“History matching” (model calibration, parameter identification) is an established method for determination of representative reservoir properties such as permeability, porosity, relative permeability and fault transmissibility from a measured production history; however the uniqueness of selected model is always a challenge in a successful history matching. Up to now, the uniqueness of history matching results in practice can be assessed only after individual and technical experience and/or by repeating history matching with different reservoir models (different sets of parameters as the starting guess). The present study has been used the stochastical theory of Kullback & Leibler (K-L) and its further development by Akaike (AIC) for the first time to solve the uniqueness problem in reservoir engineering. In addition - based on the AIC principle and the principle of parsimony - a penalty term for OF has been empirically formulated regarding geoscientific and technical considerations. Finally a new formulation (Penalized Objective Function, POF) has been developed for model selection in reservoir history matching and has been tested successfully in a North German gas field. / „History Matching“ (Modell-Kalibrierung, Parameter Identifikation) ist eine bewährte Methode zur Bestimmung repräsentativer Reservoireigenschaften, wie Permeabilität, Porosität, relative Permeabilitätsfunktionen und Störungs-Transmissibilitäten aus einer gemessenen Produktionsgeschichte (history). Bis heute kann die Eindeutigkeit der identifizierten Parameter in der Praxis nicht konstruktiv nachgewiesen werden. Die Resultate eines History-Match können nur nach individueller Erfahrung und/oder durch vielmalige History-Match-Versuche mit verschiedenen Reservoirmodellen (verschiedenen Parametersätzen als Startposition) auf ihre Eindeutigkeit bewertet werden. Die vorliegende Studie hat die im Reservoir Engineering erstmals eingesetzte stochastische Theorie von Kullback & Leibler (K-L) und ihre Weiterentwicklung nach Akaike (AIC) als Basis für die Bewertung des Eindeutigkeitsproblems genutzt. Schließlich wurde das AIC-Prinzip als empirischer Strafterm aus geowissenschaftlichen und technischen Überlegungen formuliert. Der neu formulierte Strafterm (Penalized Objective Function, POF) wurde für das History Matching eines norddeutschen Erdgasfeldes erfolgreich getestet.

Inhalt der Arbeit sind theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Einfluss akustischer Wellen auf das Verhalten mehrphasiger Strömungen in porösen Medien. Die Arbeit schlug mittels Frequenzanalyse Anregungsfrequenzen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit den Strömungsvorgang positiv für die Erdölförderung zu beeinflussen. Die vorgeschlagenen Frequenzen erzielten auf verschiedenen Parametern erfolgreich eine positive Beeinflussung des Wasserdurchbruchspunktes, des Entölungsgrades und der relativen Permeabilität. Zur Erhöhung der Aussagekraft der Daten wurden Verfahren der multivariaten Statistik erfolgreich eingesetzt. Zudem wurden positive Rückkopplungseffekte mit dem Einsatz oberflächenaktiver Substanzen nachgewiesen. In einem abschließenden Schritt konnte die Wirkung des Verfahrens zudem durch Kombination mehrere Frequenzen optimiert werden. Diese von hoher Wichtigkeit geprägten Charakteristika zeigen klar das Potential des Verfahrens zum Einsatz als Verfahren der verbesserten Erdölförderung (EOR) auf.:1. Kurzfassung 5 2. Einleitung 6 2.1. Die primäre und sekundäre Förderphase 7 2.2. Tertiäre Fördermethoden 9 2.3. Akustische Verfahren 14 2.4. Aufgabenstellung 17 3. Grundlagen 18 3.1. Projektvorstellung 19 3.1.1. Vorstellung der Sonde 20 3.1.2. Eingrenzung der Laborparameter 22 3.2. Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 23 3.2.1. Impuls- und Frequenzverfahren 23 3.2.2. Frequenzbereiche 25 3.3. Auswertemethoden 27 3.3.1. Frequenzanalysen 27 3.3.2. Flutversuche und relative Permeabilität 28 3.3.3. Imbibitionsversuche 32 3.4. Grundlagen der mathematischen Methoden 33 3.4.1. Fouriertransformation 34 3.4.2. Gradientenverfahren 34 3.4.3. Regressionsanalyse 37 4. Laborarbeiten 39 4.1. Versuchsaufbau 39 4.1.1. Flutanlage 39 4.1.2. Imbibitionsgefäße 42 4.2. Versuchsdurchführung 44 4.3. Der Versuchsplan der Flutexperimente 48 4.4. Voruntersuchungen 49 4.4.1. Gesteinsproben 49 4.4.2. Fluidproben 50 5. Datenauswertung 52 5.1. Frequenzanalyse 52 5.2. Flutversuche 55 5.2.1. Ergebnis der Regressionsanalyse 59 5.3. Imbibitionsversuche 61 5.4. Phänomenologische Untersuchungen 63 5.4.1. Injektivitätsveränderung 63 5.4.2. Instabile Emulsionsbildung 65 5.5. Weitergehende Forschungsansätze 67 5.5.1. Rückkopplungseffekte mit Tensiden 67 5.5.2. Bohrlochregeneration 69 6. Diskussion 71 7. Zusammenfassung 75

