Onchocerciasis, the world's second-leading infectious cause of blindness in humans –prevalent in Sub-Saharan Africa – is caused by Onchocerca volvulus (O. volvulus), an obligatory human parasitic filarial worm. Commonly known as river blindness, onchocerciasis is being targeted for elimination through ivermectin-based mass drug administration programs. However, ivermectin does not kill adult parasites, which can live and reproduce for more than 15 years within the human host. These impediments heighten the need for a deeper understanding of parasite biology and parasite-human host interactions, coupled with research into the development of new tools – macrofilaricidal drugs, diagnostics, and vaccines. Humans are the only definitive host for O. volvulus. Hence, no small-animal models exist for propagating the full life cycle of O. volvulus, so the adult parasites must be obtained surgically from subcutaneous nodules. A two-dimensional (2D) culture system allows that O. volvulus larvae develop from the vector-derived infective stage larvae (L3) in vitro to the early pre-adult L5 stages. As problematic, the in vitro development of O. volvulus to adult worms has so far proved infeasible. We hypothesized that an increased biological complexity of a three-dimensional (3D) culture system will support the development of O. volvulus larvae in vitro. Thus, we aimed to translate crucial factors of the in vivo environment of the developing worms into a culture system based on human skin. The proposed tissue model should contain 1. skinspecific extracellular matrix, 2. skin-specific cells, and 3. enable a direct contact of larvae and tissue components. For the achievement, a novel adipose tissue model was developed and integrated to a multilayered skin tissue comprised of epidermis, dermis and subcutis. Challenges of the direct culture within a 3D tissue model hindered the application of the three-layered skin tissue. However, the indirect coculture of larvae and skin models supported the growth of fourth stage (L4) larvae in vitro. The direct culture of L4 and adipose tissue strongly improved the larvae survival. Furthermore, the results revealed important cues that might represent the initial encapsulation of the developing worm within nodular tissue. These results demonstrate that tissue engineered 3D tissues represent an appropriate in vitro environment for the maintenance and examination of O. volvulus larvae. / Onchozerkose, die weltweit zweithäufigste infektionsbedingte Ursache für Erblindung von Menschen, wird durch Onchocerca volvulus (O. volvulus) verursacht, ein parasitärer Fadenwurm. Die allgemein als Flussblindheit bekannte Onchozerkose wird mit dem Medikament Ivermectin bekämpft, das jedoch nicht die adulten Parasiten tötet, die im Menschen mehr als 15 Jahre lang leben und sich vermehren. Ein tieferes Verständnis der Biologie des Parasiten und dessen Interaktionen im menschlichen Wirt ist für die Erforschung und Entwicklung neuer Instrumente – makrofilarizide Medikamente, Diagnostika und Impfstoffe – erforderlich. Da der Mensch der einzige Endwirt für O. volvulus ist, gibt es keine Tiermodelle für dessen Vermehrung. Zu Forschungszwecken werden adulte Würmer daher chirurgisch aus subkutanen Knoten erkrankter Individuen gewonnen. Ein zweidimensionales (2D) Kultursystem ermöglicht die Entwicklung von aus dem Vektor isolierten infektiösen O. volvulus-Larven (L3) bis zu einem frühen präadulten Stadium. Als problematisch erwies sich bisher die in vitro Entwicklung von O. volvulus bis zum adulten Wurm. Unsere Hypothese ist, dass eine erhöhte biologische Komplexität des Kultursystems die Entwicklung von O. volvulus-Larven in vitro unterstützt. Daher wurden entscheidende Faktoren der in vivo-Umgebung entwickelnder Larven – die menschliche Haut – auf ein dreidimensionales (3D) Kultursystem übertragen. Dieses Kultursystem sollte 1. Haut-spezifische extrazelluläre Matrix enthalten, 2. hautspezifische Zellen und 3. einen direkten Kontakt zwischen Larven und Gewebekomponenten ermöglichen. Dafür wurde ein neuartiges Fettgewebemodell entwickelt, das in ein mehrschichtiges Hautgewebe integriert wurde – bestehend aus Epidermis, Dermis und subkutanem Fettgewebe. Die Anwendung des dreischichtigen Hautgewebes als direktes Kultursystem wurde durch technische Herausforderungen verhindert. Jedoch unterstützte die indirekte Ko-Kultur von Hautmodellen das Wachstum der Larven (L4) in vitro. Die direkte Kultur mit dem Fettgewebemodell verbesserte die Viabilität der Larven signifikant. Darüber hinaus konnten Anzeichen für eine beginnende Verkapselung der Larven durch humane Zellen und Matrix gezeigt werden kann. Die Ergebnisse demonstrieren, dass humane Gewebemodelle eine angemessene in vitro-Umgebung für die Kultur und die Erforschung von O. volvulus darstellen.

