Vergleich zweier Thrombozytaphereseprotokolle des kontinuierlich arbeitenden Zellseparators FRESENIUS AS 104 mit dem Ziel einer regelmäßigen Senkung der Leukozytenkontamination (LK) in Thrombozytapheresekonzentraten unter die kritische Grenze für eine Alloimmunisierung von 1 x 106 Leukozyten pro Transfusionseinheit ("critical immunological load of leukocytes" (cill)). Die Bestimmung der Leukozytenzahl in diesem niedrigen Konzentrationsbereich stellt ein bekanntes Problem dar, weshalb drei Methoden dazu miteinander verglichen wurden. Bei je 50 Thrombozytapheresen von gesunden Spendern wurde das Standardprogramm mit konstanter Trenngrenze bzw. die Programm-Modifikation mit periodischer Trenngrenzenposition eingesetzt. Der Vergleich der beiden Trenngrenzeneinstellungen erfolgte auf der Basis der ermittelten LK in den Thrombozytapheresekonzentraten sowie den errechneten Qualitätsparametern Plättchenausbeute und Separationseffizienz. Zur Bestimmung der LK wurden neben der mikroskopischen Auszählung der Zellen mit Hilfe der modifizierten Nageotte-Kammer zum einen ein neuartiger Blutbildautomat (Abbott CD 3500), zum anderen durchflußzytometrische Methode (FACS) verwendet. Die Effektivitätsparameter beider Thrombozytaphereseverfahren wichen signifikant voneinander ab: Der Thrombozyten-Ertrag ist bei Anwendung der konstanten Trenngrenze war im Mittel mit 3,6 x 1011/TE signifikant höher als bei Anwendung der periodischen Trenngrenze mit 3,3 x 1011/TE (t-Test:p = 0,017). Dementsprechend sind bei vergleichbaren Mittelwerten für Separationsdauer (63min vs. 64min) und Separationsvolumen (3588 ml vs. 3737 ml) sowohl die Separationsleistung (5,9 x 109/min vs. 5,2 x 109/min; t-Test: p = 0,018), als auch die Separationseffizienz (48,0% vs. 43,3%; t-Test: p = 0,005) signifikant niedriger bei der Anwendung der periodischen Trenngrenzenposition. Die Leukozytenkontamination ist signifikant niedriger bei Anwendung der periodischen Trenngrenze: Je nach angewandter Methode liegt die mittlere Leukozyten-Kontamination bei Anwendung der konstanten Trenngrenze bei 4,9 x 106/TE, bei Anwendung der periodischen Trenngrenze bei 2,1 bzw. 1,2 x 106/TE (U-Test: p < 0,0001). Bei der Bestimmung mittels FACS lag die Leukozytenkontamination bei 46 von 50 Thrombozytapheresen mit periodischer Trenngrenze unter dem angestrebten Wert von 1 x 106/TE (vs. konstante Trenngrenze: 9 / 50) . Beim Vergleich zwischen Nageotte-Kammer-Zählung als Goldstandard und Blutbildautomat zeigt der Blutbildautomat Abbott CD 3500 bei Leukozyten-Konzentrationen unter 50 bis 80 pro Mikroliter eine unzureichende Genauigkeit (r = 0,546). Zwischen Nageotte-Kammer-Zählung und FACS-Methode findet sich hingegen eine gute Korrelation (r = 0,930). Die Modifikation des Thrombozytenseparationsverfahrens mit periodischer Verschiebung der Trenngrenze bewirkt eine signifikante Senkung der Leukozytenkontamination. Der Thrombozytenertrag und die Separationseffizienz werden um etwa 10% gegenüber dem Standardverfahren mit konstanter Trenngrenze gesenkt. Dieser Thrombozytenverlust ist jedoch bedeutungslos, da die zum Erreichen des gesetzlich vorgeschriebenen cill-Wertes notwendige Filterung des Standard-Thrombozytapheresekonzentrats ebenfalls zu einem Thrombozytenverlust führt, der in derselben Größenordnung liegt. / Comparison of two different separation protocols for plateletpheresis with the Fresenius Blood Cell Separator AS104. Aim was to achieve a low white blood cell (WBC) contamination of the resulting platelet concentrate below the critical immunological load of leukocytes responsible for alloimmunisation. Furthermore comparison of three different methods to determine the exact count of WBC in this low range of WBC concentration. 50 healthy donors each underwent platelet apheresis with the Fresenius Blood Cell Separator AS104 using the periodically alternating interface position (PAIP) or a standard interface position (SIP). To evaluate the influence, WBC contamination of the platelet concentrate and separation efficiency (SE) were investigated. WBC were counted either microscopically (modified Nagotte chamber) or dermined on a whole blood counter Abbott CD 3500 or on a FACScan flowcytometer. SE with PAIP is lower than with SIP ( 43.3% vs. 48%; t-test: p=0.005). WBC contamination with PAIP is lower than with SIP: depending on the method of counting 2.1 resp. 1.2 x 106/TE for PAIP vs. 4.9 x 106/TE for SIP (u-test: p < 0.0001). Correlation between counting the WBC by the modified Nagotte chamber as a ´gold standard´ methode and the Abbott CD 3500 was poor (r = 0.546), whereas counting by modified Nagotte chamber and by FACScan showed a good correlation (r = 0.93). Modification of the separation protocol for platelet apheresis with the Fresenius Blood Cell Separator AS104 by PAIP results in a lower WBC contamination of platelet concentrates. The lower SE and total amount of platelets in the concentrates with the PAIP method compared to SIP make no difference in the end because the concentrates produced with SIP have additionally to be filtered in order to achieve a WBC conatmination below the cill and undergo thereby a reduction of platelets in about the same range.