Bei Schweinen lassen sich im Anfangsteil des Dickdarms hohe Konzentrationen an Histamin nachweisen. Zum einen wird viel exogenes Histamin in der Ingesta durch Bakterien gebildet. Zum anderen befindet sich im proximalen Kolon viel endogenes Histamin, welches in verschiedenen Populationen von Mastzellen gespeichert ist. Beide Histaminquellen stellen eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit des Tieres dar. Sollte Histamin in den vorhandenen Mengen in die Blutzirkulation übertreten, müsste mit dem Tod des Tieres gerechnet werden. Da unter normalen Bedingungen bei Schweinen keine pathophysiologischen Reaktionen auf die hohen Histaminkonzentrationen im Darm beobachtet werden können, muss auf eine effektive Darmbarriere geschlossen werden. Weil weder diese Barriere bisher untersucht wurde, noch bekannt war, welche Wirkung Histamin in diesem Darmteil des Schweins besitzt, sollte in dieser Arbeit Wirkung, Permeation und Katabolismus von Histamin an isolierten Epithelien des proximalen Kolons mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik untersucht werden. Die Zugabe von Histamin zur serosalen Seite der Epithelien führte zu einem schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Untersuchungen an Darmepithelien, in denen eine H1-vermittelte Wirkung von Histamin gefunden wurde, wurde die Wirkung am proximalen Kolon des Schweins über H2-Rezeptoren vermittelt. Die Änderung des Kurzschlussstroms nach Histaminzugabe resultierte aus einer Chloridsekretion. Eine Chloridsekretion scheint somit eine generelle Wirkung von Histamin auf Darmepithelien zu sein, unabhängig von der Art des Wirkungs-vermittelnden Rezeptortyps. Histamin wurde aus den Epithelpräparationen spontan und nach Stimulation von Mastzellen freigesetzt. Obwohl nach Mastzellstimulation eine hohe Histaminfreisetzung beobachtet werden konnte, war dieses Histamin nicht an der sich aus der Stimulation ergebenen elektrophysiologischen Reaktion des Epithels beteiligt. In Fluxstudien mit radiaktiv markiertem Histamin wurde eine konzentrationsabhängige Histaminpermeation über das Epithel festgestellt. Diese Permeation ist von mukosal nach serosal scheinbar parazellulär lokalisiert. Dagegen scheint bei der Permeation von serosal nach mukosal ein transzellulärer Anteil vorhanden zu sein, da eine aktive Sekretion von Histamin in das Darmlumen festgestellt werden konnte. Während der Permeation von Histamin über das Epithel wurde in Abhängigkeit von der vorgegebenen Konzentration zwischen 80% und 100% des permeirenden Histamins verstoffwechselt. Somit besteht eine effektive Darmbarriere gegenüber exogenem Histamin, die sich aus einer geringen Permeation und einer hohen intraepithelialen Verstoffwechselung von Histamin zusammensetzt. Beide für den Abbau von Histamin in Frage kommenden Enzyme, Diaminoxidase (DAO) und Histamin-N-Methyltransferase (HNMT), sind am Katabolismus von Histamin beteiligt. Während in der Literatur die DAO als das „bedeutendste Enzym des Histaminkatabolismus am Darm“ angegeben wird, ist am proximalen Kolon des Schweins die HNMT wichtiger für den Histaminabbau. Beide Enzyme bewerkstelligen sowohl den Abbau von endogen freigesetztem Histamin als auch von transepithelial permeierendem Histamin. Somit hätte eine Hemmung dieser Enzyme, die durch eine Vielzahl von Stoffen, darunter gebräuchliche Arzneimittel, hervorgerufen werden kann, dramatische Konsequenzen. In diesem Fall würde der Körper in hohen Maßen sowohl von endogenem als auch von exogenem Histamin aus dem Darm belastet werden. / In the oral part of pig large intestine, high amounts of luminal histamine can be found due to bacterial production. Further more, histamine is abundantly present in the intestinal wall, where it is stored in different populations of mast cells. Both sources of histamine, exogenous and endogenous, are very dangerous for the body, because histamine is able to elicit systemic effects when it is spilt over in the systemic circulation. Under normal conditions no pathophysiological reactions can be observed in pigs due to the high amounts of histamine in the gut. Therefore, it must be concluded that there is a very effective barrier against luminal histamine. However, neither the barrier function has been characterized yet, nor is there any data available on the action of histamine in this part of the porcine gut. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect, permeation and catabolism of histamine in isolated epithelia of the proximal colon by using the Ussing chamber technique. Addition of histamine to the serosal side induced a rapid rise in short-circuit current. In contrast to many studies investigating the action of histamine in other gut epithelia, in the pig proximal colon histamine acts via H2 receptors. Histamine induced a chloride secretion, which seems to be a common mechanism of gut epithelia, independent from histamine receptor type involved. Endogenous histamine was liberated spontaneously from the epithelia in small amounts. High amounts of histamine were found after a mast cell stimulation. However, this histamine did not participate in a concurrent electrophysiological reaction of the epithelia. In flux studies with radioactively labeled histamine, a transepithelial permeation of histamine was observed in a dose dependent manner. This permeation was located on the paracellular pathway in the mucosal-to-serosal direction. In the serosal-to-mucosal direction a, at least in part, transcellular pathway must be concluded from the observed histamine secretion into the gut lumen. Among 80% and 100% of histamine was catabolised dose-dependently during permeation. Therefore, the very effective gut barrier against histamine is based on a low paracellular permeation and a high intraepithelial catabolism of histamine. The histamine-degrading enzymes, diamine oxidase (DAO) and histamine N-methyltransferase (HNMT), took both part in the catabolism of histamine. While in literature DAO is called “the bottleneck of histamine degradation in the gut”, HNMT seems to be more significant in pig proximal colon. DAO and HNMT are important for the catabolism of exogenous and endogenous histamine. Therefore, inhibition of these enzymes, which is possible by numerous drugs, would have dramatic consequences. In that case, high amounts of histamine would be able to reach the systemic circulation.

With a surface area of about 10,000 km², the Salar de Uyuni is the largest salt flat in the world. It is located at an altitude of 3,653 m on the Altiplano, a high plateau in the south of the Bolivian Andes. The Salar de Uyuni consists of an alternating sequence of highly porous salt layers (mainly composed of halite) and lacustrine clay sediments. The pore volume of the uppermost salt layer which has a thickness of up to 11 m is filled by brine. The brine contains high amounts of Mg, K, Li and B. The element lithium is an especially important raw material for the production of batteries. Thus, it plays an important role for the development of the electric mobility. With this background, extensive hydrogeological exploration activities were carried out at the Salar de Uyuni in the context of this dissertation. The hydraulic properties of the uppermost salt crust and the physical properties (density and viscosity) of the brine must be characterized. In order to do this, several core drillings were made, observation wells were installed, brine samples were taken and pumping tests were conducted between 2009 and 2012. The stratigraphic documentation of the obtained sediment cores provided insights about the deposit structure and the upper salt layer thickness. The determination of the salt core porosity was carried out by three different methods: (a) by using X-ray computed tomography, (b) gravimetrically by saturation with 2-octanol and (c) by completion of the core volume with plasticine and calculation of the porosity under consideration of the particle density of the salt. The laboratory investigations showed a depth-dependent porosity distribution in the upper salt layer. The uppermost 2 m were characterized by very high porosity values between 30 and 39%. However at greater depth, the total porosity decreases on average to 13.5%. Geochemical analyses of brine samples confirmed the general spatial distribution of the lithium concentrations as already published by previous studies. On the basis of the lithium distribution in the brine, the thickness of the upper salt layer and the depth-dependent porosity distribution, the total lithium deposit in the Salar de Uyuni was calculated to be about 7 million tons. The evaluation