Mit jährlich circa 11 Millionen Fällen weltweit, stellen schwere Brandwunden bis heute einen großen Anteil an Verletzungen dar, die in Kliniken behandelt werden müssen. Während leichte Verbrennungen meist problemlos heilen, bedarf die Behandlung tieferer Verbrennungen medizinischer Intervention. Zellbasierte Therapeutika zeigen hier bereits große Erfolge, aufgrund der eingeschränkten Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Tiermodellen ist jedoch sowohl die Testung neuer Produkte, als auch die Erforschung der Wundheilung bei Brandwunden noch immer schwierig. Aufgrund dessen wurden in dieser Arbeit zwei Ziele verfolgt: Die Etablierung von Methoden, um ein zellbasiertes Therapeutikum produzieren zu können und die Entwicklung eines Modells zur Untersuchung von Verbrennungswunden. Zunächst wurden hierfür die Kulturbedingungen und -protokolle zur Isolation und Expansion von Keratinozyten so angepasst, dass sie gängigen Regularien zur Produktion medizinischer Produkte entsprechen. Hier zeigten die Zellen auch in anschließenden Analysen, dass charakteristische Merkmale nicht verloren hatten. Darüber hinaus gelang es, die Zellen mithilfe verschiedener protektiver Substanzen erfolgreich einzufrieren und zu konservieren. Des Weiteren konnte ein Modell etabliert werden, das eine Verbrennung ersten Grades widerspiegelt. Über einen Zeitraum von zwei Wochen wurde seine Regeneration hinsichtlich verschiedener Aspekte, wie der Histomorphologie, dem Metabolismus und der Reepithelialisierungsrate, untersucht. Die Modelle zeigten hier viele Parallelen zur Wundheilung in vivo auf. Um die Eignung der Modelle zur Testung von Wirkstoffen zu ermitteln wurde außerdem eine Behandlung mit 5% Dexpanthenol getestet. Sie resultierte in einer verbesserten Histomorphologie und einer erhöhten Anzahl an proliferativen Zellen in den Modellen, beschleunigte jedoch die Reepithelialisierung nicht. Zusammengefasst konnten in dieser Arbeit zunächst Methoden etabliert werden, um ein medizinisches Produkt aus Keratinozyten herzustellen und zu charakterisieren. Außerdem wurde ein Modell entwickelt, anhand dessen die Wundheilung und Behandlung von Verbrennungen ersten Grades untersucht werden kann und welches als Basis zur Entwicklung von Modellen von tieferen Verbrennungen dienen kann. / With approximately 11 million cases annually worldwide, severe burns still represent a large proportion of injuries requiring hospital treatment. While minor burns usually heal without problems, the treatment of deeper burns requires medical intervention. Cell-based therapeutics have already shown great success in this area, but due to the limited transferability of results from animal models, both the testing of new products and research into wound healing in burn wounds is still difficult. Due to this, two objectives were pursued in this work: The establishment of methods to enable the production of a cell-based therapeutic and the development of a model to study burn wounds. First, the culture conditions and protocols for the isolation and expansion of keratinocytes were adapted to meet common regulations for the production of medical products. The cells showed in subsequent analyses that characteristic features had not been lost. In addition, the cells were successfully frozen and preserved with the use of different protective substances. Furthermore, it was possible to establish a model that reflects a first-degree burn wound. Over a period of two weeks, the regeneration of the models was investigated with regard to various aspects, such as histomorphology, metabolism and the rate of reepithelialization. Here, the models showed many parallels to wound healing in vivo. In addition, to determine the suitability of the models for testing active ingredients, a treatment with 5% dexpanthenol was tested. It resulted in an improved histomorphology and increased numbers of proliferative cells in the models, but did not accelerate overall reepithelialization. In summary, this work initially established methods to produce and characterize a medical product from keratinocytes. In addition, an in vitro model was developed that can be used to study wound healing and treatment of first-degree burns and can serve as a basis for developing models of deeper burns.

