This work is a revised edition of the former article “Die Kalkulation irreparabler Mutationen” by the same author. New calculations have been included, and some unclear formulations have been eliminated. New is in the present edition above all the calculation of the very certain temperature - alterations which are necessary for the lengthening of monotonous sequence for one position, provided that these are responsible for a constant viscosity - change of the DNA surroundings (section 6, equations 94 and 95).

This work is a revision of the article "Die Kalkulation kalkulierbarer Mutationen” by the same author. In some chapters errors have been corrected in the mathematical representation. Chapters 6 and 7 have been re-edited. In this work, corrected excerpts from "Tumour Physics" and from "Evolution and mutation Physics" are used. To the agencies concerned should be noted.

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This work is a revised edition of the former article “Die Kalkulation irreparabler Mutationen” by the same author. New calculations have been included, and some unclear formulations have been eliminated. New is in the present edition above all the calculation of the very certain temperature - alterations which are necessary for the lengthening of monotonous sequence for one position, provided that these are responsible for a constant viscosity - change of the DNA surroundings (section 6, equations 94 and 95).

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bisher größte Kohorte von Patientenverläufen mit strahleninduzierten malignen Gliomen (RIG) nach Behandlung von anderen pädiatrischen Hirntumoren (v. a. Medulloblastomen) im deutschsprachigen Raum erfasst sowie klinisch und zum Teil neuropathologisch charakterisiert. In einer ersten Schätzung erscheint im Vergleich zur Häufigkeit von sporadischen hochgradigen Gliomen (HGG) die Rate von RIG nach Therapie von pädiatrischen Medulloblastomen um bis zu 125-fach erhöht zu sein. Überwiegend sind RIG in der hinteren Schädelgrube, d. h. im Bereich des Primärtumors bei Medulloblastomen und somit im Hochdosisbereich der erfolgten Strahlentherapie lokalisiert. Die Prognose von RIG ähnelt der von sporadischen HGG mit Lage in ähnlichen Hirnregionen. Patienten, die eine Radiochemotherapie erhielten, zeigten im Vergleich zu Patienten mit weniger intensiven Therapien oder Best Supportive Care eine bessere Prognose. In Anbetracht ähnlicher Daten bei anderen Hirnstammtumoren scheint in der Tat ein Therapieeffekt und weniger ein Selektionseffekt vorzuliegen. Auf molekularer Ebene sind die RIG durch einen kombinierten Verlust von Chromosom 13q und 14q charakterisiert. Veränderungen von TP53 und Signalwegregulatoren (z. B. MDM4) können als genetische Kennzeichen der RIG gewertet werden, finden sich jedoch seltener in primären HGG. Zur Abgrenzung von Rezidiven des Primärtumors oder Strahlennekrosen sollte möglichst eine Biopsie erfolgen. Zur Vermeidung von RIG als schwere Therapiefolge erscheint in Studien eine weitere Reduktion der Strahlentherapiedosis bzw. Begrenzung des Boostvolumens wünschenswert. Auch die Verwendung von Protonentherapie statt Photonenbestrahlung könnte in dieser Hinsicht vorteilhaft sein. Mit letzter Sicherheit konnte nicht geklärt werden, ob die hintere Schädelgrube ein Ort der Prädisposition für RIG ist oder ob die erreichte Strahlentherapiedosis hier der alleinige ausschlaggebende Faktor ist. Weitere molekulargenetische Untersuchungen zur detaillierteren Charakterisierung dieser und