of the pumping tests under consideration of the density and viscosity of the pumped brine showed that the salt has a very high permeability in the horizontal direction. In contrast, flow-through experiments on drill cores indicated a clear vertical anisotropy of the permeability. This is caused by the inhomogeneous sediment stratification for instance by interbedded fine gypsum or clay lamina. Thus, horizontal brine movements are possible, but a deep vertical flow component can hardly be expected. This assumption is confirmed by radiocarbon dating the brine samples from different salt depths. The influence of annual floods during the rainy season could be observed by long-term brine level measurements. Throughout the time-series analysis, distinct periodic brine fluctuations of a few centimeters per day could be identified during the dry season. These daily fluctuations indicated an impermeable crust probably formed by the evaporation of near-surface brine and subsequent crystallization of salts in the pore volume. Thus, daily temperature and atmospheric pressure changes could directly affect the brine level. Due to the extensive hydrogeological investigations, this dissertation contributes to the essential understanding of the hydraulic conditions in the Salar de Uyuni. / Mit einer Fläche von rund 10.000 km² ist der Salar de Uyuni die größte Salz-Ton-Ebene der Welt. Er befindet sich in einer Höhe von 3653 m NN im Altiplano, einer Hochebene im Süden der bolivianischen Anden. Der Salar de Uyuni besteht aus einer Wechsellagerung von hochporösen Salzschichten (überwiegend aus Halit bestehend) und lakustrinen Tonsedimenten. Die Porenräume der obersten bis zu 11 m mächtigen Salzschicht sind mit einer Sole gefüllt, die hohe Gehalte an Mg, K, Li und B aufweist. Insbesondere das Element Lithium ist ein wichtiger Rohstoff u.a. für die Herstellung von Batterien und spielt damit eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Elektromobilität. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation umfassende hydrogeologische Erkundungsarbeiten am Salar de Uyuni durchgeführt, um die hydraulischen Eigenschaften der obersten Salzkruste sowie die physikalischen Eigenschaften (Dichte und Viskosität) der Sole zu charakterisieren. Dazu wurden zwischen 2009 und 2012 zahlreiche Kernbohrungen abgeteuft, Beobachtungsbrunnen installiert, Soleproben entnommen und Pumpversuche durchgeführt. Die stratigraphische Dokumentation der gewonnenen Bohrkerne lieferte Erkenntnisse zur Ablagerungsstruktur und zur Mächtigkeitsverteilung der obersten Salzschicht. Die Bestimmung der Porosität der Salzkerne erfolgte mit drei verschiedenen Methoden: (a) mittels Computertomographie, (b) gravimetrisch durch Aufsättigung mit 2-Oktanol und (c) durch Volumenergänzung der Kernproben mit Plastilin und Berechnung der Porosität unter Einbeziehung der Reindichte des Salzes. Die Laboruntersuchungen zeigten eine tiefenabhängige Porositätsverteilung in der obersten Salzschicht. Während die obersten 2 m durch sehr hohe Porositäten zwischen 30 und 39% gekennzeichnet sind, nimmt die Gesamtporosität in größerer Tiefe auf durchschnittlich 13.5% ab. Geochemische Analysen von Soleproben bestätigten die grundsätzliche räumliche Verteilung der Lithium-Konzentrationen, wie sie bereits durch frühere Studien veröffentlicht wurde. Auf Basis der Lithium-Verteilung in der Sole, der Mächtigkeit der oberen Salzschicht sowie der tiefenabhängigen Porositätsverteilung wurde ein Lithium-Vorkommen im Salar de Uyuni von rund 7 Millionen Tonnen berechnet. Die Auswertung der Pumpversuche unter Berücksichtigung der Dichte und Viskosität der geförderten Sole zeigte, dass das Salz eine sehr hohe Permeabilität in horizontaler Richtung aufweist. Allerdings zeigten Durchströmungsversuche an Bohrkernen eine deutliche vertikale Anisotropie der Permeabilität, was auf die inhomogene Sedimentschichtung durch z.B. eingeschaltete feine Gips- oder Tonschichten zurückzuführen ist. Somit sind zwar horizontale Solebewegungen möglich, jedoch ist kaum mit einer tiefgreifenden vertikalen Strömungskomponente in der Salzschicht zu rechnen. Diese Vermutung wird durch 14C-Altersdatierungen von Soleproben aus unterschiedlichen Tiefen des Salzes bestätigt. Der Einfluss der jährlichen Überschwemmungen während der Regenzeit konnte anhand von Langzeitmessungen des Solespiegels beobachtet werden. Im Zuge der Zeitreihen-Analyse zeigten sich zudem ausgeprägte periodische