Die wachsenden Kosten für die Behandlung chronischer lumbaler Rückenschmerzen stehen zunehmend in Diskrepanz mit den begrenzten Mitteln für das Gesundheitswesen.<br /> Untersuchungen zeigen, dass aktive Trainingsprogramme, je früher sie eingesetzt werden, einen positiven Einfluss auf die Senkung von Kosten für die Gesellschaft haben. Ein rechtzeitiger Einsatz der medizinischen Kräftigungstherapie bei Rückenschmerzpatienten ist somit unter rehabilitativen Gesichtspunkten notwendig. Insbesondere das Training im Wasser gestattet gelenkschonende Übungen in frühen Phasen der Rehabilitation und lassen eine raschere Wiederherstellung erwarten.<br /> Über die körperlichen Auswirkungen therapeutischer Trainingsmaßnahmen im Wasser sind bis dato wenige Studien verfügbar, welche die Wirkung des Mediums Wasser auf konditionelle Parameter objektiv quantifizieren und bewerten. Jedoch sind bislang die Möglichkeiten für ein gezieltes Krafttraining im Wasser begrenzt.<br /> <br /> Eine gerätetechnische Entwicklung, die ein rumpfstabilisierendes Krafttraining im Warmwasser ermöglicht, lässt im Vergleich zu herkömmlichen Trainingsmöglichkeiten eine noch effizientere rehabilitative Behandlung erwarten.<br /> Es wird die Fragestellung verfolgt, inwieweit aktive Trainingsformen im Wasser die Maximalkraft und die neuromuskuläre Funktion der Rumpfmuskulatur, sowie den Schmerz von Rückenpatienten beeinflussen. Ferner soll im Rahmen der Untersuchungen die Effektivität eines neu entwickelten Wassertrainingsgerätes geprüft werden.<br /> Die Untersuchungen der Ergebnisse von 80 weiblichen Probanden (in fünf Gruppen aufgeteilt: Kontrollgruppe, Aquajogging, Aquarücken, Aquagerät und Rückengymnastik an Land) zeigen, dass durch aktive Interventionsmaßnahmen eine Verbesserung der Kraftfähigkeit und eine Reduzierung von Schmerzen erzielt werden kann. Hingegen kommt es in der Kontrollgruppe, ohne Trainingsanwendungen, zur Stagnation des chronischen Schmerzzustandes, sogar zur Verschlechterung der Kraftentwicklung der Rückenstreckmuskulatur.<br /> <br /> In allen Trainingsgruppen konnten kurzfristig und mittelfristig weniger Muskelfunktionsstörungen nachgewiesen werden. Bei Betrachtung der Kraftentwicklung der unteren Rumpfmuskulatur fällt auf, dass die höchsten Zuwächse der Bauchmuskelkraft in den Gruppen Aquarücken und Aquagerät festzustellen sind. Die Kraft der Rückenstreckermuskulatur entwickelte sich in der Gruppe Aquagerät mit einer Steigerung von 55% nach der Intervention am stärksten. Es kann die Hypothese aufgestellt werden, dass das Training im warmen Wasser unter stabilisierten Voraussetzungen eine effizientere Methode zur Stärkung der unteren Rumpfmuskulatur zu sein scheint.<br /> Bei der Entwicklung der Kraft der oberen Rücken- und Schultergürtelmuskulatur kommt es in den Gruppen Aquajogging und Aquarücken zu den größten Steigerungen. Dies könnte mit der höheren Aktivität der Arme im Übungsprogramm zusammenhängen.<br /> Positiv ist die hohe Reduzierung der Schmerzen in allen Trainingsgruppen zu bewerten. Jedoch ist bei Betrachtung der Ergebnisse festzustellen, dass für eine weitere Manifestierung der Trainingserfolge ein weiterführendes Training bedeutsam ist.<br /> Die Ergebnisse dieser Studie belegen, dass durch ein gezieltes Training im Wasser und an Land über 6 Wochen, je zweimal pro Woche, deutliche Verbesserungen in der Entwicklung von Kraft, Schmerzintensität, Funktionseinschränkung und Muskelfunktion möglich sind. Ferner werden in dieser Arbeit positive Zusammenhänge zwischen den Entwicklungen Schmerzintensität und Rückenstreckerkraft, sowie Schmerzintensität und Bauchmuskelkraft beobachtet. Zwischen den Versuchsgruppen im Wasser und der Versuchsgruppe an Land konnten nur geringe Unterschiede in den Ergebnissen nachgewiesen werden. Jedoch geben die Resultate Hinweis darauf, dass bei höheren Schmerzintensitäten die Intervention im Wasser die Therapie der Wahl zu sein scheint.<br /> Die Resultate dieser Untersuchungen machen deutlich, dass der Einsatz eines Wassertrainingsgerätes in der Therapie chronischer Rückenschmerzpatienten eine effiziente Methode zur Senkung von Schmerzen und zur Steigerung der Kraft der Rücken- und Bauchmuskulatur ist.<br /> Vorteile des Wassertraingsgerätes sind die gute Stabilisation des Beckens, trotz auftriebswirksamer Mechanismen im Wasser, die bedienerfreundliche Handhabung, der separat einstellbare Widerstand, die schnellen Therapieerfolge und die hohe Motivation der Kursteilnehmer. Diese Beobachtungen lassen eine effizientere Therapie und damit Kostenersparnisse vermuten.<br /> Nachteile sind das hohe Gewicht des Wassertraingsgerätes und die relativ hohen Anschaffungskosten. Die hohe Reduzierung der Schmerzintensität bei den Probanden, die am Wassertrainingsgerät Interventionen durchführten, lassen vermuten, dass diese Geräteanwendungen für Patienten mit sehr schmerzhaften oder subakuten Verlaufsformen besonders geeignet ist.<br /> Der schonende Charakter der Aquatherapie und der Einsatz eines neuen Wassertrainingsgerätes unterstützt in effektiver Weise die modernen Konzepte der Rehabilitation chronischer Rückenschmerzpatienten. / Question: Aim of the study was to evaluate the influence of different aquatic exercise programmes on trunk strength, pain level, neuromuscular function and functional ability for patients with low back pain. Another aim was to construct and implement of a new aquatic exercise machine.<br /> <br /> Methods: 80 female subjects aged from 25 to 45 years with low back pain were randomized into a control group or one of the following training groups: aqua jogging, aqua gymnastics, aqua machine and gymnastics on land. The four training groups took part in a muscle strengthening program two times a week over 6 weeks. The control group did not receive any alternative physiotherapeutic treatment. All groups were tested at the beginning, after 6 weeks and 4 months later.<br /> <br /> Results: The data obtained for the control group remained unchanged over all periods of investigation. The isometric maximum of trunk strength improved significantly in all exercise groups. Furthermore it was to be seen that there were less malfunction in all training groups after 6 weeks. The most significant improvements are in the exercise machine group concerning reduction of pain level and increase strength of lumbar extension.<br /> <br /> Conclusions: The results of this study should be viewed as encouraging. The aquatic exercise machine is to be seen as an effective complement of treatment for low back pain.

