Die Elektrorotation von fixierten Erythrozyten wurde im Frequenzbereich von 16 Hz bis 33 MHz untersucht. Zwischen 16 Hz und 1 kHz zeigen die fixierten Erythrozyten eine Rotation parallel zur Feldrichtung mit einer maximalen Rotationsgeschwindigkeit zwischen 30 Hz und 70 Hz. Es wurde sowohl die Abhängigkeit von der äußeren Leitfähigkeit untersucht als auch von der Oberflächenladung. Die experimentellen Resultate erwiesen sich als konsistent mit einer erst kürzlich entwickelten Theorie zur Elektrorotation im niederfrequenten Bereich (LFER). Sie zeigen, daß die Elektrorotation im niederfrequenten Bereich von der Oberflächenladung und -leitfähigkeit entscheidend mitbestimmt werden kann. Fixierte Thrombozyten wurden mittels Elektrorotation im Frequenzbereich von 16 Hz bis 33 MHz untersucht. Zur Interpretation der Daten wurde ein theoretisches Modell weiterentwickelt, welches die innere vesikuläre Struktur der Thrombozyten berücksichtigt, und mit dem niederfrequenten Modell zur Elektrorotation superponiert. In Lösungen mit Dextran unterschiedlicher Molekulargewichte und Konzentrationen wurde sowohl die elektrophoretische Mobilität als auch Elektrorotation von fixierten Erythrozyten untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß sich im niederfrequenten Bereich Depletionschichten an Hand von Elektrorotationsspektren erfassen lassen. Diese Daten bestätigen auch die Theorie zur LFER. Messungen der elektrophoretischen Mobilität von nativen Erythrozyten wurden in Lösungen mit dem Polyelektrolyten Polystyrensulfonat in Anhängigkeit vom Molekulargewicht und der Salzkonzentration durchgeführt. Es zeigte sich, daß das Polymer zum einen reversibel adsorbiert und zum anderen einen deutlichen Depletioneffekt herbeiführt. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Herstellung von Polyelektrolyt-Kapseln auf der Grundlage von biologischen Zellen ermöglicht, welche in Form und Größe identisch mit den verwendeten biologischen Templaten sind. / Electrorotation of fixed red blood cells (RBC) has been investigated in a frequency range between 16 Hz and 33 Mhz. Between 16 Hz and 1 kHz fixed red blood cells undergo co-field rotation with a maximum of rotation betwen 30 and 70 Hz. The rotation was studied as a function of electrolyte conductivity and surface charge density. These observations are consistent with a recently developed theory of the low frequency electrorotation (LFER) and demonstrate that the surface charge and the surface conductivity can play a significant role in this frequency range. Fixed platalets were investigated by means of electrorotation in the frequency range from 16 Hz to 33 Mhz. For the interpretation of the data a model which takes into account the inner structure of the platalets was developed and added to the theory which describes the rotation in the low frequency range. In solutions with Dextran and fixed platalets the electrophoretic mobility as well as the electrorotation was measured. It was shown that in the low frequency range depletion layers are detectable. Furthermore this results verify the LFER theory. Measurements of the electrophoretic mobility of native RBC were carried out in solutions of the polyelectrolyte Polystyrenesulfonate in dependence on the molecular weight and the ionic strength. It was shown that the polymer adsorbs reversible and forms a significant depletion effect. In the last part of this work a method was developed, which allows the construction of polyelectrolyte caspules with biological cells as template, which are identical in size and shape with the templates used.

Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nichtinvasive Bildgebungsmethode, die in der Medizin sowie in der Forschung eingesetzt wird und auf der magnetischen Kernresonanz beruht. Die Erforschung der Ultrahochfeld (UHF) MRT ab Magnetfeldstärken von 7.0 Tesla und darüber ist durch einen intrinsischen Signalgewinn hin zu hohen Magnetfeldstärken motiviert und beschäftigt sich mit den dabei auftretenden physikalischen Effekten ebenso wie mit den dazu notwendigen neuartigen Technologien. Die vorliegende Arbeit untersucht Mehrkanalantennen zur Anregung der magnetischen Kernresonanz sowie zum Empfang des resultierenden Signals bei 7.0 T. Für die magnetische Kernresonanz von Protonen ergibt sich eine Resonanzfrequenz von 300 MHz. Die zugehörige Wellenlänge in menschlichem Gewebe verlässt in diesem Frequenzbereich im Verhältnis zu den Körperabmessungen den quasistatischen Bereich. Die sich ergebende Wellenausbreitung hat Interferenzmuster in den erzeugten Bildern zur Folge, die zu klinisch nicht verwertbaren Bildinformationen führen können. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit Mehrkanalantennen mit 4, 8 und 16 unabhängigen Elementen zur Signalanregung und zum Empfang konzipiert, aufgebaut und untersucht. Die Erkenntnisse mündeten in der erfolgreichen Implementierung der weltweit ersten 32-Kanal Antenne zur kardiovaskulären Bildgebung bei 7.0 T. Darüber hinaus wurde eine Antenne entwickelt, welche die ersten auf der Natriumkonzentration beruhenden bewegten MRT Bilder des menschlichen Herzens bei 7.0 T ermöglichte. Der Zusammenhang zwischen Natriumkonzentration und Zellintegrität ermöglicht direkte und ortsaufgelöste Einblicke in physiologische Prozesse. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen die breite Anwendbarkeit von Mehrkanalantennen in der UHF MRT zur Protonen-und Natriumbildgebung und bilden eine solide technologische Basis für breitere klinische Studien, um die Ultrahochfeld MRT reif für den routinemäßigen Einsatz im Gesundheitswesen zu machen. / Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive imaging method based on the effect of nuclear magnetic resonance. It is used in healthcare as well as in research. MRI at magnetic field strengths of 1.5 Tesla and 3 Tesla is well established. The gain in signal-to-noise ratio (SNR) intrinsic to higher magnetic field strength fuels the vigorous research field of Ultrahigh field (UHF) MRI at 7.0 T and above. Nevertheless for MRI based upon proton imaging the wavelength of the transmitted electro-magnetic fields slowly departs from the semi-static regime and reaches the dimension of the transection of the human body at 7.0 T. This gives rise to constructive and destructive interferences that potentially render image quality non-diagnostic for clinical use. Therefore is work proposes the worlds’ first 32 channel antenna array for cardiovascular MRI at 7.0 T. Electro-magnetic field simulations are utilized to study the capabilities of multi-channel RF antenna arrays to mitigate destructive interferences and provided the basis for a workflow towards homogenization of the electromagnetic radio-frequency field. Pre-clinical studies showed the capabilities and limits of translating the SNR gain of UHF MRI into clinical beneficial numbers, namely increased spatial or temporal resolution or scan time shortening. To make further use of the benefits of UHR MRI and to make a step towards first-hand spatial resolved information of biological processes in human tissue sodium imaging of the human heart was enabled with the design of a tailored antenna array. The results were reconstructed into the first movies of the human heart at 7.0 T based on sodium signal. This profound technological basis for radio frequency excitation and reception in UHF MRI can be expected to pave the way for broader clinical studies at 7.0 T with the ultimate goal to improve the quality and the earliness of treatment decisions in future clinical practice.