Tageschwankungen von einigen Zentimetern während der Trockenzeit. Diese deuten darauf hin, dass durch Verdunstung oberflächennaher Sole und damit einhergehender Kristallisation von Salzen im Porenraum eine undurchlässige Kruste entsteht. Dadurch haben tägliche Temperatur- und Luftdruckschwankungen direkten Einfluss auf den Solespiegel. Die vorliegende Dissertation trägt aufgrund der umfangreichen hydrogeologischen Untersuchungen wesentlich zum Verständnis der hydraulischen Verhältnisse im Salar de Uyuni bei. / Con una superficie de aproximadamente 10.000 kilómetros cuadrados el Salar de Uyuni es el mayor lago de sal en el mundo. Se encuentra a una altura de 3.653 m sobre el nivel del mar en el altiplano en el sur de los Andes bolivianos. El Salar de Uyuni consiste en una alternancia de capas de sal altamente porosa (que consiste predominantemente de halita) y lacustre sedimentos de arcilla. La capa superior de sal tiene un espesor de hasta 11 metros. Los espacios de poros del sal se llenan con una salmuera que contiene altos contenidos de Mg, K, Li y B. En particular, el elemento litio constituye una importante materia prima para la producción de baterías que son utilizadas en la construcción de vehículos eléctricos. Bajo estos antecedentes y en el contexto de la presente tesis, se han desarrollado extensas actividades de exploración hidrogeológica en el Salar de Uyuni. Las propiedades hidráulicas de la corteza de sal superior y las propiedades físicas (densidad y viscosidad) de la salmuera debían caracterizadas. Para ello, entre 2009 y 2012 se realizaron varios perforaciones con la finalidad de obtener muestras de núcleos, se instalaron pozos de supervisión, se realizaron pruebas de bombeo y se tomaron muestras de salmuera. La documentación estratigráfica de los núcleos de perforacíon proporciona conocimientos para la estructura de los depósitos y para el espesor del superior capa de sal. La porosidad de los núcleos de sal fue determinada por medio de tres métodos diferentes: (a) por tomografía computarizada (TC), (b) gravimétricamente mediante la saturación con 2-octanol y (c) mediante de compleción del volumen del núcleo con plastilina y computacíon de la porosidad en atención a la densidad real del sal. Las investigaciones de laboratorio demostraron una distribución de la porosidad dependiente de la profundidad en la capa superior de sal. Mientras que la parte superior 2 m se caracterizan por altas porosidades entre el 30 y 39%, la porosidad total decrese en una profundidad mayor a un promedio de 13,5%. Los análisis geoquímicos de muestras de salmuera confirmaron la distribución espacial fundamental de las concentraciones de litio, como ya se ha publicado por estudios anteriores. A base de la distribución de litio en la salmuera, el espesor de la capa superior de sal, y la porosidad dependiente de la profundidad determinaron que todos los recursos minerales de litio en el salar de Uyuni son alrededor de 7 millones de toneladas. La evaluación de las pruebas de bombeo en consideración de la densidad y la viscosidad de la salmuera transmitido mostró que la sal generalmente tiene una permeabilidad muy alta. Pero, las pruebas de flujo en muestras de núcleo mostró una anisotropía significativa de la permeabilidad con la profundidad, que se debe a una estratificación de sedimentos no homogénea debido las láminas finas de yeso o arcilla intercaladas. Por lo tanto, es correcto que los movimientos de salmuera horizontales son posibles, pero es poco probable que movimientos verticales de salmuera ocurran. Esta hipótesis se ve confirmada por la datación por radiocarbono de muestras de salmuera de diferentes profundidades de la sal. El impacto de las inundaciones anuales durante la estación lluviosa se puede observar a partir de las mediciones a largo plazo del nivel de salmuera. En el curso del análisis de series de tiempo también mostraron pronunciadas variaciones diarias periódicas de unos pocos centímetros en la estación seca. Esto sugiere que hay una corteza impermeable que se forma por evaporación de salmuera cerca de la superficie y la cristalización de sales en el espacio de los poros. En esta manera, las fluctuaciones diarias de temperatura y de preción de aire influyen directamente el nivel de salmuera. Gracias a las extensas investigaciones hidrogeológicas realizadas, la presente tesis contribuye significativamente a la comprensión de las condiciones hidráulicas en el Salar de Uyuni.