Universiẗat, Diss., 2002--Jena.

Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

Universiẗat, Diss., 2002--Kiel.

Neisseria meningitidis (the meningococcus) is one of the major causes of bacterial meningitis, a life-threatening inflammation of the meninges. Traversal of the meningeal blood-cerebrospinal fluid barrier (mBCSFB), which is composed of highly specialized brain endothelial cells (BECs), and subsequent interaction with leptomeningeal cells (LMCs) are critical for disease progression. Due to the human-exclusive tropism of N. meningitidis, research on this complex host-pathogen interaction is mostly limited to in vitro studies. Previous studies have primarily used peripheral or immortalized BECs alone, which do not retain relevant barrier phenotypes in culture. To study meningococcal interaction with the mBCSFB in a physiologically more accurate context, BEC-LMC co-culture models were developed in this project using BEC-like cells derived from induced pluripotent stem cells (iBECs) or hCMEC/D3 cells in combination with LMCs derived from tumor biopsies. Distinct BEC and LMC layers as well as characteristic expression of cellular markers were observed using transmission electron microscopy (TEM) and immunofluorescence staining. Clear junctional expression of brain endothelial tight and adherens junction proteins was detected in the iBEC layer. LMC co-culture increased iBEC barrier tightness and stability over a period of seven days, as determined by sodium fluorescein (NaF) permeability and transendothelial electrical resistance (TEER). Infection experiments demonstrated comparable meningococcal adhesion and invasion of the BEC layer in all models tested, consistent with previously published data. While only few bacteria crossed the iBEC-LMC barrier initially, transmigration rates increased substantially over 24 hours, despite constant high TEER. After 24 hours of infection, deterioration of the barrier properties was observed including loss of TEER and altered expression of tight and adherens junction components. Reduced mRNA levels of ZO-1, claudin-5, and VE-cadherin were detected in BECs from all models. qPCR and siRNA knockdown data suggested that transcriptional downregulation of these genes was potentially but not solely mediated by Snail1. Immunofluorescence staining showed reduced junctional coverage of occludin, indicating N. meningitidis-induced post-transcriptional modulation of this protein, as previous studies have suggested. Together, these results suggest a potential combination of transcellular and paracellular meningococcal traversal of the mBCSFB, with the more accessible paracellular route becoming available upon barrier disruption after prolonged N. meningitidis infection. Finally, N. meningitidis induced cellular expression of pro-inflammatory cytokines and chemokines such as IL-8 in all mBCSFB models. Overall, the work described in this thesis highlights the usefulness of advanced in vitro models of the mBCSFB that mimic native physiology and exhibit relevant barrier properties to study infection with meningeal pathogens such as N. meningitidis. / Neisseria meningitidis (der Meningokokkus) ist einer der Hauptursachen bakterieller Meningitis, einer lebensbedrohlichen Entzündung der Hirnhäute. Entscheidend für das für das Voranschreiten der Krankheit ist die Fähigkeit des Erregers, die meningeale Blut-Liquor-Schranke (mBCSFB), bestehend aus spezialisierten Hirnendothelzellen (BECs) und leptomeningealen Zellen (LMCs), zu überwinden und in den submeningealen Raum einzudringen. Da es sich bei N. meningitidis um ein rein humanes Pathogen handelt, beschränkt sich die Erforschung dieser speziellen Interaktion primär auf die Verwendung von in vitro Modellen. Bisher wurden hierfür hauptsächlich periphere oder immortalisierte BECs verwendet, welchen jedoch wichtige Barriere-Eigenschaften fehlen. Um die Interaktion von N. meningitidis mit der