Diplomarbeit Hochschule für Angewandte Psychologie Zürich, 2005.

Zweite Studienarbeit Hochschule für Angewandte Psychologie Zürich, 2006.

Diplomarbeit Hochschule für Angewandte Psychologie Zürich, 2006.

Diplomarbeit Hochschule für Angewandte Psychologie Zürich, 2007.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2001.

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5 – 13% aller Hypertoniker leiden an einem Primären Hyperaldosteronismus (PA), was diese Erkrankung zu der häufigsten Form sekundärer Hypertonie macht. Die Subtypdifferenzierung dient der Unterscheidung zwischen unilateraler, operativ zu therapierender und bilateraler, medikamentös zu therapierender Form. Der diagnostische Goldstandard in der Subtypdifferenzierung, der selektive Nebennierenvenenkatheter, ist aufgrund seiner Limitationen immer wieder Gegenstand kontroverser Diskussionen. Während CT- und MRT- Bildgebung einen fester Bestandteil der Stufendiagnostik des PA darstellen, hat die funktionelle Bildgebung, PET und SPECT, hierbei noch keinen festen Platz. In der bildgebenden Darstellung der Nebennieren allgemein gewinnen diese Verfahren, vor allem auf der Basis von Etomidat und seinen Derivaten, zunehmend an Bedeutung. Beipiele hierfür sind 11C- Meto- bzw. 18F- FETO- PET und 123I- IMTO- SPECT. Relativ neu in der Entwicklung sind selektive Aldosteronsynthaseinhibitoren. Problematisch hierbei ist die 93% Homologie in der Aminosäuresequenz von CYP11B1 und CYP11B2, der Aldosteronsynthase. Die dieser Arbeit zugrunde liegende Idee ist die Entwicklung eines funktionellen Bildgebungsverfahrens zur Differenzialdiagnose des PA auf der Basis fluorierter und iodierter Aldosteronsynthasenhibitoren. Mittels Realtime- PCR konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von CYP11B2 in aldosteronproduzierenden Tumoren dieses Enzym zu einem geeigneten Ansatzpunkt für radioaktiv markierte Tracer macht. Zur Evaluation geeigneter Substanzen wurde daher eine, humanes CYP11B1 bzw. CYP11B2 stabil exprimierende Zelllinie auf Basis der murinen Y1- Nebennierenrindenkarzinom- Zellen, entwickelt. Dies gelang durch Klonierung der humanen Enzyme in den pcDNA3.1zeo(+)- Vektor und anschließende Transfektion mit Lipofectamine. Zur weiteren Substanztestung wurde jeweils der Klon mit hoher Expression der CYP11B Enzyme auf mRNA- und Proteinebene bei gleichzeitig höchster Hormonkonzentration im Zellkulturüberstand ausgewählt. Inkubation dieser Zelllinien mit den CYP11B- Inhibitoren Etomidat und Metomidat erbrachte IC50- Werte im nanomolekularen Bereich. In dem Testsystem stellte sich das fluorierte Naphthenylpyridin- Derivat 5.1 als potentester und zugleich sehr selektiver Inhibitor von CYP11B2 heraus, der erst ab einer Zehnerpotenz über der ermittelten IC50 einen signifikanten antiproliferativen Effekt auf NCI- H295 Zellen ausübte. Die stabil transfizierten Y1-CYP11B Zellen stellten sich als geeignetes Testsystem zur Evaluation von Potenz und Selektivität der Aldosteronsynthase- Inhibitoren heraus. Mit der Substanz 5.1 konnte bereits ein potenter und selektiver Inhibitor von CYP11B2 entwickelt werden. Der IC50- Wert für die Inhibition von CYP11B2 lag für diese Substanz aber noch etwa um den Faktor 100 höher als für die Referenzsubstanz Etomidat, so dass die Entwicklung und Testung weiterer Inhibitoren folgen muss, bis eine geeignete Substanz für die funktionale Bildgebung zur Differenzialdiagnose des PA gefunden ist. / Primary aldosteronism (PA) is the most common cause of hypertension (5 – 13% of all cases). Differential diagnosis means mainly the differentiation between unilateral, surgically curable, disease and bilateral disease, requesting lifelong medical treatment. Whereas adrenal vein sampling, the official gold standard in subtype differentiation has certain limitations, clinical imaging, such as CT and MRI are part of the diagnostic workup but only of limited use in subtype differentiation. Recently, functional imaging procedures, with adrenal- specific tracers such as Etomidate, have become increasingly more important in adrenal imaging. As the development of selective aldosterone synthase (CYP11B2) inhibitors has recently become a focus of research, the idea underlying this thesis is the development of CYP11B2 inhibitors, suitable for PET- imaging, in view of a functional imaging method in the differential diagnosis of PA. To evaluate potential inhibitors a murine adrenocortical cell line (Y1), stably overexpressing the human CYP11B1 and CYP11B2 was developed and several inhibitors were tested. The Y1-CYP11B cells turned out to be the appropriate system to evaluate potency and selectivity of the CYP11B2 inhibitors. With compound 5.1, a potent and selective inhibitor, exercising only minor antiproliferative effect on NCI-h295 cells, could be identified.

