Thesis (doctoral)--Giessen, 1982.

Zugl.: Heidelberg, Univ., Diss.

Aachen, Techn. Hochsch., Thesis (doctoral), 2001.

Zugl.: Hagen, Fernuniv., Diss., 2005

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2006.

Zugl.: Würzburg, University, Diss., 2005.

Zugl.: Hagen, Fernuniv., Diss.

Metagenome and metatranscriptome (Meta'ome) sequencing is used to study complex microbial communities. There are already methods that perform well for taxonomic assignment of metagenomic data, but for quantification of metatranscriptomic data, these methods only assign a small percentage of reads with their pre-compiled databases. In contrast to RNA-seq of a single species, in meta’omics studies, reads are assigned to multiple reference sequences due to microbial sequence similarity (ambiguous mapping). Alignment-free methods established for bulk RNA-seq data may be useful for resolving read ambiguity and quantifying meta'omic data. So far, the usage of alignment-free methods in meta’omics has focused on taxonomic abundances but does not provide quantifications of genes or gene families for functional characterization of the meta'ome. Salmon's lightweight alignment, an alignment-free method, quantifies gene abundances precisely despite including reads with mapping uncertainties such as sequencing errors and high-similarity sequences, making it a superior tool for quantifying meta'omic data that uses species' gene sequences as references. This work presents the application of lightweight alignment methods like Salmon to efficiently quantify meta’omic data. I begin by evaluating the existing pipelines/tools with unpublished metagenome and metatranscriptome datasets gathered to examine how the microbiome protects against Salmonella Typhimurium infection in a mouse typhoid model. This analysis revealed a lack of representation of microbiome-associated reference sequences in the pre-compiled databases of the available tools, as well as the difficulty to assign ambiguous mapping to one species in the presence of closely related reference sequences. As an initial proof of concept, Salmon's lightweight alignment assigned the majority of the reads to bacterial reference genomes combined with mouse metagenomic-assembled genomes (MAGs), resolving mapping ambiguity. I performed a simulation-based benchmark analysis using Salmon employing different reference sequence databases to examine the influencethe reference database. For an efficient and reproducible analysis, I developed FLAMe (Flexible Lightweight Alignment of Meta'ome), a Nextflow pipeline that uses Salmon's lightweight and selective alignment to quantify meta'omics data at the species gene level. I examined the influence of gut inflammation and subsequent Salmonella Typhimurium colonisation on the resident mouse gut microbiota using the FLAMe pipeline. This way, I was able to recover many taxonomic and functional groups which have previously been related to Salmonella pathogenesis in the gut. Taken together, this demonstrates that the pipeline quantifies meta'omic data efficiently and reliably. Lastly, I showed that FLAMe can be applied to different experimental setups that generate meta'omic data, which shows its versability in characterising the microbiome. / Metagenomische und metatranskriptomische (Meta'ome) Sequenzierung ermöglicht die Untersuchung einer mikrobiellen Gemeinschaft in ihrer natürlichen Umgebung. Methoden für die taxonomische Bestimmung von metagenomischen Daten existieren, ordnen jedoch aufgrund ihrer begrenzten Datenbanken nur einen geringen Prozentsatz der metatranskriptomischen Reads zu.. Im Kontrast zur RNA-Sequenzierung einer einzelnen Spezies (RNA-seq) werden die Reads mehreren Referenzgenomen zugeordnet. Alignment-freie Methoden, die für RNA-seq bereits etabliert sind, können helfen die Zuweisung und Quantifizierung von Reads aus Meta'ome-Daten zu verbessern. In Meta’ome Studien wurden Alignment-freie Methoden bisher überwiegend zur Bestimmung der taxonomischen Zusammensetzung verwendet. Sie sind daher nicht geeignet, um die Expression von Genen oder Gen-Familien zu bestimmen, was für eine funktionelle Charakterisierung notwendig ist. Salmons “quasi-mapping”, ein Alignment-freier Ansatz, quantifiziert Genexpression mit hoher Genauigkeit, obwohl es Reads mit Sequenzierungsfehlern oder sehr ähnlichen Sequenzen mit einbezieht. Deswegen sollte es sich ebenfalls gut zur Meta'ome Quantifizierung eignen. Diese Arbeit zeigt die Anwendung von Alignment-freien Methoden wie Salmon auf Meta'ome-Daten. Zuerst evaluierte ich vorhandene Pipelines / Tools mit unseren eigenen metagenomischen und metatranskriptomischen Datensätze eines Maus-Typhus-Modells um zu untersuchen, wie das Mikrobiom vor einer Salmonella Typhimurium Infektion schützt. Dabei zeigte sich, dass viele mikrobiom-assoziierte Referenzgenome in den vorkompilierten Datenbanken der vorhandenen Tools fehlten. Zusätzlich bestehen Ambiguitäten bei der Zuordnung von Reads zu Referenzgenomen eng verwandter Spezien. Mit Salmon war es jedoch möglich, die Mehrheit der Reads einer Kombination des RefSeq Referenzgenoms und eines zusammengebauten Maus-Metagenom Referenzgenoms (MAG) zuzuordnen. Mit Hilfe von Simulationen untersuchte ich den Effekt von unterschiedlichen Referenz-Datenbanken auf die Quantifizierung mit Salmon. Für eine effiziente und reproduzierbare Analyse entwickelte ich FLAMe (Flexible Lightweight Alignment of Meta'ome), eine Nextflow Pipeline, die mit Salmons leichtem und selektivem Alignment von Meta'ome-Daten auf dem Level von Genen einzelner Spezies quantifiziert. Damit untersuchte ich den Einfluss von Darmentzündungen und anschließender Kolonisierung durch Salmonella Typhimurium auf das residente Maus-Mikrobiom. Dabei identifizierte ich zahlreiche taxonomische und funktionelle Gruppen, die bereits in früheren Studien mit der Pathogenese von Salmonella im Darm in Verbindung gebracht wurden. Insgesamt zeigte meine Analyse, dass die FLAMe Pipeline das Meta’ome effizient und zuverlässig quantifiziert. Zusätzlich wandte ich FLAMe auf weitere Meta'ome Experimente an. Dies zeigte, dass die Pipeline flexibel und vielseitig anwendbar ist