Um eine Folge von Ereignissen aus unserem Gedächtnis abzurufen, ist zunächst ein Mechanismus erforderlich, der geordnete Sequenzen abspeichert. Hierbei stehen wir vor dem Problem, dass Ereignisse in unserem Leben auf einer Zeitskala von Sekunden oder mehr stattfinden. Auf der anderen Seite basiert das Lernen von Sequenzen auf der Plastizität von Synapsen im Gehirn, die durch die Abfolge von Aktionspotentialen von Nervenzellen im Millisekunden-Bereich gesteuert wird. Um dieses zeitliche Problem zu lösen, betrachten wir den Hippocampus, eine Struktur im Gehirn von Vertebraten, die für das explizite Gedächtnis (Fakten, Ereignisse, Sequenzen) entscheidende Bedeutung hat. In Nagetieren ist der Hippocampus sehr gut untersucht. Dort wurden Neurone gefunden, die nur dann aktiv sind, wenn das Tier innerhalb einer bestimmten Region seiner Umgebung ist: im sogenannten “Ortsfeld” des entsprechenden Neurons. Während der Bewegung durch ein Ortsfeld verschiebt sich die Phase der Nervenimpulse zu immer früheren Phasen der EEG-Oszillation. Dieses Phänomen wird als “Phasenpräzession” bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Phasenpräzession eine Lösung für unser Dilemma bietet: es führt zu einer zeitlich komprimierten Darstellung der Sequenz von Orten. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich den Mechanismus und die Funktion von Phasenpräzession im Hinblick auf die Ausbreitung neuronaler Aktivität von einer Hirnregion zu einer anderen. Phasenpräzession konnte bereits in mehreren Regionen des Gehirns beobachtet werden. Bisher war unklar, ob Phasenpräzession in jeder dieser Regionen eigenständig entsteht, oder ob die Phasenpräzession von einer vorgeschalteten Population von Neuronen “vererbt” werden kann. Schliesslich diskutiere ich auf Grundlage der aktuellen Literatur, ob Phasenpräzession das Verhalten beeinflusst und gebe einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf diesem Gebiet. / The process of faithfully retrieving episodes from our memory requires a neural mechanism capable of initially forming ordered and reliable behavioral sequences. These behavioral sequences take place on a timescale of seconds or more, whereas the timescale of neural plasticity and learning is in the order of tens of milliseconds. To shed light on this dilemma, we turn to studies of hippocampal place cells in rodents, i.e., cells that selectively increase their firing rates in locations of the environment known as the place fields. Within a field, the firing phases of a place cell precess monotonically relative to the ongoing theta rhythm. This phenomenon, termed "phase precession", leads to a temporally compressed representation of the behavioral sequences experienced by the rodent, and the compressed timescale matches the requirements of neural plasticity. In this thesis, I study the mechanisms and functions of phase precession by proposing a framework that relies on the concept of inheritance: the simple idea that patterns of neural activity can be propagated from one region to another. Indeed, phase precession has been observed in several regions of the hippocampus and entorhinal cortex, and an important open question is whether phase precession emerges independently in each region, or conversely, whether phase precession can be "inherited" from an upstream neu ronal population. These results suggest that the presence of phase precession in different stages of the hippocampal circuit and other regions of the brain is indicative of a common source, a fact that can help us better understand the temporal spiking patterns in the brain. Finally, I critically review the current evidence for a behavioral role for phase precession and suggest a roadmap for future research in this field.

In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde eine Serie von Studien zusammengefasst, die menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis, den "Visuospatialen Skizzenblock", untersucht haben. Dieses Kurzzeitgedächtnissystem ist häufig im Rahmen von Erkrankungen des frontalen Kortex und seiner mit ihm verbundenen Hirnareale, z.B. dem Morbus Parkinson, dem Morbus Alzheimer oder der Schizophrenie, beeinträchtigt und für einen relevanten Teil der kognitiven Defizite dieser Patienten verantwortlich. Wir untersuchten sowohl Gesunde als auch Patienten mit fokalen Läsionen des Gehirns mit Varianten des "Gedächtnissakkaden"-Paradigmas, einem etablierten okulomotorischen Verfahren zur Untersuchung von Raumgedächtnis. Es wurden sowohl behaviorale Aspekte von Arbeitsgedächtnis als auch mögliche anatomische Substrate dieses Gedächtnissystems sowie zeitstabilerer "Langzeit"-Gedächtnissysteme untersucht. Ziel war es, klarere Korrelationen zwischen messbarem Verhalten einerseits und Anatomie/Physiologie von Raumgedächtnis andererseits zu etablieren. Wir konnten erstmals zeigen, dass menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis selektiv für aktuelles Verhalten relevante Wahrnehmungsinhalte repräsentiert. Der Zugang verhaltensirrelevanter Rauminformationen zu räumlichem Arbeitsgedächtnis wird offenbar durch effiziente (Aufmerksamkeits-) Filtermechanismen verhindert. Für die Existenz solcher Filtermechanismen gab es bislang nur elektrophysiologische Belege im Tiermodell. Da die Speicherkapazität von Arbeitsgedächtnis gering ist, erlauben diese Filtermechanismen möglicherweise einen effizienteren Umgang mit der Fülle und Komplexität unserer Umwelt. Umgekehrt lässt die in unserem Experiment sichtbar gewordene enge Verzahnung von Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeit die Hypothese zu, dass eine gestörte Arbeitsgedächtniskapazität sowohl durch eine primäre Beeinträchtigung der Speichermechanismen selbst als auch durch Störungen der attentionalen Kontrolle derselben zustande kommen kann. Des weiteren konnten wir erstmals zeigen, dass menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis eine klare Zeitgrenze hat, die für einzelne räumliche items bei ungefähr 20 Sekunden liegt. Jenseits dieser Zeitgrenze scheint eine vom Arbeitsgedächtnis unabhängige Raumrepräsentation für menschliches Verhalten bedeutsam zu werden. Der Begriff "Arbeitsgedächtnis" sollte also für Gedächtnisaufgaben reserviert bleiben, deren Gedächtnisphase 20 Sekunden nicht überschreitet. Unsere Befunde zeigen weiterhin, dass bei ansonsten konstantem Design einer Gedächtnisaufgabe, die Dauer der Gedächtnisphase bereits wesentlich darüber entscheidet, welches Gedächtnissystem untersucht wird. Die von uns durchgeführten Läsionsstudien an Patienten und neurophysiologischen Studien an Gesunden