Im Verlauf der Knochenbildung und Frakturheilung kommt es zu einem Zusammenwirken verschiedener Zell- und Gewebearten. Die beteiligten Zellen unterliegen dabei der Regulation von Wachstumsfaktoren (WF), Zytokinen und Hormonen, die den regelhaften Ablauf kontrollieren und steuernd in Proliferation und Differenzierung von Zellen und deren Matrixsynthese eingreifen. Neben einer optimalen Osteosynthese zur Frakturstabilisation stellt die biologische Beeinflussung der Knochenheilung ein großes Forschungsfeld dar. In Vorarbeiten wurde ein Applikationssystem entwickelt, das mittels einer biodegradierbaren Polymerbeschichtung auf Osteosynthesematerialien die lokale Applikation von WF in biologisch aktiver Form ermöglicht. In vivo wurde an Ratten- und Schweinemodellen erfolgreich die Stimulation der Knochenheilung durch lokal applizierte Wachstumsfaktoren IGF-I, TGF-ß1 und BMP-2 gezeigt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung zellulärer Prozesse während der beeinflussten und unbeeinflussten Knochenheilung sowie des Effektes der lokalen Applikation von Wachstumsfaktoren von beschichteten Osteosyntheseplatten. Anhand histologischer und immunhistochemischer Untersuchungen, der in situ Hybridisierung an Knochenschnitten und der ELISA-Methode konnte ein früherer Reifungsbeginn des Kallus durch die Wachstumsfaktorenapplikation gezeigt werden, ohne dass es zu Veränderungen der physiologischen Gewebszusammensetzung und der endogenen Wachstumsfaktoren-Expression kam. Durch Zellkulturstudien an primären Osteoblasten und Osteoklasten wurde an isolierten Zelltypen die Wirkung der applizierten WF untersucht und ihr Effekt auf die Zelltypen dargestellt. Die Bildung ektoper Ossifikation im Weichgewebe durch die Wachstumsfaktoren wurde im Schafsmodell ausgeschlossen. Dies stellt einen wichtigen Sicherheitsaspekt beim Einsatz von Wachstumsfaktoren zur Stimulation der Knochenheilung dar. Die lokale Applikation der Wachstumsfaktoren von einer Plattenosteosynthese zur Osteotomiestabilsierung im Rattenmodell zeigte eine signifikante Verbesserung der biomechanischen Stabilität und der Kallusheilung 42 Tage nach Osteotomie Die aus diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse liefern Aufschluss zur Weiterentwicklung biologischer Einflussmöglichkeiten auf den Knochenstoffwechsel und die Rolle von WF während der Frakturheilung. / In the process of bone formation and healing, different cell- and tissue types are formed. The cells involved are regulated by growth factors (GF), cytokines and hormones, which control the healing and affect the proliferation and differentiation of cells and their matrix synthesis. Besides the use of the optimal osteosynthesis for fracture stabilization, the biological influence of the bone healing represents a large research field. In previous work an application system for local application of GF in biologically active form was developed. In vivo studies revealed a stimulating effect of locally applied IGF-I and TGF-ß1 in a rat and a pig model. Goal of this work was the investigation of cellular processes during the influenced and uninfluenced bone healing. A further aim was the transfer of the local application method to further stabilization systems (plate osteosynthesis). On the basis of the histology, the immunohistology, in situ hybridizing and ELISA methods an earlier beginning of maturing of the callus by the growth factors could be shown, without changes of the physiological callus composition and the endogenous growth factors expression. In further cell culture studies on primary osteoblasts and osteoclasts the effect of the applied growth factors was examined and their effect on the cell types analyzed. The avoidance of ectopic ossification, an important safety aspect with the use of growth factors to stimulate bone healing, was investigated in a sheep model. It was also possible to proof the efficacy of locally applied growth factors delivered extramedullary from plates. The results of these studies provide further explanations for the action of the used growth factors and are necessary for the ongoing development of the application of growth factors for a clinical use.