Protonentherapie ist eine wichtige Behandlungsmodalität in der Radioonkologie. Aufgrund einer vorteilhaften Dosisverteilung im bestrahlten Volumen kann diese Bestrahlungsmethode das tumorumgebende Normalgewebe schützen. Dadurch können Nebenwirkungen in bestimmten Patientenpopulationen, zum Beispiel Kindern oder Patienten mit Gehirntumoren, verringert werden. Trotzdem können nach Protonenbestrahlung von Gehirntumorpatienten Normalgewebsschäden auftreten. Gründe dafür können der notwendige klinische Sicherheitssaum im Normalgewebe, der Einfluss der relativen biologischen Wirksamkeit RBE sowie eine erhöhte Strahlensensitivität bestimmter Gehirnregionen sein. Um diese Aspekte zu beleuchten, werden geeignete präklinische Modelle für die Normalgewebsreaktion im Gehirn nach Protonenbestrahlung benötigt. Darüber hinaus kann eine Risikostratifizierung der Patienten durch die Vorhersage von Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten oder der Tumorantwort den Behandlungserfolg erhöhen. Auch hier können präklinische Modelle helfen, um neue prädiktive Biomarker zu finden und um die zugrunde liegenden Mechanismen strahleninduzierter Gehirnschäden besser zu verstehen. Das Ziel dieser Dissertation war die Etablierung und Charakterisierung von adäquaten präklinischen Modellen für die Untersuchung von strahleninduzierten Normalgewebsschäden im Gehirn. Diese Modelle bilden die Grundlage für zukünftige Studien zur Untersuchung von RBE Effekten, der spezifische Strahlensensitivität einzelner Gehirnregionen und neuer Biomarker. Die getesteten Modellsysteme waren in vitro Kulturen von adulten organotypischen Gehirnschnitten, Tumorschnittkultur sowie in vivo Bestrahlung von Gehirnsubvolumina, jeweils mit dem Modellorganismus Maus. Die Etablierung eines Bestrahlungssetups in der experimentellen Protonenanlage und dessen dosimetrische Charakterisierung waren von großer Bedeutung für die Durchführung der biologischen Experimente. Ein weiteres Hauptziel war die Definition klinisch relevanter Endpunkte für frühe und späte Nebenwirkungen. Die Gewebsschnitte wurden durch Messungen des Zellüberlebens und der Entzündungsreaktion, sowie mittels in situ Analyse von Zellmorphologie und DNA Schäden untersucht. Als ergänzendes Modell wurde die Tumorschnittkultur etabliert und ähnliche Endpunkte analysiert. Adulte Gehirnschnitte stellten sich als ungeeignet für präklinische Experimente in der Radioonkologie heraus. Die Messungen von Zelltod und Entzündungswerten zeigten eine starke Zellreaktion auf die Inkulturnahme, aber keine auf die Protonenbestrahlung. In der Histologie wurden gestörte Zellmorphologie, reduzierte Vitalität und eingeschränkte Reparaturfähigkeit von DNA Schäden beobachtet. Daher sollten für strahlenbiologische Experimente andere 3D Zellkulturmodelle in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel Organoide oder durch Tissue Engineering hergestellte Kulturen. Durch die Publikation der Daten leistet diese Dissertation einen wichtigen Beitrag zur aktuellen Forschung, da so künftig die limitierten Ressourcen, die für strahlenbiologische Experimente mit Protonen zur Verfügung stehen, auf relevantere Modelle verwendet werden können. Die Bestrahlung von Gehirnsubvolumina in Mäusen wurde mit dem Ziel etabliert, klinisch vergleichbare Felder zu erreichen. Das gewählte Zielvolumen war der rechte Hippocampus; der Protonenstrahl sollte in der Mitte des Gehirns stoppen. Im Rahmen des Projekts wurde ein Arbeitsablauf für präzise und reproduzierbare Bestrahlung entwickelt. Zur Verifizierung wurde der induzierte DNA Schaden ausgewertet und anschließend mit Monte-Carlos Dosissimulationen korreliert. Die Maushirnbestrahlung lieferte wertvolle Ergebnisse für frühe Zeitpunkte (d.h. innerhalb 24 h nach Bestrahlung). Im Verlauf des Projekts wurde ein Algorithmus erstellt, der schnell und zuverlässig die räumliche Verteilung des DNA Schadens in Relation zur Gesamtzellzahl analysiert. Diese Auswertung zeigte, wie bei der Bestrahlungsplanung vorgesehen, ein Stoppen des Protonenstrahls im Gehirn. Eine anschließende Korrelation der Schadensverteilung mit der applizierten Dosis weist nach, dass das Modell einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung des RBE leisten kann. In einer darauf folgenden Studie wurde der Dosis-Zeitverlauf der beobachteten Strahlenreaktion des Normalgewebes genauer beleuchtet. Dafür wurden Untersuchungen des Allgemeinzustands der Versuchstiere, regelmäßige Magnetresonanztomografie (MRI) Messungen über einen Zeitraum von sechs Monaten, sowie abschließende Histologie korreliert. Die Volumenzunahme des Kontrastmittelaustritts, die den Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke anzeigt, wurde konturiert; aus diesen Daten entstand ein prädiktives Dosis-Volumen Modell. Die Pilotstudie konnte eine dosisabhängige Strahlenreaktion nachweisen, die sich im Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke, einer Hautreaktion mit vorrübergehender Alopezie, Gewichtsabnahme und zelluläre Veränderung äußerte. Das von den MRI Messungen abgeleitete Modell konnte zuverlässig das Eintreten der Nebenwirkungen, den Krankheitsverlauf, sowie die geschätzte Überlebensdauer der Mäuse vorhersagen. Zusätzlich konnte ein Zusammenhang zwischen den MRI Bildänderungen und den pathologischen Gewebsveränderungen beobachtet werden. Durch die außerordentlich homogene Strahlenreaktion der Tiere können aus den vorliegenden Daten künftig zuverlässig geeignete Dosen für spezifische experimentelle Endpunkte bestimmt werden. