In Europa stellt die Multiple Sklerose (MS) die häufigste neuroimmunologische Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS) dar. Relevante Daten zum Krankheitsverlauf der MS wurden durch Untersuchungen im Tiermodell der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelits (EAE) gewonnen. Nach gegenwärtigem Kenntnisstand wandern autoreaktive T-Zellen vom T-Helfer-1 (Th-1) Typ in das ZNS ein und lösen eine gegen Bestandteile der Markscheide gerichtete Entzündung aus. Diese Zellen exprimieren große Mengen des für sie typischen Zytokin Interferon-gamma (IFN-gamma), was in zahlreichen Zelltypen die Expression des Tryptophan degradierenden Enzyms Indolamin 2,3-Dioxygenase (IDO) induziert. Seit 1998 ist bekannt, dass die Inhibition der IDO zu einer durch T-Zellen vermittelten Abstoßung allogener Feten führt. Diese immunregulatorische Funktion von IDO konnte auf den schnellen Abbau der essentiellen Aminosäure Tryptophan und der im folgenden Abbauweg synthetisierten T-Zell-toxischen Metabolite zurückgeführt werden. Da im entzündeten ZNS-Gewebe während der MS und der EAE das IDO induzierende Zytokin IFN-gamma ebenfalls exprimiert wird, sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden in wie weit die IDO an der Immunregulation des ZNS unter autoimmuner Neuroinflammation während EAE, beteiligt ist. Mittels HPLC konnte gezeigt werden, dass die relative IDO Aktivität im ZNS während der akuten und der Erholungsphase der Erkrankung signifikant gesteigert ist. Erfolgte ab dem Ausbruch der Erkrankung die systemische Inhibition der IDO Aktivität mit dem spezifischen IDO-Inhibitor 1-Methyl-Tryptophan, so führte dies zu einem signifikant schwereren Krankheitsverlauf im Vergleich zu Kontrolltieren. Mittels Immunzytochemie wurde gezeigt, dass aktivierte Mikroglia IDO im entzündeten ZNS und in Zellkultur nach IFN-gamma Stimulation exprimieren. Aufgrund von RT-PCR Analysen weiterer Enzyme des Kynureninweges konnte dessen Regulation während EAE nachgewiesen werden Entlang dieses Stoffwechselweges werden T-zell-toxische Tryptophanmetabolite gebildet die an der Eliminierung autoreaktiver T-Zellen im ZNS während der Erholungsphase der EAE beteiligt sein könnten und somit die aktivierten Th1 Zellen im ZNS einen antiinflammatorischen Rückkopplungsmechanismus auslösen. / Multiple sclerosis (MS) is the most widespread neuroimmunological disease of the central nervous system (CNS) in Europe. By applying the animal model of MS, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), important insights into the disease course of MS have been gained. At present it is accepted that at the onset of the disease myelin-reactive T helper type 1 (Th1) cells infiltrate the CNS and induce autoimmune neuroinflammation. Activated Th1 cells express high amounts of the cytokine interferon-gamma (IFN-gamma). This pro-inflammatory signaling molecule is known to induce the expression of the tryptophan-degrading enzyme Indolmaine 2,3- Dioxygenase (IDO) in several cell types. Since 1998 it is known that inhibition of IDO induces the T cell-mediated rejection of allogeneic concepti in mice. The mechanism of this immunregulatory function of IDO was shown to be due to the degradation of the essential amino acid tryptophan and the subsequent synthesis of T cell toxic metabolites. Since the IDO-inducing cytokine IFN-gamma is also expressed within inflamed CNS tissue during MS and EAE, the present work investigated the role of IDO in immunregulation of the CNS during autoimmune neuroinflammation in the EAE model. A significant increase in relative IDO activity within the CNS during the acute and remission phases of EAE was identified by HPLC analysis. Systemic inhibition of IDO activity by the specific IDO inhibitor 1-methyl-tryptophan reduced the remission and exacerbated the progression of the disease in comparison to control animals. Activated microglia were identified by immunocytochemistry as IDO-expressing cells within the acute inflamed CNS and in cell culture after IFN-gamma stimulation. Enzymes following IDO in the kynurenine pathway were shown by RT-PCR to be up-regulated in the disease course. The analyzed enzymes are known to produce T cell toxic tryptophan metabolites and might therefore be involved in the elimination of autoreactive T cells from CNS tissue. In conclusion, the presented data support the view that autoreactive Th1 cells in the CNS induce a self-limiting negative feedback mechanism which limits the spread of inflammation, thereby reducing bystander damage in the CNS.

