Abstract Cardiovascular abnormalities are frequent after non-traumatic intracranial hemorrhage (NT-IH). They have mainly been studied in patients with subarachnoid hemorrhage (SAH), in which they have been reported to be associated with a poorer outcome. The aim of this observational clinical study was to evaluate cardiovascular abnormalities in patients with NT-IH requiring intensive care: clinical picture, predisposing factors and impact on outcome were examined. Additionally, the validity of cardiac output (CO) monitoring via uncalibrated arterial pressure waveform analysis (APCO, FloTrac/Vigileo™) was evaluated. The thesis was comprised of retrospective (n=229) and prospective (n=108) studies. The cardiovascular abnormalities evaluated were repolarization abnormalities (RAs) in electrocardiography (ECG), myocardial injury and dysfunction, and neurogenic pulmonary edema (NPE). Cardiovascular dysfunction severity was assessed using the Sequential Organ Failure Assessment cardiovascular (SOFAcv) score. Predisposing factors for RAs and NPE were examined. The one-year mortality and functional outcome were assessed. APCO was compared with the intermittent bolus thermodilution technique (TDCO). Cardiovascular abnormalities were almost universal after NT-IH and comparable after intracerebral hemorrhage (ICH) and SAH. Each RAs (QT interval prolongation, ischemic-like ECG changes and morphological end-repolarization abnormalities) had characteristic predisposing factors. The Acute Physiology And Chronic Health Evaluation (APACHE) II score ≥20 and systemic interleukin 6 concentration >40 pg/mL were independent predictors for NPE. In the retrospective study the mortality rate was 32% after SAH and 44% after ICH. In the prospective study the rates for mortality were 18% vs. 29% and for a poor functional outcome 41% vs. 69%, respectively. Ischemic-like ECG changes were associated with a poorer functional outcome. APCO underestimated CO compared to TDCO and was biased by low systemic vascular resistance (SVR). In conclusion, cardiovascular abnormalities after NT-IH are comparable after SAH and ICH. Predisposing factors for each RAs vary. Inflammatory mechanisms play an important role in NPE development. Ischemic-like ECG changes are associated with a poorer one-year functional outcome. The validity of APCO is insufficient and biased by low SVR in patients with NT-IH. / Tiivistelmä Sydämen ja verenkierron toimintahäiriöt ovat yleisiä ei-traumaattisen aivoverenvuodon (NT-IH) jälkeen. Niitä on tutkittu lähinnä lukinkalvonalaisvuotopotilailla (SAV), joilla niiden on todettu olevan yhteydessä huonompaan ennusteeseen. Tässä havainnoivassa kliinisessä tutkimuksessa selvitettiin tehohoidettujen NT-IH -potilaiden sydämen ja verenkierron toimintahäiriöiden kliinistä oirekuvaa, altistavia tekijöitä ja vaikutusta ennusteeseen. Tutkimuksessa arvioitiin myös valtimopainekäyräanalyysiin perustuvan monitorointimenetelmän (APCO, FloTrac/Vigileo™) luotettavuutta mitattaessa sydämen minuuttitilavuutta. Väitöskirjatyö koostui retrospektiivisesta (n=229) ja prospektiivisesta (n=108) tutkimuksesta. Tutkittavia toimintahäiriöitä olivat elektrokardiografiassa (EKG) nähtävät repolarisaatiohäiriöt (RAs), sydänlihaksen vaurio ja supistumishäiriö sekä keuhkopöhö. Sydämen ja verenkierron toimintahäiriön yleistä vaikeusastetta arvioitiin SOFAcv -pisteytyksellä. RAs:lle ja keuhkopöhölle altistavia tekijöitä määritettiin. Potilaiden kuolleisuus ja toiminnallinen ennuste selvitettiin vuoden seuranta-aikana. APCO:a verrattiin lämpölaimennusmenetelmään (TDCO). Sydämen ja verenkierron toimintahäiriöitä esiintyi lähes kaikilla, eivätkä ne oirekuvaltaan eronneet aivokudoksen sisäistä vuotoa (ICH) ja SAV:a sairastavilla potilailla. Eri RAs:llä (QT-ajan pidentyminen, iskeemistyyppiset EKG-muutokset ja loppurepolarisaation morfologiset poikkeavuudet) oli kullekin ominaiset altistavat tekijät. APACHE II –pisteet ≥20 ja veren interleukiini 6 –pitoisuus >40 pg/ml ennustivat keuhkopöhön kehittymistä. Retrospektiivisessä aineistossa kuolleisuus oli 32 % SAV-potilailla ja 44 % ICH-potilailla. Prospektiivisessa aineistossa kuolleisuus ja huono toiminnallinen ennuste olivat vastaavasti 18 % vs. 29 % ja 41 % vs. 69 %. Iskeemistyypiset EKG-muutokset olivat yhteydessä huonompaan toiminnalliseen ennusteeseen. APCO aliarvioi TDCO:a matalan systeemiverenkierron vastuksen (SVR) kasvattaessa harhaa. Yhteenvetona todettakoon, että sydämen ja verenkierron toimintahäiriöt eivät eroa SAV- ja ICH-potilailla. Eri RAs:lle altistavat kullekin ominaiset tekijät. Tulehdukselliset mekanismit ovat keskeisiä keuhkopöhön kehittymisessä. Iskeemistyyppiset EKG-muutokset ovat yhteydessä huonompaan toiminnalliseen ennusteeseen. APCO:n luotettavuus NT-IH -potilailla on riittämätön, ja harhaa lisää matala SVR.