möglichst weiterer RIG mit Methylierungsassays sowie ein Abgleich der Fallzahlen mit Datenbanken des HIT-MED und HIT-REZ Registers sind zur Ergänzung und Validierung vor der Publikation der Ergebnisse geplant.:1 Einführung 1.1 Hirntumore im Kindesalter 1.2 Medulloblastome 1.2.1 Epidemiologie und Klinik 1.2.2 Histologie, Risikogruppen und molekulare Subgruppen 1.2.3 Diagnostik und Therapie 1.2.4 Prognose und Langzeitfolgen 1.3 Hochmaligne pädiatrische Gliome 1.3.1 Epidemiologie und Molekulargenetik 1.3.2 Klinik und Diagnostik 1.3.3 Therapie und Prognose 1.4 Strahleninduzierte hochmaligne Gliome 1.4.1 Strahlentherapie als therapeutischer Baustein 1.4.2 Definition strahleninduzierter Gliome 1.4.3 Epidemiologie, Latenzen und Risikofaktoren 1.4.4 Molekulare Eigenschaften 1.4.5 Therapie und Prognose 2 Aufgabenstellung 3 Methoden 3.1 Patientenauswahl 3.1.1 Fallgruppe 3.1.2 Kontrollgruppe 3.2 Molekularpathologische Analysen 3.3 Statistische Analysen 3.4 Risikoabschätzung für strahleninduzierte Gliome nach Medulloblastomtherapie im Kindesalter 4 Ergebnisse 4.1 Patientencharakteristika 4.1.1 Fallgruppe 4.1.2 Charakteristika der gematchten HGG-Gruppe und Vergleich mit RIG-Gruppe 4.2 Überlebensanalyse 4.2.1 Überlebenszeitvergleich von strahleninduzierten und sporadischen hochgradigen Gliomen 4.2.2 Gesamtüberleben der RIG-Gruppe in Abhängigkeit der Therapiemodalitäten 4.3 Risikoabschätzung für strahleninduzierte Gliome nach Bestrahlung eines Medulloblastoms im Kindesalter im Verhältnis zur Rate spontaner hochgradiger Gliome im Kindesalter 4.3.1 Rate spontaner hochgradiger Gliome pro Neugeborenen in Deutschland 4.3.2 Rate strahleninduzierter Gliome bei neudiagnostiziertem pädiatrischen Medulloblastom 4.4 Molekulare Genetik der strahleninduzierten Gliome 5 Diskussion 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit Danksagung

Bei der Replikation monotoner DNA - Sequenzen tritt theoretisch ein Vorgang auf, den wir als „Basenkonkurrenz“ bezeichnen: Da sich an jeder Replikations-Stelle mehrere Basenbausteine bewerben, aber immer nur einer benötigt wird, bewerben sich die übrig gebliebenen Bausteine an den jeweils nächsten Replikations - Positionen und erlangen wegen der fortwährenden Beschleunigung durch elektrostatische Anziehung immer größere kinetische Energien. Das führt dazu, dass an einer bestimmten Stelle der replizierenden monotonen Sequenz der eine Partner der Wasserstoffbrückenbindung ein hohes Energieniveau erreicht. Es wird berechnet, dass sich dadurch kurzzeitig eine sehr hohe Bindungsenergie zwischen den beiden Partnern der Wasserstoffbrückenbindung einstellt, wodurch der in dieser kurzen Zeitspanne wirkende DNA-Reparaturmechanismus unterdrückt wird. Die Auswirkungen der hohen Basenkonkurrenz – Energien werden berechnet (hohe Bindungsenergien der Wasserstoffbrückenbindungen, Tunnelvorgänge, irreparable Mutationen). Die Folgen dieser Erscheinung sind Tumorbildung, Alterung, Veränderung der DNA – Struktur, Beeinflussung der Evolution, worauf im Einzelnen eingegangen wird. Es zeigt sich, dass die negativen Auswirkungen der Basenkonkurrenz vorwiegend bei zu niedriger Viskosität des Zellplasmas auftreten.

This work is a revision of the article "Die Kalkulation kalkulierbarer Mutationen” by the same author. In some chapters errors have been corrected in the mathematical representation. Chapters 6 and 7 have been re-edited. In this work, corrected excerpts from "Tumour Physics" and from "Evolution and mutation Physics" are used. To the agencies concerned should be noted.

