Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2007. / Title from PDF of title page. Document formatted into pages; contains 82 pages. Includes vita. Includes bibliographical references.

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Quantitative pharmacokinetic-pharmacodynamic and disease progression models are the core of the science of pharmacometrics which has been identified as one of the strategies that can make drug development more effective. To adequately develop and utilize these models one needs to carefully consider the nature of the data, choice of appropriate estimation methods, model evaluation strategies, and, most importantly, the intended use of the model. The general aim of this thesis was to investigate how the use of pharmacometric models can improve the design and analysis of clinical trials within drug development. The development of pharmacometric models for clinical assessment scales in stroke and graded severity events, in this thesis, show the benefit of describing data as close to its true nature as possible, as it increases the predictive abilities and allows for mechanistic interpretations of the models. Performance of three estimation methods implemented in the mixed-effects modeling software NONMEM; 1) Laplace, 2) SAEM, and 3) Importance sampling, applied when modeling repeated time-to-event data, was investigated. The two latter methods are to be preferred if less than approximately half of the individuals experience events. In addition, predictive performance of two validation procedures, internal and external validation, was explored, with internal validation being preferred in most cases. Model-based analysis was compared to conventional methods by the use of clinical trial simulations and the power to detect a drug effect was improved with a pharmacometric design and analysis. Throughout this thesis several examples have shown the possibility of significantly reducing sample sizes in clinical trials with a pharmacometric model-based analysis. This approach will reduce time and costs spent in the development of new drug therapies, but foremost reduce the number of healthy volunteers and patients exposed to experimental drugs.

Philosophiae Doctor - PhD / Injuries, and head injuries in particular, are a common cause of childhood, adolescent and young adulthood morbidity and mortality. The risk factors for injuries in general have been well researched. But it remains uncertain whether these factors are similar for specific injuries, such as head injuries. The inter-relationships between individual and environmental risk factors are difficult to study. Whilst much is know of the short-term consequences of head injuries, relatively little information is available on their long-term conseque~ces. The follow-up period in most research is short (often less than 1 year) and studies are weak in terms of design. Studies generally find a variety of social, cognitive and psychological consequences in children and young adults experiencing head injuries. This study assessed in two large, nationally representative samples, a 1946 birth cohort and a 1997 cross-sectional health survey: 1) the occurrence and risk factors for childhood, adolescent and early adulthood head and other injuries, and 2) the long-term cognitive and psychiatric effects of skull injuries. The overall findings for the risk factors across the two data sets and over 5 decades of data collection were strikingly similar. Maleness was a major risk factor for the head and other injuries. Some of the behaviour and personality factors such as hyperactivity and being neurotic, even after adjusting for sex, socioeconomic status and family type, remained significantly related to injuries, particularly those affecting the head region. A clustering of demographic, socioeconomic, family and behavioural risk factors significantly increased the likelihood of injuries, particularly recurring injuries with at least one being a head injury. In the unadjusted analyses socioeconomic status and family type were less consistently related to injuries. The long-term psychiatric and cognitive consequences of skull injuries causing concussion and skull fractures in childhood and early adulthood were negligible. Other childhood factors such as educational ability, behaviour and personality, and level of education achieved were more predictive of psychiatric symptoms and cognitive problems in adulthood. This study suggests that children and adolescents with behavioural and personality problems were at greater risk of head and other injuries in childhood, adolescence and later in adulthood. Children and adolescents with behavioural and personality problems were more likely to live in manual social class families and families with a single parent or stepparent. This combination of behavioural problems and deprived socioeconomic and family circumstances may increase tendencies for violent behaviour, alcohol dependence and manual occupations later in adulthood, which all increase the risk of injuries. There is therefore a need to identify children and adolescents with behavioural and personality problems as early as possible to prevent the impact in the short- and longterm. This will not only reduce the burden of injuries but also the many other consequence of behavioural and personality problems, particularly when located within deprived socioeconomic and family circumstances.