Objectif : Les femmes avec œdème de Reinke (FR) sont souvent prises pour des hommes au téléphone. Ainsi, leurs voix masculines sont intéressantes pour l’étude des stéréotypes de genre dans la voix. L’objectif de cette étude est de vérifier leur plainte dans un cadre expérimental et de rechercher les paramètres acoustiques utilisés dans l’identification du genre en se basant sur leurs voix.Matériel et Méthode : Une étude d’auto-évaluation met en évidence la perception qu’ont les FR de leurs voix. Une étude de production compare les paramètres acoustiques de voyelles et de phrases produites par 10 FR avec ceux des productions de 10 femmes et de 10 hommes aux voix normales (FN et HN). Un jury naïf évalue le genre vocal des FR, FN et HN. Résultats : Les FR s’auto-évaluent comme ayant une voix masculine et une personnalité féminine. Les paramètres acoustiques qui permettent de distinguer les voix des FR sont liés à la fréquence fondamentale, à la pente spectrale, au ratio des harmoniques par rapport au bruit et à la complexité de l’enveloppe spectrale. Le jury naïf, surtout les femmes, jugent les voix des FR comme « sûrement masculines » plus souvent qu’elles ne jugent les voix des FN quelle que soit la production vocale. Conclusions : Les auditeurs et surtout les auditrices évaluent les FR comme ayant une voix « sûrement masculine » par rapport aux FN. Ce classement est corrélé à la F0 ainsi qu’à des paramètres acoustiques liés à la qualité vocale : CPP, H1H2, HNR05, HNR15 et HNR25. Ces nouvelles informations contribuent à la compréhension de la perception du genre dans la voix et pourraient guider la réhabilitation des personnes se plaignant d’ambiguïté du genre vocal. / Purpose: Women with Reinke’s edema (RW) are often identified as men over the phone. For this reason, their masculine sounding voice is interesting for the study of gender stereotypes. The study’s objective is to verify their complaint and to understand the cues used in gender identification based on their voices.Methods: We verified, through a self-evaluation study, the perception of their own voice by RW. We compared the acoustic parameters of vowels and sentences produced by 10 RW to those produced by 10 men (NM) and 10 women (NW) with normal voices in Lebanese Arabic. We conducted two perception studies for the evaluation of RW, NM and NW voices by naïve listeners. Results: RW self-evaluated their voice as being masculine and their personality as being feminine. The acoustic parameters distinguishing RW voices concern pitch, spectral slope, harmonicity of the voicing signal and complexity of the spectral envelop. Naïve listeners (especially women) rate RW voices as “surely masculine” more often than they rate NW voices even in sentences. Conclusions: Listeners (especially women) rate RW’s gender as “surely masculine” more often than NW. These incorrect gender ratings are correlated with acoustic measures of voice quality. The most contributing parameters to gender perception are: F0, CPP, H1H2, HNR05, HNR15, and HNR25. This new data contributes to the understanding of the perception of gender in voice and will guide the rehabilitation plan of patients complaining of an ambiguous voice.

Diploma thesis explores the possibility of using diffusion-weighted images in medicine. The paper is a brief physical principle of operation of the magnetic resonance as a tool for non-destructive imaging of the internal structure of substances, the principle of the display contrast as T1, T2 and diffusion weighted images, the course of the sequence for obtaining images with different contrast. Medicine is faced with the problem of classification of pathological tissue in the brain. Contrast diffusion-weighted images does not visually determine the shape of pathological tissue in the form of a tumor or edema. With the T1 and T2 weighted images were calculated mask corresponding tumor and edema, that have been applied to the diffusion-weighted images. Images of the tumor and edema have been subjected diffusivity measurements and statistical evaluation for the purpose of classifying the type of tumor. Investigations were seven findings glioma and metastatic five awards. The research was focused on classifying pathological tissue.

Determination of the extent and state of a limb edema is based on information about its current volume. There are a number of methods for volume measurements. The theoretical part of this semestral thesis discusses the etiology, classification and principles of volume measurements and basic information about ultrasound and stepper motors. The practical part consists of a design of own device for a contactless limb volume measurement with ultrasonic module. It consists of a code for a microcontroller which controles the whole system including the computational operations and a real model of the system.

