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Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit einer Feldstärke von 3 T ist in der prächirurgischen Nutzen-Risiko-Evaluation von Patienten mit Hirntumoren in bzw. im Bereich funktionell bedeutsamer Regionen, wie beispielsweise in Nachbarschaft zum Sulcus centralis, gut etabliert. Das Konzept der Neuroplastizität umfasst unter anderem Mechanismen zur zerebralen kortikalen Reorganisation nach Hirnschädigung. Ziel der vorliegenden prospektiven fMRT-Verlaufsstudie ist die Evaluation der noch wenig bekannten längerfristigen funktionellen Veränderungen des Gehirns nach neurochirurgischer Intervention. Zu diesem Zwecke wurden 14 Patienten mit Hirntumoren innerhalb oder in der Nähe des primären motorischen Cortex (MI) in die Studie eingeschlossen, welche sich einer neurochirurgischen Behandlung unterzogen. Bei 12 der Patienten wurde sowohl prä- als auch postoperativ eine funktionelle Bildgebung (fMRT) anhand des motorischen Paradigmas des unimanuellen und bimanuellen Fingertappens in einem 3 T MRT-Scanner durchgeführt. Wegen Bewegungsartefakten konnten lediglich 9 der Patienten in die weitere Auswertung eingeschlossen werden. Als Kontrollgruppe diente eine einmalige Untersuchung von neun gesunden Probanden. An längerfristigen Reorganisationsmustern konnten bei Patienten ohne Handparese sowohl die Rekrutierung der geschädigten als auch der intakten Hemisphäre des kortikalen motorischen Netzwerkes aufgezeigt werden. Tumorwachstum im Bereich des supplementär-motorischen Areals (SMA) ging mit einer bilateralen Rekrutierung der rostralen Portion des SMA (SMAr) einher. Die postoperative Reorganisation des motorischen Netzwerkes umfasste unter kontraläsionalen Fingertappen eine Lateralisierung der Aktivierung der SMAr zur nicht betroffenen Hemisphäre. Diese war umso ausgeprägter je größer das Tumorvolumen oder je näher der Tumor zur SMAr gelegen war. Demnach kann eine Dysfunktion der ipsilateralen SMAr präoperativ durch eine bilaterale und postoperativ durch eine kontraläsionale Rekrutierung kompensiert werden.

Hintergrund: Tumoren des zentralen Nervensystems zählen zu den seltenen Krebserkrankungen des Erwachsenenalters, aber haben eine vergleichsweise hohe Letalität. Bei allen Hirntumorerkrankungen inklusive der Hirnmetastasen bestehen zudem besondere Anforderungen aufgrund der intrakraniellen Lage hinsichtlich der chirurgischen Therapie. Eine Operation stellt meist eine Gratwanderung zwischen Tumorresektion und Schädigung des umgebenden Hirnparenchyms dar. Da maligne Hirntumoren das umgebende Hirngewebe infiltrieren, ist die optische und taktile Unterscheidung insbesondere von Gliomen und deren Infiltrationsrändern vom umgebenden Hirnparenchym durch Operierende aber nicht sehr sensitiv. Da der Residualtumor den größten prädiktiven Faktor des Patient:innen-Überlebens darstellt, wird klar, dass sensitive Methoden entwickelt werden müssen, um es Operierenden zu erleichtern, intraoperativ Residualtumor zu erkennen und zu resezieren. Neben den bereits etablierten Verfahren der intraoperativen Bildgebung wie der Neuronavigation, der intraoperativen MRT oder der 5-ALA-Fluoreszenzmikroskopie, ist die schnitt- und färbefreie Technik der Raman-Spektroskopie in den letzten Jahren zur Unterscheidung von Tumor und Hirnparenchym sowie zur Erkennung von infiltrativ wachsenden Tumoren hervorgetreten. Die Raman-Spektroskopie basiert auf der Detektion von inelastisch gestreutem Licht an Molekülen im Sinne des Raman-Effekts. So kann in Sekundenschnelle eine biochemische Signatur des untersuchten Gewebes erstellt werden. Darüber hinaus stellt die Raman-Spektroskopie ein Autofluoreszenzspektrum bereit, welches ebenso zur Analyse von Gewebe benutzt werden kann. Fragestellung: Aufgrund der Notwendigkeit einer besseren intraoperativen Visualisierung von Tumorgewebe in der Neurochirurgie, soll in dieser Arbeit das Potenzial der intraoperativen in-situ-Raman-Spektroskopie beurteilt werden. Neben den intraoperativ erhobenen Ramanspektren, sollen insbesondere die oft unbeachteten Autofluoreszenzeigenschaften von Tumor und umliegendem Gewebe auf mögliche Unterschiede genauer untersucht werden. Einerseits soll aufgrund der fehlenden Erfahrung mit der kommerziell erhältlichen fiberoptischen Sonde die spektrale Qualität untersucht werden sowie Validität und Reliabilität des Messsystems beurteilt werden. Für einen intraoperativen Einsatz muss andererseits die Prozedur der Sterilisation entwickelt sowie die Integration in bestehende Arbeitsabläufe und Störfaktoren bei Messungen im Operationssaal bewertet werden.