Bei der Replikation monotoner Sequenzen tritt theoretisch ein Vorgang auf, den wir als „Basenkonkurrenz“ bezeichnen: Da sich an jeder Replikations-Stelle mehrere Basenbausteine bewerben, aber immer nur einer benötigt wird, bewerben sich die übrig gebliebenen Bausteine an den jeweils nächsten Replikations - Positionen und erlangen wegen der fortwährenden Beschleunigung durch elektrostatische Anziehung immer größere kinetische Energien. Das führt dazu, dass an einer bestimmten Stelle der replizierenden monotonen Sequenz der eine Partner der Wasserstoffbrückenbindung ein hohes Energieniveau erreicht. Es wird berechnet, dass sich dadurch kurzzeitig eine sehr hohe Bindungsenergie zwischen den beiden Partnern der Wasserstoffbrückenbindung einstellt, wodurch der in dieser kurzen Zeitspanne wirkende DNA-Reparaturmechanismus unterdrückt wird. Die Auswirkungen der hohen Basenkonkurrenz – Energien werden berechnet (hohe Bindungsenergien der Wasserstoffbrückenbindungen, Tunnelvorgänge, irreparable Mutationen). Die Folgen dieser Erscheinung sind Tumorbildung, Alterung, Veränderung der DNA – Struktur, Beeinflussung der Evolution, worauf im Einzelnen eingegangen wird. Es zeigt sich, dass die negativen Auswirkungen der Basenkonkurrenz vorwiegend bei zu niedriger Viskosität des Zellplasmas auftreten.:1. Basenkonkurrenz 3 1.1. Basenkonkurrenz während des Replikationsvorganges 3 1.2. Der Einfluss der Viskosität des Zytoplasmas 6 1.3. Berechnung der Energiestufen Tk 7 2. Auswirkungen der Basenkonkurrenz auf tautomere Basenpaare 8 2.1. Berechnung der Bindeenergie der Wasserstoffbrückenbindung 8 2.1.1. Normierung der Wellenfunktionen und 12 2.1.1.1.Wasserstoff im Grundzustand (1s) 12 2.1.1.2. Wasserstoff im angeregten Zustand (2p) 13 2.1.1.3. Akzeptor im Grundzustand 13 2.1.2. Darstellung der Energieflächen 14 2.1.3. Berechnung der Bindeenergie, wenn beide Partner sich im Grundzustand befinden 15 2.1.4. Berechnung der Bindeenergie, wenn sich der Acceptor im Grundzustand und der Wasserstoff im angeregten Zustand 2p befindet 18 2.2. Falschpaarung durch Basenkonkurrenz bei tautomeren Basenpaaren 20 2.3. Abklingzeit der Basenkonkurrenz – Energie 21 2.4. Entstehung, Vererbung und Löschung eines „Gedächtnisses“ vorgeschädigter DNA 22 2.4.1. Entstehung 22 2.4.2. Vererbung 22 2.4.3. Löschung 22 3. Auswirkung der Basenkonkurrenz auf die DNA – Struktur 23 4. Tunnelvorgänge in biologischen Wasserstoffbrückenbindungen 26 4.1. Berechnung der Tunnel – Wahrscheinlichkeit 27 4.1.1. Ab–initio–Berechnung der Tunnel –Wahrscheinlichkeit 27 4.1.2. Der Protonenstrom 33 4.1.3. Der Einfluss der Temperatur 36 4.1.4. Berechnung der Tunnel – Wahrscheinlichkeit in Wasserstoffbrückenbindungen bei parabelförmigem Potenzialverlauf. 37 4.1.5. Berechnung des Mindestabstandes zwischen der Gesamtenergie E und dem Potenzialwall der Wasserstoffbrückenbindung 43 4.1.6. Berechnung der Größe 16/R 44 4.1.7. Die Änderung der Tunnel – Wahrscheinlichkeit durch Temperatur – und Energieänderung. 46 5. Zufällige Änderung der Basenverteilung der DNA während der Replikation 49 5.1. Aufzählung aller möglichen Verteilungen 49 5.2. Aufzählung aller günstigen Verteilungen und die Chance des Auftretens hoher Basenkonkurrenz – Energie 51 6. Die Total – Wahrscheinlichkeit der durch Basenkonkurrenz verursachten Mutation 53 7. Interpretation der Gleichung (93) 55 8. Evolution und Physik 58 9. Mutation und Physik innerhalb kleinerer Zeiträume 58 10. Zusammenfassung 59 Literaturverzeichnis 60

Die Rationale für immuntherapeutische Ansätze zur Behandlung maligner Neoplasien geht davon aus, daß Tumore über spezifische Tumorantigene verfügen. Dendritische Zellen als die wichtigsten antigenpräsentierenden Zellen sind in der Lage, Tumorantigene naiven T-Zellen zu präsentieren und spezifische zytotoxische T-Zellen zu stimulieren. In der vorliegenden Arbeit wurden dendritische Zellen durch Stimulation mit Interleukin-4 (IL-4) und Granulozyten/ Makrophagen Koloniestimulierender Faktor (GM-CSF) aus peripheren mononukleären Blutzellen gesunder Spender und an Tumoren des gastroenteropankreatischen Systems erkrankter Patienten generiert. Mit den dendritischen Zellen cokultivierte immunologische Effektorzellen (Zytokin-induzierte Killerzellen, CIK-Zellen) wurden im Zytotoxizitätstest gegen