bestätigen, dass räumliches Arbeitsgedächtnis durch ein Netzwerk kortikaler Areale kontrolliert wird, das unter anderem den Dorsolateralen Präfrontalen Kortex, den Posterioren Parietalen Kortex und das Frontale Augenfeld umfasst. Innerhalb dieses Netzwerks nehmen diese Areale jedoch klar verschiedene kognitive Partialfunktionen wahr. Der Dorsolaterale Präfrontale Kortex und der Posteriore Parietale Kortex scheinen in erster Linie der Repräsentation von Raum in perzeptuellen Koordinaten, d.h. einem räumlichen "Wahrnehmungsbild" zu dienen, mit einer nur kurzfristigen Rolle des Posterioren Parietalen Kortex und einer dominierenden Rolle des Dorsolateralen Präfrontalen Kortex während der Gedächtnisphase einer Arbeitsgedächtnisaufgabe. Das Frontale Augenfeld scheint der Repräsentation von Raum in okulomotorischen Koordinaten zu dienen, d.h. der kurzzeitigen Speicherung einer geplanten okulomotorischen Antwort auf einen räumlichen Wahrnehmungsinhalt. Schließlich sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass es mit dem Wechsel von Arbeitsgedächtnis zu einer zeitstabileren Raumrepräsentation bei Gedächtnisphasen von mehr als 20 Sekunden Länge auch zu einem Wechsel der anatomischen Substrate von Raumgedächtnis kommt. Die von uns durchgeführten Läsionsstudien zeigen, dass jenseits der Zeitgrenzen von räumlichem Arbeitsgedächtnis neokortikale Areale des Medialen Temporallappens eine aktive Rolle für Raumgedächtnis spielen. Hier konnten wir erstmals zeigen, dass der menschliche Parahippokampale Kortex eigenständige und vom Hippokampus unabhängige Raumgedächtnisfunktionen wahrnimmt. Möglicherweise ist diese Region das Substrat eines intermediären Gedächtnissystems zwischen räumlichem Arbeitsgedächtnis und Hippokampus-abhängigem Langzeitgedächtnis. Es wird ferner deutlich, dass in einer Gedächtnisaufgabe allein durch die Wahl verschiedener Dauern der Gedächtnisphase verschiedene anatomische Substrate von Gedächtnis untersucht werden können. Die in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Studien zeigen am Beispiel des räumlichen Arbeitsgedächtnisses, dass es möglich ist, mit einfachen physiologischen Paradigmen Gedächtnissysteme am Menschen zu untersuchen. Bestimmte mnestische Subfunktionen lassen sich mit den hier verwandten Paradigmen präzise quantifizieren und bestimmten Hirnregionen zuordnen. Wir glauben, dass dieser methodische Ansatz sowohl eine präzisere Diagnostik von kognitiven Defiziten bei Hirnerkrankungen erlaubt, als auch die Möglichkeit eröffnet, die Therapie von Gedächtnisstörungen effektiv zu kontrollieren. / This publication summarizes a series of experimental studies examining spatial working memory, the "visuospatial scratch pad", in humans. This short-term memory system is frequently affected in disorders involving the frontal cortex and connected subcortical structures, e.g. in Parkinson's disease, Alzheimer's disease or schizophrenia. Healthy human subjects and patients with focal cerebral lesions were tested with a series of "memory-guided saccade" paradigms, i.e. oculomotor spatial memory tasks. We examined both behavioural aspects and possible anatomical substrates of spatial working memory and more stable "long-term" memory systems. Our aim was to clarify the relationship between behavioural measures of spatial memory and its neuronal substrates. In a first experiment, we were able to show that visuospatial working memory selectively represents behaviourally relevant information. Access of irrelevant visuospatial information to working memory appears to be prevented by efficient attentional filters. Facing the limited storage capacity of spatial working memory, these filters may allow for successful behaviour in perceptually complex environments. Furthermore, the tight coupling of spatial attention and spatial working memory allows for the conclusion, that spatial working memory deficits in patients may likewise result from deficient storage systems and deficient attentional control. In a second experiment, we were able to demonstrate a clear temporal limit of about 20 seconds for spatial working memory. Beyond this temporal limit, an independent and more stable spatial memory system, less susceptible to the passage of time, becomes behaviourally relevant. Thus, the term "working memory" should be confined to spatial memory tasks where the memory delay does not exceed 20 seconds. In addition, these results show that selection of a certain memory delay in a given spatial memory task is a decisive factor when examining spatial memory systems. A third series of lesion studies in patients and neurophysiological experiments in healthy subjects confirmed that cortical control of spatial working memory involves dorsolateral prefrontal cortex, posterior parietal cortex and frontal eye field. Within this network, the dorsolateral prefrontal cortex and posterior parietal cortex appear to store spatial information in perceptual coordinates, with a transient role of the posterior parietal cortex at the very beginning of the memory delay and a dominating role of the dorsolateral prefrontal cortex for most of the delay. By contrast, the frontal eye field appears to store spatial information in oculomotor coordinates, i.e. to maintain a prepared eye movement to a remembered target location across a delay. A fourth series of lesion studies in patients showed that spatial memory for delays longer than 20 seconds is controlled by anatomical substrates distinct from those controlling spatial working memory. Beyond the temporal limits of spatial working memory, neocortical regions of the medial temporal lobe appear to contribute significantly to spatial memory. Within these neocortical regions, the parahippocampal cortex may carry spatial memory functions independent of the hippocampal formation and distinct from spatial working memory. We propose that this region is the neuronal substrate of an intermediate memory system, linking spatial working memory and spatial long-term memory both functionally and anatomically. Moreover, these results show that selection of a certain memory delay in a given spatial memory task is a decisive factor when examining neuronal substrates of spatial memory. Taken together, our experiments show that human memory can effectively be investigated with simple physiological paradigms. Spatial memory functions can precisely be quantified with oculomotor paradigms and related to defined anatomical substrates. This approach may allow for precise diagnosis of cognitive deficits and efficient monitoring of treatment of memory disorders.