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In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Prä- und Probiotika auf bakterielle Translokation (BT) und postoperative Infektionen nach großen viszeralchirurgischen Eingriffen untersucht. Dabei wurde aus methodischen Gründen zunächst BT nach Leber- (LR) und Colonresektion (CR) allein oder in Kombination experimentell im Rattenmodell quantifiziert und deren potentielle Pathomechanismen untersucht. Anschließend wurde der Einfluss von einzelnen Probiotika und einer Kombination verschiedener Probiotika und Präbiotika auf die Inzidenz bakterieller Infektionen nach Lebertransplantation (LTX) und pyloruserhaltender Pankreaskopfresektion (PPPD) in zwei prospektiv randomisierten klinischen Studien analysiert. Im experimentellen Teil der Untersuchungen wurde BT nach LR vor allem in Leber und Milz, nach CR hauptsächlich in mesenterialen Lymphknoten (MLK) und Milz nachgewiesen. Kombination von LR und CR führte zu einer Potenzierung der BT, parallel zum Ausmaß der LR. Durch Gabe von Probiotika wurde die Konzentration von Bakterien in den MLK signifikant gesenkt. Tiere mit einer hohen coecalen Laktobazillenkonzentration hatten eine signifikant niedrigere bakterielle Konzentration in allen untersuchten Organen als Tiere mit weniger Laktobazillen. CR führten zu einer Zunahme der coecalen gramnegativen Bakterienkonzentration und zu einer Abnahme der Laktobazillen. Histologische Veränderungen der Darmmukosa wurden nicht beobachtet. Die parazelluläre Permeabilität für Ionen, nicht aber für die höhermolekulare Laktulose war im Colon in allen Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe erhöht. Probiotika beeinflussten die Zusammensetzung der coecalen Flora und damit auch die BT. In der ersten klinischen Studie verminderte postoperative orale Gabe von Laktobazillus plantarum und einer ballaststoffhaltigen Ernährungslösung die Inzidenz von bakteriellen Infektionen nach LTX im Vergleich zu selektiver Darmdekontamination und ballaststofffreier Ernährung signifikant. Die Gabe von Ballaststoffen und hitzeinaktivierten Laktobazillen führte zwar auch zu einer geringen Reduktion der Infektionen; diese war jedoch nicht signifikant. In der Mehrzahl wurden enteropathogene Bakterien isoliert. Die zweite klinische Studie untersuchte den Einfluss einer Kombination von vier verschiedenen Milchsäurebakterien und vier Präbiotika auf die Inzidenz bakterieller Infektionen nach LTX und PPPD. Im Vergleich zu Präbiotika und Placebo kam es zu einer deutlichen Verminderung der Infekte, die nach LTX auch signifikant war. In beiden Studien wurde die enterale Ernährung gut vertragen mit relativ wenig Nebenwirkungen. BT tritt somit sehr häufig auch nach kleineren viszeralchirurgischen Eingriffen auf und hat organspezifisch verschiedene Ursachen. Probiotika konnten sowohl tierexperimentell die BT vermindern als auch klinisch die Inzidenz bakterieller Infektionen nach großen viszeralchirurgischen Eingriffen senken. Da sie leicht zu verabreichen sind und wenig Nebenwirkungen verursachen, könnten sie breit eingesetzt werden. / In the present study, the impact of pre- and probiotics on bacterial translocation (BT) and postoperative bacterial infection rates was assessed. Due to methodological reasons, we first quantified BT following single liver (LR) and colon resection (CR) or a combination of both and analysed potential pathogenic mechanisms for BT. Then, we performed two prospective randomised clinical studies to analyse the influence of a single probiotic strain and a combination of different pre- and probiotics on the incidence of bacterial infections in patients with liver transplantation (OLT) or pylorus preserving partial pancreatoduodenectomy (PPPD). In the rat model, BT after LR mainly occurred in the liver and spleen, after CR mainly in the mesenteric lymph nodes (MLN) and spleen. BT was increased in the animals with combined operation, in parallel to the extent of liver resection. Probiotics significantly decreased the bacterial concentration in the MLN. Animals with a high cecal concentration of lactobacilli had significantly less BT than the others. CR led to an increase of cecal gramnegative bacterial concentrations and to a decrease of lactobacilli. No histological changes were observed in the intestine. Paracellular permeability for ions, but not for the larger molecule lactulose, was increased in the colon in all groups compared to the sham group. Probiotics had an influence on cecal bacterial concentration. In the first clinical study, postoperative oral administration of Lactobacillus plantarum and a fibre-enriched enteral diet significantly decreased bacterial infection rates after OLT compared to selective bowel decontamination and a fibre-free diet. Fibre and heat-inactivated Lactobacillus also led to a slight, but not significant decrease of infections. Mainly gut-derived bacteria were isolated. The second clinical study analysed the influence of a combination of four different lactic acid bacteria and fibres on bacterial infection rates after OLT and PPPD. Compared to fibres and placebo, infection rates were significantly lower after OLT and markedly lower after PPPD. In both studies, the study substances were well tolerated without serious side effects. BT even occurs following minor abdominal surgery and is caused by different mechanisms related to the kind of operation. Probiotics were able to diminish BT in the rat model as well as to decrease bacterial infection rates following major abdominal surgery in the clinical studies. As they are easy to administer and do not cause severe side effects, they could be useful in clinical practice.