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit zwei präklinische Modelle für die Protonengehirnbestrahlung etabliert, nämlich organotypische Gewebsschnitte als 3D Zellkulturmodell sowie in vivo Bestrahlung von Gehirnsubvolumina in Mäusen. Während Zellkulturexperimente die Erwartungen nicht erfüllen konnten, stellen sich die Tierexperimente als hervorragendes Modell für translationale Radioonkologie heraus, welches zusätzlich für andere Strahlenqualitäten eingesetzt werden kann. Darauf basierend können aktuelle und zukünftige Studien die Ursachen von strahleninduzierten Normalgewebsschäden im Gehirn beleuchten, RBE Effekte untersuchen und neue prädiktive Biomarker erforschen.:Contents Abstract i Zusammenfassung v Publications ix List of Figures xiii List of Acronyms and Abbreviations xiv 1 Introduction 3 2 Background 5 2.1 Proton therapy for brain cancer treatment 5 2.1.1 Fundamentals of radiobiology 5 2.1.2 Proton therapy 6 2.1.3 Tumors of the central nervous system 8 2.2 Radiation effects on brain cells 8 2.2.1 Neurons and myelin 9 2.2.2 Blood-brain barrier 9 2.2.3 Astrocytes 10 2.2.4 Microglia 10 2.3 Principles of histology 11 2.3.1 Hematoxylin & eosin staining 12 2.3.2 Immunohistochemistry 13 2.3.3 Bioimage analysis 13 2.4 Techniques in medical imaging 14 2.4.1 Projectional radiography 14 2.4.2 Computed tomography 14 2.4.3 Magnetic resonance imaging 15 2.5 Preclinical models for radiation injury 17 2.5.1 Technical requirements 17 2.5.2 In vitro models 17 2.5.3 Small animal models 18 3 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy 19 3.1 Aim of the study 19 3.2 Conclusion 19 3.3 Author’s contribution 19 3.4 Publication 21 4 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes 41 4.1 Aim of the study 41 4.2 Conclusion 41 4.3 Author’s contribution 41 4.4 Publication 43 5 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation 51 5.1 Aim of the study 51 5.2 Conclusion 51 5.3 Author’s contribution 52 5.4 Publication 53 6 Discussion 71 6.1 Establishment of preclinical models for radiooncology 71 6.1.1 3D cell culture 71 6.1.2 In vivo irradiation of brain subvolumes 73 6.2 Current applications of the mouse model 75 6.2.1 Ongoing data analysis 75 6.2.2 Innovating on-site imaging 76 6.2.3 RBE investigations 77 6.3 Future studies of radiation-induced brain tissue toxicities 79 Acknowledgement XV Supplementary Material XVII 1 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy XVII 2 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes XXVI 3 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation XXXI / Proton therapy is an important modality in radiation oncology. Due to a favorable dose distribution in the irradiated volume, this treatment allows to spare tumor-surrounding normal tissue. Although this protection can lead to reduced side effects in certain patient populations, such as brain tumor or pediatric patients, normal tissue toxicities can occur to some extend. This could be due to clinical safety margins around the tumor that lead to dose deposition in the normal tissue. The underlying causes might also be related to relative biological effectiveness (RBE) variations or elevated radiosensitivity of certain brain regions. To address these issues, suitable preclinical models for normal brain tissue reaction after proton therapy are needed. In addition, patient stratification to predict the tumor response or the probability of side effects will contribute to increased treatment effectiveness. Preclinical models can improve the process of finding new predictive biomarkers and help to understand underlying mechanisms of radiation-induced brain injury. The aim of this thesis was to establish and characterize suitable preclinical models of brain tissue irradiation effects and set the base for future studies designed to reveal RBE effects, brain region specific radiation sensitivities, and novel biomarkers. The tested model systems were in vitro organotypic brain slice culture (OBSC) and in vivo irradiation of brain subvolumes, both on mouse brain tissue. Setup establishment at the experimental proton beam line and subsequent dosimetry built the foundation for conducting the biological experiments. Additionally, one main goal was defining clinically relevant endpoints for both short- and long-term effects. For OBSC, assays for cell death and inflammation, as well as in situ analysis of cell morphology and DNA damage induction were tested. As comparative model to OBSC, tumor slice culture was established and the results were also used for proton investigation. Adult OBSC turned out as inadequate model for preclinical experiments in radiation oncology. The assays measuring cell death and inflammation indicated a severe reaction during the first days in culture, but no response to irradiation. Histology revealed deficient cell morphology, reduced vitality and impaired DNA damage repair. In conclusion, other 3D cell culture models, such as organoids or tissue engineered constructs, should be considered for radiobiological experiments with protons. By publishing the observations, this thesis contributes to conserving the limited resources of proton radiobiology for more meaningful models. A methodology for irradiation of mouse brain subvolumes was established with a focus on creating fields comparable to clinical practice. The chosen target was the right hippocampus and the goal was to stop the proton beam in the middle of the brain. The project included a workflow for this precise irradiation in a robust and reproducible manner. Evaluation of the induced DNA damage and its correlation to Monte Carlo dose simulations were used for