Quantitative computertomographische Studie zu den pulmonalen Auswirkungen intramuskulär applizierten Xylazins beim Schaf Einleitung. α2-Agonisten wie z.B. Xylazin werden in der veterinärmedizinischen Praxis häufig zur Se-dierung eingesetzt. Dabei ist für das Schaf eine besonders ausgeprägte Sensibilität gegenüber Xylazin nachgewiesen. Bisher nur unzureichend untersucht wurde der Einfluss der Applikationsform des α2-Agonisten Xylazin (intravenöse versus intramuskuläre Injektion) auf den Ausprägungsgrad der entste-henden Lungenveränderungen. Ziele der Untersuchungen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Xylazin-induzierten pulmonalen Reaktionen nach intramuskulärer Applikation zu quantifizieren und mit den Auswirkungen einer intrave-nösen Gabe beim Schaf zu vergleichen. Um wissenschaftlich konsequent zu arbeiten, wurde weiterhin die Wirkung der in Xylazin-Präparaten enthaltenen sonstigen Bestandteile untersucht. Material und Methode. Als Studientiere wurden sieben weibliche Schafe der Rasse Merinoland zwei-malig in einem Abstand von acht Wochen untersucht. Bei diesen Tieren handelte es sich um die Scha-fe, welche in einem vorausgegangenen Projekt zu den pulmonalen Wirkungen von intravenös appliziertem Xylazin in identischer Dosierung am deutlichsten reagiert hatten. Nach Prämedikation der Tiere mit Midazolam (0,25 mg/kg KM) und Sufentanil (0,6 µg/kg KM) wurde die Narkose mit Propofol aufrechterhalten (5-10 mg/kg KM/h). Nach abgeschlossener Instrumentierung wurden die Schafe in Rückenlage im Computertomographen positioniert und mit einer inspiratorischen Sauerstoffkonzentration von 100 Vol.-% beatmet. Zur Reduktion lagerungsbedingter Atelektasen wurde vor Versuchsbeginn ein Recruit¬ment¬ma¬nö¬ver (druckkontrollierte Beatmung, inspiratorischer Spitzendruck 60 cmH2O, PEEP 40 cmH2O, Atemfrequenz 10/min, Dauer zwei Minuten) durchgeführt. Nach abgeschlossenem Recruitmentmanöver wurden die Schafe bis zum Ende des Versuchsabschnittes volumenkontrolliert beatmet (Atemzugvolumen 8 ml/kg KM, PEEP 10 cmH2O, Adjustierung der Atemfrequenz, Ziel endexspiratorische Kohlendioxidkonzentration etwa 4,5 Vol.-%). Im Versuchsabschnitt „i.m.“ wurde Xylazin intramuskulär in einer Dosierung von 0,3 mg/kg KM injiziert. 10 Minuten vor sowie 5, 15, 30 und 60 Minuten nach der Xylazin-Injektion wurden computertomographische Untersuchungen des Thorax durchgeführt. Im Versuchsabschnitt „Vehikel“ wurde den Schafen eine dem verwendeten Xylazin-Präparat analoge, jedoch Xylazin-freie Lösung intravenös appliziert (enthält 1 mg/ml des Konservierungsstoffs Methyl-para-hydroxybenzoat). Als Dosis wurde eine der Xylazin-Gabe entsprechende Dosis von 0,015 ml/kg KM gewählt. Zusätzlich wurde 45 Minuten nach Versuchsbeginn Xylazin® 2 % in einer Dosis von 0,3 mg/kg KM intravenös injiziert. Die computertomographischen Untersuchungen wurden 10 Minuten vor sowie 5, 15, 30 Minuten nach erfolgter Injektion des Vehikel-Präparates und 5 Minuten nach erfolgter Injektion von Xylazin® durchgeführt. Unter Anwendung der Extrapolationsmethode wurden mit der quantitativen computertomographischen Analyse jeweils das totale Lungenvolumen (Vtot), das totale Lungengewicht (Mtot) und der Anteil der nicht belüfteten Lungenmasse (% Mnon) bestimmt. Dabei galt ein Abfall im totalen Lungenvolumen als Nachweis für Atelektasen, ein Anstieg im totalen Lungengewicht war gleichbedeutend mit der Entstehung eines Lungenödems. Als klinisch relevant galt eine Zunahme der totalen Lungenmasse um 100 g. In beiden Versuchsabschnitten wurden mittels arterieller Blutgasanalysen zusätzlich der arterielle Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidpartialdruck (PaO2, PaCO2) erfasst. Ergebnisse. Vor der intramuskulären Xylazin-Gabe wurden folgende Medianwerte ermittelt: Vtot: 4220 ml, Mtot: 1280 g, % Mnon: 3 %, PaO2: 443 mmHg, PaCO2: 48 mmHg. Nach intramuskulärer Xylazin-Injektion