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis VII Symbolverzeichnis IX 1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund 1 1.2 Intraoperative Bildgebung 2 1.2.1 Neuronavigation 2 1.2.2 Intraoperative MRT 3 1.2.3 5-ALA-Fluoreszenz-gestützte Resektion 3 1.2.4 Raman-Spektroskopie 4 1.3 Motivation des Projektes 6 2 Material und Methoden 7 2.1 Gewebe 7 2.2 Histologie 7 2.2.1 Fixierung und Einbettung 7 2.2.2 Gefrierschnitte 8 2.2.3 Färbungen 8 2.2.4 Bestimmung der Zellzahl und des Proliferationsindex 11 2.3 Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 12 2.3.1 Aufbau des faserbasierten Messsystems 12 2.3.2 Faserbasierte Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 14 2.3.3 Referenz-Raman-Spektroskopie mit mikroskopischem System 17 2.4 Datenverarbeitung und -aufbereitung 17 2.4.1 Bestimmung der Autofluoreszenzintensität 18 2.4.2 Prozessierung des Rohspektrums 18 2.4.3 Ramanbandenintensität 19 2.4.4 Statistische Analyse 19 2.4.5 Clusteranalyse 19 3 Ergebnisse 20 3.1 Testung des faserbasierten Messsystems und Etablierung von Messprotokollen 20 3.1.1 Qualitative Beurteilung des Spektrums 20 3.1.2 Artefaktelimination 24 3.1.3 Festlegung optimaler Messparameter 27 3.1.4 Messtiefe 30 3.2 Ex-vivo-Autofluoreszenz und Raman-Spektroskopie 31 3.2.1 Autofluoreszenzintensität 32 3.2.2 Ramanspektren 35 3.3 Intraoperative in-situ-Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 47 3.3.1 Sondenaufbereitung 47 3.3.2 Evaluation der Signalstärke nach 9, 16, 21 und 31 vollständigen Wiederaufbereitungszyklen 47 3.3.3 Spektrale Qualität im Operationssaal 48 3.3.4 Analyse der Spektren 53 3.3.5 Histopathologie 63 3.3.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 64 3.3.7 Darstellung ausgewählter Patient:innen 66 4 Diskussion 74 4.1 Testung des faserbasierten Messsystems und Etablierung von Messprotokollen 74 4.2 Ex-vivo-Autofluoreszenz und Raman-Spektroskopie 79 4.3 Intraoperative in-situ-Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 81 4.4 Schlussfolgerung 89 5 Zusammenfassung 91 6 Summary 95 Literaturverzeichnis X Danksagungen XVIII Anhang XIX / :Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis VII Symbolverzeichnis IX 1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund 1 1.2 Intraoperative Bildgebung 2 1.2.1 Neuronavigation 2 1.2.2 Intraoperative MRT 3 1.2.3 5-ALA-Fluoreszenz-gestützte Resektion 3 1.2.4 Raman-Spektroskopie 4 1.3 Motivation des Projektes 6 2 Material und Methoden 7 2.1 Gewebe 7 2.2 Histologie 7 2.2.1 Fixierung und Einbettung 7 2.2.2 Gefrierschnitte 8 2.2.3 Färbungen 8 2.2.4 Bestimmung der Zellzahl und des Proliferationsindex 11 2.3 Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 12 2.3.1 Aufbau des faserbasierten Messsystems 12 2.3.2 Faserbasierte Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 14 2.3.3 Referenz-Raman-Spektroskopie mit mikroskopischem System 17 2.4 Datenverarbeitung und -aufbereitung 17 2.4.1 Bestimmung der Autofluoreszenzintensität 18 2.4.2 Prozessierung des Rohspektrums 18 2.4.3 Ramanbandenintensität 19 2.4.4 Statistische Analyse 19 2.4.5 Clusteranalyse 19 3 Ergebnisse 20 3.1 Testung des faserbasierten Messsystems und Etablierung von Messprotokollen 20 3.1.1 Qualitative Beurteilung des Spektrums 20 3.1.2 Artefaktelimination 24 3.1.3 Festlegung optimaler Messparameter 27 3.1.4 Messtiefe 30 3.2 Ex-vivo-Autofluoreszenz und Raman-Spektroskopie 31 3.2.1 Autofluoreszenzintensität 32 3.2.2 Ramanspektren 35 3.3 Intraoperative in-situ-Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 47 3.3.1 Sondenaufbereitung 47 3.3.2 Evaluation der Signalstärke nach 9, 16, 21 und 31 vollständigen Wiederaufbereitungszyklen 47 3.3.3 Spektrale Qualität im Operationssaal 48 3.3.4 Analyse der Spektren 53 3.3.5 Histopathologie 63 3.3.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 64 3.3.7 Darstellung ausgewählter Patient:innen 66 4 Diskussion 74 4.1 Testung des faserbasierten Messsystems und Etablierung von Messprotokollen 74 4.2 Ex-vivo-Autofluoreszenz und Raman-Spektroskopie 79 4.3 Intraoperative in-situ-Autofluoreszenz- und Raman-Spektroskopie 81 4.4 Schlussfolgerung 89 5 Zusammenfassung 91 6 Summary 95 Literaturverzeichnis X Danksagungen XVIII Anhang XIX