kolorektale und pankreatische Karzinomzellen eingesetzt. CIK-Zellen sind zytototoxische Zellen, die durch Stimulation mit Zytokinen aus peripheren Blutlymphozyten erzeugt werden. Durch die Cokultivierung der Effektorzellen mit dendritischen Zellen konnte eine signifikante Steigerung der unspezifischen zytotoxischen Wirkung der CIK-Zellen bewirkt werden. Zur Steigerung der spezifischen Zytotoxizität wurden dendritische Zellen mit dem Gesamtprotein der tumor-assoziierten Antigene cancer associated antigen (CA 19-9) und carcinoembryonic antigen (CEA) gepulst. Effektorzellen zeigten nach der Cokultur mit gepulsten dendritischen Zellen zytotoxische Wirkung gegen Targetzellen, die das zum Pulsen verwendete Tumorantigen auf der Zelloberfläche exprimieren. Die Antigenspezifität der zytotoxischen Wirkung konnte durch eine signifikant verminderte Zellyse nach Blockade des Tumorantigens auf den Targetzellen belegt werden. Erstmals beschrieben ist hier das Pulsen dendritischer Zellen mit sowohl autologen als auch allogenen Seren von Patienten mit erhöhten Tumormarkerspiegeln. Eine Kultivierung dendritischer Zellen in tumormarkerhaltigem Serum bewirkte dosisabhängig eine verstärkte zytotoxische Wirkung cokultivierter Effektorzellen gegen Tumorzellen. Die verstärkte Zellyse zeigte sich unabhängig vom allogenem oder autologem Charakter des Serums. Der immunstimulierende Effekt des Patientenserums konnte durch eine vorhergehende Hitzeinaktivierung des Serums neutralisiert werden. Die höchsten Zellysen wurden durch eine Kultivierung dendritischer Zellen in tumormarkerhaltigem Serum und zusätzlichem Pulsen mit exogenem Tumorantigen erreicht. Unte rsuchungen an komplett autologen Systemen reproduzierten die an Zellkulturen erhobenen Befunde. Hierfür wurden erfolgreich Primärkulturen kolorektaler Tumore etabliert. Aus dem Blut von Tumorpatienten wurden dendritische Zellen generiert, die mit autologem Serum kultiviert wurden. Die cokultivierten autologen Effektorzellen erwiesen sich im Zytotoxizitätstest gegen autologe Tumorzellen als zytotoxisch. Die Cokultivierung der Effektorzellen mit den dendritischen Zellen bewirkte bei beiden Zellpopulationen Veränderungen. Dendritische Zellen zeigten nach der Cokultur eine verstärkte Expression antigenpräsentierender und costimulatorischer Moleküle. Bei den CIK-Zellen kam es zu einem Anstieg der Proliferationsrate. Bei Untersuchungen zur Antigenspezifität von T-Zellrezeptoren konnte vermehrt antigenspezifischer T-Zellrezeptor nachgewiesen werden. Des weiteren stieg das Verhältnis zwischen zytotoxischen T-Zellen und T-Helferzellen zugunsten der zytotoxischen T-Zellen. In ELISpot-Untersuchungen wurde eine Zunahme Interferon-gamma sezernierender CIK-Zellen nachgewiesen. Dendritische Zellen ließen sich erfolgreich mit inaktiviertem Adenovirus, an das kovalent Poly-L-Lysin gekoppelt ist, transfizieren. Die für den adenoviralen Gentransfer benötigten Oberflächenstrukturen konnten auf dendritischen Zellen nachgewiesen werden. Zur Verbesserung der Zytotoxizität wurden dendritische Zellen erfolgreich mit dem Gen für den Transaktivator CIITA transfiziert. CIITA- transfizierte dendritische Zellen exprimierten vermehrt MHC Klasse II-Moleküle. Die transduzierten dendritischen Zellen induzierten bei cokultivierten Effektorzellen eine erhöhte unspezifische Zytotoxizität. Mit Tumorantigen gepulste dendritische Zellen können bei der Entwicklung immuntherapeutischer Protokolle bei malignen Neoplasien von Bedeutung sein. / The immunotherapeutic approach against malignant neoplasias appreciates that tumours encode tumour rejection antigens, that enable them to induce protective immunity. Dendritic cells are major antigen-presenting cells and are able to present tumour antigens to naive T-cells and stimulate cytotoxic T-cells in a specific manner. In the present graduation-manuscript dendritic cells were generated in the presence of Interleukin-4 and granulocyte/macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) from peripheral mononuclear blood cells of healthy donors and tumour- patients. Immunological effector cells termed cytokine- induced killer cells (CIK cells) were co-cultured with dendritic cells and tested for their cytotoxic capacity against colorectal and pancreatic cancer cell-lines