Innerhalb des letzten Jahrzehnts entstanden zahlreiche neue Anreicherungs- und Sequenzier-technologien der zweiten (und dritten) Generation, die in rasantem Tempo weiterentwickelt und schon jetzt in vielen Bereichen als neuer Goldstandard für molekulargenetische For-schung und Diagnostik angesehen werden. Als Hochdurchsatz-Verfahren ermöglichen diese Next Generation Sequencing-Methoden (NGS) in immer kürzerer Zeit die parallele Analyse zahlreicher Proben und immer größerer Zielregionen bis hin zum ganzen Genom und führten in der Humangenetik dadurch zu Forschungsansätzen in neuen Dimensionen. In dieser Doktorarbeit, die im molekulargenetischen Diagnostik-Labor der Humangenetik Würzburg durchgeführt wurde, wurden in fünf Projekten NGS-Ansätze unterschiedlicher Stufen bzw. Größenordnungen für verschiedene erblich bedingte Erkrankungen konzipiert und etabliert und in Forschungsprojekten sowie der Routinediagnostik eingesetzt. Dabei wurden verschiedene Methoden zur Anreicherung der Zielsequenzen und zur NGS-Sequenzierung erprobt und auf ihre Effizienz beurteilt. Die Ergebnisse des NGS und darauf basierender Nachweis-Experimente wurden in sieben Veröffentlichungen dokumentiert, auf denen diese Dissertation aufbaut. In den drei ersten Projekten wurden das Access Array-System (Fluidigm) zur Anreicherung der Zielsequenzen und der GS Junior (Roche) zur Erzeugung der Sequenzen verwendet. In Projekt 1 wurde COL4A6 als neues Kandidatengen für nicht-syndromale Hörstörungen identifiziert. Um mögliche weitere Mutationsträger zu detektieren, wurde erfolgreich ein kleiner NGS-Ansatz für das zügige Screening dieses Gens bei knapp 100 weiteren Patienten etabliert. Diese und weitere Ergebnisse bestätigten die Kausalität der COL4A6-Mutation eines Index-Patienten mit schwerer, X-chromosomal-rezessiver Hörstörung. Ein geeigneter NGS-Ansatz für die Analyse des großen RYR1-Gens wurde in Projekt 2 ge-sucht. Der erste Ansatz mit Access Array-System und GS Junior führte zwar bei 39 von 87 Patienten mit Maligner Hyperthermie und/oder Central Core Disease zu dem Auffinden einer (potentiell) pathogenen Variante, allerdings mit hohen Ausfallquoten. Mit der zweiten Methode (Anreicherung: SureSelect-System custom design, Agilent; Sequenzierung: HiSeq, Illumina) wurden neben RYR1 noch 63 weitere Gene analysiert, was zu deutlich besseren Ergebnissen und vier Mutationsfunden führte. Projekt 3 beinhaltete die Etablierung zwei kleiner Panels für Muskelkrankheiten. Ein Panel für drei Gene für Gliedergürteldystrophien wurde sogar erfolgreich in die akkreditierte Rou-tinediagnostik übernommen. Mit dem zweiten Panel für acht Kandidatengene myofibrillärer Myopathien (MFM) wurde u.a. eine neue Mutation im BAG3-Gen identifiziert. Das Exom eines MFM-Patienten wurde in Projekt 4 nach Anreicherung mit dem SureSelect-System (Agilent) auf dem HiSeq (Illumina) sequenziert. Nach Auswertung und Beurteilung der identifizierten Varianten wurde ein neuer Erbgang für Myotilinopathien entdeckt. Verschiedene Nachweisexperimente bestätigten die Kausalität der Mutation im Myotilin-Gen. In Projekt 5 wurde die komplette genomische Sequenz des F8-Gens nach tiefen intronischen Mutationen bei Hämophilie-Patienten abgesucht (Anreicherung SureSelect custom design, Agilent; Sequenzierung MiSeq, Illumina). Bei jedem der analysierten Patienten konnte min-destens eine verdächtige Variante identifiziert werden, die zu verändertem Spleißverhalten führen könnte. Drei Mutationen waren schon durch Publikationen bekannt, bei einer