Purpose: Infrared (IR) spectroscopy has the potential for tumor delineation in neurosurgery. Previous research showed that IR spectra of brain tumors are generally characterized by reduced lipid-related and increased protein-related bands. Therefore, we propose the exploitation of these common spectral changes for brain tumor recognition. Methods: Attenuated total reflection IR spectroscopy was performed on fresh specimens of 790 patients within minutes after resection. Using principal component analysis and linear discriminant analysis, a classification model was developed on a subset of glioblastoma (n = 135) and non-neoplastic brain (n = 27) specimens, and then applied to classify the IR spectra of several types of brain tumors. Results The model correctly classified 82% (517/628) of specimens as “tumor” or “non-tumor”, respectively. While the sensitivity was limited for infiltrative glioma, this approach recognized GBM (86%), other types of primary brain tumors (92%) and brain metastases (92%) with high accuracy and all non-tumor samples were correctly identified. Conclusion: The concept of differentiation of brain tumors from non-tumor brain based on a common spectroscopic tumor signature will accelerate clinical translation of infrared spectroscopy and related technologies. The surgeon could use a single instrument to detect a variety of brain tumor types intraoperatively in future clinical settings. Our data suggests that this would be associated with some risk of missing infiltrative regions or tumors, but not with the risk of removing non-tumor brain.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit einer Feldstärke von 3 T ist in der prächirurgischen Nutzen-Risiko-Evaluation von Patienten mit Hirntumoren in bzw. im Bereich funktionell bedeutsamer Regionen, wie beispielsweise in Nachbarschaft zum Sulcus centralis, gut etabliert. Das Konzept der Neuroplastizität umfasst unter anderem Mechanismen zur zerebralen kortikalen Reorganisation nach Hirnschädigung. Ziel der vorliegenden prospektiven fMRT-Verlaufsstudie ist die Evaluation der noch wenig bekannten längerfristigen funktionellen Veränderungen des Gehirns nach neurochirurgischer Intervention. Zu diesem Zwecke wurden 14 Patienten mit Hirntumoren innerhalb oder in der Nähe des primären motorischen Cortex (MI) in die Studie eingeschlossen, welche sich einer neurochirurgischen Behandlung unterzogen. Bei 12 der Patienten wurde sowohl prä- als auch postoperativ eine funktionelle Bildgebung (fMRT) anhand des motorischen Paradigmas des unimanuellen und bimanuellen Fingertappens in einem 3 T MRT-Scanner durchgeführt. Wegen Bewegungsartefakten konnten lediglich 9 der Patienten in die weitere Auswertung eingeschlossen werden. Als Kontrollgruppe diente eine einmalige Untersuchung von neun gesunden Probanden. An längerfristigen Reorganisationsmustern konnten bei Patienten ohne Handparese sowohl die Rekrutierung der geschädigten als auch der intakten Hemisphäre des kortikalen motorischen Netzwerkes aufgezeigt werden. Tumorwachstum im Bereich des supplementär-motorischen Areals (SMA) ging mit einer bilateralen Rekrutierung der rostralen Portion des SMA (SMAr) einher. Die postoperative Reorganisation des motorischen Netzwerkes umfasste unter kontraläsionalen Fingertappen eine Lateralisierung der Aktivierung der SMAr zur nicht betroffenen Hemisphäre. Diese war umso ausgeprägter je größer das Tumorvolumen oder je näher der Tumor zur SMAr gelegen war. Demnach kann eine Dysfunktion der ipsilateralen SMAr präoperativ durch eine bilaterale und postoperativ durch eine kontraläsionale Rekrutierung kompensiert werden.