Das menschliche Skelett besteht aus einem dynamischen Material welches in der Lage ist zu heilen, sowie sich durch strukturellen Umbau an mechanische Beanspruchung anzupassen. In dieser Arbeit ist die mechanische Regulierung dieser Prozesse untersucht worden. Hierfür ist ein Computermodell, sowie die dreidimensionale Abbildung des Knochens und die Auswertung dieser Bilder benutzt worden. An dem Heilungsprozesses von Knochen sind verschiedene Gewebetypen beteiligt. Dabei hängt die räumliche und zeitliche Anordnung dieser Gewebe von der mechanischen Belastung ab. Ein Computermodell, welches den vollständigen Verlauf der Heilung beschreibt, wurde mit der dokumentierten Gewebeentwicklung eines Tierexperimentes verglichen. Verschiedene Hypothesen, wie die mechanische Stimulation die Bildung verschiedene Gewebe beeinflusst, wurden getestet. Zwar ließen sich durch den Vergleich mit dem Experiment keine der Hypothesen verwerfen, jedoch konnten wir Vorschläge machen, worauf bei zukünftigen Experimenten verstärkt geachtet werden soll. Es wird angenommen dass der Umbauprozesses des Knochens vom dichten Netzwerk der Osteozyten mechanisch reguliert wird. Diese Zellen sind in den Knochen eingebettet und über ein dichtes Netzwerk aus engen Kanälen, den sogenannten Canaliculi, miteinander verbunden. Dieses Netzwerk mittels konfokaler Mikrokopie dreidimensional abgebildet. Spezielle Routinen zur Auswertung der Netzwerkorientierung sowie dessen Dichte wurden entwickelt. Die Hauptorientierung des Netzwerkes entspricht der Richtung in der Knochengewebe aufgebaut wird. Die Orientierung des zu dieser Richtung senkrechten Anteils des Netzwerkes rotiert abhängig von der Position entlang der Aufbaurichtung. Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Netzwerkorientierung und der Vorzugsrichtung des Kollagens, dem faserigen Bestandteils des Knochens. Darüber hinaus zeigt die Auswertung der Daten weitere strukturelle Unterschiede im Netzwerk. / Our skeleton is composed of a dynamic material that is capable of healing and of adapting to changing mechanical loads through structural remodeling. In this thesis the mechano-regulation of these dynamic processes are addressed using computer modeling and 3-dimensional imaging and image analysis. During bone healing an intricate pattern of different newly formed tissues around the fracture site evolves in time and is influenced by the mechanical loading. Using a computer model which is describing this temporal-spatial evolution of tissue types for the full time-course of healing, this evolution is compared to the documented evolution of an animal experiment. Different hypotheses were tested how the mechanical stimulation results in the formation of different tissues. While the comparison with the outcome of the animal experiments does not allow to falsify any of the hypotheses, it suggests a different design of future animal experiments. Bone remodeling is thought to be mechano-regulated by the dense network of osteocytes. These osteocytes are embedded in bone and are connected to each other via a network of narrow canaliculi. The 3-dimensional structure of the network was imaged using rhodamine staining and laser scanning confocal microscopy. Image analysis tools were developed to determine the network topology and to analyze its density and orientation. The analysis focused on osteons, the building blocks of cortical bone. Within an osteon we found a large variability of the network density with extensive regions without network. Most of the network is oriented radially towards the center of the osteon, i.e.\ parallel to the direction in which the bone material is deposited. The network perpendicular to this direction twists when moving along the direction of bone deposition. A correlation with the main orientation the fibrous constituent of bone, collagen, was detected. Furthermore indicates our data additional structural changes in the network alignment.

Das Dorsalgefäß von Drosophila ist ein wertvolles Modellsystem für die Untersuchung der genetischen und molekularen Mechanismen der Kardiogenese. Ein Schlüsselereignis der Kardiogenese ist die Bildung eines Herzlumens, durch das die Hämolymphe gepumpt wird, um Nährstoffe und Zellen des angeborenen Immunsystems zu zirkulieren. Ein Schwerpunkt meiner Arbeit umfasste die Identifizierung neuer Gene, die im embryonalen Dorsalgefäß von Drosophila exprimiert sind. Dafür habe ich die Expression von 101 Genen, deren Orthologe spezifisch im Herzen von Zebrafisch exprimiert sind, in Drosophila untersucht. Ich identifizierte ein Gen, das für das Cbl-assoziierte Protein (CAP) kodiert. Durch Herstellung eines anti-CAP Antikörpers konnte ich erstmals eine detaillierte Lokalisation des CAP-Proteins im Dorsalgefäß beschreiben. Interessanterweise stellte sich dabei heraus, dass CAP ähnlich wie die homologen Vertebraten Proteine embryonal an den fokalen Adhäsionskontakten der Kardioblasten und im adulten Dorsalgefäß auch an den Z-Scheiben und den Zell-Zell-Kontaktstellen der Kardiomyozyten lokalisiert ist. Des Weiteren untersuchte ich, welche Auswirkungen der Verlust der CAP Funktion auf die Herzentwicklung hat. Für die Analyse der CAP-Mutanten nutzte ich neben Immunhistochemischen Methoden auch ultrastrukturelle Analysen mittels TEM-Mikroskopie. So konnte ich zeigen, dass embryonale Dorsalgefäße von CAP-Mutanten eine fehlerhafte Anzahl sowie Anordnung der Kardioblasten und Lumendefekte aufweisen. Ein genetischer Interaktionstest untermauerte meine Vermutung, dass CAP mit dem Integrinsignalweg während der embryonalen Dorsalgefäßentwicklung interagiert. Live-Aufnahmen des pumpenden Dorsalgefäßes von Drosophila