Beatmungsbedingte Lungenschäden in der Therapie des akuten Atemnotsyndroms (ARDS) sind aufgrund der inhomogenen Vorschädigung der Lunge praktisch unvermeidbar. Die unphysiologische mechanische Belastung der Lunge führt über Volutrauma, Atelektotrauma und Biotrauma nicht selten zur Exazerbation des Syndroms und trägt zur hohen Mortalität des ARDS bei. Pharmakologische Interventionsmöglichkeiten sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Diesbezüglich vielversprechend ist die zentrale Komponente des Kinin-Kallikrein-Systems, namentlich Bradykinin, das über seinen B2-Rezeptor anti-apoptotische Signalwege aktivieren kann und somit zellprotektive Wirkung besitzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, in welcher Weise zyklische mechanische Dehnung die Konzentration einzelner Komponenten des Kinin-Kallikrein-Systems in isolierten alveolären Epithelzellen (Typ II) der Ratte beeinflusst. Dafür wurden die alveolären Typ-II-Zellen auf speziellen BioFlex®-Membranen kultiviert und für 24 Stunden zyklisch mit hoher Dehnungsamplitude gedehnt. Anschließend wurden mit etablierten Analysemethoden in Zellüberständen bzw. Zelllysaten die Konzentrationen von Kininogen 1, Bradykinin und vom B2-Rezeptor gemessen, sowie die Aktivität des Enzyms Kallikrein und des Bradykinin-Abbaus bestimmt - jeweils im Vergleich mit Überständen bzw. Lysaten ungedehnter AT-II-Zellkulturen. Es zeigte sich dehnungs-bedingt eine Zunahme der Bradykinin-Produktion durch Kininogen und Kallikrein und eine stark gesteigerte Bradykinin-abbauende Aktivität, sodass sich der Bradykininspiegel insgesamt verringerte. Die Konzentration des B2-Rezeptors blieb unverändert. Detailliertes Wissen über den Einfluss zyklischer mechanischer Dehnung auf die Einzelkomponenten des Kinin-Kallikrein-Systems ist eine Grundvoraussetzung, um die zellprotektive Wirkung von Bradykinin im Sinne einer pharmakologischen Interventionsmöglichkeit bei ARDS nutzbar machen zu können.:Inhaltsverzeichnis………………………………………………………………………3 1. Einleitung ..................................................................................7 1.1. Zyklische Dehnung der Lunge als physiologischer Stimulus ..........7 1.2. Zyklische Dehnung der Lunge als pathologischer Stimulus ..........8 1.2.1. Beatmungsbedingte Lungenschäden ..................................9 1.2.1.1. Pathomechanismen ..........................................................9 A) Barotrauma und Volutrauma ..................................................9 B) Atelektotrauma .........................................................................10 C) Biotrauma und Mechanotransduktion 11 D) Sauerstofftrauma .................................................................11 1.2.2. Das akute Atemnotsyndrom (ARDS)...................................12 1.2.2.1. Definition/Diagnosekriterien des ARDS................................12 1.2.2.2. Ätiologie und Inzidenz des ARDS .................................13 1.2.2.3. Verlauf des ARDS .........................................................13 1.2.2.4. Therapie des ARDS .........................................................15 1.3. Das Kinin-Kallikrein-System des Menschen .................................17 1.3.1. Komponenten .................................................................18 A) Kallikrein .................................................................................18 B) Kininogen .................................................................................19 C) Bradykinin .........................................................................19 D) Bradykinin-Rezeptoren .........................................................20 1.4. Das Kinin-Kallikrein-System der Ratte .................................22 2. Fragestellungen und Ziele der Studie .........................................23 3. Material und Methoden .........................................................25 3.1. Materialien .........................................................................25 Tabelle 1: Reagenzien und Chemikalien .........................................25 Tabelle 2: Lösungen, Puffer und Kulturmedien .................................27 Tabelle 3: Assays .........................................................................28 Tabelle 4: Geräte und Arbeitsmittel .................................................29 Tabelle 5: Computer-Software .........................................................31 3.2. Methoden .................................................................................31 3.2.1. Zellkultur .........................................................................31 3.2.1.1. Isolierung der AT-II-Zellen aus der Ratte .........................31 