verification. Irradiation of mouse brain subvolumes yielded valuable results for early (i.e. within 24 h after irradiation) time points. An evaluation algorithm was designed for fast and robust analysis of spatial DNA damage distribution in relation to the total cell count. This ratio showed that the beam stopped in the brain tissue, in accordance to the treatment planning. Furthermore, the DNA damage could be reliably correlated with the dose simulation, which proves the value of the presented model for future RBE studies. In a follow-up experiment, the dose-time relationship of induced normal tissue reactions was analysed. For this, scoring of the animals' health status was combined with regular MRI measurements over the course of up to 6 months, and final histopathology. The volume increase of contrast agent leakage - representing breakdown of the blood brain barrier (BBB) - was contoured and the data was used to create a dose-volume response model. This pilot study on long-term radiation effects revealed dose-dependent normal tissue toxicities, including breakdown of the BBB, a skin reaction with temporary alopecia, weight reduction and changes on the cellular level. The model derived from MRI data reliably predicts onset of side effects, volume of brain damage as well as the expected animal survival. In addition, MRI image changes could be correlated to underlying tissue alterations by histopathology. Due to the uniform radiation response of the animals this data set enables to determine endpoint-specific dose values in future experiments. In conclusion, two preclinical models for proton brain irradiation were established, namely OBSC as 3D cell culture model and in vivo irradiation of mouse brain subvolumes. While the former could not yield the anticipated results, the latter emerged as excellent model for translational radiooncology, which can also be applied for experiments with other radiation types. Ongoing and future studies will focus on revealing the causes of normal brain tissue toxicities, studying RBE effects, and investigating new predictive biomarkers.:Contents Abstract i Zusammenfassung v Publications ix List of Figures xiii List of Acronyms and Abbreviations xiv 1 Introduction 3 2 Background 5 2.1 Proton therapy for brain cancer treatment 5 2.1.1 Fundamentals of radiobiology 5 2.1.2 Proton therapy 6 2.1.3 Tumors of the central nervous system 8 2.2 Radiation effects on brain cells 8 2.2.1 Neurons and myelin 9 2.2.2 Blood-brain barrier 9 2.2.3 Astrocytes 10 2.2.4 Microglia 10 2.3 Principles of histology 11 2.3.1 Hematoxylin & eosin staining 12 2.3.2 Immunohistochemistry 13 2.3.3 Bioimage analysis 13 2.4 Techniques in medical imaging 14 2.4.1 Projectional radiography 14 2.4.2 Computed tomography 14 2.4.3 Magnetic resonance imaging 15 2.5 Preclinical models for radiation injury 17 2.5.1 Technical requirements 17 2.5.2 In vitro models 17 2.5.3 Small animal models 18 3 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy 19 3.1 Aim of the study 19 3.2 Conclusion 19 3.3 Author’s contribution 19 3.4 Publication 21 4 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes 41 4.1 Aim of the study 41 4.2 Conclusion 41 4.3 Author’s contribution 41 4.4 Publication 43 5 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation 51 5.1 Aim of the study 51 5.2 Conclusion 51 5.3 Author’s contribution 52 5.4 Publication 53 6 Discussion 71 6.1 Establishment of preclinical models for radiooncology 71 6.1.1 3D cell culture 71 6.1.2 In vivo irradiation of brain subvolumes 73 6.2 Current applications of the mouse model 75 6.2.1 Ongoing data analysis 75 6.2.2 Innovating on-site imaging 76 6.2.3 RBE investigations 77 6.3 Future studies of radiation-induced brain tissue toxicities 79 Acknowledgement XV Supplementary Material XVII 1 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy XVII 2 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes XXVI 3 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation XXXI

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Vielfalt an meditativen Praktiken, die in vielen spirituellen Traditionen gelehrt und praktiziert werden. Das wissenschaftliche Interesse an diesem Themengebiet nimmt seit Jahren stetig zu. Dennoch blieben viele Fragen bisher unbeantwortet und es fehlt an einer umfassenden Theorie über Wirkmechanismen und Einflussfaktoren der Meditation. Einer dieser Faktoren ist die Vielzahl an Meditationstechniken, die unterschiedliche Effekte auf verschiedene Menschen haben können. Darüber hinaus war Meditation ursprünglich häufig nur ein Element von vielen in zum Teil sehr elaborierten spirituellen Pfaden und Systemen. Diese enthielten auch andere Elemente wie Körper- und Atemübungen oder ethische und philosophische Unterweisungen. Ferner wurden individuelle Unterschiede zwischen Meditierenden bisher nur unzureichend berücksichtigt. In meiner Dissertation untersuche ich einige dieser offenen Fragen und Faktoren. Nachdem ich im ersten Kapitel meine Forschungsfragen herleite und darlege, berichte ich in den folgenden vier Kapiteln über vier wissenschaftliche Arbeiten, die ich im Rahmen meiner Dissertation durchgeführt habe. Jedes Kapitel ist ein eigenständiger wissenschaftlicher Artikel. Im zweiten Kapitel beschäftige ich mich mit der Frage „Was tun Meditierende, wenn sie meditieren?