Neointimal hyperplasia (NIH) is a cardiovascular disease characterised by increased smooth muscle cell (SMC) inflammation and proliferation. Suppressor of cytokine signalling 3 (SOCS3) limits Janus kinase (JAK)/signal transducer and activator of transcription (STAT) pathways involved in vascular remodelling but is limited by its short biological half-life. Therefore, mutation of all 9 Lys residues that are potential sites of ubiquitylation to Arg should produce a mutated SOCS3 resistant to ubiquitin-mediated proteasomal degradation (“Lys-less” SOCS3). This study hypothesise that enhancing SOCS3 stability and limiting JAK/STAT signalling may provide sustained inhibition of the vascular remodelling in NIH. Lentiviral transduction of WT and Lys-less SOCS3 in human saphenous vein (HSVSMCs) was highly efficient after 48 hours (>97%) and was sustained over 2 weeks. Lys-less SOCS3 was resistant to ubiquitylation contrary to WT-transduced HSVECs, and Lys-less SOCS3 was more stable (t1/2=4h) than WT (t1/2<4h) (n=6, P<0.001) in HSVSMCs. In HSVSMCs, both Lys-less SOCS3 and WT inhibited sIL-6Rα/IL-6 mediated STAT3 activation but not extracellular signal regulated protein kinase 1/2 (ERK1/2) by 80±7% (Lys-lessSOCS3/pSTAT3) and 74±6% (WT/pSTAT3) (n=3, P<0.05) and similarly inhibited PDGF-mediated STAT3 activation but not ERK1/2 by 67±17% (Lys-less SOCS3/pSTAT3) and 72±18% (WT/pSTAT3) (n=3, P<0.05). Functionally, Lys-less SOCS3 and WT were equivalent in inhibiting sIL-6Rα/IL-6 and PDGF-induced proliferation, whilst having no effects on PDGF-induced migration in HSVSMCs. Lys-less SOCS3 can be successfully transduced into primary HSVSMCs. It is more stable than WT yet retains its functional ability to ameliorate pro-inflammatory signalling and SMC proliferation, making it an attractive option for developing treatment of NIH. / University of Botswana

Die rheumatoide Arthritis ist eine chronisch-entzündliche Bindegewebserkrankung mit symmetrischem Befall der Gelenke. Die genaue Ätiologie ist bisher unbekannt. Aktivierte synoviale Fibroblasten sollen durch gesteigerte Adhäsion und Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und Matrix-lysierenden Proteasen maßgeblich an der Gelenkdestruktion beteiligt sein. Ziel dieser Arbeit war es, ein neues in-vivo-Knorpeldestruktions-Modell zu etablieren, in welchem unter immunkompetenten Bedingungen, die Invasion und Destruktion von Gelenkknorpel durch die Fibroblasten-Zelllinie LS48 über einen längeren Zeitraum simuliert werden kann. Die am Institut für klinische Immunologie der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig etablierte Zelllinie LS48 wurde in die ipsilateralen Kniegelenke von BALB/c-Mäusen injiziert. Die dadurch induzierte Gewebsdestruktion wurde über zehn Wochen in zweiwöchigem Abstand histopathologisch beurteilt und klassifiziert. Als vergleichende Fibroblasten-Zelllinie wurden nicht-invasive NIH/3T3-Zellen eingesetzt. An Hand der Score-Parameter Zellinvasion, Pannusformation und Knorpeldestruktion wurde eine mäßige bis schwer-wiegende Gewebsdestruktion durch die LS48-Zellen bereits ab der zweiten Untersuchungswoche lichtmikroskopisch nachgewiesen, ohne dass dabei pathologische Effekte in den kontralateralen Kniegelenken aufgetreten sind. Polarisationsmikroskopisch wurden für den Parameter Knorpeldestruktion vergleichbare Ergebnisse erzielt. Damit wurde gezeigt, dass das Modell BALB/c LS48 ein erfolgversprechendes Instrument darstellt, das zur Testung neuer therapeutischer Strategien gegen die Gelenkdestruktion verwendet werden kann. Inwieweit die Auseinandersetzung der LS48-Zellen mit dem spezifischen Immunsystem der BALB/c-Maus Auswirkungen auf den Verlauf der Gewebsdestruktion hat, sollte in weiterführenden Experimenten untersucht werden.