Die Basis für den therapeutischen Einsatz elektrischer Felder bei der Behandlung von Knochenbrüchen liegt in der Existenz von belastungsabhängigen elektrischen Potentialen im Knochen. Die zellulären Wirkungsmechanismen sind jedoch unverstanden. Um zu untersuchen, ob und wie elektrische Felder Wachstum und Differenzierung von Knochenzellen beeinflussen, wurden humane Osteosarcomazellen (HOS TE85) und aus Minischweinen isolierte primäre Osteoblasten mit elektrischen Feldern im Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 100 kHz befeldet und verschiedene zelluläre Parameter zeitabhängig gemessen. Das elektrische Feld wurde mittels platinierten Platinelektroden appliziert, um ausreichend hohe Feldstärken bei gleichzeitig guter Kontrolle über die im Gewebe erzeugte Wellenform zu gewährleisten. Beim Einsatz von Elektroden müssen jedoch elektrochemische Reaktionen an der Elektrodenoberfläche berücksichtigt werden. Daher wurden verschiedene Elektroden für die in vivo- und in vitro-Stimulation mit elektrischen und numerischen Methoden untersucht und verglichen. Das führte einerseits zur Erarbeitung verschiedener Kriterien zur Auswahl geeigneter Elektrodenmaterialien und -geometrien. Andererseits konnten detaillierte Angaben zur effektiven Feldstärke und Feldverlauf in der Zellebene sowie zu elektrochemisch bedingten Nebenwirkungen gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass elektrische Felder das Signalsystem und den Stoffwechsel von Knochenzellen im gesamten untersuchten Frequenzbereich beeinflussen. Die Richtung des Nettoeffekts war jedoch im oberen und im unteren Frequenzbereich unterschiedlich. Im Frequenzbereich über 1 kHz fanden wir immer eine Erhöhung des Wachstums und der Konzentration der "second messenger" und eine Herabsetzung der Konzentration der reaktiven Sauerstoffverbindungen (ROS). Bei Frequenzen unter 1 kHz wurde dagegen eine Erhöhung der Aktivität der alkalischen Phosphatase und des oxidativen Stress beobachtet. Signifikante Effekte traten jedoch nur bei Feldstärken oberhalb 100 V/m auf. Hinweise auf bevorzugte Frequenzen oder Wellenformen, die für "Fenstereffekte" sprechen würden, konnten nicht gefunden werden. Da alle zellulären Parameter an einem einheitlichen System gemessen wurden, ließen sich die Ergebnisse in ein Modell der feldinduzierten Signaltransduktion integrieren. Prinzipiell muss man von einem gemeinsamen Effekt mehrerer Signalwege ausgehen. Dabei kann die Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration als ein genereller Mechanismus der Feldwirkung angesehen werden. Dafür sind sowohl der Influx als auch die Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Speichern verantwortlich. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass auch cGMP und Prostaglandin E2, jedoch nicht cAMP an der Vermittlung der Feldwirkung beteiligt ist. Außerdem wurde die Translokation der mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK) beeinflusst. Trotzdem sind die beobachteten Effekte relativ schwach im Vergleich zu publizierten klinischen Erfolgen. Es muss daher in vivo Verstärkungsmechanismen geben, die durch Untersuchungen an Zellkulturen nicht erfasst werden können. / The therapeutic use of electric fields in the treatment bone fracture healing is based on the existence of different load dependent electric potentials in bone. However, the cellular mechanisms of field action are still not understood. We investigated the effect of electric fields on proliferation and differentiation of human osteosarcoma cells (HOS TE85) and primary osteoblasts isolated from mini pigs. The cells were exposed to electric fields (0.1 Hz - 100 kHz) and various cellular parameters were measured. The field was applied using platinized platinum electrodes ensuring sufficiently strong electric fields and a well controlled wave form in the tissue. Nevertheless, in this case electrochemical reactions which occur at the electrode surface have to be taken into account. That’s why various electrodes for in vivo and in vitro stimulation are characterized by electrical and numerical methods leading not only to criteria for choosing electrode materials and geometries, but also providing detailed knowledge about the electric field induced in the tissue and electrochemically induced side effects. We found that cellular signaling as well as proliferation and differentiation of bone cells are influenced by electric fields in the whole investigated frequency range. Proliferation and the second messenger concentrations are increased at frequencies above 1 kHz, whereas below 1 kHz the alkaline phosphatase activity is increased. Significant effects were found only for electric fields above 100 V/m, but we could not find any hints on preferred frequencies or wave forms ruling out "window effects". Because all cellular parameters were measured within one experimental system, the results can be summarized in a signal transduction model for the action of electric fields. Generally, a common action of multiple signaling pathways has to be assumed. The increase of the intracellular calcium concentration can be considered as a general mechanism of field action. This increase is caused by calcium release from intracellular calcium stores as well as influx of extracellular calcium. Additionally, the concentration of cGMP and prostaglandin E2, but not that of cAMP is increased by the electric field. Furthermore, the translocation of the mitogen activated protein kinase (MAPK) is influenced. Nevertheless, the field effects found are weak compared to those published in clinical studies. We suppose that there are amplifying mechanisms in vivo which could not be seen during in vitro investigations.