“ Um diese Frage zu beantworten führte ich zwei Studien durch mit dem Ziel einen umfassenden Überblick über alle Meditationstechniken in verschiedenen Traditionen zu gewinnen. In der ersten, qualitativen Studie sammelte ich 309 Meditationstechniken, indem ich 20 Meditationsexpert*innen interviewte und eine umfangreiche Literaturrecherche durchführte. Im Anschluss reduzierte ich diese Sammlung auf 50 grundlegende Meditationstechniken. In der zweiten, quantitativen Studie gaben 635 erfahrene Meditierende aus verschiedensten Meditationstraditionen an, wie viel Erfahrung sie mit jeder dieser 50 Techniken hatten. Ihre Antworten legten nahe, dass die Auswahl an Meditationstechniken angemessen war. Die statistische Analyse illustrierte traditionsübergreifende und –spezifische Präferenzen für verschiedene Meditationstechniken, sowie Cluster von Techniken, die häufig gemeinsam praktiziert wurden. Die Gruppe der körperbezogenen Techniken war besonders relevant für alle Meditierenden. Im dritten Kapitel vertiefe ich die Fragestellung des vorherigen Kapitels und stelle ein neues empirisches Klassifikationssystem für Meditationstechniken vor. In einer weiteren Umfrage-Studie bat ich 100 Meditationsexpert*innen darum, die 20 beliebtesten Meditationstechniken nach ihrer wahrgenommenen Ähnlichkeit zu beurteilen. Dann führte ich eine Multidimensionale Skalierung durch und fand zwei Dimensionen anhand derer die Meditationstechniken klassifiziert werden konnten: Aktivierung und Ausmaß der Körperorientierung. Diese Einteilung betont die Relevanz von „embodied cognition“ (verkörperter Kognition) in der Meditation. Innerhalb der beiden Dimensionen traten sieben Cluster ähnlicher Techniken hervor: Achtsames Beobachten, körperzentrierte Meditation, visuelle Konzentration, Kontemplation, affektzentrierte Meditation, Mantra Meditation, und Meditation in Bewegung. Aus diesen Ergebnissen schlussfolgere ich, dass es keine Meditation als solche, sondern dass es unterschiedliche Arten der Meditation gibt, die unterschiedliche Effekte haben können und die verbreitete Unterteilung in „fokussierte Aufmerksamkeit“ und „offenes Gewahrsein“ in Frage stellen. Im dritten Kapitel erweitere ich den Fokus und beschäftige mich eingehend mit einem elaborierten Meditationssystem―dem achtfachen Yogapfad. Ich rezensiere die vorhandenen Nachweise von Effekten der Hauptkomponenten des Yogapfades, zu denen sowohl Körper-, Atem- und Meditationsübungen als auch ethische Unterweisungen gehören. Ich evaluiere in diesem Kapitel 18 Vergleichsstudien und 16 Meta-Analysen, die entsprechende Subgruppen-Analysen durchgeführt haben. Diese Studien und Meta-Analysen untersuchten verschiedene Variablen und variierten stark bezüglich der Studienpopulation, dem Studiendesign und den untersuchten Yogakomponenten. Nichtsdestotrotz übertrafen komplexe Interventionen, die verschiedene Yogakomponenten kombinierten, einfachere Interventionen. Das Hinzufügen von Atem- und/oder Meditationsübungen war in dieser Hinsicht besonders hilfreich. Dennoch waren spezifische Komponenten oder Kombinationen effektiver bezüglich mancher Variablen oder klinischer Konditionen als andere. Viele Ergebnisse bleiben jedoch vorläufig und es besteht der Bedarf nach weiteren methodisch hochwertigen Studien. Besonders die ethische Komponente von Yoga wurde bisher noch kaum erforscht. Das fünfte Kapitel beschreibt eine Interventionsstudie, die sich mit den Effekten verschiedener Kombinationen von Yogakomponenten befasste. Mit Hilfe eines experimentellen Einzelfalldesigns untersuchte ich die inkrementelle Wirkung ethischer Unterweisung und körperlichem Yoga auf Mantra Meditation. Siebenundfünfzig Proband*innen wurden zufällig auf vier Konditionen aufgeteilt―Meditation alleine, Meditation plus körperlichem Yoga, Meditation plus ethischer Unterweisung, und Meditation plus Yoga und Ethik. Alle Interventionen dauerten acht Wochen. Während der Baseline- und Treatmentphase beantworteten die Teilnehmer*innen täglich einen Fragebogen. Fast alle Teilnehmer*innen erlebten eine Steigerung ihres Wohlbefindens, außer denjenigen, die nur meditiert hatten. Diese Steigerung war am höchsten bei Teilnehmer*innen, die ethische Unterweisungen erhalten hatten. Alle Interventionen tendierten dazu, Stress zu reduzieren. Dabei reduzierte körperliches Yoga Stress am effektivsten. Die Ergebnisse betonen die inkrementellen und differenziellen Wirkungen die entstehen, wenn Meditation in Kombination mit anderen Praktiken des achtfachen Yogapfades praktiziert wird. Darüber hinaus beobachtete ich eine starke interindividuelle Variabilität in den Reaktionen auf die Interventionen, welche ich ihn diesem Kapitel diskutiere und zu erklären versuche. Im letzten Kapitel ordne ich die Ergebnisse meiner Studien in die allgemeine Forschungslandschaft ein. Alle Studien tragen zu einem tieferen Verständnis von Meditation in ihrer ganzen Vielfalt bei. Die grundlegenden Meditationstechniken (Kapitel 2) und das empirische Klassifikationssystem (Kapitel 3) erweitern den Horizont der bisherigen Meditationsforschung und können als Basis für weiterführende empirische Vergleichsstudien genutzt werden. Das Praktizieren von Meditation in einem seiner ursprünglichen Kontexte (Kapitel 4 und 5) kann die Effektivität deutlich erhöhen und sollte tiefergehend exploriert werden. Weitere Faktoren wie die Persönlichkeit und Motivation der Meditierenden, sowie das Setting und der Einfluss der Lehrenden sollten ebenfalls untersucht werden.:ACKNOWLEDGMENTS i TABLE OF CONTENTS ii 1. INTRODUCTION 2 THE VARIETY OF MEDITATION PRACTICES 2 INFLUENTIAL FACTORS ON MEDITATION’S EFFECTS 3 OVERVIEW OF CHAPTERS 4 2. WHAT DO MEDITATORS DO WHEN THEY MEDITATE? 