In einer repräsentativen Querschnittsuntersuchung wurden 1219 Multiple Sklerose Betroffene in Deutschland zu den Auswirkungen der Multiple Sklerose auf deren Lebenssituation und ihrer Einschätzung der medizinischen Versorgung befragt. Schwerpunkte der Untersuchung, die auf einem integrativen Konzept der Patientenorientierung beruht, waren: Soziale Auswirkungen, Krankheitswahrnehmung, Alltagsbewältigung, Lebensqualität, Patienteninformation, Arzt-Patient-Beziehung, Therapieentscheidung und das ACT Programm in der medizinischen Versorgung. Negative Auswirkungen der Multiple Sklerose auf die untersuchten Lebensbereiche sind nachweisbar, aber die Einschätzung differiert in Abhängigkeit von der konkreten Lebenssituation und der Persönlichkeit. Der Schweregrad der körperlichen Einschränkungen steht nur bedingt in Beziehung zur subjektiven Einschätzung der Auswirkungen. Es bestätigt sich außerdem die besondere Bedeutung des nahen persönlichen Umfeldes als wichtigste Quelle der Unterstützung Multiple Sklerose Betroffener. Professionelle Unterstützung wird nur in geringem Maß in Anspruch genommen. Die Anforderungen der Befragten an die medizinische Versorgung sind sehr hoch. Negative Bewertungen der medizinischen Betreuung zeigen sich sowohl bei kritischeren Befragten und als auch bei ausgeprägten Autonomiebedürfnis. Die befragten Multiple Sklerose Betroffenen nutzen überwiegend objektive Informationsquellen als allgemeine Informationsbasis und zur Therapieentscheidung. Subjektives Erfahrungswissen wird meist nur ergänzend herangezogen. Veränderungsbedarf besteht in der medizinischen Versorgung im Bezug auf die Integration kritischerer, informierterer, selbstbewussterer Multiple Sklerose Betroffene und in Bezug auf den Zugang zu den vorhandenen Informations-, Unterstützungs- und Beratungsangeboten. / In a representative study 1219 people with multiple sclerosis in Germany were asked about the impacts of multiple sclerosis on their living situation and their estimation of the medical supply. Main topics were: social impacts, perception of the disease, coping with everyday life, quality of life, patient information, doctor-patient-relationship, shared decision making and the ACT programme as tool in the medical supply. Negative impacts on all analysed areas of the living situation could be proved, but the estimation differs in dependence on the specific living situation and the personality. Unlike the physical disability isn''t a predictor of the individual estimation of the impact. People with multiple sclerosis get their main support by relatives and friends. Professional services are rarely used in relation to the aid by the individual social environment. People with multiple sclerosis have very high expectations on the medical supply. The estimation of the situation is relatively negative if the people are more critical as well as if they have a great need for autonomy. The interrogated people with multiple sclerosis use basically and for their therapy decision mostly objective, medical information. Most of them use subjective knowledge based on experiences only additionally. Medical supply should be optimised by better integrating people with multiple sclerosis who are more critical or self confident as well as better informed. Usability and access of the existing offers to inform, support and counsel people with multiple sclerosis have to be improved.

In dieser Doktorarbeit wird die Frage untersucht, wie erfolgreich deep learning bei der Diagnostik von neurodegenerativen Erkrankungen unterstützen kann. In 5 experimentellen Studien wird die Anwendung von Convolutional Neural Networks (CNNs) auf Daten der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. Ein Schwerpunkt wird dabei auf die Erklärbarkeit der eigentlich intransparenten Modelle gelegt. Mit Hilfe von Methoden der erklärbaren künstlichen Intelligenz (KI) werden Heatmaps erstellt, die die Relevanz einzelner Bildbereiche für das Modell darstellen. Die 5 Studien dieser Dissertation zeigen das Potenzial von CNNs zur Krankheitserkennung auf neurologischen MRT, insbesondere bei der Kombination mit Methoden der erklärbaren KI. Mehrere Herausforderungen wurden in den Studien aufgezeigt und Lösungsansätze in den Experimenten evaluiert. Über alle Studien hinweg haben CNNs gute Klassifikationsgenauigkeiten erzielt und konnten durch den Vergleich von Heatmaps zur klinischen Literatur validiert werden. Weiterhin wurde eine neue CNN Architektur entwickelt, spezialisiert auf die räumlichen Eigenschaften von Gehirn MRT Bildern. / Deep learning and especially convolutional neural networks (CNNs) have a high potential of being implemented into clinical decision support software for tasks such as diagnosis and prediction of disease courses. This thesis has studied the application of CNNs on structural MRI data for diagnosing neurological diseases. Specifically, multiple sclerosis and Alzheimer’s disease were used as classification targets due to their high prevalence, data availability and apparent biomarkers in structural MRI data. The classification task is challenging since pathology can be highly individual and difficult for human experts to detect and due to small sample sizes, which are caused by the high acquisition cost and sensitivity of medical imaging data. A roadblock in adopting CNNs to clinical practice is their lack of interpretability. Therefore, after optimizing the machine learning models for predictive performance (e.g. balanced accuracy), we have employed explainability methods to study the reliability and validity of the trained models. The deep learning models achieved good predictive performance of over 87% balanced accuracy on all tasks and the explainability heatmaps showed coherence with known clinical biomarkers for both disorders. Explainability methods were compared quantitatively using brain atlases and shortcomings regarding their robustness were revealed. Further investigations showed clear benefits of transfer-learning and image registration on the model performance. Lastly, a new CNN layer type was introduced, which incorporates a prior on the spatial homogeneity of neuro-MRI data. CNNs excel when used on natural images which possess spatial heterogeneity, and even though MRI data and natural images share computational similarities, the composition and orientation of neuro-MRI is very distinct. The introduced patch-individual filter (PIF) layer breaks the assumption of spatial invariance of CNNs and reduces convergence time on different data sets without reducing predictive performance. The presented work highlights many challenges that CNNs for disease diagnosis face on MRI data and defines as well as tests strategies to overcome those.