zeigten sich die nachfolgenden statistisch signifikanten Maximaländerungen: Vtot-Abfall: 516 ml (Interquartilbereich 408-607), Mtot bzw. % Mnon-Zunahme: 108 g (Interquartilbereich 70-140) bzw. 15 % (Interquartilbereich 8-24) PaO2-Abfall: 280 mmHg (Interquartilbereich 200-346), PaCO2-Anstieg: 17 mmHg (Interquartilbereich 7-27). Die intramuskuläre Gabe von Xylazin verursachte im Vergleich zur intravenösen tendenziell, aber statistisch nicht signifikant, geringere Abnahmen im totalen Lungenvolumen sowie eine tendenziell, aber statistisch nicht signifikant geringere Zunahme im Anteil der nicht belüfteten Lungenmasse. Des Weiteren konnte ein statistisch signifikant geringerer Abfall im arteriellen Sauerstoffpartialdruck bei intramuskulär erfolgter Injektion nachgewiesen werden. Die Xylazin-induzierte Hypoxämie erreichte unter Beatmung mit 100 Vol.-% Sauerstoff auch nach intramuskulärer Gabe des α2-Agonisten im Mittel einen moderaten Ausprägungsgrad, wobei 50 % der Studientiere sogar eine schwere Belüftungsstörung zeigten (PaO2 < 100 mmHg). Entsprechend dem Schweregrad der durch den α2-Agonisten induzierten Belüftungsstörung trat eine Hyperkapnie auch nach intramuskulärer Xylazin-Gabe auf. Auch die korrespondierenden % Mnon-Zunahmen erreichten bei intramuskulärer Xylazin-Injektion neben der statistischen Signifikanz erhebliche klinische Relevanz. So waren im Mittel 18 % (Interquartilbereich 10-28) des Lungengewebes nach intramuskulärer Gabe des α2-Ago¬nis¬ten nicht belüftet. Bei jeweils 50 % der Tiere konnte für beide Applikationsformen ein klinisch relevantes Lungenödem nachgewiesen werden. Eine Reaktion der Versuchstiere auf die sonstigen im Xylazin-Präparat enthaltenen Bestandteile konnte ausgeschlossen werden. So konnte für keinen der untersuchten Parameter eine statistisch signifikante Änderung nach Injektion der Vehikel-Lösung nachgewiesen werden. Statistisch signifikante Zu- bzw. Abnahmen in den untersuchten Parametern konnten eindeutig der Wirkung des α2-Agonisten Xylazin zugewiesen werden. Schlussfolgerungen. Trotz quantitativ geringerer Ausprägung in den detektierten Änderungen von Vtot, PaO2 und % Mnon zeigten die Xylazin-induzierten pulmonalen Reaktionen bei der Mehrzahl der Studientiere auch nach intramuskulär erfolgter Applikation des α2-Agonisten erhebliche klinische Relevanz. Ein zeitlich verzögertes Eintreten im Vergleich zur intravenösen Gabe des α2-Agonisten konnte nur für die Formation des Xylazin-induzierten Lungenödems festgestellt werden. Analog zu den Ergebnissen des vorausgegangenen Projektes zur Wirkung von intravenös verabreichtem Xylazin, kann das morphologische Bild der Xylazin-induzierten Lungenveränderungen durch eine Koexistenz von Atelektasen und Lungenödem beschrieben werden. Derzeit konnte noch kein logisches Muster gefunden werden, dass die interindividuelle Variabilität in der Reaktion auf Xylazin beim Schaf aufzuklären vermag. Ebenso ist der Erkenntnisstand bezüglich einer möglicherweise vorhandenen Rasseabhängigkeit bis dato nicht ausreichend, um im Vorfeld die Sensibilität gegenüber Xylazin bei einem Schaf abschätzen zu können. Demzufolge muss beim Schaf auf der Grundlage der vorliegenden Ergebnisse im Einzelfall auch nach einer intramuskulären Xylazin-Gabe mit einer Dosierung von 0,3 mg/kg KM von schwerwiegenden Lungenveränderungen ausgegangen werden. Sofern Schafe als Tier-Modell in der experimentellen Lungenforschung verwendet werden, sollte aufgrund der Gefahr von fehlerhaften Forschungsergebnissen sowohl auf den intramuskulären Einsatz von Xylazin zur Prämedikation verzichtet werden als auch auf die intravenöse Verabreichung des α2-Agonisten als Narkosebestandteil. Um in der Praxis zukünftig unnötiges Leiden oder gar Versterben von Tieren verhindern zu können, muss die Problematik der Xylazin-induzierten Lungenveränderungen beim Schaf weiter verfolgt und näher erforscht werden.