8 INTRODUCTION 8 STUDY 1 11 Method 11 Results 12 Discussion 15 STUDY 2 16 Method 16 Results 18 What Do Meditators Do When They Meditate: The Commonalities 18 What Do Meditators Do When They Meditate: The Differences 22 What Do Meditators Do When They Meditate: The Combinations 31 Discussion 37 CONCLUSION 42 3. HOW CAN MEDITATION TECHNIQUES BE CLASSIFIED? 44 INTRODUCTION 44 METHOD 50 Procedure 50 Participants 51 Materials 52 RESULTS 53 Differences Between Traditions 57 DISCUSSION 60 Meditation Is Inherently Embodied 61 Expanding Focused Attention and Open Monitoring 62 Limitations and Future Directions 63 CONCLUSION 65 4. WHAT EFFECTS DO DIFFERENT COMPONENTS OF YOGA HAVE? 68 COMPARATIVE INTERVENTION STUDIES 70 META-ANALYSES COMPARING DIFFERENT SUBGROUPS OF INTERVENTIONS 76 DISCUSSION 84 5. WHAT MAKES YOGA EFFECTIVE? 88 INTRODUCTION 88 Aims and Methodology of the Present Study 90 METHOD 93 Procedure 93 Participants 94 Treatment: MBLM and its Components 96 Measures 99 Data analysis 101 Tau-U 102 Multilevel Modeling 102 Missing Data 103 RESULTS 104 Adherence 104 Well-being 105 Stress 112 Life Satisfaction 117 Potential Explanatory Variables 117 Dose-Response and Experience-Response Relations 120 DISCUSSION 122 Framing Mantra Meditation Enhances its Effects 124 Specific Combinations of Practices Yield Different Effects 125 Limitations and Future Directions 127 6. CONCLUSION AND OUTLOOK 132 BIBLIOGRAPHY 137 APPENDIX A – LIST OF 309 MEDITATION TECHNIQUES 158 APPENDIX B – ADDITIONAL TABLES FOR CHAPTER 2 170 APPENDIX C – FULL RANKING SEQUENCES OF PREFERRED MEDITATION TECHNIQUES IN 12 MAJOR MEDITATIVE TRADITIONS 176 APPENDIX D – STUDY MATERIALS DESCRIBED IN CHAPTER 5 184 APPENDIX E – ADDITIONAL TABLES FOR CHAPTER 5 189 APPENDIX F – ADDITIONAL FIGURES FOR CHAPTER 5 200 ZUSAMMENFASSUNG 208 CURRICULUM VITAE 212

Derzeit gibt es eine intensive Debatte über die Notwendigkeit, Variationen der relativen biologischen Wirksamkeit (RBE) in der Protonentherapie zu berücksichtigen. Hier wurde die Variabilität der RBE für späte strahleninduzierte Hirnverletzungen (RIBI) untersucht, die nach einer Protonentherapie von Gliom-Hirntumorpatienten diagnostiziert wurden. Eine Gliomkohorte wurde definiert und auf späte RIBI untersucht, die in der Patienten-Nachsorge beobachtet wurden. Die RIBI Läsionen wurden mit linearen Energietransfer- und variablen RBE-Verteilungen korreliert, die unter Verwendung eines etablierten Monte-Carlo Frameworks berechnet wurden. Ein klinisches RBE Modell wurde erstellt und zur Evaluierung neuartiger Behandlungsstrategien angewendet. Die periventrikuläre Region wurde als anatomischer Risikofaktor für RIBI identifiziert und als neues Risikoorgan in die Protonenbehandlungsplanung an der Universitäts Protonen Therapie Dresden aufgenommen. Die Arbeit demonstriert die klinische Relevanz und präsentiert erste translatorische Schritte hin zur biologisch optimierten Protonentherapie unter Verwendung einer variablen RBE. / Currently, there is an intense debate on the need to consider variations in relative biological effectiveness (RBE) in proton therapy. Here, the variability of RBE was investigated for late radiation-induced brain injuries (RIBI) observed after proton therapy in glioma brain tumor patients. A glioma cohort was defined and evaluated for late RIBI observed in patient follow-up. Injury lesions were correlated to linear energy transfer and variable RBE distributions simulated using an established Monte-Carlo framework. A clinical RBE model was established and applied in treatment response assessment of novel treatment strategies. The periventricular region was identified as an anatomical risk factor for RIBI and incorporated as a new organ at risk in proton treatment planning at University Proton Therapy Dresden. The thesis demonstrates the clinical relevance and presents first translational steps towards biologically optimized proton therapy using a variable RBE.

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Gruppentherapie ist in der stationären Allgemeinpsychiatrie weit verbreitet, ihre Wirksamkeit im Rahmen der allgemeinpsychiatrischen Pflicht- und Regelversorgung ist hingegen wenig untersucht. Die vorliegende Arbeit geht in einer naturalistischen Studie der Frage nach, ob psychoanalytisch-interaktionelle Gruppentherapie, eine psychoanalytische Behandlungsmethode, die speziell für die Arbeit mit schwerer beeinträchtigten Patienten entwickelt wurde, in einem solchen Setting wirksam ist. Hierzu wurden zwischen 2007 und 2009 42 Patienten bezüglich ihrer Symptomverbesserung untersucht, die in der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie der Katholischen Krankenhaus GmbH Hagen stationär mit psychoanalytisch-interaktioneller Gruppentherapie, ergänzt durch Elemente der Dialektisch-Behavioralen Therapie, behandelt wurden. Als Kontrollgruppe dienten 40 Patienten, die auf einer psychotherapeutischen Station des Asklepios Fachklinikums Tiefenbrunn mit Dialektisch-Behavioraler Therapie allein behandelt wurden. Die Ergebnisse zeigten signifikante Verbesserungen in beiden Patientengruppen bezüglich Symptombelastung, Lebenszufriedenheit und Beeinträchtigungsschwere von mittlerer bis hoher Effektstärke. Nur in der Hagener Gruppe zeigte sich auch eine signifikante Verbesserung interpersoneller Probleme. Die Hagener Patienten wiesen im Zwischengruppenvergleich signifikant bessere Ergebnisse in Bezug auf Beeinträchtigungsschwere und interpersonelle Probleme auf. Die Ergebnisse können ein Hinweis darauf sein, dass psychoanalytisch-interaktionelle Gruppentherapie in einer allgemeinpsychiatrischen Klinik wirksam ist und eine spezifische Beeinflussung interpersoneller Schwierigkeiten bewirkt. Methodische Einschränkungen werden diskutiert.