Die 31P-MRS wird zur Diagnostik des Energiemetabolismus bei verschiedenen kardialen Erkrankungen eingesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Verbesserung und Vereinfachung der Quantifzierung kardialer Energiemetaboliten mittels der 31P-MRS. Durch Akquisitonsgewichtung kann eine genauere Beurteilung der Konzentrationen von PCr und ATP im gesunden Myokard durch Verbesserung der Effizienz und Sensitivität der 31P-MRS erreicht werden. Die Kontamination des MR-Signals durch die Brustwand wird mittels des CORRECT-SLIM-Algorithmus verringert. Eine Fallstudie am rechten Ventrikel zeigt die starke metabolische Aussagekraft der 31P-MRS vor, während und nach medikamentöser Therapie. Die 31P-MRS unter Verwendung räumlicher Sättigungspulse liefert einen unmittelbaren Einblick in den Energiemetabolismus des menschlichen Herzens mit einer deutlich kürzen Nachbearbeitungszeit. Durch diese Optimierungen ermöglicht die 31P-MRS des menschlichen Herzens eine exakte Beurteilung des Energiemetabolismus im gesunden wie erkrankten Myokard.

In den letzten Jahren hat die myokardiale MR-Perfusionsbildgebung als nichtinvasives Verfahren zur Darstellung von funktionellen Veränderungen des Myokards für die Diagnostik der KHK zunehmend an Bedeutung gewonnen. Während in den letzten 20 Jahren die kardiale MRT überwiegend bei einer Magnetfeldstärke von 1,5 T durchge-führt wurde und dies auch immer noch wird, findet aktuell eine rasante Verbreitung von MR-Systemen höherer Feldstärken statt. Von der neuen Hochfeldtechnik erhofft man sich vor allem, je nach Anwendung, eine deutliche Verbesserung der Bildqualität mit höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung, wodurch der diagnostische Nutzen noch weiter gesteigert werden könnte. In der vorliegenden Arbeit wurden mittels First-Pass-MR-Bildgebung bei einer Magnet-feldstärke von 3 T quantitative Werte für die myokardiale Perfusion von 20 gesunden Probanden unter Ruhebedingungen bestimmt. Sowohl die erhobenen absoluten Perfusionswerte (0,859 ml/g/min im Mittel) als auch die Standardabweichung des mittleren MBF (0,298 ml/g/min) entsprechen den Messungen aus den früheren Publikationen dieser Arbeitsgruppe. In der Gesamtzusammenschau bisher veröffentlichter Perfusionsstudien zeigt sich eine relativ große Variabilität der publizierten Ruheflüsse. Dabei liegt der absolute MBF dieser Arbeit im mittleren Wertebereich dieser Streubreite. Er lässt sich auch mit den in PET-Studien ermittelten Ergebnissen in Einklang bringen, welche als Goldstandard zur Bestimmung der absoluten myokardialen Perfusion beim Menschen gelten. Die vorliegende Arbeit bestätigt die bereits in anderen 3 T-Studien untersuchten Vorteile der Hochfeld-MRT. Die höhere Magnetfeldstärke ermöglicht durch das größere SNR eine signifikant bessere räumliche Auflösung und besticht vor allem durch die hohe Bildqualität. Dies könnte bei der Erkennung kleiner, subendokardial gelegener Perfusionsdefekte sowie der Erstellung von transmuralen Perfusionsgradienten von Bedeutung sein und verspricht neben einer Reduktion von Partialvolumeneffekten auch eine Verminderung von „dark rim“-Artefakten. Um diese Vorteile entsprechend nutzen zu können, wird die Entwicklung von Methoden zur pixelweisen Bestimmung der absoluten Flüsse und farblich kodierten Darstellung derselben in Form von Perfusionskarten ein weiterer Schritt in Richtung klinisch einsetzbare Diagnostik sein. Eine Voraussetzung hierfür ist die Entwicklung einer exakten und sehr stabilen Bewegungskorrektur in weiterführenden Studien. Durch den Wechsel zu einer höheren Magnetfeldstärke von 3 T und den sich daraus ergebenden Vorteilen kann das Potential der MR-Perfusionsbildgebung, insbesondere der Bestimmung quantitativer Perfusionswerte, im Bereich der nichtinvasiven KHK-Diagnostik zukünftig weiter gesteigert werden. / Absolute Quantification of Myocardial Perfusion Using High-Resolution MRI at 3 T