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Varje år i Sverige sker ca 24 000 skallskador på grund av yttre trauma och 30 000 strokeskador. Ett betydande antal får sekundära skador på grund av den ökade vattenhalten kring den skadade hjärnvävnaden. Föreslagen metod är att inducera vattenflöde från skadad till frisk vävnad baserat på teorin om elektroosmotiskt flöde. Teorin bakom elektroosmotiskt flöde är att ett flöde induceras då en spänning läggs över ett medium. Elektroosmotiskt flöde tillämpas i industrin och kallas då electro-osmotic dewatering (EOD). Tekniken används för avvattning av biomaterial, leror, tofu ark samt inom tumörbehandling. I arbetet har utförts flera experiment på hjärnfantomer av agarosgel för att undersöka om metoden kan användas för att leda bort vatten. Första experimentet gjordes för att bevisa att ett flöde induceras vid pålagd spänning över fantom. Andra experimentet undersöker förhållandet mellan flödet, spänningen och strömmen. Resultatet blev linjära förhållanden mellan flödet och spänningen, flödet och strömmen samt mellan spänningen och strömmen. Med litteraturkällor och experimentella resultat härleddes ett samband för att kunna bestämma flödet vid pålagt elektriskt fält. Arbetet avslutades med litteraturstudie i elektrodens material, utformning och placering. Rekommendationerna blev att använda platta elektroder med en strömtäthet under 25 mA/m2. Placeringen optimeras genom förbestämda Finite Element (FE) simuleringar av typskador. / Every year in Sweden there is about 24,000 head injuries due to external trauma and 30,000 strokes. A significant number may develop secondary damage because of the increased water content around the damaged brain tissue. The proposed method is to induce water flow from damaged to healthy tissue based on the theory of electroosmosis. The theory behind the electroosmosis is that a flow is induced when a voltage is applied across a medium. The theory of electroosmosis is applied in industry and called electro-osmotic dewatering (EOD) which is used as a drying technique for the dewatering of bio-materials, clays, tofu sheets and electroosmosis is also applied in clinical treatment of tumors. Several experiments were performed on brain phantoms consisting of agarose gel to examine whether the method can be used to divert water. The first experiment was done prove that a flow can be induced when a voltage is applied over the phantom. The second experiment was to investigate the relationship between the flow rate, voltage and current. The result showed linear correlation between flow rate and voltage, flow rate and current, and between the voltage and current. The literature sources and experimental results were referred to a relationship which is developed to determine the flow induced by electrical field. The work was completed with recommendations in electrode material, design and placement. The recommendations are to use plate electrodes at a current density under 25 mA/m2. Electrode placement is predetermined by Finite Element (FE) simulations of different types of injuries.

Der ATP-getriggerte Ionenkanal P2X7 ist als purinerger Oberflächenrezeptor besonders auf Zellen des Immunsystems und auf Gliazellen im Nervensystem exprimiert. Seine Aktivierung führt zur Freisetzung proinflammatorischer Zytokine, zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies sowie zu einer Beeinflussung des Zellzyklus. Zwar konnte eine Beteiligung des Rezeptors an verschiedenen entzündlichen und degenerativen Erkrankungen nachgewiesen werden, allerdings bestehen nach wie vor viele Unstimmigkeiten darüber, ob P2X7 im Einzelfall protektiv oder schadend wirkt. Eine therapeutische Modulation des Rezeptors gestaltet sich daher bis heute schwierig. Weiterhin wurde trotz intensiver Bemühungen um selektive, potente P2X7-Modulatoren bisher kein Wirkstoff über Phase-II-Studien hinaus entwickelt. Der erste Teil der Arbeit beschreibt eine Studie zur Identifikation neuer P2X7-Modulatoren und deren Charakterisierung hinsichtlich Potenz, Bindeverhalten und Speziesspezifität. Ziel dieser Studie war es, die Basis für die Entwicklung möglicher neuer Therapeutika zu legen, für die ein hoher Bedarf besteht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Beteiligung des P2X7-Rezeptors an den pathophysiologischen Vorgängen nach einem Hirninfarkt untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag dabei auf dem Einfluss, den der Rezeptor auf die Bildung eines begleitenden, oftmals fatalen Hirnödems ausübt. In einer Wirkstoffbibliothek enthaltene zugelassene Pharmaka und Naturstoffe wurden auf ihre Wirksamkeit am rekombinant exprimierten humanen P2X7-Rezeptor (hP2X7) getestet. Dazu wurde gemessen, inwiefern diese Wirkstoffe den P2X7-vermittelten Ca2+-Einstrom modulieren können. Für potenziell selektive Substanzen wurden Konzentrations-Wirkungs-Kurven erstellt. Für den potenten Inhibitor Tanshinon II A-Sulfonat (TIIAS) und den chemisch verwandten Wirkstoff Tanshinon II A (TIIA) erfolgte diese Untersuchung auch an den rekombinant exprimierten P2X7-Rezeptoren von Maus (mP2X7) und Ratte (rP2X7). Weiterhin erfolgte eine detaillierte, auf elektrophysiologischen Untersuchungen basierende Darstellung der pharmakodynamischen Eigenschaften von TIIAS. Die Selektivität der Wirkung gegenüber P2X2 und P2X4 wurde mithilfe entsprechender Zelllinien geprüft. Die Wirkung modulierender Pharmaka am nativen Rezeptor wurde in humanen, aus peripheren Blutmonozyten gereiften Makrophagen überprüft, wozu neben der Darstellung des Ca2+-Einstroms auch ein IL-1β-ELISA eingesetzt wurde. In allen Experimenten wurde die Beteiligung von P2X7 über bekannte Antagonisten verifiziert. Um zu klären, inwiefern P2X7 die pathophysiologischen Abläufe