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Background: Depression is one of the most frequent and costly mental disorders. While there is increasing evidence for the efficacy of online self-help to improve depression or prevent relapse, there is little evidence in blended care settings, especially combined with inpatient face-to-face psychotherapy. Therefore, we evaluated whether an evidencebased online self-help program improves the efficacy of inpatient psychotherapy. Methods: A total of 229 depressed patients were randomly allocated either to an online selfhelp program (intervention group [IG]; Deprexis) or an active control group (CG; weekly online information on depression) in addition to inpatient psychodynamic psychotherapy. Both groups had access to their respective experimental intervention for 12 weeks, regardless of inpatient treatment duration. Reduction of depressive symptoms, as measured with the Beck Depression Inventory-II, was the primary outcome at the end of the intervention (T2). Results: Depressive symptoms were statistically significantly lower in the IG compared to the active CG at T2 with a moderate betweengroup effect size of d = 0.44. The same applied to anxiety ( d = 0.33), quality of life ( d = 0.34), and self-esteem ( d = 0.38) at discharge from inpatient treatment (T1). No statistically significant differences were found regarding dysfunctional attitudes ( d = 0.14) and work ability ( d = 0.08) at T1. Conclusions: This is the first evidence for blended treatment combining online self-help with inpatient psychotherapy. The study opens new and promising avenues for increasing the efficacy of inpatient psychotherapy. Future studies should determine how integration of online self-help into the therapeutic process can be developed further.

Background: Improved clinical effectiveness and therefore positive modification of multiple sclerosis (MS) with basic therapy can be achieved by long-term regular intake of drugs as prescribed but investigations have shown that a high percentage of patients do not take their medications as prescribed. Objectives: We assessed the satisfaction and adherence of patients with MS with their current disease-modifying treatment under clinical practice conditions. We compared different facets of satisfaction as well as their internal relationship and identified predictors in an exploratory manner. Methods: Therapy satisfaction in patients with relapsing–remitting multiple sclerosis (THEPAMS) was a noninterventional, prospective cross-sectional study performed throughout Germany in 2013 and 2014, and included patients with clinically isolated syndrome or relapsing–remitting MS. We applied a standardized approach to document satisfaction and adherence by patient-reported outcomes (Treatment Satisfaction Questionnaire for Medication) as well as by physician ratings. Results: Of 3312 patients with a mean age of 43.7 years, 73.3% were women and the mean level of disability according to the Expanded Disability Status Scale was 2.29; 13.3% did not receive any medication at the time of documentation, 21.3% received interferon β1a intramuscularly, 20.7% had interferon β1a subcutaneously, 17.0% had interferon β1b subcutaneously and 23.7% had glatiramer acetate. Adherence rates varied between 60% (lifetime) and 96.5% (current medication). Differences between current medications were found for side effects and convenience scores but not for effectiveness, satisfaction and adherence. Higher global satisfaction and effectiveness were associated with fewer relapses, longer duration of medication, lower disability score and the absence of several side effects. Conclusion: In a connected model of patient satisfaction, effectiveness, side effects, convenience and adherence, patients’ individual needs and concerns have to be addressed. Most differences were found with respect to side effects and convenience of treatment. Therefore, an improvement in these two domains seems to be the most promising proximate approach to elevate adherence levels.

