and storage of bovine skin cells were identified. Two different methods to develop the skin model were compared. The second strategy in which keratinocytes were directly seeded on top of a dermal equivalent, i.e. a bovine collagen type I pad with embedded post-mitotic fibroblasts, gave rise to a promising organotypic skin equivalent. The incorporated post-mitotic fibroblasts showed a characteristic cell morphology with intact nuclei. The terminal differentiation of the keratinocytes on top of the dermal equivalent was shown with anti-K14 and anti-Dsg1 immunofluorescence stainings. The results of initial Treponema-experiments proved that the skin equivalent is a suitable model to investigate the underlying mechanisms during Treponema-infection of bovine skin and hence, the pathogenesis of DD.

In den letzen Jahren gab es durch epidemiologische und molekularbiologische Studien vermehrt Hinweise, dass kutane humane Papillomviren (HPV) ursächlich an der Entstehung nicht-melanozytärer Hauttumore (engl. NMSC) beteiligt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung molekularer Mechanismen der viralen Proteine E6 und E7 kutaner HPV-Typen. Die E6 oder E7 Gene der verschiedenen HPV-Typen 1, 4, 5, 8, 20, 38 und RTRX7 wurden untersucht. Natürliche Wirtszellen dieser Viren, humane primäre Keratinozyten (HPK) der Haut, wurden mit rekombinanten, für E6 oder E7 kodierenden Retroviren infiziert. Die Analysen erfolgten in Monolayer-Kultur (undifferenzierte Keratinozyten) oder in organotypischen Hautmodellen (Induktion der Keratinozytendifferenzierung). Die Expression von E6 oder E7 führte in Monolayer-HPK zu einer Verlängerung der Lebensspanne und zu einer deutlich erhöhten Verdoppelungsrate. Eine Telomeraseaktivierung, die charakteristisch für immortale Zellen ist, wurde nur in HPV 8 E6 positiven HPK nachgewiesen. In organotypischen Hautmodellen induzierte das E7 Protein von HPV 1, 4 und 38 starke Veränderungen in der Differenzierung sowie eine Zunahme der Proliferation. Weiterhin wurde eine Aufhebung der normalen Zellzykluskontrolle in suprabasalen HPV 5 E7 oder HPV 8 E7 beobachtet. Hinweise auf ein starkes invasives Potential von E7-infizierten HPK wurden für HPV 8 E7 bestätigt und für HPV 4 E7, HPV 38 E7 und RTRX7 E7 erweitert. Molekulare Mechanismen der viralen Gene E6 und E7 kutaner HPV unterscheiden sich von mukosalen Typen. Das Mehrstufenmodell der Karzinogenese beinhaltet eine Reihe fundamentaler Zelltransformationen, die für eine Tumorgenese nötig sind. In dieser Arbeit beschriebene Mechanismen der Modulation der Zelldifferenzierung und Zellproliferation durch die kutanen HPV-Typen 4, 5, 8 und 38 können unter Umständen zur Induktion und Progression früher Stadien von Plattenepithelkarzinomen (SCC) beitragen. / In the last years epidemiologic and molecular biological studies accumulated increasing evidence that cutaneous human papillomaviruses are etiologically involved in the formation of non-melanoma skin cancer (NMSC). The presented work aims to identify the underlying molecular mechanisms of the viral proteins E6 and E7 of cutaneous HPV types. The E6 and E7 genes of the different HPV types 1, 4, 5, 8, 20, and RTRX7, which are in vivo associated with cutaneous benign or malignant lesions, were studied. Natural host cells of these viruses, human primary keratinocyts (HPK) of the skin, were infected with recombinant E6 and E7 encoding retroviruses. The following analyses were performed in monolayer culture (non-differentiated keratinocytes) or in organotypic skin culture (induction of keratinocyte differentiation). The expression of E6 and E7 elongated the life span of monolayer HPK and significantly increased the doubling rate. An activation of the telomerase, characteristic for immortalized cells, was only detected in HPV 8 E6 positive cells. In organotypic skin cultures E7 of HPV 1, 4 and 38 induced drastic changes in differentiation and proliferation. Additionally an impairment of the normal cell cycle control in suprabasale HPV 5 E7 and 8 E7 cultures was seen. Hints for a strong invasive potential of E7 infected HPK were proven for HPV 8 E7 and expanded to HPV 4 E7, HPV 38 E7 and RTRX E7. The viral E6 and E7 genes of cutaneous and mucosal HPV types exhibit different molecular mechanisms. The multistep model of carcinogenesis includes a series of fundamental cell transformations necessary for tumorigenesis. Mechanisms for the modulation of cell differentiation and proliferation by cutaneous HPV types 4, 5, 8 and 38 described in this work could potentially contribute to the induction and progression of early stages of squamous cell carcinoma.