Diese Schrift faßt in zwei Abschnitten eigene Beiträge zur Einführung der lokalisierten Magnetresonanzspektroskopie (MRS) und der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) in die diagnostische Medizin zusammen. Im ersten Teil wird beschrieben, wie die biochemischen Metabolite N-Azetylaspartat, Kreatin und Phosphokreatin, cholin-enthaltende Verbindungen und Laktat durch die Einführung der stimulierten Echo-Akquisitionsmethode (STEAM) als Lokalisationstechnik in die diagnostische Magnetresonanzspektroskopie in definierten Hirnregionen gesunder Versuchspersonen nichtinvasiv zugänglich gemacht und erstmals in Form von In-vivo-Konzentrationen quantifiziert werden konnten. Daraufhin wird gezeigt, wie die Weiterentwicklung der robusten STEAM-Technik zu kurzen Echozeiten das Signal-zu-Rauschverhältnis und damit die Messung kleinerer Untersuchungsvolumina erheblich verbesserte. Zudem wurde dadurch die Erkennung und Quantifizierung weiterer Metabolite wie z. B. des myo- und scyllo-Inosits, des Glutamats und Glutamins, des N-Azetylaspartylglutamats und der Glukose ermöglicht. Diese Methode setzte damit zusammen mit der verwendeten linearen Kombinationsmethode (LCModel) zur Konzentrationsbestimmung den spektralen Qualitätsstandard des gesamten letzten Jahrzehnts. Ferner werden die parallelen Pionierarbeiten zu Hirnerkrankungen fokaler und generalisierter Art beleuchtet. Diese Anwendungen der lokalisierten STEAM-Protonenspektroskopie in Einzelvolumentechnik zur Messung umschriebener Prozesse umfassen zerebrale Tumore und Infarkte, Plaques der multiplen Sklerose sowie andere entzündliche und degenerative Läsionen. Auch die lokalisierte STEAM-Phosphorspektroskopie und nichtzerebrale Anwendungen wie die lokalisierte Protonenspektroskopie von Faserbündeln des Skelettmuskels und der Niere bauen weitgehend auf diesem Fortschritt in der Methode auf. Zusätzlich werden Anwendungen bei generalisierten Erkrankungen gestreift, speziell angeborenen Stoffwechselerkrankungen des Kindesalters wie mitochondrialen und lysosomalen Defekten, Stoffwechselentgleisungen bei Diabetes mellitus und Leberzirrhose, psychiatrischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz. Die weitere Verbreitung dieser Erkenntnisse in die klinische Diagnostik wird entscheidend von der Beachtung des hier eingeführten Qualitätsmaßstabs und der darauf aufbauenden absoluten Metabolitquantifizierung abhängen. Der zweite Teil dieser Arbeit faßt ausgehend von funktionellen protonenspektroskopischen Untersuchungen des visuellen Kortex bei photischer Aktivierung Fortschritte zusammen, die bei der Entwicklung und Anwendung der suszeptibilitätsempfindlichen MR-Tomografie zur Messung physiologischer Hirnaktivierung mit dem Modell der visuellen Stimulation erzielt wurden. Während die Belastung des Energiestoffwechsels im angeregten striatären Kortex anhand abgesunkener Gewebespiegel von Glukose und angestiegener Laktatkonzentrationen mithilfe der zeitaufgelösten Spektroskopie beobachtet werden konnte, gelang die Demarkierung der Ausdehnung der Hirngewebeaktivierung mithilfe der T2*-gewichteten FLASH-MRT, die begleitende Verminderungen des paramagnetischen Desoxyhämoglobins im funktionell aktiven Gewebe mit Anstiegen der Bildsignalintensität wiedergibt. Schließlich werden Untersuchungen beschrieben, die die Empfindlichkeit dieses endogenen, sauerstoffspiegelabhängigen Suszeptibilitätskontrastes für die Wirkung verschiedener Medikamente bzw. pharmakologischer Stimulantien zeigen, die direkt oder indirekt über bestimmte vaskuläre Rezeptoren wirken. Diese Untersuchungen befördern wiederum ein neues Gebiet der Bildgebung, die pharmakologische MRT. / This work has two main parts that summarize pioneering contributions to localized magnetic resonance spectroscopy (MRS), functional magnetic resonance tomography (fMRI), and the introduction of these modalities into diagnostic medicine. First, it is described how biochemical metabolites such as the intracellular pools of N-acetylaspartate, creatine and phosphocreatine, choline-containing compounds, and lactate have been made accessible to noninvasive detection and to the quantification of their respective concentrations in vivo in defined cerebral regions of healthy subjects by utilizing the stimulated echo-acquisition mode (STEAM) localization technique. Then it is shown that further development of the robust STEAM technique to short echo times not only increased the signal-to-noise of the measurement, thereby providing access to smaller volumes-of-interest, but also allowed for the detection and quantification of additional metabolites such as myo- and scyllo-inositol, glutamate, glutamine, N-acetylaspartylglutamate, and glucose. Thus, together with the adoption of the linear combination method (LCModel) for concentration calculation, this method has set the standard for spectroscopic state-of-the-art in the field well over the last decade. Moreover, pioneering achievements have been highlighted with regard to applications in brain diseases of focal and generalized nature. Pertinent applications of localized single-volume STEAM proton spectroscopy to circumscribed processes include cerebral tumors, cerebral infarction, multiple sclerosis plaques, and other inflammatory and degenerative lesions. Also localized STEAM phosphorus spectroscopy and