weite-ren konnten in vitro-Spleißanalysen die Kausalität bestätigen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die zur Verfügung stehenden Methoden zur An-reicherung von Zielsequenzen aus dem menschlichen Genom und zu deren Sequenzierung je nach Komplexität der Fragestellung, d.h. der Anzahl und Größe der Gene sowie der Anzahl der zu untersuchenden Proben, sinnvoll und effizient kombiniert werden können. Im Verlauf der Arbeit haben sich die NGS-Techniken rasant weiterentwickelt. So sind PCR-basierte Ansätze zur Anreicherung der Zielsequenzen für die meisten Anwendungen von hybridisierungs-basierten Methoden verdrängt worden. Von den ursprünglich drei konkur-rierenden Verfahren zur Hochdurchsatzsequenzierung hat sich die Methode des „sequen-cing-by-synthesis“ (Illumina) weitgehend durchgesetzt. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in den während dieser Arbeit erhobenen Daten wider. / Several enrichment and sequencing technologies of the second (and third) generation have been developed in the past decade, were rapidly refined and are already considered as new state of the art method in several fields of molecular genetic research and diagnostics. Con-sidered as high-throughput technologies, these next-generation sequencing methods (NGS) allow the parallel analysis of several samples and regions of interests up to whole genomes in decreasing time and thus permitted research projects with novel dimensions in human genetics. This doctoral thesis was performed at the molecular genetic laboratory at the Department of Human Genetics in Würzburg. In five projects, NGS approaches of variable scale and for different hereditary diseases were designed, established and applied in research and routine diagnostics. Different methods for target enrichment and NGS analysis were tested and evaluated concerning their efficiency. The results of NGS and subsequent verification ex-periments were documented in seven publications forming the basis of this dissertation. In project 1 - 3, the Access Array system (Fluidigm) was used for target enrichment and the GS Junior (Roche) for sequence generation. COL4A6 has been identified as novel candidate gene for non-syndromic hereditary hearing loss in project 1. A small NGS approach was established to screen this gene in approx. 100 patients with hearing loss in order to search for additional carriers of COL4A6 mutations. The results of this and further experiments confirmed the causality of the COL4A6 mutation found in the index patient with severe X-linked hearing loss. Project 2 aimed at finding a convenient NGS method for the analysis of the large RYR1 gene. A first approach with the Access Array system and the GS Junior lead to the identifi-cation of a (potential) pathogenic mutation in 39 out of 87 patients with malignant hyper-thermia and / or central core disease, but with high failure rates. RYR1 and 63 further genes were then analyzed in a second approach (target enrichment with SureSelect custom design, Agilent; sequence analysis on a HiSeq, Illumina) providing considerably improved results and the identification of four mutations in five patients. Two small panels for muscular diseases were established in project 3. A panel for three genes associated with limb-girdle muscular dystrophies were even successfully applied in accredited routine diagnostics. A novel mutation in the BAG3 gene could be identified using the second panel established for eight candidate genes of myofibrillar myopathies (MFMs). The