Bei Autoimmunkrankheiten wie der Multiplen Sklerose (MS) kommt es zu einer fehlgesteuerten Immunantwort mit Aktivierung und Persistenz autoreaktiver T-Zellen. Apoptose-regulierende Mechanismen wie das CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- und TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Die lösliche Form des CD95-Rezeptor (sCD95) kann an CD95L binden und so die Apoptose aktivierter T-Zellen verhindern. Die systemische Blockade von TRAIL führt zur Exazerbation von Autoimmunerkrankungen in Tierversuchen. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb die Expression, Regulation und Bedeutung sowohl von sCD95 als auch von löslichem TRAIL (sTRAIL) und membranständigem TRAIL bei gesunden Probanden und Patienten mit schubförmig remittierender MS (RRMS) untersucht. Zytokine wurden mit ELISAs, Zelloberflächenproteine sowie Apoptose im Durchflusszytometer gemessen. Die Untersuchungen mit magnetisch gereinigten humanen Leukozytensubpopulationen und Zelllinien zeigten, dass sCD95 lediglich von zelltyp-spezifisch aktivierten humanen T-Zellen, sezerniert wird. TRAIL wurde vor allem von Monozyten, die mit IFN-beta stimuliert waren, sezerniert und auf der Zelloberfläche exprimiert. Zellkulturüberstände, die sTRAIL enthielten, lösten Apoptose in suszeptiblen Tumorzellen aus. TRAIL führte zu einer signifikanten Inhibition der Proliferation und der Produktion von Th1- und Th2-spezifischen Zytokinen bei humanen (auto)antigenspezifischen T-Zellen. Weder für die sCD95- noch für die TRAIL-Expression wurden Unterschiede zwischen RRMS-Patienten und gesunden Probanden nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein komplexes Regulations- und Expressionsmuster von sCD95 und TRAIL, ohne jedoch Anhaltspunkte für Unterschiede zwischen MS-Patienten und Gesunden zu liefern. Es ergaben sich wichtige Hinweise darauf, dass der protektive immunomodulatorische Effekt einer systemischen IFN-beta-Therapie bei MS durch TRAIL vermittelt werden könnte. / Autoimmune disorders such as Multiple Sclerosis (MS) are characterized by an aberrant immune response with activation and persistence of autoreactive T-cells. Apoptosis-regulating mechanism such as the CD95-Rezeptor/CD95-Ligand- and the TRAIL-Rezeptor/TRAIL-System may play a major role in this process. The soluble CD95 receptor (sCD95) can bind to CD95L and subsequently inhibit apoptosis of activated T-cells. The systemic blockade of TRAIL leads to the exacerbation of autoimmune disease in animal experiments. In this work I investigated the expression, regulation and significance of sCD95, soluble TRAIL (sTRAIL) and membrane-bound TRAIL in patients with remitting-relapsing MS (RRMS), and in healthy controls. Cytokines were measured by ELISA, membrane bound proteins and apoptosis were measured by flow cytometry. The experiments with magnetically sorted human leucocyte subpopulations and cell lines showed, that only cell-type specific activated human T-cells secrete sCD95. Both forms of TRAIL were expressed by monocytes stimulated with IFN-beta. Cell supernatants containing sTRAIL induced apoptosis in susceptible tumour cells. Furthermore TRAIL inhibited proliferation of (auto)antigen-specific T cells and the production of Th-1 and Th-2 specific cytokines. There were no differences in the expression of sCD95 and TRAIL between RRMS patients and healthy controls. This work shows a complex regulation pattern of sCD95 and TRAIL without being able to detect differences between MS patients and healthy controls. However, results point out that TRAIL could be an important mediator of the immunomodulatory effects of systemic IFN-beta therapy in MS.