Die Tight Junction (TJ) reguliert den parazellulären Transport von Ionen, Wasser und Soluten an Epithelien und Endothelien und ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Funktion von Organen und Geweben. Obwohl Claudin-3 zu den zuerst identifizierten und ubiquitär exprimierten Komponenten der TJ gehört, konnte seine spezifische Funktion bislang nicht geklärt werden. Für die funktionelle Charakterisierung des humanen Claudin-3-Proteins wurden stabile Überexpressionsklone der lecken Nierenepithel-Zelllinie MDCK II generiert. Die Überexpression von Claudin-3 führte zu einer deutlichen Änderung des TJ-Strangmusters sowie zu einer starken Zunahme des transepithelialen Widerstandes und einer verminderten Permeabilität für Ionen und Moleküle der Größe 332 Da und 4000 Da. Der parazelluläre Durchtritt von Wasser war unverändert. Claudin-3 konnte eindeutig als abdichtende Komponente der TJ identifiziert werden. Anhand des endothelialen Zellkulturmodells HUVEC wurden Expression und Regulation von Claudin-3 und anderen TJ-Proteinen unter dem Einfluss mechanischer Strömungsverhältnisse und des Sauerstoffpartialdrucks analysiert. Die Behandlung mit fehlender Wandschubspannung führte zur Hochregulation der abdichtenden TJ-Proteine Occludin, Claudin-3, Claudin-5 und Claudin-11, nicht aber Claudin-23. Die Regulation der einzelnen TJ-Komponenten wurde durch unterschiedliche Signalwege vermittelt, wobei der verstärkten Proteinexpression jeweils eine Hochregulation auf mRNA-Ebene zugrunde lag. Die kombinierte Behandlung mit fehlender Wandschubspannung und Hypoxie resultierte in einer sehr stark erhöhten Expression von Claudin-3. Durch die Hochregulation abdichtender TJ-Komponenten unter Bedingungen fehlender Wandschubspannung und Hypoxie, wie sie in verschiedenen physiologischen und pathologischen Situationen auftreten, könnte einem unerwünschten Durchtritt von Substanzen aus dem Blut in das umliegende Gewebe vorgebeugt werden. / The tight junction (TJ) regulates the paracellular transport of ions, water and solutes in epithelia and endothelia and is of particular importance for a correct function of organs and tissues. Although claudin-3 is one of the first identified and ubiquitously expressed TJ components, its specific function was unsolved as yet. For functional characterization, human claudin-3 was stably overexpressed in the leaky epithelial cell line MDCK II. Overexpression of claudin-3 led to a marked alteration of TJ meshwork pattern, a strong increase in transepithelial resistance and a decrease in permeability for ions and paracellular tracers (332 or 4000 Da). Paracellular water transport was not affected. It was proved that claudin-3 acts as a „tightening“ TJ component. The endothelial cell culture model HUVEC was used for analysis of expression and regulation of claudin-3 and several other TJ proteins under different conditions of wall shear stress and oxygen saturation. Treatment with lacking wall shear stress led to an upregulation of the “tightening” TJ proteins occludin, claudin-3, claudin-5, and claudin-11, but not claudin-23. Upregulation of all proteins was due to increased mRNA levels. Apparently, different signaling pathways were involved in regulation of particular TJ components. Combined treatment with lacking shear stress and hypoxia resulted in drastically increased claudin-3 expression. Upregulation of tightening TJ components under lacking shear stress and hypoxic conditions as occuring in different physiological or pathological situations would limit the passage of solutes from the blood into the surrounding tissue.

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