nach Hirninfarkt beeinflusst, wurde bei 20 P2X7-defizienten Mäusen (P2X7-/-) und bei 22 zugehörigen Wildtyp-Mäusen (WT) eine zerebrale Ischämie induziert, indem die mittlere Zerebralarterie mit einem dünnen Faden für 60 Minuten transient verschlossen wurde (middle cerebral artery occlusion, MCAO). In den folgenden 72 Stunden wurde über klinische Methoden und Magnetresonanzuntersuchungen die Entwicklung neurologischer Defizite, der Infarktgröße und des begleitenden Hirnödems evaluiert. Nach schmerzloser Tötung und Hirnentnahme wurden immunhistologisch die Aktivierung und Verteilung von Mikroglia und Astrozyten sowie der Zustand des Gefäßendothels untersucht. Sham-operierte Tiere dienten in allen Experimenten als Kontrollen. TIIAS hemmte hP2X7 mit einer IC50 von 4.3 μM, während die Potenz an mP2X7 geringer war und rP2X7 kaum geblockt wurde. TIIA modulierte P2X7 nicht. TIIAS hemmte als allosterischer Antagonist die Öffnung des Ionenkanals und band vermutlich an eine intrazelluläre Bindestelle. Die Wirkung von TIIAS wurde in humanen Makrophagen bestätigt, in denen der Wirkstoff den Ioneneinstrom und die IL-1β-Freisetzung hemmte. Obwohl die neurologische Untersuchung von P2X7-/-- und WT-Mäusen nach MCAO keine signifikanten Unterschiede ergab, zeigte sich in der bildgebenden Diagnostik, dass P2X7-/--Mäuse binnen 24 Stunden nach der OP ein signifikant stärkeres Hirnödem entwickelten, welches nicht durch Unterschiede in der Infarktgröße bedingt war. Der Infarkt führte in beiden Gruppen zu einer Gliaaktivierung, die im Fall der Mikroglia in Abwesenheit von P2X7 allerdings reduziert war. Differenzen hinsichtlich der Aktivierung von Astrozyten und der Expression von Laminin im Kapillarendothel wurden nicht festgestellt. Im Gegensatz zu TIIA, das häufig als gleichwertiger Wirkstoff eingesetzt wird, blockt TIIAS hP2X7 speziesspezifisch mit einer hohen Potenz. Maus und Ratte scheiden aufgrund der geringen Wirkung von TIIAS leider als Tiermodelle aus, um die Wirkung von TIIAS in vivo zu prüfen. Weitere Arbeiten sind notwendig, um die Potenz von TIIAS in anderen Spezies zu evaluieren oder Alternativen zum Tierversuch zu finden und eine mögliche therapeutische Anwendung bei Erkrankungen mit P2X7-Beteiligung zu testen. P2X7 beeinflusst die pathophysiologischen Vorgänge nach einem Hirninfarkt und begrenzt die Entwicklung eines zytotoxischen Hirnödems, nicht aber die des vasogenen Hirnödems, das sich zeitversetzt einstellt. Eine mögliche Erklärung für diesen Sachverhalt bieten die unterschiedlichen Funktionen, die Gliazellen zu verschiedenen Zeitpunkten nach zerebraler Ischämie übernehmen. Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass verschiedene Tiermodelle des zerebralen Infarkts nicht in allen Punkten vergleichbar sind.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung........................................................................................................... 1 1.1 Purinerge Signaltransduktion.......................................................................... 1 1.2 P2X-Rezeptoren.............................................................................................. 2 1.3 Pharmakologie des P2X7-Rezeptors............................................................... 3 1.4 Physiologische und pathophysiologische Bedeutung des P2X7-Rezeptor...... 5 1.5 Gegenstand dieser Arbeit............................................................................... 7 2 Veröffentlichungen............................................................................................. 9 2.1 Erste Publikation............................................................................................. 9 2.1.1 Tanshinone II A sulfonate, but not tanshinone II A, acts as potent negative allosteric modulator of the human purinergic receptor P2X7................................. 9 2.1.2 Ergänzende Materialien zur ersten Publikation.......................................... 22 2.2 Zweite Publikation......................................................................................... 30 2.2.1 Lack of functional P2X7 receptor aggravates brain edema development after middle cerebral artery................................................................................. 30 2.2.2 Ergänzende Materialien zur zweiten Publikation......................................... 42 2.2.3 Erratum to: Lack of functional P2X7 receptor aggravates brain edema development after middle cerebral artery occlusion............................................ 46 3 Diskussion........................................................................................................ 49 4 Zusammenfassung........................................................................................... 55 5 Summary.......................................................................................................... 57 6 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 59 7 Danksagung..................................................................................................... 