Die rheumatoide Arthritis ist eine chronisch-entzündliche Bindegewebserkrankung mit symmetrischem Befall der Gelenke. Die genaue Ätiologie ist bisher unbekannt. Aktivierte synoviale Fibroblasten sollen durch gesteigerte Adhäsion und Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und Matrix-lysierenden Proteasen maßgeblich an der Gelenkdestruktion beteiligt sein. Ziel dieser Arbeit war es, ein neues in-vivo-Knorpeldestruktions-Modell zu etablieren, in welchem unter immunkompetenten Bedingungen, die Invasion und Destruktion von Gelenkknorpel durch die Fibroblasten-Zelllinie LS48 über einen längeren Zeitraum simuliert werden kann. Die am Institut für klinische Immunologie der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig etablierte Zelllinie LS48 wurde in die ipsilateralen Kniegelenke von BALB/c-Mäusen injiziert. Die dadurch induzierte Gewebsdestruktion wurde über zehn Wochen in zweiwöchigem Abstand histopathologisch beurteilt und klassifiziert. Als vergleichende Fibroblasten-Zelllinie wurden nicht-invasive NIH/3T3-Zellen eingesetzt. An Hand der Score-Parameter Zellinvasion, Pannusformation und Knorpeldestruktion wurde eine mäßige bis schwer-wiegende Gewebsdestruktion durch die LS48-Zellen bereits ab der zweiten Untersuchungswoche lichtmikroskopisch nachgewiesen, ohne dass dabei pathologische Effekte in den kontralateralen Kniegelenken aufgetreten sind. Polarisationsmikroskopisch wurden für den Parameter Knorpeldestruktion vergleichbare Ergebnisse erzielt. Damit wurde gezeigt, dass das Modell BALB/c LS48 ein erfolgversprechendes Instrument darstellt, das zur Testung neuer therapeutischer Strategien gegen die Gelenkdestruktion verwendet werden kann. Inwieweit die Auseinandersetzung der LS48-Zellen mit dem spezifischen Immunsystem der BALB/c-Maus Auswirkungen auf den Verlauf der Gewebsdestruktion hat, sollte in weiterführenden Experimenten untersucht werden.:Bibliographische Zusammenfassung II Inhaltsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis IV 1 Einleitung 1 1.1 Rheumatische Erkrankungen 1 1.2 Die rheumatoide Arthritis 2 1.2.1 Immunologische Grundlagen der rheumatoiden Arthritis 2 1.2.1.1 Hypothese der Fibroblasten-Abhängigkeit 3 1.2.1.2 Hypothese der T-Zell-Abhängigkeit 4 1.3 Allgemeine Anatomie und Histologie des Kniegelenks 6 1.4 Die Histopathologie der rheumatoiden Arthritis 9 1.4.1 Verschiedene Synovialmembrantypen bei rheumatoider Arthritis 10 1.5 Tiermodelle zur Untersuchung der rheumatoiden Arthritis 11 1.5.1 Das Tiermodell der Fibroblasten-induzierten Gelenkdestruktion in der BALB/c-Maus 12 1.6 Histopathologische Score-Systeme der rheumatoiden Arthritis in Tiermodellen 13 1.7 Ziel 13 1.7.1 Fragestellungen 14 2 Material und Methoden 16 2.1 Zelllinien und Versuchstiere 16 2.1.1 Die Fibroblasten-Zelllinie NIH/3T3 16 2.1.2 Die Fibroblasten-Zelllinie LS48 16 2.1.3 Die BALB/c-Maus 17 2.2 Tierversuchsplan 18 2.3 Zellkultur 19 2.3.1 Geräte und Verbrauchsmaterialien 19 2.3.2 Reagenzien 20 2.3.3 Durchführung 21 2.4 Isolation der murinen Kniegelenke 22 2.5 Histologische Aufarbeitung 23 2.5.1 Geräte und Verbrauchsmaterialien 23 2.5.2 Reagenzien 24 2.5.3 Entkalkung, Entwässerung, Einbettung und Schneiden der Präparate 26 2.5.4 Azanfärbung nach Heidenhain (Kernechtrubin-Anillinblau-Orange G-Färbung) 27 2.6 Klassifikation mit dem Durchlichtmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (Balb/c-LS48) 29 2.7 Klassifikation mit dem Polarisationsmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (Balb/c-LS48) 29 2.8 Statistik 30 3 Ergebnisse 31 3.1 Score-Erhebung mit dem Lichtmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 31 3.1.1 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Zellinvasion 32 3.1.2 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Pannusformation 35 3.1.3 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Knorpeldestruktion 38 3.2 Datenanalyse der lichtmikroskopisch untersuchten Parameter Zellinvasion, Pannusformation und Knorpeldestruktion für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 41 3.2.1 Zellinvasion 41 3.2.2 Pannusformation 45 3.2.3 Knorpeldestruktion 48 3.2.4 Gesamtscore 51 3.3 Score-Erhebung mit dem Polarisationsmikroskop für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 56 3.3.1 Bewertungsmodus für den Score-Parameter Knorpeldestruktion 56 3.4 Datenanalyse des polarisationsmikroskopisch untersuchten Parameters Knorpel-destruktion für das Modell der Fibroblasten-induzierten Knorpeldestruktion (BALB/c-LS48) 59 3.5 Statistischer Vergleich der licht- und polarisationsmikroskopischen Analysemethoden für den Parameter Knorpeldestruktion 62 3.6 Statistischer Vergleich der medialen und lateralen histologischen Sagittalschnitte der Kniegelenke 63 4 Diskussion 64 4.1 Die Bedeutung der histopathologischen Score-Parameter für das Modell der Fibroblasten-induzierten Gelenkdestruktion in der BALB/c-Maus 65 4.1.1 Der Score-Parameter Zellinvasion 65 4.1.1.1 Die pathophysiologische Bedeutung des Score-Parameters Zellinvasion 67 4.1.1.2 Interpretation der lichtmikroskopischen Befunde des Score-Parameters Zellinvasion für die Zelllinie LS48 im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 69 4.1.2 Der Score-Parameter Pannusformation 70 4.1.2.1 Die pathophysiologische Bedeutung des Score-Parameters Pannusformation 71 4.1.2.2 Interpretation der lichtmikroskopischen Befunde des Score-Parameters Pannusformation für die Zelllinie LS48 im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 73 4.1.3 Der Score-Parameter Knorpeldestruktion 74 4.1.3.1 Die pathophysiologische Bedeutung des Score-Parameters Knorpeldestruktion 75 4.1.3.2 Interpretation der lichtmikroskopischen Befunde des Score-Parameters Knorpeldestruktion für die Zelllinie LS48 im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 76 4.1.4 Interpretation des lichtmikroskopisch erhobenen Gesamtscores für das Knorpeldestruktionsmodell (BALB/c-LS48) im ipsilateralen Kniegelenk im Verlauf von zehn Wochen 78 4.1.4.1 Verlaufsvergleich zu anderen Tiermodellen 81 4.2 Die histopathologischen Auswirkungen der Zelllinien LS48 und NIH/3T3 im ipsilateralen Kniegelenk der BALB/c-Maus im Vergleich 83 4.3 Vergleich der medialen und lateralen Sagittalebenen der histologischen Präparate der Kniegelenke 85 4.4 Beurteilung histopathologischer Veränderungen in den kontralateralen Kniegelenken im Verlauf von zehn Wochen 86 4.5 Vergleich der licht- und polarisationsmikroskopischen Untersuchungsergebnisse 87 4.6 Schlussfolgerungen und Ausblick 89 Zusammenfassung 94 Literaturverzeichnis 99 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 116 Eigenständigkeitserklärung VIII Danksagung IX