In dieser Arbeit wurde die Rolle der L-Aminosäureoxidase IL4I1 für die Progression von Glioblastomen analysiert. IL4I1 wird in diesem Hirntumor erhöht exprimiert und führt dadurch zu einem Abbau der drei aromatischen Aminosäuren Tryptophan (Trp), Phenylalanin und Tyrosin zu ihren entsprechenden α-Ketosäuren (Pyruvaten). In-vitro-Versuche mit IL4I1-überexprimierenden Glioblastomzelllinien zeigen, dass nur das aus Trp-gebildete Indol-3-pyruvat (I3P) bzw. dessen nachgeschaltete Abbauprodukte eine Aktivierung des Arylhydrocarbon Rezeptors (AHR) und seiner Signaltransduktion in Glioblastomen bewirkt. Des Weiteren wurde der Einfluss von IL4I1 in der Tumor-Mikroumgebung auf die Kompetenz von T-Zellen charakterisiert. Das von den Tumorzellen gebildete und sezernierte I3P vermittelt eine Aktivierung des AHR in beiden T-Zellsubpopulationen. Damit einhergehend werden zwei Mechanismen ausgelöst, die die Tumorprogression fördern: eine Proliferationsinhibierung CD8+ zytotoxischer T-Zellen und eine vermehrte Differenzierung immunsuppressiver Treg.

Glioblastome machen etwa 47% aller intrinsischen Tumore des zentralen Nervensystems aus. Sie sind durch ein aggressives und invasives Wachstumsverhalten gekennzeichnet. Als erster wegweisender Schritt zur Therapie der Glioblastome gilt die frühe und möglichst vollständige Resektion, gefolgt von einer simultanen Radiochemotherapie. Dennoch sind Tumorrezidive binnen weniger Monate die Regel und es bestehen trotz intensiver Forschung bis heute kaum alternative Behandlungsoptionen. Das Verständnis für die Pathogenese der Glioblastome erfuhr in den letzten Jahren tiefgreifende Änderungen. Nach Berücksichtigung der molekularen Marker in der WHO- Klassifikation, wurden Glioblastome in zwei molekulare Gruppen unterteilt: die IDH-Wildtyp (95% der Fälle) und die IDH-mutierten Glioblastome. IDH-Wildtyp Glioblastome treten bei Patienten mit einem medianen Alter von 64 Jahren auf und gehen mit einer ungünstigen Prognose (medianes Überleben 14,2 Monate) einher. IDH-mutierte Glioblastome kommen vor allem bei jüngeren Patienten mit einem medianen Alter von 45 Jahren vor und weisen eine vergleichsweise bessere Prognose mit einem medianen Überleben von 4-5 Jahren auf. Bei IDH-Wildtyp Glioblastomen wurden am häufigsten TERTp-, und PTEN-Mutationen sowie EGFR-Amplifikationen beschrieben. Dabei stellt die TERTp-Mutation die häufigste somatische Alteration im Genom der IDH-Wildtyp Glioblastome dar. Die oben genannten molekularen Marker bieten eine solide Grundlage für die molekulare Diagnose der IDH- Wildtyp Glioblastome. Dennoch bleibt die Frage unbeantwortet, warum IDH-Wildtyp Glioblastome vor allem bei älteren Patienten auftreten und jüngere Patienten eine bessere Prognose besitzen. Unter der Annahme, dass IDH-Wildtyp Glioblastome ein altersspezifisches molekulargenetisches Profil aufweisen, welches wohlmöglich die Prognose beeinflusst, wurden daher die Tumor- und korrespondierenden Blutproben von 55 Patienten mittels Whole Exome Sequencing untersucht. Nach Filterung der Rohdaten wurden verschiedene Mutationen und Copy Number Variations identifiziert. Zur Validierung der Methode wurde zum einen ein Literaturabgleich der detektierten Alterationen durchgeführt und zum anderen einzelne Kandidatengene mittels Sanger Sequenzierung manuell bestätigt. Insgesamt wurden 1841 Mutationen auf 1544 verschiedenen Genen detektiert. Obwohl viele der 1544 Mutationen ohne Relevanz für die Pathogenese waren, konnte eine enorme Vielzahl an verschiedenen Treibermutationen nachgewiesen werden. Die manuell sequenzierte TERTp-Mutation war mit 76,4% am häufigsten aufgetreten. Weitere Treibermutationen, beispielsweise EGFR, TP53, PTEN, PI3K-Gruppe, NF1 und PDGFRA zeigten mit der Literatur vergleichbare Prävalenzen und betonten die Validität der Methode. Die aufgetretenen Copy Number Variations belegten sowohl auf chromosomaler (Chromosom 7-Amplifikation und Chromosom 10-Deletion), als auch auf genspezifischer Ebene (EGFR-, CDK6-, MET-, PDGFRA-Amplifikation und CDKN2A/B-, und PTEN-Deletion) die molekulargenetischen Charakteristika des IDH-Wildtyp Glioblastoms. Über eine Clusterung dieser Alterationen und Gegenüberstellung mit klinischen Eigenschaften konnten die typischen, publizierten