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Neuromodulation, such as spinal cord stimulation (SCS) and deep brain stimulation (DBS), has been shown to modulate pathophysiological brain activity and provide symptomatic therapy for several neurological disorders, including Parkinson’s Disease. The effectiveness of this therapy could likely be further improved by neuromodulation that is adaptive, delivering stimulation more selectively, by monitoring a biomarker in recorded brain signals, which indicates the presence of a pathological state. In the treatment of Parkinson’s Disease, the most commonly proposed solutions for adaptive neuromodulation are relying on excessive beta-band oscillatory activity as a biomarker, which is however often highly variable between patients during movement and in conjunction with neuromodulatory treatment, such as levodopa. These limitations hinder broader use of this biomarker and prompts further research for alternative solutions. In this work, we instead present the use of a novel feature of evoked electrophysiological activity, which utilizes the inter-trial phase coherence between stimulation pulses, to classify parkinsonian brain states in 6-OHDA lesioned rats. We developed a method, which relates to the rate of decay in inter-tral phase coherence, evoked by single SCS or DBS pulses, that is able to statistically separate experimental conditions recorded from a dopaminergic depleted hemisphere from conditions a non-depleted hemisphere, while also being able to separate conditions with levodopa treatment from conditions without treatment. For animals undergoing SCS we can classify phase decay measurements from pharmacologically treated or untreated parkinsonian states, using a Bayesian model, with a high accuracy and strong classifier performance for a single channel (AUC 0.85 – 0.99) in the motor cortex and striatum. In ongoing experiments, similar implementation of adaptive DBS is being evaluated. Our results support the implementation of our feature in a protocol aimed at performing closed-loop neuromodulation in the 6-OHDA rat model of Parkinon’s Disease, that can serve as the basis for further studies. / Neuromodulering, såsom ryggmärgsstimulering (SCS) och djup hjärnstimulering (DBS), har visat sig kunna modulera patofysiologisk hjärnaktivitet och ge symtomatisk behandling av flera neurologiska sjukdomar, inklusive Parkinsons sjukdom. Effekten av denna behandling skulle sannolikt kunna förbättras ytterligare genom neuromodulering som är adaptiv och ger stimulering mer selektivt, genom övervakning av en biomarkör i registrerade hjärnsignaler, som indikerar förekomsten av ett patologiskt tillstånd. Vid behandling av Parkinsons sjukdom förlitar sig de vanligaste lösningarna för adaptiv neuromodulering på överdriven beta-bands oscillatorisk aktivitet som en biomarkör som dock ofta är mycket varierande mellan patienter, under rörelse och i samband med behandling så som levodopa. Dessa begränsningar hindrar en bredare användning av denna biomarkör och ytterligare forskning krävs för att hitta alternativa lösningar. I detta arbete presenterar vi istället en ny egenskap hos väckt elektrofysiologisk aktivitet, som utnyttjar faskoherens mellan stimuleringspulser för att klassificera parkinsonistiska hjärntillstånd hos 6-OHDA-lesionerade råttor. Vi har utvecklat en metod som relaterar till avklingningshastigheten i faskoherens, framkallad av enstaka SCS- eller DBS-pulser, som kan statistiskt särskilja de experimentella tillstånden i en dopaminergiskt utarmad hemisfär från liknande tillstånd, fast i en icke utarmad hemisfär. Den kan även statistiskt särskilja tillstånd med levodopabehandling från tillstånd utan behandling. För djur som genomgår SCS kan vi klassificera fasförfallsmätningar från farmakologiskt behandlade eller obehandlade parkinsontillstånd, med hjälp av en Bayesiansk modell, med hög noggrannhet och stark klassificeringsprestanda för en enda kanal (AUC 0,85 - 0,99) i motorcortex och striatum. I pågående experiment utvärderas en liknande implementering av adaptiv DBS. Våra resultat stöder implementeringen av vår funktion i ett protokoll som syftar till att utföra sluten neuromodulering i 6-OHDA-råttmodellen för Parkinons sjukdom, som kan tjäna som grund för ytterligare studier.