exome of a patient with MFM was analyzed in project 4 after target enrichment with the SureSelect system (Agilent) and sequence analysis on a HiSeq (Illumina). A novel in-heritance pattern of myotilinopathy was identified after analysis and evaluation of the de-tected variants. Several experiments confirmed the causality of the mutation in the myotilin gene. In project 5, the whole genomic sequence of the F8 gene was analyzed for deep intronic mutations in haemophilic patients (target enrichment with SureSelect custom design, Ag-ilent; sequence analysis on a MiSeq, Illumina). In each of the patients at least one conspicu-ous variant was identified probably leading to alternative splicing. Three mutations were known by publications and for another one causality could be proven by an in vitro splicing assay. The results of this doctoral thesis show that the available methods for target enrichment and sequence analysis of specific targets of the human genome can be combined in a reasonable and efficient way considering the number and size of the targeted genes and probes. During the course of this doctoral thesis, NGS technologies have been further developed in a rapid way. For most applications, PCR-based technologies for target enrichment have been dis-placed by hybridization-based methods. Of the originally three competing techniques of high-throughput sequencing the “sequencing-by-synthesis” method (Illumina) has become the widely accepted standard. This development is reflected in the data generated in this doctoral thesis.

Ziel dieser Arbeit war es, den Stellenwert der CT-gesteuerten Punktion hinsichtlich Komplikationsrate, nicht auswertbaren Biopsien, deren statistische Kenngrößen in der Gesamtheit und deren Zusammenhang bezüglich Nadelgröße, Punktionsweg und Läsionsgröße zu ermitteln. Insgesamt konnte retrospektiv ein Kollektiv von 1019 Punktionen an 951 Patienten im Institut für Röntgendiagnostik der Universität Würzburg mit einem Follow-up von 2 Jahren untersucht werden. Es konnten in 96 % der Fälle vom Pathologen auswertbare Proben gewonnen werden. Bei 951 Patienten konnten 38 Biopsien nicht histologisch ausgewertet werden. Es bestand ein signifikanter Zusammenhang bezüglich der Dicke der Biopsienadel und der histologischen Auswertbarkeit. 19/20 G Nadeln führten in 20 % der Fälle zu nicht beurteilbaren Proben, 15/16 G und 17/18 G Nadeln hingegen nur bei 1,8 % und 3,6 % der Punktionen. Bei komplikationslosen Punktionen ergaben sich seltener histologisch nicht auswertbare Proben (3,5 %) als bei Biopsien, die eine Komplikation verursachten bzw. nach sich zogen (6,3 %). Die Biopsien fanden in 57 % der Fälle mit 17/18 G Nadeln statt. Bei 40 % der Punktionen wurden 15/16 G Nadeln verwendet. In lediglich 4,3 % und 6,7 % der Fälle kamen 19/20 G Nadeln und Knochenstanzen zum Einsatz. In der Gesamtheit des Kollektivs ergab sich eine Sensitivität von 92 % bei einer Spezifität von 100 %. Die Kenngrößen variierten in den anatomischen Subgruppen. Von 951 Punktionen erwiesen sich 6,8 % als falsch negativ, 73,2 % als richtig positiv und 16,7 % als richtig negativ. 