Glioblastomsignaturen (proneural, klassisch, mesenchymal) beschrieben und mit dem Erkrankungsalter in Verbindung gebracht werden. Besonders eindrücklich zeigten unsere Daten, übereinstimmend mit der Literatur, dass eine proneurale Signatur mit einem jungen Erkrankungsalter und günstiger Prognose assoziiert war. Unerwartet zeigte ein Patient mit pädiatrischer Signatur und hohem Erkrankungsalter dennoch ein überdurchschnittlich vorteilhaftes Überleben, verglichen mit seiner Altersgruppe. Unabhängig von molekulargenetischen Alterationen, war ein junges Erkrankungsalter alleinstehend mit einer günstigeren Prognose verknüpft. Für einzelne molekulargenetische Alterationen konnte kein Zusammenhang mit dem Erkrankungsalter oder dem (Progressionsfreien-) Überleben hergestellt werden. Ein alterspezifisches, prognosebeeinflussendes Mutationsmuster konnte demnach nicht identifiziert werden. Limitierend muss dabei die geringe Kohortengröße (n=55) angemerkt werden. Eine Vergrößerung der Studienpopulation war aufgrund der geringen Inzidenz von jungen Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastomen in diesem Studiendesign nicht möglich und könnte perspektivisch in einem multizentrischen Ansatz oder einer langen Akquirierungsphase verwirklicht werden. Die Fülle an identifizierten Treibermutationen verdeutlichte nichtsdestotrotz die große intratumorale Heterogenität des Glioblastoms. Zusätzlich ermöglichte die enorme diagnostische Tiefe der verwendeten Methode die Identifikation der bisher nicht im Zusammenhang mit dem IDH-Wildtyp Glioblastom beschriebenen TET1-Deletion. Obwohl die detaillierte Rolle der TET1-Deletion für das Glioblastom nicht verstanden ist, liefern unsere Daten einen vielversprechenden Hinweis, dass ein Funktionsverlust des TET1-Enzyms, in Kombination mit EGFR-Amplifikation oder Deletion von PTEN oder CDKN2A/B, eine Auswirkung auf die Pathogenese des IDH-Wildtyp Glioblastoms besitzt und die Prognose negativ beeinflusst. Zukünftige molekulargenetische Sequenzierungen sind indiziert, um die Rolle der TET1- Deletion zu bestätigen und darüber hinaus die Pathogenese des Glioblastoms auf molekulargenetischer Ebene noch besser zu verstehen und weitere individualisierte Therapieansätze abzuleiten.:Abkürzungsverzeichnis 5 1 Einleitung 8 1.1 Klinische Grundlagen des Glioblastoms 8 1.1.1 Epidemiologie/Ätiologie 8 1.1.2 Symptomatik und Diagnostik 9 1.1.3 Therapie 10 1.1.4 Prognose 12 1.2 Pathologie und Molekulargenetische Veränderungen des Glioblastoms 12 1.2.1 Treibergene 13 1.2.2 Subgruppen 17 1.3 Fragestellung 18 2 Materialien 19 3 Methoden 23 3.1 Patientenrekrutierung 23 3.1.1 Erweiterte Einschlusskriterien 25 3.1.2 Ausschlusskriterien 25 3.2 Kohortendesign 25 3.3 Klinische Daten 26 3.4 Materialgewinnung 27 3.4.1 Proben-Lagerung 27 3.4.2 DNA-Extraktion 27 3.5 Sanger Sequenzierung Prä-WES 29 3.5.1 Primer-Design 29 3.5.2 Polymerase Kettenreaktion 29 3.5.3 Elektrophorese 31 3.5.4 Aufreinigung PCR-Produkt 33 3.5.5 Sequenzierreaktion 35 3.6 WES 38 3.6.1 Datensatz 41 3.6.2 CNV-Analyse 42 3.7 Sanger Sequenzierung Validierung 42 3.8 Statistische Auswertung 45 4 Ergebnisse 47 4.1 Deskriptive klinisch-pathologische Beschreibung der Kohorte 47 4.1.1 Klinisch-pathologische Zusammenhänge 54 4.2 TERTp-Sequenzierung 58 4.3 Datensatz WES 58 4.3.1 Somatische Mutationen 59 4.3.2 CNV-Analyse 67 4.4 Altersbezogene molekulargenetische Unterschiede 74 4.5 Zusammenhang zwischen Genotyp und OS sowie PFS 77 4.5.1 Somatische Mutationen 77 4.5.2 CNV-Analyse 78 5 Diskussion 82 5.1 Klinische Charakteristika von Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastom 82 5.2 Der prognostische Stellenwert von Tumoreigenschaften 84 5.3 Molekulargenetisches Profil des IDH-Wildtyp Glioblastoms 85 5.3.1 Somatische Mutationen und Copy Number Variations 85 5.3.2 Chromosomale Aberrationen 94 5.4 10q21.3-Deletion 95 6 Zusammenfassung 97 6.1 Deutsch 97 6.2 Englisch 99 Anlagen 101 Darstellung zur Geschlechtsneutralität im geschriebenen Wort 101 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahren 102 Erklärung zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 104 Anhang 105 Literaturverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 125 Tabellenverzeichnis 127 Danksagung 128 / Glioblastomas account