66 / ATP-gated ion channel P2X7 is a purinergic cell surface receptor which is mainly expressed on immune and glia cell. Upon activation of P2X7, proinflammatory cytokines are released, reactive oxygen species are generated and the cell cycle may be altered. In this regard, it has been shown that P2X7 plays a role in diseases such as rheumatoid arthritis, Alzheimer’s disease and multiple sclerosis. However, results regarding protective or detrimental effects mediated by P2X7 under particular conditions are often inconsistent. Thus, up to now, any therapeutic modulation of the receptor remains a challenge. Although intensive research has been conducted to find selective, potent P2X7-modulators, no active compound has been developed beyond phase II clinical trials. The first part of this work describes a study realized to identify new P2X7 modulators and to characterize them in terms of pharmacodynamic properties like potency and species specificity. This study was aimed at providing a basis for the development of new therapeutic agents, which are urgently needed. During the second part of this work, the involvement of P2X7 in pathophysiological processes after cerebral infarction was examined. Particular attention was paid to the influence of the receptor on the development of an accompanying and often fatal brain edema. A compound library containing approved drugs and natural compounds was screened for modulators of the recombinantly expressed human P2X7 receptor (hP2X7). Therefor, their effect on P2X7-mediated Ca2+ influx was evaluated. Concentration-response-curves were established for potentially selective compounds. Tanshinone II A sulfonate (TIIAS) turned out to be a potent inhibitor of P2X7. Both TIIAS and tanshinone II A (TIIA), the natural compound TIIAS has been derived from, were also tested on recombinantly expressed mouse and rat P2X7 (mP2X7 and rP2X7, respectively). Furthermore, electrophysiological assays were conducted for a detailed characterization of mechanisms of P2X7 inhibition. Antagonist selectivity was revised using cell lines expressing purinergic receptors P2X2 and P2X4. Human monocyte-derived macrophages were used in fluorometric calcium and dye-uptake assays as well as an IL-1ß ELISA to evaluate the effects of modulating compounds on native P2X7. In all experiments, involvement of P2X7 was verified using established P2X7 antagonists. In order to evaluate whether modulation of P2X7 may affect the outcome after cerebral infarction, cerebral ischemia was induced in 20 P2X7-deficient mice (P2X7-/-) and 22 mice of their corresponding wild type (WT) by transiently occluding their middle cerebral artery for 60 minutes with a thin filament (middle cerebral artery occlusion, MCAO). During 72 hours following surgery, neurological deficits, infarct size and edema development were monitored, applying clinical examinations and magnetic resonance measurements. After humane killing and brain removal, different antibodies were used in order to evaluate the distribution and activation state of microglia and astrocytes as well as the condition of the vascular endothelium. Sham-operated animals were used as negative controls in all experiments. TIIAS blocked hP2X7 with an IC50 of 4.3 μM, whereas it proved to be less potent at mP2X7 and poorly modulated rP2X7. TIIA did not modulate P2X7. TIIAS acted as an allosteric antagonist and reduced the opening of the ion channel; it presumably bound to an intracellular binding site. The effect of TIIAS could be confirmed in human macrophages. In these cells, TIIAS inhibited the ATP-induced Ca2+ entry, dye-uptake and release of IL-1β. Although neurological examinations did not reveal significant differences between P2X7-/- and WT mice that underwent MCAO, diagnostic imaging revealed that P2X7-/- mice developed significantly more severe brain edema within 24 hours after surgery, a development that was not due to differences in infarct sizes. Both groups displayed clear signs of activation of glia cells, but only microglia activation was attenuated in the absence of P2X7. Differences regarding the activation state of astrocytes or the expression of laminin by capillary endothelial cells could not be detected. TIIAS species specifically blocks hP2X7 with a high potency. TIIA does not convey this effect although both compounds are frequently used interchangeably. Due to the low potency TIIAS displays at mP2X7 and rP2X7, these species unfortunately cannot be used as animal models to evaluate the drug’s effect in vivo. Further research is necessary to evaluate the potency of TIIAS at other species’ P2X7 receptors or to find alternativespurinerge Signaltransduktion, P2X7, Tanshinon II A-Sulfonat, zerebrale Ischämie, Hirnödem to animal testing in order to study possible therapeutic applications of TIIAS in P2X7-related diseases. P2X7 does affect pathophysiological events following cerebral ischemia and restricts cytotoxic brain edema development, but does not limit vasogenic cerebral edema formation, which develops at a later stage of the disease. The different functions fulfilled by glia cells at distinct points in time after infarction may provide an explanation for this interesting fact. The results presented also imply that diverse animal models of cerebral ischemia may not be entirely comparable due to differences regarding the pathogenesis of brain edema.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung........................................................................................................... 1 1.1 Purinerge Signaltransduktion.......................................................................... 1 1.2 P2X-Rezeptoren.............................................................................................. 2 1.3 Pharmakologie des P2X7-Rezeptors............................................................... 3 1.4 Physiologische und pathophysiologische Bedeutung des P2X7-Rezeptor...... 5 1.5 Gegenstand dieser Arbeit............................................................................... 7 2 Veröffentlichungen............................................................................................. 9 2.1 Erste Publikation............................................................................................. 9 2.1.1 Tanshinone II A sulfonate, but not tanshinone II A, acts as potent negative allosteric modulator of the human purinergic receptor P2X7................................. 