L3-Larven und Injektionstests an späten Puppen zeigten zudem, dass der Verlust der CAP Funktion auch zu starken Defekten in der Funktionalität des larvalen und adulten Dorsalgefäßes führt. / The heart of Drosophila provides a valuable model system for the examination of the genetic and molecular mechanisms that guide cardiogenesis. A key event of cardiogenesis is the formation of a heart lumen through which the hemolymph is pumped to circulate nutrients and cells of the innate immune system. A main focus of my work was the identification of new genes that are expressed in the embryonic heart of Drosophila. Therefore I studied the expression of 101 genes, whose orthologues are expressed specifically in the heart of zebrafish. I identified a gene that encodes for the Cbl-associated protein (CAP). By generating an anti-CAP antibody I could describe the localization of the CAP protein in the heart for the first time in detail. Interestingly, it turned out that CAP is located similar to the homologous vertebrate proteins at the focal adhesion contacts of cardioblasts in the embryo and at the Z-discs and the cell-cell contact sites of cardiomyocytes in the adult heart. I also examined the consequences of the loss of CAP function on heart development. For the analysis of the CAP mutants I used immunohistochemical and ultrastructural analysis by TEM microscopy. So I was able to demonstrate that embryonic hearts of CAP mutants show a defective number and arrangement of cardioblasts and lumen defects. A genetic interaction test substantiated my guess that CAP interacts with the Integrin signaling pathway during embryonic heart development. Live recordings of the pumping heart of Drosophila L3 larvae and injection tests of late pupae also showed that the loss of CAP function leads to severe defects in the functionality of the larval and adult heart.

Die Therapie des häufigsten primären Hirntumors bei Erwachsenen, des Glioblastoms, gestaltet sich aufgrund der relativen Resistenz gegen Bestrahlung und Zytostatika schwierig und resultiert in einer äußerst schlechten Prognose. Ziel dieser Arbeit war die Identifikation von zellulären Faktoren, die bei einer Behandlung mit dem neuartigen onkolytischen Virus Ad5-Delo3RGD (ΔE1A-13S, ΔE19K, ΔE3, zusätzliches RGD-Motiv) eine Bedeutung hinsichtlich des Ansprechens auf die Therapie haben. Dazu erfolgte nach der Transduktion von Gliomzellen mit adenoviralen Vektoren, mit unterschiedlichem E1A-Status, eine Analyse der Modulation der globalen Genexpression. Die E1A-Deletante, Ad5-Ad312, war replikationsinkompetent in Gliomzellen und hatte infolgedessen nur einen marginalen Einfluss auf Genebene und keine biologischen Effekte auf Proteinebene. Das Wildtypvirus (Ad5-wt) mit intakter und das onkolytische Virus (Ad5-Delo3RGD) mit mutierter E1A-Region induzierten eine starke Modifikation der zellulären Genexpression in Gliomzellen. Die Transduktion der Gliomzellen mit Wildtypvirus bzw. onkolytischen Virus resultierte in einer bis zu 60 %-igen Hemmung der Sekretion des Angiogenesefaktors VEGF. Fernerhin konnte in Glioblastomzellen gezeigt werden, dass Ad5-wt und Ad5-Delo3RGD eine 50 bis 60 %-ige Inhibition der Sekretion von TGF-β2, sowie eine bis zu 65 %-ige Hemmung der Transkriptionsaktivität des TGF-β-Signalwegs induzierten. Damit reprimieren besagte Viren zelluläre Faktoren, deren Expression im Gliom mit einer schlechten Prognose korreliert ist. Aufgrund dieser Daten konnte für maligne Gliome ein Modell von Ad5-Delo3RGD-Therapie relevanten zellulären Faktoren entwickelt werden, welches den Zusammenhang zwischen TGF-β2, VEGF bzw. MIR-181 und der Virotherapie verdeutlicht. Mit Hilfe dieses Modells steigt das Verständnis um die antineoplastische Aktivität des onkolytischen Virus, und ermöglicht damit eine Verbesserung der Ad5-Delo3RGD-basierten Therapie. / Glioblastoma is the most common type of brain tumor among adults. The therapy is very difficult, due to its relative resistance to radiation and zytostatica, and often results in fatal prognosis. The main objective of this thesis was the identification of cellular factors associated with therapy response to adenoviral treatment using the newly developed oncolytic virus Ad5-Delo3RGD. Therefore, after viral transduction of glioma cells with adenoviral vectors, using E1A-wildtype and -mutant viruses, an analysis of the modulation of mRNA expression profiles was conducted. The E1A deletion mutant Ad5-Ad312 was replication-deficient in glioma cells and therefore had only marginal influence of host gene transcription level and no biological effect on protein level. Both, wildtype adenovirus type 5 (Ad5-wt), with intact E1A, and oncolytic virus (Ad5-Delo3RGD), with mutated E1A, induced strong modifications of gene expression profiles in glioma cells. The transduction of glioma cells with wildtype or oncolytic virus resulted in a 60 % reduced secretion of the angionesis factor Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF). In addition it was shown that Ad5-wt and Ad5-Delo3RGD induced a reduced secretion of TGF-ß2 by 50 to 60 % and a repression of the SMAD2/SMAD3/SMAD4-specific transcription activity up to 65 %. Thus the viruses inhibit cellular factors, which expression is corelated to a weak prognosis. Based on this data a new model for malign glioma was developed, which illustrates the relationship between virotherapy and the cellular factors TGF-β2, VEGF and MIR-181, which are associated with treatment response to Ad5-Delo3RGD-based therapy. The model helps to understand the basic antineoplastic activity of the oncolytic virus and therefore should help to improve Ad5-Delo3RGD-based therapy.