non-cerebral applications including localized proton spectroscopy of skeletal muscle and kidney largely depend on the short-echo time STEAM technique. In addition, applications in generalized disorders have been explored, which include inborn errors of metabolism in childhood, such as mitochondrial and lysosomal defects, metabolic disturbances in diabetes mellitus and liver cirrhosis, and psychiatric diseases such as Alzheimer's dementia. The further utilization of these novel methods in clinical diagnostics will heavily depend on quality measures and the mastering of a true quantification procedure as demonstrated. Second, this work summarizes achievements made in developing and applying both proton MR spectroscopy and susceptibility-sensitized MR imaging to measure physiologic brain activation using visual stimulation as a model. Whereas metabolic stress, brought upon the bioenergetic steady state in the responding striate cortex, was detected by decreased parenchymal glucose and increased lactate using time-resolved spectroscopy, mapping the extent of parenchymal activation was found to be possible by increases of image intensity in T2*-weighted FLASH MRI made sensitive to concomitant decreases of paramagnetic deoxyhemoglobin in the functionally active tissue. Finally, studies are described, which show the sensitivity of this endogenous, susceptibility-sensitive contrast, now generally known as BOLD effect, to various drugs or pharmacologic stimuli acting either directly or indirectly on vascular receptors. These latter studies open up again a new field of imaging, dubbed pharmacologic MRI.

Bei Autoimmunkrankheiten wie der Multiplen Sklerose (MS) kommt es zu einer fehlgesteuerten Immunantwort mit Aktivierung und Persistenz autoreaktiver T-Zellen. Apoptose-regulierende Mechanismen wie das CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- und TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Die lösliche Form des CD95-Rezeptor (sCD95) kann an CD95L binden und so die Apoptose aktivierter T-Zellen verhindern. Die systemische Blockade von TRAIL führt zur Exazerbation von Autoimmunerkrankungen in Tierversuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb die Expression, Regulation und Bedeutung sowohl von sCD95 als auch von löslichem TRAIL (sTRAIL) und membranständigem TRAIL bei gesunden Probanden und Patienten mit schubförmig remittierender MS (RRMS) untersucht. Zytokine wurden mit ELISAs, Zelloberflächenproteine sowie Apoptose im Durchflusszytometer gemessen. Die Untersuchungen mit magnetisch gereinigten humanen Leukozytensubpopulationen und Zelllinien zeigten, dass sCD95 lediglich von zelltyp-spezifisch aktivierten humanen T-Zellen, sezerniert wird. TRAIL wurde vor allem von Monozyten, die mit IFN-beta stimuliert waren, sezerniert und auf der Zelloberfläche exprimiert. Zellkulturüberstände, die sTRAIL enthielten, lösten Apoptose in suszeptiblen Tumorzellen aus. TRAIL führte zu einer signifikanten Inhibition der Proliferation und der Produktion von Th1- und Th2-spezifischen Zytokinen bei humanen (auto)antigenspezifischen T-Zellen. Weder für die sCD95- noch für die TRAIL-Expression wurden Unterschiede zwischen RRMS-Patienten und gesunden Probanden nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein komplexes Regulations- und Expressionsmuster von sCD95 und TRAIL, ohne jedoch Anhaltspunkte für Unterschiede zwischen MS-Patienten und Gesunden zu liefern. Es ergaben sich wichtige Hinweise darauf, dass der protektive immunomodulatorische Effekt einer systemischen IFN-beta-Therapie bei MS durch TRAIL vermittelt werden könnte. / Autoimmune disorders such as Multiple Sclerosis (MS) are characterized by an aberrant immune response with activation and persistence of autoreactive T-cells. Apoptosis-regulating mechanism such as the CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- and the TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System may play a major role in this process. The soluble CD95 receptor (sCD95) can bind to CD95L and subsequently inhibit apoptosis of activated T-cells. The systemic blockade of TRAIL leads to the exacerbation of autoimmune disease in animal experiments. In this work I investigated the expression, regulation and significance of sCD95, soluble TRAIL (sTRAIL) and membrane-bound TRAIL in patients with remitting-relapsing MS (RRMS), and in healthy controls. Cytokines were measured by ELISA, membrane bound proteins and apoptosis were measured by flow cytometry. The experiments with magnetically sorted human leucocyte subpopulations and cell lines showed, that only cell-type specific activated human T-cells secrete sCD95. Both forms of TRAIL were expressed by monocytes stimulated with IFN-beta. Cell supernatants containing sTRAIL induced apoptosis in susceptible tumour cells. Furthermore TRAIL inhibited proliferation of (auto)antigen-specific T cells and the production of Th-1 and Th-2 specific cytokines. There were no differences in the expression of sCD95 and TRAIL between RRMS patients and healthy controls. This work shows a complex regulation pattern of sCD95 and TRAIL without being able to detect differences between MS patients and healthy controls. However, results point out that TRAIL could be an important mediator of the immunomodulatory effects of systemic IFN-beta therapy in MS.