for approximately 47% of all intrinsic central nervous tumors. They are characterized by an aggressive and invasive growth pattern. Early and, if possible, complete resection followed by simultaneous radiochemotherapy is crucial for treatment success. However, tumor recurrence within a few months are very frequent. Despite intensive research, there are still hardly any alternative treatment options. The understanding of the pathogenesis of glioblastomas underwent profound changes in recent years. After considering molecular markers in the WHO classification, glioblastomas have been divided into two molecular groups: IDH-wild-type (95% of cases) and IDH-mutated glioblastomas. IDH-wild-type glioblastomas occur in patients with a median age of 64 years and are associated with an unfavorable prognosis (median survival 14.2 months). On the other hand, IDH-mutated glioblastomas are mainly associated with young patients with a median age of 45 years and have a rather good prognosis with a median survival of 4-5 years. In IDH- wild-type glioblastomas, TERTp-, and PTEN-mutations as well as EGFR-amplifications have been described most frequently. Among them, TERTp-mutation represents the most frequent somatic alteration in the genome of IDH-wild-type glioblastomas. The above molecular markers provide a solid basis for molecular diagnosis of IDH-wild-type glioblastomas. To date, however, the reason why IDH-wild-type glioblastomas appear primarily in older patients with younger patients having a better prognosis remains unclear. Assuming that IDH-wild-type glioblastomas have an age-specific molecular signature with possible impact on the outcome, we analyzed tumor and corresponding blood samples from 55 patients by whole exome sequencing. After filtering the raw data, various mutations and copy number variations were identified. To validate the method, a literature review as well as Sanger Sequencing of selected candidate genes was performed. A total of 1841 mutations on 1544 different genes were detected. Although many mutations appeared to be background mutations with no relevance to pathogenesis, an enormous number of different driver mutations remained. The manually sequenced TERTp-mutation was the most abundant at 76.4%. Other driver mutations, for example EGFR, TP53, PTEN, PI3K group, NF1 and PDGFRA showed prevalence comparable to published data and emphasized the validity of the method. The copy number variations that occurred concurred previously described molecular genetic characteristics of IDH wild-type glioblastoma at both chromosomal (chromosome 7 amplification and chromosome 10 deletion) and gene-specific levels (EGFR-, CDK6-, MET-, PDGFRA-amplification and CDKN2A/B-, and PTEN-deletion). Via clustering of these alterations and juxtaposition with clinical features, the typical glioblastoma signatures (proneural, classic, mesenchymal) could be described and related to age of diagnosis. In line with the literature, our data showed that a proneural signature was associated with younger patients and favorable prognosis. Unexpectedly, a patient with a pediatric signature and high age of diagnosis, showed a survival above average compared with his age group. Regardless of molecular alterations, young age was an independent characteristic of favorable prognosis. For individual genetic alterations, no association with age of diagnosis or (progression-free) survival could be established. Thus, an age-specific mutational pattern could not be identified. The relatively small cohort size (n=55) must be noted as a limiting factor. An increase of the study population was not possible in this study design due to the low incidence of young patients with IDH wild-type glioblastoma and could be realized in a multicenter approach or a long acquisition phase in the future. Nevertheless, the abundance of identified driver mutations highlighted the large intratumoral heterogeneity of glioblastoma. In addition, the tremendous diagnostic depth of the method used enabled the identification of the TET1-deletion not previously described in the context of IDH wild-type glioblastoma. Although the detailed role of TET1-deletion in glioblastoma is not yet understood, our data provides promising evidence