Das Renin-Angiotensin-System ist nachweislich in die Entwicklung der schwangerschaftsspezifischen Erkrankung Präeklampsie involviert. Ziel der Arbeit ist die Charakterisierung der Effekte des zirkulierenden sowie uteroplazentaren Renin-Angiotensin-Systems im Rattenmodell. Wurden weibliche Ratten, transgen für humanes Angiotensinogen, mit männlichen Ratten, transgen für humanes Renin verpaart, so entwickelten sie während der Schwangerschaft Bluthochdruck und Proteinurie, während die umgekehrte Kreuzung diese Hauptsymptome der Präeklampsie nicht zeigte. Weiterhin wurde mit einer Kontrollgruppe sowie einer Angiotensin II behandelten Gruppe gearbeitet. Chronisch, systemische Angiotensin II Infusion (1000 ng/kg/min) erhöhte zirkulierendes Angiotensin II während in der umgekehrten, Präeklampsie-negativen Kreuzung uteroplazentares Angiotensin II erhöht war. In der Präeklampsie-positiven Gruppe war Angiotensin II zirkulär und uteroplazentar erhöht. Bluthochdruck und Albuminurie waren alleinig in den Tiermodellen mit erhöhtem zirkulierendem Angiotensin II nachweisbar. In der Kontrollgruppe kam es während der Schwangerschaft zu einer physiologischen Herzhypertrophie, während in der Präeklampsie-positiven Gruppe Anzeichen einer pathologischen Herzhypertrophie nachweisbar waren. Weiterhin unterstützte uteroplazentares Angiotensin II die tiefe Invasion von Trophoblasten in plazentafernen Spiralarterien, während zirkulierendes Angiotensin II die Trophoblasteninvasion im gesamten mesometrialen Dreieck diffus förderte. In Zellkulturexperimenten konnte gezeigt werden, dass Angiotensin II die Mobilität und die Invasion einer Trophoblastenzelllinie förderte. Ebenso erhöhte Angiotensin II die Migration von Trophoblasten in Plazentakulturen. Diese Ergebnisse verdeutlichen den unterschiedlichen Einfluss des zirkulierenden und uteroplazentaren Renin-Angiotensin-Systems auf die Schwangerschaft und tragen damit zum Verständnis pathologischer Prozesse bei, die zu Präeklampsie führen. / Dysregulation of the renin-angiotensin-system is important in preeclampsia, a pregnancy specific disorder, characterized by high blood pressure and albuminuria. Aim of this study is to characterize the effects of circulation and uteroplacental renin-angiotensin-system during pregnancy in a rat model. Female rats transgenic for the human angiotensinogen gene crossed with males transgenic for the human renin gene develop preeclampsia, whereas those of the opposite cross do not. We used this model to study the role of angiotensin II in trophoblast invasion, which is shallow in human preeclampsia but deeper in this model. We investigated the following groups: preeclampsia rats, opposite-cross rats, angiotensin II–infused rats and control rats. Angiotensin II infusion increased only circulating angiotensin II levels, opposite cross influenced only uteroplacental angiotensin II and preeclampsia rats showed increased circulating and uteroplacental angiotensin II. Blood pressure and albuminuria occurred in the models with high circulating angiotensin II but not in other models. Control rats showed physiological heart hypertrophy during pregnancy whereas pathological heart hypertrophy occurred in preeclampsia rats. High uteroplacental angiotensin II influenced deep trophoblast invasion in distant spiral arteries whilst the effect of circulating angiotensin II was more diffuse. We then studied human trophoblast cell line and villous explants derived from first-trimester pregnancy. Local angiotensin II dose-dependently increased migration, invasion and motility. The data suggest that angiotensin II stimulates trophoblast invasion in vivo in the rat and in vitro in human cells, a hitherto fore unrecognized function.

Das menschliche Gehirn funktioniert weitgehend zuverlässig – egal ob man im Schneegestöber nach einer schützenden Unterkunft sucht oder im Hochsommer einen Marathon läuft. Der Grund hierfür liegt im Erhalt einer nahezu konstanten Körpertemperatur, der für den menschlichen Organismus einen hohen Energieaufwand darstellt. Dadurch verliert die Temperaturabhängigkeit chemischer Prozesse auf mikroskopischer Ebene für den Menschen an Bedeutung – im Gegensatz zu allen wechselwarmen Lebewesen, deren Körpertemperatur sich der Umgebungstemperatur umgehend anpasst. Dass lebenswichtige Körper- und Gehirnfunktionen vieler Wechselwarmer dennoch über einen breiten Temperaturbereich funktionieren, legt nahe, dass sich diese Tiere Mechanismen zu Nutze machen, die die Temperaturabhängigkeit auf mikroskopischer Ebene ausgleichen. Die vorliegende Arbeit beschreibt Möglichkeiten der so genannten Temperaturkompensation am Beispiel des Hörsystems der Heuschrecke. Für einige Heuschreckenarten ermöglicht das Hörsystem die Lokalisierung und Identifizierung möglicher Partner anhand von Werbegesang, auch bei schlechten Sichtverhältnissen in hoher Vegetation. Insbesondere funktioniert die akustische Kommunikation über eine Temperaturspanne von bis zu 15°C. Diese Doktorarbeit erklärt zum einen, wie einzelne Nervenzellen mit temperaturabhängigen Ionenkanälen eine temperaturkompensierte Stimulusrepräsentation erzeugen können. Weiterhin wird gezeigt, dass der zugrundeliegende zell-intrinsische Kompensationsmechanismus nicht den neuronalen Energieverbrauch beeinträchtigen muss. Zum anderen wird belegt, dass die Schallverarbeitung auf höheren Verarbeitungsstufen selbst nicht temperaturkompensiert ist. Anhand mathematischer und computergestützter Modelle wird erläutert wie dennoch mit der gemessenen Temperaturabhängigkeit der neuronalen Verarbeitung temperaturkompensierte Gesangserkennung ermöglicht wird. Die vorgeschlagenen Mechanismen können auf alle wechselwarmen Organismen verallgemeinert werden. / The human brain largely remains functional regardless of whether one is searching for the shortest path to a warming shelter in a snowstorm or running a marathon on a summer’s day. This robustness of brain functionality can be attributed to the maintenance of a constant body temperature, which requires a large investment of energy. Due to homeothermy, the temperature dependence of all chemical reactions, including those inside the body, loses relevance as a constraint for humans. For poikilotherms, in contrast, a rise in ambient temperature translates to an increase in body temperature, which speeds up all chemical processes. Yet, many poikilotherms exhibit robustness of vital behaviors across a broad range of temperatures, which suggests the existence of mechanisms that compensate for temperature dependencies at the microscopic level. The present thesis proposes mechanisms for such temperature compensation, using the auditory system of the grasshopper as a model system. For various grasshopper species, the auditory system facilitates localization and recognition of conspecifics under conditions of low visibility. In particular, communication and recognition remain functional across a temperature range of up to 15 C. Here, we show on the one hand how single nerve cells with temperature-dependent ion channels can generate a temperature-compensated stimulus representation. Importantly, we reveal that the underlying cell-intrinsic compensation mechanism need not impair neuronal energy efficiency. On the other hand, we show that sound processing in higher-order neurons does not exhibit the degree of compensation that is found at the input level. Using a combination of mathematical modeling and simulations we show how temperature compensation of song recognition can be achieved at the network level, with temperature-dependent neural filters. In principle the proposed mechanisms are applicable to all poikilothermic species.