9 2.1.2 Ergänzende Materialien zur ersten Publikation.......................................... 22 2.2 Zweite Publikation......................................................................................... 30 2.2.1 Lack of functional P2X7 receptor aggravates brain edema development after middle cerebral artery................................................................................. 30 2.2.2 Ergänzende Materialien zur zweiten Publikation......................................... 42 2.2.3 Erratum to: Lack of functional P2X7 receptor aggravates brain edema development after middle cerebral artery occlusion............................................ 46 3 Diskussion........................................................................................................ 49 4 Zusammenfassung........................................................................................... 55 5 Summary.......................................................................................................... 57 6 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 59 7 Danksagung..................................................................................................... 66

Many medical devices have been shifting to personal platforms such as smartphones due to its ubiquitous availability, variety of included sensors, robust communication, and user-friendliness. By utilizing smartphones as a medical sensing device should improve the early detection of abnormalities and the long-term monitoring of health conditions. Tissue abnormalities will be detected by touch sensation due to mechanical property changes within the tissue. However, touch sensation is unquantifiable and subjective. We integrate the smartphone with a tactile sensor to build a portable and personalized tissue assessment device based on changes in mechanical properties. The Smartphone Tactile Imaging Probe (STIP) is developed to quantify the mechanical properties of the tissue. The proposed system has a dual-sensing mode: compression-based sensing (STIP-C) and indentation-based sensing (STIP-I). STIP–C is designed to detect and measure the size and hardness of the inclusion. It assesses mechanical property changes caused by the tumor inside the tissue. STIP–I is designed to measure the pitting parameters and viscoelastic properties of the tissue. This system will assess the viscoelasticity changes caused by fluid retention within the tissue. STIP estimates mechanical and viscoelastic behavior changes in the tissue and provides the risk evaluation of an underlying health problem. Breast cancer risk assessment and edema severity level classification are the main applications of STIP. We estimate the breast cancer risk by incorporating the patient’s personal risk value into the STIP-C data associated with the tumor mechanical properties to improve the risk assessment accuracy. To classify the edema severity level, the STIP-I measures the pitting parameters and viscoelastic properties of the tissue. From these parameters, we build a Viscoelastic Pitting Recovery (VPR) model. The model illustrates the changes in tissue viscoelastic behavior associated with the edema severity level. Using the VPR model, we use the thresholding method to classify the edema cases. We also developed customized phantoms representing the different amounts of fluid retention in the tissue. The experimental result found a relationship between the amounts of pitted depth from STIP-I and the fluid amount of a phantom. In this dissertation, we developed and tested a portable tissue mechanical property estimation system. The interchangeable dual-mode STIP sensing probe and risk assessment methods were developed for the breast tumor malignancy and edema severity applications. / Electrical and Computer Engineering

Pulmonary edema occurs when fluid leaks from the pulmonary capillary network into the lung interstitium and alveoli. When the heart is not able to pump blood to the body efficiently, fluid can back up into the veins that take blood through the lungs to the left atrium. This then builds up the pressure in the blood vessels and fluid is pushed into the alveoli in the lungs. The fluid reduces normal oxygen movement through the lungs and can cause impaired gas exchange and respiratory failure. There are many causes of congestive heart failure that may lead to pulmonary edema such as heart attack, any diseases of the heart that weaken or stiffen the heart muscle, a leaking or narrowed heart valve, and sudden, severe high blood pressure. Pulmonary edema is a strong indicator of congestive heart failure in patients and therefore can be used as a gauge for congestive heart failure. One way to diagnose cardiogenic pulmonary edema constantly is through the continuous monitoring of the transthoracic impedance throughout the day. One method to achieve this constant monitoring is through the use of a cardiac pacemaker or an implantable cardioverter defibrillator (ICD). Many patients who are at risk of heart failure have these medical devices implanted already. In these implantable cardiac devices, the connected cardiac leads can be utilized to continually screen several impedance vectors for decreases in impedance in the thoracic cavity. A pacemaker or ICD that implements Pulmonary Edema Monitoring is designed to continuously monitor these impedance vectors and alert the patient to seek medical attention. This thesis will discuss the implementation of Pulmonary Edema Monitoring via screening of multiple impedance vectors in a pacemaker or implantable cardioverter defibrillator and the effectiveness of this monitoring method. Furthermore, the design, implementation, and testing of this feature will be explored in greater detail.