in a LDH-release assay. CIK cells are cytotoxic lymphocytes generated by incubation of peripheral blood lymphocytes with different cytokines. Co-culture of effector cells with dendritic cells led to a significant increase of the cytotoxic effect of CIK cells. For a further increase of specific cytotoxicity dendritic cells were pulsed with total protein of the tumour-associated antigens cancer associated antigen CA 19-9 and carcinoembryonic antigen (CEA). Co-cultured effector cells showed an increase in cytotoxicity against tumour-antigen expressing target cells, after co-culture with pulsed dendritic cells. The specificity of the cytotoxic effect could be shown by blocking the tumour-antigens with a monoclonal antibody. Autologous and allogenec untreated serums from patients with elevated tumour-marker levels were also used for pulsing of dendritic cells. Similar to the results when using total protein for pulsing, a cultivation in serum of patients with elevated tumour marker levels caused an intensified cytotoxic effect of effector cells against tumour cells in a dose-dependent manner. The intensified cytotoxicity was seen independent of the allogenec or autologous character of the serum. The immuno-stimulating effect of the patient serum could be neutralized by preceding heat inactivating. The highest cytotoxicity was achieved by a cultivation of dendritic cells in serum from patients with elevated tumour marker levels and additional pulsing with exogenous tumour antigen. Experiments with completely autologous systems reproduced the results made with cell-lines. Primary cultures of colorectal tumours were established. Dendritic cells were generated from the blood of tumour patients and were cultivated in autologous serum. Co-cultured autologous effector cells showed cytotoxicity when used against autologous tumour cells. Co-culturing of effector cells with dendritic cells caused modifications at both cell populations. Dendritic cells showed an increase expression of antigen-presenting and co-stimulatory molecules. CIK cells showed a higher proliferation-rate when co-cultured. They express more antigen-specific T-cell receptor, and the cytotoxic T-cells to T-helper cells ratio increased. ELISpot-assays showed an increase of interferon gamma producing cells. Dendritic cells were successfully transduced by using an inactivated adenovirus, which covalently binds poly-L- lysine. Dendritic cells express the molecules that enables adenoviral gene delivery on their surface. For the improvement of cytotoxicity dendritic cells were transduced with the gene encoding for the transactivator CIITA. CIITA transduced dendritic cells increases expression of MHC class II molecules. Cytotoxicity experiments with transduced dendritic cells resulted in an increased induction of non-specific cytolysis from co-cultured effector cells. DC pulsed with tumour-antigens may have a major impact on immunotherapeutic protocols for cancer patients.

Bei der Replikation monotoner Sequenzen tritt theoretisch ein Vorgang auf, den wir als „Basenkonkurrenz“ bezeichnen: Da sich an jeder Replikations-Stelle mehrere Basenbausteine bewerben, aber immer nur einer benötigt wird, bewerben sich die übrig gebliebenen Bausteine an den jeweils nächsten Replikations - Positionen und erlangen wegen der fortwährenden Beschleunigung durch elektrostatische Anziehung immer größere kinetische Energien. Das führt dazu, dass an einer bestimmten Stelle der replizierenden monotonen Sequenz der eine Partner der Wasserstoffbrückenbindung ein hohes Energieniveau erreicht. Es wird berechnet, dass sich dadurch kurzzeitig eine sehr hohe Bindungsenergie zwischen den beiden Partnern der Wasserstoffbrückenbindung einstellt, wodurch der in dieser kurzen Zeitspanne wirkende DNA-Reparaturmechanismus unterdrückt wird. Die Auswirkungen der hohen Basenkonkurrenz – Energien werden berechnet (hohe Bindungsenergien der Wasserstoffbrückenbindungen, Tunnelvorgänge, irreparable Mutationen). Die Folgen dieser Erscheinung sind Tumorbildung, Alterung, Veränderung der DNA – Struktur, Beeinflussung der Evolution, worauf im Einzelnen eingegangen wird. Es zeigt sich, dass die negativen Auswirkungen der Basenkonkurrenz vorwiegend bei zu niedriger Viskosität des Zellplasmas auftreten.