Die Semaphorine Sema3A und Sema3C sowie Netrin-1 und deren Rezeptoren, die Neuropiline und DCC wurden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich ihrer Expression und auf ihre funktionellen Eigenschaften bezüglich des Auswachsens von Axonen, die die intrinsischen und afferenten hippokampalen Projektionen bilden, untersucht. Während die Expressionsmuster von Sema3A schon gut bekannt waren, wurde in der hier vorliegenden Arbeit die Expression des Rezeptors von Sema3A, Neuropilin-1 (NP-1), untersucht. NP-1 wird von Embryonaltag E17 an im entorhinalen Kortex, dem Subiculum und der hippokampalen Anlage exprimiert. Es konnte eine starke postnatale Expression von NP-1 in der CA3-Region und eine schwächere Expression in der CA1-Region, dem Gyrus dentatus und dem entorhinalen Kortex gezeigt werden. Außerdem wurden in dieser Arbeit die Expressionsmuster von Sema3C und Neuropilin-2 (NP-2) genauer analysiert. Etwa zum Zeitpunkt der Geburt (P0) wurde Sema3C im Gyrus dentatus und in der Cornu ammonis Region exprimiert. Der Sema3C-Rezeptor Neuropilin-2 wurde zu diesem Zeitpunkt ebenso im Gyrus dentatus und CA3-Region, schwächer auch in der CA1-Region exprimiert. Es wurde keine Expression dieser beiden Faktoren im entorhinalen Kortex detektiert. In Kokulturstudien zwischen mit Sema3A bzw. Sema3C transfizierten Zellaggregaten und Explantaten aus den hippokampalen Subregionen wurden für spezifische Explantate ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Sekretion der Semaphorine und dem Auswachsen der jeweiligen Explantate in einer drei-dimensionalen Kollagenmatrix deutlich. Sema3A besitzt repulsive Eigenschaften auf Explantate vom Gyrus dentatus, der CA1- und der CA3-Region sowie dem entorhinalen Kortex. Die Interaktion zwischen Sema3A und NP1 beeinflußt das Einwachsen bzw. die Terminierung entorhinaler Fasern in der Molekularschicht des Gyrus dentatus, indem Sema3A eine repulsive Barriere für einwachsende Fasern und Moosfasern, die in Richtung der CA3-Region auswachsen, darstellt. Sema3C besitzt repulsive Eigenschaften auf Fasern des medialen Septums und beeinflußt dadurch das Einwachsen dieser Fasern entlang der Cornu ammonis Region in den Hippokampus. Weiterhin wurden in dieser Arbeit die Expressionsmuster von Netrin-1 und DCC im Hippokampus sowie die funktionellen Eigenschaften von Netrin-1 untersucht. Netrin-1 wird bereits zum Zeitpunkt E17 im Neokortex exprimiert, konnte im Hippokampus jedoch erst ab dem postnatalen Entwicklungsstadium P1 detektiert werden. Während im Gyrus dentatus nur ein schwaches und im entorhinalen Kortex kein Signal gefunden werden konnte, wird Netrin-1 stark in der Cornu ammonis Region exprimiert. Der Rezeptor DCC wird dagegen schon früher in der Embryonalentwicklung, ab E15, diffus in der hippokampalen Anlage exprimiert. Ab P1 lassen sich diese Signale im Gyrus dentatus und in den CA1-CA3-Regionen unterscheiden. Von den untersuchten Explantaten der hippokampalen Region zeigte Netrin-1 nur auf die Fasern von Gyrus dentatus und CA3, welche die hippokampale Kommissur bilden, einen attraktiven Wachstumseffekt. Dies bestätigt Befunde aus Netrin-1- und DCC-defizienten Tieren, in denen die hippokampale Kommissur aufgrund des fehlenden axonalen Leitmoleküls bzw. seines Rezeptors nicht ausgebildet wird. / In this work, the semaphorins Sema3A and Sema3C as well as Netrin-1 and their receptors, the neuropilins and DCC, were investigated regarding their expression and functional properties on outgrowing axons, which are forming the intrinsic and afferent hippocampal projections. Because of the already well known expression patterns of Sema3A, this work focused on the expression of the receptor of Sema3A, NP-1. From embryonic stage E17 on, NP-1 is expressed in the entorhinal cortex, the subiculum and the hippocampal Anlage. A strong postnatal expression of NP-1 in the CA3-region could be detected, while the expression pattern in the CA1-region, the dentate gyrus and the entorhinal cortex was weaker. Additionally, the expression patterns of Sema3C and NP-2 were investigated in greater detail. At birth (P0), Sema3C was expressed in the dentate gyrus and the cornu ammonis region. The expression of its receptor NP-2 could be detected at the same timepoint P0 in the dentate gyrus and the CA3-region and, less pronounced, in the CA1-region.There could not be detected any expression of Sema3C or NP-2 in the entorhinal cortex. In functional coculture studies between with Sema3A or Sema3C transfected cell clusters and neuronal explants from subregions of the hippocampal formation, these factors were investigated for their influence on axonal outgrowth within a three-dimensional collagen gel matrix. Sema3A has repulsive properties on explants from the dentate gyrus, the CA1- and CA3- regions and the entorhinal cortex. I the resulting model, the interaction between Sema3A and NP-1 influences the ingrowth and/or the termination of entorhinal fibers into the molecular layer of the dentate gyrus by a repulsive barrier formed by Sema3A. The same barrier also acts on mossy fibers to allow them to grow only in direction of the CA3-region. Sema3C has