mBCSFB in einem physiologisch relevanteren Umfeld zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit neuartige BEC-LMC Kokulturmodelle entwickelt. Dabei wurden sowohl BEC-ähnliche Zellen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen generiert wurden (iBECs), als auch hCMEC/D3 Zellen verwendet und zusammen mit LMCs aus Tumorbiopsien kultiviert. Mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie und Immunfluoreszenzfärbung konnten die unterschiedlichen Zellschichten und deren Expression charakteristischer zellulärer Marker dargestellt werden. Durchgängige Expression von wichtigen Bestandteilen Barriere-formender Zellverbindungen, sogenannter Tight und Adherens Junctions, wurde in der iBEC-Schicht beobachtet. Die Integrität der zellulären Barriere wurde mittels transendothelialer elektrischer Resistenz (TEER) und Permeabilität gegenüber Natrium-Fluorescein (NaF) bestimmt. Erhöhte TEER-Werte und verringerte NaF-Permeabilität, gemessen über einen Zeitraum von sieben Tagen, zeigten eine durch die Kokultur mit LMCs ausgelöste Steigerung der Dichtigkeit und Stabilität der iBEC-Barriere. Infektionsexperimente mit N. meningitidis zeigten in allen Modellen vergleichbare bakterielle Adhäsion und Invasion der BEC-Schicht. Bakterielle Transmigration durch die gesamten Zellbarriere war im iBEC-LMC Modell kurz nach Infektion nur in geringem Maße detektierbar, nahm jedoch innerhalb von 24 Stunden deutlich zu. Interessanterweise wurde bis zu 24 Stunden nach Infektion noch eine hohe Integrität der Barriere gemessen, welche allerdings im weiteren Verlauf verloren ging. Neben signifikantem TEER-Verlust wurde eine verringerte Expression der Tight und Adherens Junction Proteine ZO-1, claudin-5, und VE-cadherin mittels qPCR festgestellt. qPCR und siRNA Knockdown Experimente deuteten darauf hin, dass dies möglicherweise, aber nicht ausschließlich, auf den Transkriptionsfaktor Snail1 zurückzuführen war. Zusätzlich zu den beobachteten Effekten auf die zelluläre Transkription von Tight Junction Genen, zeigten Immunfluoreszenzfärbungen eine verringerte Expression von Occludin an den Zell-Zell-Verbindungen, was auf eine post-translationale Modulation schließen lässt. Zusammen deuten die Ergebnisse dieser Infektionsstudien auf eine mögliche Kombination aus trans- und parazellulärer bakterieller Transmigration der mBCSFB hin. Zuletzt wurden in dieser Arbeit noch die Immunaktivierung von BECs nach N. meningitidis Infektion in den neuen BEC-LMC Kokulturmodellen untersucht. Hierbei wurde eine erhöhte Expression von Zytokinen, insbesondere Interleukin-8, beobachtet. Insgesamt konnten in dieser Arbeit neue, fortschrittlicher in vitro Modelle der mBCSFB entwickelt werden, welche die humane Physiologie besser widerspiegeln und daher für Infektionsstudien mit Meningitis-verursachenden Erregern wie N. meningitidis von besonderem Nutzen sind.

Es wird eine Bioassay-Analyse von 168 Testsubstanzen gegenüber Tetrahymena pyriformis beschrieben. Mithilfe dieses In-vitro-Ansatzes konnte eine erste prognostische Aussage über die toxische Wirkung unbekannter Stoffe getroffen werden. Aus den Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen erfolgte eine Bestimmung der Toxizitätserhöhung gegenüber der Narkoselevel-Toxizität. Dadurch war eine mechanistische Interpretation der Wirkstärke der Fremdstoffe möglich. Die Wirkung der Fremdstoffe basiert auf direkten toxikologisch relevanten Reaktionsmechanismen mit nukleophilen Biomolekülen oder nach entsprechender enzymatischer Aktivierung und ermöglichte die Aufstellung von Strukturalarmen. Aus jeder Stoffklasse waren Vertreter direkt oder nach enzymatischer Biotransformation erhöht toxisch. Somit ist mithilfe der Ciliaten eine Vorhersage der direkten reaktiven Toxizität möglich. Zudem enthält es für eine metabolische Aktivierung bedeutsame Enzymsysteme. Damit ist es für eine prognostische Vorhersage der Toxizität unbekannter Stoffe anwendbar.