Protonen töten Zellen wirksamer ab als Photonen. Die klinisch verwendete konstante relative biologische Wirksamkeit (RBW) für Protonen vernachlässigt jedoch erste klinische Evidenz einer RBW-Variabilität, die vom linearen Energietransfer (LET) abhängt. Diese Arbeit trägt dazu bei, die RBW-Variabilität in Protonen-Bestrahlungsplänen zu berücksichtigen, um potenzielle Nebenwirkungen zu vermindern. Zuerst wurde ein erhöhtes Risiko für RBW-induzierte Nebenwirkungen bei Hirntumorpatienten festgestellt. Dies konnte jedoch nicht systematisch durch klinische Planungsstrategien reduziert werden. Zweitens ergab eine multizentrische europäische Studie, dass die zentrums-spezifischen, nicht standardisierten LET-Berechnungen erheblich voneinander abweichen. Eine harmonisierte LET-Definition wurde vorgeschlagen und reduzierte die Variabilität zwischen den Zentren auf ein klinisch akzeptables Niveau, was künftig eine einheitliche Dokumentation des Therapieergebnisses ermöglicht. Abschließend wurden vier Strategien zur RBW-Reduktion in der Planoptimierung bei Hirntumorpatienten angewandt, die das Risiko für Nekrose und Erblindung erheblich reduzierten. LET-Optimierung in Hochdosisregionen erscheint besonders geeignet, um die Sicherheit der Patientenbehandlung künftig weiter zu verbessern.:List of Figures vii List of Tables viii List of Acronyms and Abbreviations ix 1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Proton interactions with matter 4 2.2 Biological effect of radiation 8 2.2.1 Linear-quadratic model 8 2.2.2 Relative biological effectiveness 9 2.3 Proton beam delivery and field formation 13 2.4 Treatment planning 14 2.4.1 Patient modelling and structure definition 15 2.4.2 Treatment plan optimisation 16 2.4.3 Treatment plan evaluation 19 2.5 Proton therapy uncertainties and mitigation strategies 22 2.5.1 Clinical mitigation strategies 23 2.5.2 Optimisation approaches beyond absorbed dose 26 3 Variable biological effectiveness in PBS treatment plans 29 3.1 LET and RBE recalculations of proton treatment plans with RayStation 30 3.1.1 Monte Carlo dose engine 30 3.1.2 Monte Carlo scoring extensions 32 3.1.3 Graphical user interface 33 3.2 LET assessment and the role of range uncertainties 36 3.2.1 Patient cohort and treatment plan creation 37 3.2.2 Simulation of range deviations 38 3.2.3 Treatment plan recalculation settings 39 3.2.4 Resulting impact of range deviations 40 3.3 Patient recalculations in case of side effects 46 3.3.1 Image registration and range prediction 48 3.3.2 Retrospective treatment plan assessment 49 3.4 Benefit of an additional treatment field 50 3.4.1 Patient and treatment plan information 50 3.4.2 Results of variable RBE recalculations 51 3.5 Discussion 51 3.6 Summary 59 4 Status of LET and RBE calculations in European proton therapy 61 4.1 Study design 62 4.1.1 Treatment planning information 64 4.1.2 Data processing and treatment plan evaluation 67 4.2 Treatment plan comparisons in the water phantom 68 4.2.1 Absorbed dose evaluation 69 4.2.2 Centre-specific LET calculations 69 4.2.3 Harmonised LET calculations 71 4.3 Treatment plan comparisons in patient cases 72 4.3.1 Dose-averaged linear energy transfer for protons 73 4.3.2 Centre-specific RBE models and parameters 76 4.4 Discussion 77 4.5 Summary 82 5 Biological treatment plan optimisation 83 5.1 Treatment plan design 84 5.1.1 Clinical goals 86 5.1.2 Novel treatment plan optimisation approaches 87 5.2 Treatment plan quality assessment with a constant RBE 90 5.3 Assessment of NTCP reductions with a variable RBE 90 5.4 Discussion 95 5.5 Conclusion 100 6 Summary 103 7 Zusammenfassung 107 Bibliography 111 Danksagung 137 / Protons are more effective in cell killing than photons. However, the clinically applied constant proton relative biological effectiveness (RBE) neglects emerging clinical evidence for RBE variability driven by the linear energy transfer (LET). This thesis aims to safely account for RBE variability in proton treatment plans to mitigate potential side effects. First, an elevated risk for RBE induced overdosage was found in brain tumour patients. However, this could not be mitigated systematically by clinical planning strategies. Second, a multicentric European study revealed that centre-specific non-standardised LET calculations differed substantially. A harmonised LET definition was proposed which reduced the inter-centre variability to a clinically acceptable level and allows for future consistent outcome reporting. Finally, four strategies to include RBE variability in treatment plan optimisation were applied to brain tumour patients, which considerably reduced the estimated risk for necrosis and blindness. Of these, LET optimisation in high dose regions may be suited for clinical practice to further enhance patient safety in view of a variable RBE.:List of Figures vii List of Tables viii List of Acronyms and Abbreviations ix 1 Introduction 1 2 Theoretical background 3 2.1 Proton interactions with matter 4 2.2 Biological effect of radiation 8 2.2.1 Linear-quadratic model 8 2.2.2 Relative biological effectiveness 9 2.3 Proton beam delivery and field formation 13 2.4 Treatment planning 14 2.4.1 Patient modelling and structure definition 15 2.4.2 Treatment plan optimisation 16 2.4.3 Treatment plan evaluation 19 2.5 Proton therapy uncertainties and mitigation strategies 22 2.5.1 Clinical mitigation strategies 23 2.5.2 Optimisation approaches beyond absorbed dose 26 3 Variable biological effectiveness in PBS treatment plans 29 3.1 LET and RBE recalculations of proton treatment plans with RayStation 30 3.1.1 Monte Carlo dose engine 30 3.1.2 Monte Carlo scoring extensions 32 3.1.3 Graphical user interface 33 3.2 LET assessment and the role of range uncertainties 36 3.2.1 Patient cohort and treatment plan creation 37 3.2.2 Simulation of range deviations 38 3.2.3 Treatment plan recalculation settings 39 3.2.4 Resulting impact of range deviations 40 3.3 Patient recalculations in case of side effects 46 3.3.1 Image registration and range prediction 48 3.3.2 Retrospective treatment plan assessment 49 3.4 Benefit of an additional treatment field 50 3.4.1 Patient and treatment plan information 50 3.4.2 Results of variable RBE recalculations 51 3.5 Discussion 51 3.6 Summary 59 4 Status of LET and RBE calculations in European proton therapy 61 4.1 Study design 62 4.1.1 Treatment planning information 64 4.1.2 Data processing and treatment plan evaluation 67 4.2 Treatment plan comparisons in the water phantom 68 4.2.1 Absorbed dose evaluation 69 4.2.2 Centre-specific LET calculations 69 4.2.3 Harmonised LET calculations 71 4.3 Treatment plan comparisons in patient cases 72 4.3.1 Dose-averaged linear energy transfer for protons 73 4.3.2 Centre-specific RBE models and parameters 76 4.4 Discussion 77 4.5 Summary 82 5 Biological treatment plan optimisation 83 5.1 Treatment plan design 84 5.1.1 Clinical goals 86 5.1.2 Novel treatment plan optimisation approaches 87 5.2 Treatment plan quality assessment with a constant RBE 90 5.3 Assessment of NTCP reductions with a variable RBE 90 5.4 Discussion 95 5.5 Conclusion 100 6 Summary 103 7 Zusammenfassung 107 Bibliography 111 Danksagung 137