Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bildgebung magnetisch markierter Stammzellen im ZNS mittels Magnetresonanztomographie. Dazu wurden Stammzellen mit Eisenoxidnanopartikeln (VSOP, very small superparamagnetic iron-oxide particles) in vitro effizient und ohne zusätzliche Lipofektionsagenzien magnetisch markiert. Es zeigte sich keine wesentliche Beeinflussung der Vitalität, Proliferation und Differenzierungsfähigkeit sämtlicher untersuchter Zellpopulationen. Zur Evaluierung der Grenzen der zellulären MR-Bildgebung wurde das Detektionslimit magnetisch markierter embryonaler Stammzellen in vivo nach intrastriataler Injektion im Gehirn der Ratte untersucht. Es ließen sich bei einer Feldstärke von 17,6 T weniger als 100 magnetisch markierte Zellen sicher vom Hirnparenchym abgrenzen. Die histologische Korrelation bestätigte den zellulären Ursprung der beobachteten T2*-Hypointensitäten. In einem Rattenmodel des Morbus Parkinson konnte eine spezifische Detektion der intrastriatal injizierten magnetisch markierten embryonalen Stammzellen über einen Zeitraum von 6 Monaten erreicht werden. Es konnte keine signifikante Migration der Zellen festgestellt werden, jedoch fanden sich große interindividuelle Unterschiede in ihrer räumlichen Verteilung. In der histologische Analyse stellten sich auch sechs Monate nach der Transplantation im Bereich des Stichkanals eisenoxidmarkierte Stammzellen dar. In einem Mausmodell der cerebralen Ischämie wurde erstmals die Anreicherung systemisch injizierter magnetisch markierter mononukleärer Zellen kernspintomographisch erfasst. 24 - 48 h nach der Injektion magnetisch markierter Zellen stellten sich T2*-gewichtete Signalhypointensitäten im Randbereich der Ischämie dar. Insgesamt zeigte sich in dieser Studie die zelluläre Magnetresonanztomographie zu einem nicht-invasiven Nachweis einer geringen Anzahl magnetisch markierter Zellen über einen langen Zeitraum mit hoher Sensitivität in der Lage. / This thesis is dealing with the imaging of magnetically labeled stem cells in the CNS using magnetic resonance imaging (MRI). Stem cells were efficiently magnetically labeled with very small superparamagnetic iron-oxide particles (VSOP), without any lipofection agents. No significant impact on vitality, proliferation and ability to differentiate could be observed after the magnetic labeling of all cell populations investigated. Magnetically labeled embryonic stem cells were injected into the striatum of rats to evaluate their detection limit by MRI. At field strengths of 17.6 T, less than 100 cells could be discriminated from the brain parenchyma as T2*-weighted hypointensities. Histology proved the cellular origin of MRI-signal changes. In a rat model of Parkinsons’s Disease, magnetically labeled embryonic stem cells could be detected by MRI after intrastriatal injection for a time period of more than 6 months. No significant migration of transplanted cells could be observed, however significant inter-individual differences concerning the spatial distribution of cells could be found. Histologically, transplanted iron-oxide-labeled cells could still be detected in the vicinity of the injection tract six months after transplantation. In a mouse model of cerebral ischemia, the enrichment of systemically injected magnetically labeled mononuclear cells was detected non-invasively by MRI. 24 to 48 hours after injection of magnetically labeled cells, T2*-weighted hypointense signal changes could be observed in the border zone of the ischemia. Over all, this study showed that cellular MRI is capable of the sensitive non-invasive detection of small numbers of magnetically labeled cells over a long period of time.

Gleichgewichtsstörungen und Stürze gehören zu den wichtigsten Symptomen der Parkinson Krankheit (PD). Bei jungen PD-Patienten werden diese Probleme durch Nebenwirkungen der Medikation zusätzlich verstärkt. Aufgrund des noch sehr limitierten Verständnisses der zugrunde liegenden Mechanismen, die zum erhöhten Sturzrisiko bei jungen PD-Patienten beitragen, mangelt es derzeit an alternativen und effektiven bewegungsbasierten Therapien, um diese Sturzgefahr zu verringern. Diese Arbeit zielt darauf ab, solche Mechanismen zu identifizieren und eine effektive Methode zur Früherkennung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten zu entwickeln. Es wurde der Beitrag der zentralen und peripheren neuromuskulären sowie sensomotorischen Fähigkeiten, dynamischen Stabilitätskontrolle und Anpassungsfähigkeit der Fortbewegung auf die Sturzrate junger PD-Patienten mittels eines Vergleichs zwischen gesunden Probanden und jungen PD-Patienten mit und ohne Sturzerfahrung (Fallers vs. Non-Fallers) untersucht. Der Vergleich zeigte, dass die PD-Fallers zentral begründete Defizite in der Muskelkraft ihrer Beinstrecker aufwiesen sowie eine verringerte Abfangleistung nach simulierten Vorwärtsstürzen. Die Parameter „Muskelkraft“ und „Annäherung an die vordere Stabilitätsgrenze“ identifizieren gemeinsam 90% der Fälle junger PD-Faller. PD-Patienten zeigten auch eine uneingeschränkte prädiktive Anpassungsfähigkeit auf Gangstörungen, aber ein weniger stabiles Gangmuster und weniger effektive reaktive Antworten auf wiederholte Gangstörungen im Vergleich zu Kontrollpersonen. Diese Arbeit stellt relevante Informationen dar, die für die Entwicklung von alternativen nicht-medikamentösen Therapien zur Reduzierung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten nützlich sind. Darüber hinaus wurde eine akkurate Methode zur Früherkennung von jungen PD-Patienten mit einem erhöhen Sturzrisiko erarbeitet. Diese Patienten könnten von Training der Beinstrecker und der dynamischen Stabilität profitieren. / Postural instability and falls are some of the main symptoms associated with the Parkinson`s disease (PD). In early-onset patients (diagnosed before the age of 51) these problems are worsened by medication-related side-effects. There is a lack of effective exercise-based training interventions to reduce the risk of falling due to our limited understanding of the underlying mechanisms contributing to falls in early-onset PD. The present thesis aims to identify those mechanisms responsible for falls and to develop a sensitive method of assessment for the early discrimination of patients at risk of falling in early-onset PD. We investigated the contribution of central and peripheral neuromuscular and sensory-motor capacities, dynamic stability control and locomotor adaptability to the increased risk of falling in young PD patients by means of comparing healthy controls and early-onset PD fallers and non-fallers. The comparison revealed that PD fallers have central originated deficits in leg extensors` muscle strength - evidenced by increased antagonistic moments and activation deficit of the agonists - and a reduced increase of the base of support in response to simulated forward falls, both resulting in decreased recovery performance. The factors “muscle strength” and “approach to the anterior limit of stability” together could correctly classify 90% of the PD fallers. In addition, while young PD patients showed unaltered predictive adaptability to gait perturbations, they exhibited less stable gait patterns and less effective reactive responses to repeated gait perturbations compared to controls. This thesis provides relevant information for the development of alternative non-medication based therapies aiming to reduce falls in early-onset PD and an accurate assessment tool for the early identification of young patients at a high risk of falling. These patients may benefit from leg-extensors'' strengthening and dynamic stability training.