repulsive properties on fibers from the medial septum and shapes the ingrowth of these fibers along the cornu ammonis region into the hippocampus. Additionally, the expression patterns of Netrin-1 and DCC and their functional properties in the hippocampus were investigated. Netrin-1 is already expressed in the cortex at E17, although the onset of expression in the hippocampus is at P1. In the dentate gyrus, a weak signal could be detected, but no signal was found in the entorhinal cortex. In the cornu ammonis region, however, Netrin-1 showed a strong expression signal. The Netrin-1 receptor DCC could be detected as early as E15 with a diffuse distribution in the hippocampal Anlage. From P1 on, these signals could be distinguished in the dentate gyrus and the CA1-CA3-regions. Netrin-1 showed attractive properties only on fibers from explants of the dentate gyrus and the CA3-region, which form the hippocampal commissure. These results confirm previous findings from Netrin-1 and DCC deficient animals in which the absence of the hippocampal commissure was described.

Knochengewebe besitzt die einzigartige Fähigkeit sich nach einem Bruch komplett zu regenerieren. Dennoch zeigen 10-15% der Patienten einen gestörten Heilungsverlauf. Das Immunsystem spielt eine entscheidende Rolle in der Frakturheilung. Im Rahmen der hier präsentierten Doktorarbeit wurde der Einfluss der CD4+ regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Knochenheilung untersucht. In einem Maus-Osteotomie-Modell wurde die zeitliche und räumliche Verteilung ausgewählter Immun- und Knochenzellen im osteotomierten Knochen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Immunzellen im gesamten Heilungsverlauf in der Frakturzone zu finden waren und oft eine direkte Kolokalisation mit den Knochenzellen aufwiesen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die starke Interaktion beider Systeme. Ein adaptiver Transfer muriner Treg vor Setzen der Osteotomie diente als immunmodulatorischer Ansatz zur Verbesserung des Frakturheilungsprozesses. Tiere mit einem unerfahrenen Immunsystem (SPF-Haltung) zeigten eine verbesserte Heilung nach Treg-Transfer. Mäuse mit einem erfahrenen Immunsystem (semi-sterile Haltung) zeigten einen kontroversen Heilungserfolg: eine Hälfte der Mäuse heilte signifikant besser und die andere Hälfte signifikant schlechter. Die Schlechtheiler zeigten eine höhere Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg im Vergleich zu den Gutheilern. In einer darauffolgenden Proof-of-concept-Studie konnte gezeigt werden, dass eine prä-OP definierte Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg mit dem Heilungserfolg nach Osteotomie korrelierte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte ein potentiell positiver Einfluss von CD4+ Treg auf den Frakturheilungsprozess bestätigt werden. Dennoch wurde auch der enorme Einfluss des prä-OP Immunstatus auf den Heilungserfolg deutlich. Für die Klinik ist es also im Rahmen einer Immuntherapie umso wichtiger Patienten-basierte Therapieformen zu entwickeln, bei denen der individuelle Immunstatus eines jeden Patienten vor Anwendung der Therapie berücksichtigt wird. / Bone tissue possesses the remarkable capacity to fully regenerate after injury. However, in 10-15% of patients, unsuccessful bone repair is still a present problem. Components of the adaptive immune system play an indispensable role in bone regeneration. The here presented PhD thesis focused on the interaction of CD4+ regulatory T cells (Treg) during fracture healing. In a murine osteotomy model, the spatiotemporal distribution of immune and bone cells was analyzed within the healing bone. Cells of the immune system were detectable throughout the whole healing cascade in the injured area und showed often a direct co-localization with bone cells. These results highlight the interconnectivity of immune and bone cells during regeneration. By adoptive transfer of murine CD4+ Treg prior to osteotomy, an immunomodulatory approach to improve bone healing was conducted. Mice possessing an unexperienced immune system (SPF housing) showed a consistent improved healing outcome after adoptive Treg transfer. However, mice with a more experienced immune system (semi-sterile housing) receiving an adoptive Treg transfer demonstrated a controversial healing outcome: half of the mice showed a significantly improved and the other half a significantly poorer healing outcome. In the mice with a poorer healing outcome, a higher ratio of CD8+ effector T cells and Treg was observed. In a following proof of concept study, a pre-osteotomy defined ratio of CD8+ effector T cells and Treg could predict the healing outcome after adoptive Treg transfer and osteotomy. A potential positive impact of Treg in bone repair was confirmed in this study. However, the tremendous impact of the environment and thereby of the immune status prior to immunomo-dulation was also clearly demonstrated. Hence, for the clinic, it is even more important to develop and to apply patient based immunomodulatory treatment approaches considering the individual immune status of each patient prior to treatment.