Es wird eine Bioassay-Analyse von 168 Testsubstanzen gegenüber Tetrahymena pyriformis beschrieben. Mithilfe dieses In-vitro-Ansatzes konnte eine erste prognostische Aussage über die toxische Wirkung unbekannter Stoffe getroffen werden. Aus den Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen erfolgte eine Bestimmung der Toxizitätserhöhung gegenüber der Narkoselevel-Toxizität. Dadurch war eine mechanistische Interpretation der Wirkstärke der Fremdstoffe möglich. Die Wirkung der Fremdstoffe basiert auf direkten toxikologisch relevanten Reaktionsmechanismen mit nukleophilen Biomolekülen oder nach entsprechender enzymatischer Aktivierung und ermöglichte die Aufstellung von Strukturalarmen. Aus jeder Stoffklasse waren Vertreter direkt oder nach enzymatischer Biotransformation erhöht toxisch. Somit ist mithilfe der Ciliaten eine Vorhersage der direkten reaktiven Toxizität möglich. Zudem enthält es für eine metabolische Aktivierung bedeutsame Enzymsysteme. Damit ist es für eine prognostische Vorhersage der Toxizität unbekannter Stoffe anwendbar.

Um die Erhaltung und Nutzung der beiden gefährdeten, hochwertigen Baumarten Pyrus pyraster und Sorbus torminalis zu fördern, wurden Methoden der in vitro Kultur und der Kryokonservierung evaluiert und optimiert. Kryokonservierung von Sorbus torminalis wird erstmalig beschrieben. Als Explantatquellen dienten Winterknospen, überwiegend von selektierten Bäumen aus Nachkommenschaftsprüfungen. Von den geprüften Faktoren Nährmedienzusammensetzung, Kulturgefäß, Schneidetechnik, Temperatur, Pikiertermin und physiologischer Zustand der Explantate erwies sich letzterer als entscheidend. Die Reiser mit den Winterknospen wurden in zwei aufeinander folgenden Jahren im November, Dezember, Januar, Februar und März geerntet und sowohl direkt als auch nach 2-monatiger Lagerung bei +5°C bearbeitet. Bei Pyrus führte Ernte im März zu den besten Ergebnissen der in vitro Kultur. Die besten Ergebnisse der Kryokonservierung wurden von Ernten im November bis Januar erzielt. Bei Sorbus differierten die Ergebnisse der in vitro Kultur zwischen den Jahren so stark, dass keine Aussage möglich war. Bei der Kryokonservierung waren die Erntetermine Dezember und Januar erfolgreich. Zur Kryokonservierung von in vitro Material wurden die Alginat-Einkapselung und die Droplet-Technik geprüft. Mit Pyrus wurden mit der Droplet-Technik Vitalitätsraten zwischen 7 und 13% erzielt, wenn eine bisher unveröffentlichte Kombination von Vorbehandlungen und PVS2-Vitrifizierung eingesetzt wurden. Die Kryokonservierung wirkte sich im Vergleich weder positiv noch negativ auf Wachstum und Entwicklung aus. Die Diskrepanz zwischen der Nutzung der tiefen Dormanz der Knospen und des damit verbundenen natürlichen Frostschutzes für die Kryokonservierung einerseits und der Vermeidung von tiefer Dormanz bei Etablierung von in vitro Kulturen wegen der damit verbundenen Wachstumshemmung andererseits wird diskutiert. / To facilitate conservation and utilization of the endangered valuable tree species Pyrus pyraster and Sorbus torminalis methods of in vitro culture and cryopreservation were evaluated and optimized. Cryopreservation of Sorbus torminalis is described for the first time. The explant sources were dormant winter buds, mainly from selected trees from progeny trials. The evaluation of media composition, culture vessel, cutting technique, date of pricking and physiological state proved the latter to be crucial. Twigs with winter buds were harvested in two subsequent years in November, December, January, February and March and were processed immediately and after two months of storage at +5°C. With Pyrus, the best results in in vitro culture were obtained after harvest in March while for cryopreservation harvest in November to January proved to be best. With Sorbus, the results in in vitro culture differed between the years and no conclusion could be drawn. Cryopreservation was successful after harvest in December and January. Encapsulation in alginate and the droplet-technique were evaluated for the cryopreservation of in vitro material. Vitality rates of 7 to 13% were achieved with Pyrus using the droplet-technique with a combination of pre-treatments and PVS2-vitrification not published so far. In comparison, cryopreservation was of neither positive nor negative influence on growth and development. The discrepancy between deep dormancy of buds being useful for cryopreservation because of its natural frost protection and the need to avoid it because it impedes in vitro culture is discussed.