58 Bei Pankreas-Punktionen lag die falsch negativ Rate mit 23,1 % am höchsten. Niedrige falsch negativ Raten zeigten sich bei Pleura- (2,9 %), Lungen- (5,3 %) und Muskel-/Weichteilpunktionen (1,5 %). Als signifikant erwies sich der Zusammenhang zwischen Biopsienadelgröße und histologischem Ergebnis. Falsch negative Ergebnisse waren besonders bei Anwendungen von 19/20 G Nadeln zu verzeichnen (17,5 %). Bei 17/18 G Nadeln und Knochenstanzen traten insgesamt nur in 7,5 % und 7,9 % falsch negative Ergebnisse auf. Der Durchmesser der Läsion beeinflusste signifikant das histologische Ergebnis. Bei falsch negativen Ergebnissen betrug der Durchmesser im Mittelwert 3,4 cm. Bei richtig positiven Punktionen lag der Läsionsdurchmesser bei 4,1 cm. In 18,4 % der Fälle führte eine Probeentnahme zu einer Komplikation. Davon erwiesen sich 14,8 % als Minor- und 3,6 % als Majorkomplikation, wie zum Beispiel ein Pneumothorax mit Notwendigkeit einer Drainagelegung. Die meisten Komplikationen traten bei Punktionen der Lunge (14 %) auf. Dabei zeigten die Nadeln 19/20 G mit 40 % die höchste Komplikationsrate. Dies ist nicht der Tatsache geschuldet, dass die dünneren Nadeln vorwiegend bei tiefen Läsionen zum Einsatz kamen. Auch bei tieferen Punktionen ist die Komplikationsrate der dickeren Nadeln geringer, als die der dünnen. 15/16 G Nadeln kamen bei einer durchschnittlichen Tiefe von 5,6 cm zum Einsatz, 17/18 G Nadeln bei 6,6 cm und 19/20 G Nadeln bei 7,2 cm. Betrachtet man jedoch die Nadelgruppen 17/18 G und 19/20 G für sich, zeigte sich, dass der Abstand zur Haut bei Komplikationen nicht größer war, als ohne Komplikation. Bei 15/16 G Nadeln war der Punktionsweg bei Komplikationen signifikant größer als bei Punktionen ohne Komplikation. Bei Lungenpunktionen im Speziellen war der Punktionsweg ebenfalls für 15/16 G länger, wenn ein Pneumothorax aufgetreten ist, als bei komplikationslosen Biopsien. 59 Es zeigte sich, dass bei Wiederholungspunktionen die Läsionen tiefer lagen, als bei einmaligen Punktionen. Die Läsionsgröße lag durchschnittlich bei 4 cm. Beim Auftreten einer Komplikation erwies sich der Durchmesser der Läsion, besonders für Lungenbiopsien, als signifikant kleiner (MV = 3,5), als bei komplikationslosen Biopsien. Ein wichtiger Faktor für die Treffsicherheit, den positiven Vorhersagewert und die Komplikationsrate spielte die Erfahrung des jeweiligen Punkteurs. Diese Arbeit konnte belegen, dass der Radiologe mit 20 Jahren Erfahrung die niedrigste Komplikationsrate (15 %) und gleichzeitig die geringste falsch negativ Rate (12 %) hatte. / Purpose: The CT-guided biopsy is a well-established technique for the diagnosis of unknown lesions. The objective of this study was to evaluate the diagnostic accuracy of CT-guided biopsies, in the context of needle size, complication rate, lesion size and the radiologists experience in a representative number of patients. Method: The results of 1019 CT-guided biopsies in 951 patients were evaluated with regard to sensitivity, specificity and complication rate of the chosen needle sizes. A 17/18 g needle was used in 544 cases, a 19/20 g needle in 40 cases and a 15/16 g needle was used in 351 cases. Lesion size, depth and location were included as variables. Results: The biopsies yielded sufficient histology material in 913 of 951 (96%) cases. The rate of insufficient histology material increased significantly when a smaller needle size was used (20% when a 19/20 g needle was used). The false negative rate (6,8%) was influenced by needle size (17,5% at 19/29 g) and lesion size. Overall the sensitivity, specificity and diagnostic accuracy were 92%, 100% and 93%. Complications were noted in 18,4% of all cases. The most major-complication was pneumothorax (3%), which required chest tube drainages. Conclusion: With 15/16 g and 17/18 G needle sizes, diagnostic accuracy can be drastically increased without an increase in the complication rate.