that loss of function of the TET1-enzyme in combination with EGFR-amplification or deletion of PTEN or CDKN2A/B has an impact on the pathogenesis of IDH wild-type glioblastoma and negatively affects prognosis. Future genetic sequencing is indicated to confirm the role of TET1-deletion and moreover to get further understanding of the genomic pathogenesis of glioblastoma with the aim to derive individualized therapeutic approaches.:Abkürzungsverzeichnis 5 1 Einleitung 8 1.1 Klinische Grundlagen des Glioblastoms 8 1.1.1 Epidemiologie/Ätiologie 8 1.1.2 Symptomatik und Diagnostik 9 1.1.3 Therapie 10 1.1.4 Prognose 12 1.2 Pathologie und Molekulargenetische Veränderungen des Glioblastoms 12 1.2.1 Treibergene 13 1.2.2 Subgruppen 17 1.3 Fragestellung 18 2 Materialien 19 3 Methoden 23 3.1 Patientenrekrutierung 23 3.1.1 Erweiterte Einschlusskriterien 25 3.1.2 Ausschlusskriterien 25 3.2 Kohortendesign 25 3.3 Klinische Daten 26 3.4 Materialgewinnung 27 3.4.1 Proben-Lagerung 27 3.4.2 DNA-Extraktion 27 3.5 Sanger Sequenzierung Prä-WES 29 3.5.1 Primer-Design 29 3.5.2 Polymerase Kettenreaktion 29 3.5.3 Elektrophorese 31 3.5.4 Aufreinigung PCR-Produkt 33 3.5.5 Sequenzierreaktion 35 3.6 WES 38 3.6.1 Datensatz 41 3.6.2 CNV-Analyse 42 3.7 Sanger Sequenzierung Validierung 42 3.8 Statistische Auswertung 45 4 Ergebnisse 47 4.1 Deskriptive klinisch-pathologische Beschreibung der Kohorte 47 4.1.1 Klinisch-pathologische Zusammenhänge 54 4.2 TERTp-Sequenzierung 58 4.3 Datensatz WES 58 4.3.1 Somatische Mutationen 59 4.3.2 CNV-Analyse 67 4.4 Altersbezogene molekulargenetische Unterschiede 74 4.5 Zusammenhang zwischen Genotyp und OS sowie PFS 77 4.5.1 Somatische Mutationen 77 4.5.2 CNV-Analyse 78 5 Diskussion 82 5.1 Klinische Charakteristika von Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastom 82 5.2 Der prognostische Stellenwert von Tumoreigenschaften 84 5.3 Molekulargenetisches Profil des IDH-Wildtyp Glioblastoms 85 5.3.1 Somatische Mutationen und Copy Number Variations 85 5.3.2 Chromosomale Aberrationen 94 5.4 10q21.3-Deletion 95 6 Zusammenfassung 97 6.1 Deutsch 97 6.2 Englisch 99 Anlagen 101 Darstellung zur Geschlechtsneutralität im geschriebenen Wort 101 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahren 102 Erklärung zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 104 Anhang 105 Literaturverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 125 Tabellenverzeichnis 127 Danksagung 128

Die Arbeit behandelt die Ergebnisse von Experimenten über die Wirkung des Dipeptides Carnosin (β Alanyl L Histidin) und der Aminosäuren L Histidin und β-Alanin auf Kulturen der humanen Zellreihen U87, T98G und LN405, welche von Zellen des malignen Hirntumors Glioblastoma multiforme abgeleitet sind. Die Vitalität der Zellen nach Inkubation mit Carnosin oder L Histidin wurde anhand der Adenosintriphosphatproduktion und der Dehydrohenaseaktivität für Inkubationszeiträume von 24, 48 und 72 Stunden bestimmt. Dabei zeigte sich eine signifikant niedrigere Vitalität der mit Carnosin oder L Histidin inkubierten Zellen gegenüber der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei L Histidin stärker ausgeprägt. Bei Messungen der Lakatdehydrogenaseaktivität im Medium der Zellen, welche als Indikator für Zellnekrosen diente, zeigten nur die mit L Histidin inkubierte Zellen Zeichen von Nekrose. Die gleichen Messungen wurden auch an humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt (HEK 293), wobei sich ein ähnliches Ergebnis feststellen ließ. In den drei Zellreihen wurde zudem mittels qRT-PCR die mRNA-Expression für die beiden Enzyme Carnosinase 1 und Carnosinase 2 bestimmt, welche L Histidin von Carnosin abspalten. Im Vergleich mit Proben aus normalem Hirngewebe war die Expression beider Enzyme in den Glioblastomzellen deutlich geringer, wenngleich nachweisbar. Nachdem vorhergehende Studien [8] einen Anstieg der Expression von mRNA der Pyruvatdehydrogenasekinase 4 (PDK4) in mit Carnosin inkubierten Glioblastomzellen gezeigt hatten, wurde dieser Effekt hier auch mittels qRT-PCR in mit L Histidin inkubierten Zellen nachgewiesen. Eine Wirkung von Carnosin oder L Histidin auf ein Reportergen des PDK4-Promoters wurde ebenfalls untersucht, wobei sich kein signifikanter Effekt nachweisen ließ.