At the forefront of cancer treatment development and evaluation, three-dimensional Tumour Spheroid Control Experiments play a pivotal role in the battle against cancer. Conducting and evaluating in vitro experiments are time-consuming processes. This thesis details the development, implementation, and validation of an algorithmic model that classifies spheroids as either controlled or relapsed by assessing the success of their treatments based on criteria rooted in biological insights. The introduction of this model is crucial for biologists to accurately and efficiently predict treatment efficacy in 3D in vitro experiments. The motivation for this research is driven by the need to improve the objectivity and efficiency of treatment outcome evaluations, which have traditionally depended on manual and subjective assessments by biologists. The research involved creating a comprehensive dataset from multiple 60-day in vitro experiments by combining data from various sources, focusing on the growth dynamics of tumour spheroids subjected to different treatment regimens. Through preprocessing and analysis, growth characteristics were extracted and utilized as input features for the model. A feature selection and optimization technique was applied to refine the software model and improve its predictive accuracy. The model is based on a handful of comprehensive criteria, calibrated by employing a grid search mechanism for hyperparameter tuning to optimize accuracy. The validation process, conducted via independent test sets, confirmed the model’s capability to predict treatment outcomes with a high degree of reliability and an accuracy of about 99%. The findings reveal that algorithmic classification models can make a significant contribution to the standardization and automation of treatment efficacy assessment in tumour spheroid experiments. Not only does this approach reduce the potential for human error and variability, but it also provides a scalable and objective means of evaluating treatment outcomes.:1 Introduction 1.1 Background and Motivation 1.2 Biological Background 1.3 Iteration Methodology 1.4 Objective of the Thesis 2 Definition of basic Notation and Concepts 2.1 Time Series Analysis 2.2 Linear Interpolation 2.3 Simple Exponential Smoothing 2.4 Volume of a Spheroid 2.5 Heavyside Function 2.6 Least Squares Method 2.7 Linear Regression 2.8 Exponential Approximation 2.9 Grid Search 2.10 Binary Regression 2.11 Pearson Correlation Coefficient 3 Observation Data 3.1 General Overview 3.1.1 Structure of the Data 3.1.2 Procedure of Data Processing using 3D-Analysis 3.2 Data Engineering 3.2.1 Data Consolidation and Sanitization 3.2.2 Extension and Interpolation 3.2.3 Variance Reduction 4 Model Development 4.1 Modeling of Various Classification-Relevant Aspects 4.1.1 Primary Criteria 4.1.2 Secondary Criteria 4.1.3 Statistical Learning Approaches 4.2 Day of Relapse Estimation 4.3 Model Implementation 4.3.1 Combination of Approaches 4.3.2 Implementation in Python 4.4 Model Calibration 4.4.1 Consecutive Growth 4.4.2 Quintupling 4.4.3 Secondary Criteria 4.4.4 Combined Approach 5 Model Testing 5.1 Evaluation Methods 5.1.1 Applying the Model to New Data 5.1.2 Spheroid Control Probability 5.1.3 Kaplan-Meier Survival Analysis 5.1.4 Analysis of Classification Mismatches 5.2 Model Benchmark 5.2.1 Comparison to Human Raters 5.2.2 Comparison to Binary Regression Model 5.3 Robustness 5.3.1 Test using different Segmentation 5.3.2 Feature Reduction 5.3.3 Sensitivity 5.3.4 Calibration Templates 6 Discussion 6.1 Practical Application Opportunities 6.2 Evaluation of the Algorithmic Model 6.3 Limitations 7 Conclusion 7.1 Summary 7.2 Future Research Directions / Dreidimensionale Experimente zur Kontrolle von Tumorsphäroiden sind zentral für die Entwicklung und Evaluierung von Krebstherapien. Die Durchführung und Auswertung von In-vitro-Experimenten ist jedoch zeitaufwendig. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Implementierung und Validierung eines algorithmischen Modells zur Einstufung von Sphäroiden als kontrolliert oder rezidivierend. Das Modell bewertet den Behandlungserfolg anhand biologisch fundierter Kriterien. Diese Innovation ist entscheidend für die präzise und effiziente Vorhersage der Wirksamkeit von Behandlungen in 3D-In-vitro-Experimenten und zielt darauf ab, die Objektivität und Effizienz der Beurteilung von Behandlungsergebnissen zu verbessern, die traditionell von manuellen, subjektiven Einschätzungen der Biologen abhängen. Die Forschung umfasste die Erstellung eines umfassenden Datensatzes aus mehreren 60-tägigen In-vitro-Experimenten, bei denen die Wachstumsdynamik von Tumorsphäroiden unter verschiedenen Behandlungsschemata untersucht wurde. Durch Vorverarbeitung und Analyse wurden Wachstumscharakteristika extrahiert und als Eingangsmerkmale für das Modell verwendet. Das Modell basiert auf wenigen umfassenden Kriterien, die mithilfe eines Gittersuchmechanismus zur Abstimmung der Hyperparameter kalibriert wurden, um die Genauigkeit zu optimieren. Der Validierungsprozess bestätigte die Fähigkeit des Modells, Behandlungsergebnisse mit hoher Zuverlässigkeit und einer Genauigkeit von etwa 99 % vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigen, dass algorithmische Klassifizierungsmodelle einen wesentlichen Beitrag zur Standardisierung und Automatisierung der Bewertung der Behandlungseffektivität in Tumorsphäroid-Experimenten leisten können. Dieser Ansatz verringert nicht nur das Potenzial für menschliche Fehler und Schwankungen, sondern bietet auch ein skalierbares und objektives Mittel zur Bewertung von Behandlungsergebnissen.:1 Introduction 1.1 Background and Motivation 1.2 Biological Background 1.3 Iteration Methodology 1.4 Objective of the Thesis 2 Definition of basic Notation and Concepts 2.1 Time Series Analysis 2.2 Linear Interpolation 2.3 Simple Exponential Smoothing 2.4 Volume of a Spheroid 2.5 Heavyside Function 2.6 Least Squares Method 2.7 Linear Regression 2.8 Exponential Approximation 2.9 Grid Search 2.10 Binary Regression 2.11 Pearson Correlation Coefficient 3 Observation Data 3.1 General Overview 3.1.1 Structure of the Data 3.1.2 Procedure of Data Processing using 3D-Analysis 3.2 Data Engineering 3.2.1 Data Consolidation and Sanitization 3.2.2 Extension and Interpolation 3.2.3 Variance Reduction 4 Model Development 4.1 Modeling of Various Classification-Relevant Aspects 4.1.1 Primary Criteria 4.1.2 Secondary Criteria 4.1.3 Statistical Learning Approaches 4.2 Day of Relapse Estimation 4.3 Model Implementation 4.3.1 Combination of Approaches 4.3.2 Implementation in Python 4.4 Model Calibration 4.4.1 Consecutive Growth 4.4.2 Quintupling 4.4.3 Secondary Criteria 4.4.4 Combined Approach 5 Model Testing 5.1 Evaluation Methods 5.1.1 Applying the Model to New Data 5.1.2 Spheroid Control Probability 5.1.3 Kaplan-Meier Survival Analysis 5.1.4 Analysis of Classification Mismatches 5.2 Model Benchmark 5.2.1 Comparison to Human Raters 5.2.2 Comparison to Binary Regression Model 5.3 Robustness 5.3.1 Test using different Segmentation 5.3.2 Feature Reduction 5.3.3 Sensitivity 5.3.4 Calibration Templates 6 Discussion 6.1 Practical Application Opportunities 6.2 Evaluation of the Algorithmic Model 6.3 Limitations 7 Conclusion 7.1 Summary 7.2 Future Research Directions