Die Arbeit behandelt die Ergebnisse von Experimenten über die Wirkung des Dipeptides Carnosin (β Alanyl L Histidin) und der Aminosäuren L Histidin und β-Alanin auf Kulturen der humanen Zellreihen U87, T98G und LN405, welche von Zellen des malignen Hirntumors Glioblastoma multiforme abgeleitet sind. Die Vitalität der Zellen nach Inkubation mit Carnosin oder L Histidin wurde anhand der Adenosintriphosphatproduktion und der Dehydrohenaseaktivität für Inkubationszeiträume von 24, 48 und 72 Stunden bestimmt. Dabei zeigte sich eine signifikant niedrigere Vitalität der mit Carnosin oder L Histidin inkubierten Zellen gegenüber der unbehandelten Kontrolle. Dieser Effekt war bei L Histidin stärker ausgeprägt. Bei Messungen der Lakatdehydrogenaseaktivität im Medium der Zellen, welche als Indikator für Zellnekrosen diente, zeigten nur die mit L Histidin inkubierte Zellen Zeichen von Nekrose. Die gleichen Messungen wurden auch an humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt (HEK 293), wobei sich ein ähnliches Ergebnis feststellen ließ. In den drei Zellreihen wurde zudem mittels qRT-PCR die mRNA-Expression für die beiden Enzyme Carnosinase 1 und Carnosinase 2 bestimmt, welche L Histidin von Carnosin abspalten. Im Vergleich mit Proben aus normalem Hirngewebe war die Expression beider Enzyme in den Glioblastomzellen deutlich geringer, wenngleich nachweisbar. Nachdem vorhergehende Studien [8] einen Anstieg der Expression von mRNA der Pyruvatdehydrogenasekinase 4 (PDK4) in mit Carnosin inkubierten Glioblastomzellen gezeigt hatten, wurde dieser Effekt hier auch mittels qRT-PCR in mit L Histidin inkubierten Zellen nachgewiesen. Eine Wirkung von Carnosin oder L Histidin auf ein Reportergen des PDK4-Promoters wurde ebenfalls untersucht, wobei sich kein signifikanter Effekt nachweisen ließ.:Table of contents Bibliographische Beschreibung I List of Abbreviations II List of Figures IV List of Tables V 1 Introduction 1 1.1 Overview 1 1.2 Glioblastoma 1 1.3 Carnosine 4 1.4 Histidine 8 1.5 Human pyruvate dehydrogenase kinase 4 gene and enzyme 9 2 Objectives of the study 12 3 Materials and Methods 13 3.1 Materials 13 3.1.1 Cell lines 13 3.1.2 Primers 13 3.1.3 Plasmids 14 3.1.4 cDNA of normal brain tissue 14 3.1.5 Solutions and buffers 14 3.1.6 Enzymes and kits 15 3.1.7 Media 16 3.1.8 Ready-made chemicals 17 3.1.9 Instruments 18 3.1.10 Software 19 3.1.11 Consumables 20 3.2 General microbiological and cytological methods 21 3.2.1 Production of competent E. coli 21 3.2.2 Transformation of RbCl-competent E. coli 21 3.2.3 Preparation of plasmid DNA from cultures of transformed E. coli 22 3.2.4 Cell culture conditions for human cell lines 22 3.3 Assay methods and protocols 24 3.3.1 Transfections and reporter gene assays 24 3.3.2 mRNA-isolation and qRT-PCR 25 3.3.3 Cell viability assays 26 3.4 Construction of the reporter gene (-3968/+319)_PDK4_GauIII 27 3.5 Statistical analysis 28 4 Results 29 4.1 Cell viability of glioblastoma cells under the influence of carnosine, L histidine and β-alanine 29 4.1.1 ATP production under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 29 4.1.2 Dehydrogenase activity under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 34 4.1.3 Lactate dehydrogenase activity and necrotic cell death under the influence of carnosine, L histidine and β alanine 38 4.1.4 Concentration dependence of viability decrease under the influence of carnosine and L histidine 42 4.1.5 Effect of carnosine and β-alanine on viability of HEK 293 cells 44 4.2 Carnosinase mRNA expression 46 4.3 PDK4-mRNA expression under the influence of L-histidine 48 4.3.1 Enhancement of PDK4-mRNA-expression under the influence of L histidine 48 4.3.2 Development of L-histidine-mediated PDK4-mRNA increase over time 51 4.4 Reporter gene assays 54 5 Discussion 60 5.1 Conclusions 60 5.2 Outlook and suggestions for further research 63 6 Summary 65 7 Literature 68 8 Appendix - Optimization of transfection conditions for U87 cells 74