3.2.1.2. Kultivierung der AT-II-Zellen .........................................33 3.2.2. Dehnungsexperiment .................................................34 3.2.3. Gewinnung von Analysematerial .................................36 3.2.4. Auswertung der Experimente .........................................37 3.2.4.1. Bestimmung des Proteingehaltes .................................37 3.2.4.2. Bestimmung der Kininogen-Konzentration .........................38 3.2.4.3. Bestimmung der Kallikrein-Aktivität mittels Fluoreszenzspektroskopie .................................................................39 3.2.4.4. Bestimmung der Bradykinin-Konzentration .................40 3.2.4.5. Bestimmung der Bradykinin-abbauenden Aktivität .........42 3.2.4.6. Konzentrationsbestimmung des Bradykinin-Rezeptors 2......44 3.2.5. Statistik .........................................................................45 4. Ergebnisse .........................................................................46 4.1. Beeinflussung des Kinin-Kallikrein-Systems .........................46 4.1.1. Kininogen .........................................................................46 4.1.2. Kallikrein .........................................................................48 4.1.3. Bradykinin-Konzentration .................................................50 4.1.4. Bradykinin-Abbau .........................................................51 4.1.5. Bradykinin-Rezeptor 2 .................................................54 4.2. Zusammenfassung der Ergebnisse .........................................55 5. Diskussion .........................................................................56 5.1. Diskussion der Methoden .........................................................56 5.1.1. Dehnexperiment .........................................................56 5.1.2. Zellkultur .........................................................................59 5.2. Diskussion der Ergebnisse .........................................................59 5.2.1. Die Beeinflussung der Bradykinin-Konzentration durch zyklische mechanische Dehnung ..................................................................59 5.2.2. Die Beeinflussung der Bradykinin-bildenden Komponenten durch zyklische mechanische Dehnung ....................................................61 5.2.3. Die Beeinflussung des Bradykinin-Abbaus durch zyklische mechanische Dehnung ....................................................................65 5.2.4. Die Beeinflussung des Bradykinin-Rezeptors 2 durch zyklische mechanische Dehnung .....................................................................69 5.2.5. Bedeutung der dehnungsinduzierten Aktivierung des Kinin-Kallikrein-Systems .............................................................72 5.3. Schlussbetrachtungen und Ausblick .............................................75 6. Zusammenfassung .....................................................................78 7. Literaturverzeichnis .....................................................................81 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis .............................................96 9. Abkürzungsverzeichnis .............................................................98 10. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit ...........101 11. Curriculum vitae ...................................................................102 12. Danksagung ...........................................................................103

Objective Skin temperatures are known to increase cutaneous sensitivity. However, it is unclear whether the amount of improved sensitivity differs depending on the protocol of heat application. Therefore, this study aimed to investigate the effects of active (treadmill walking) and passive (infrared radiator) warming of the foot sole on vibration perception thresholds. Methods Sixty healthy and injury-free subjects voluntarily participated in this study. Vibration perception thresholds (200 Hz) and plantar temperatures were measured at the hallux and 1st metatarsal head. In experiment 1, warming and mechanically stimulating the skin was achieved by walking on a treadmill for 30 min. In a follow-up study (experiment 2), external plantar heat was administered via an infrared radiator (30 min). Results In both experiments, increasing temperatures led to increased plantar sensitivity. However, the amount of improved sensitivity was greater in experiment 1, although plantar temperature increases were lower compared to experiment 2. Conclusions Warming in conjunction with mechanical stimulation seems to have a greater potential to enhance plantar sensitivity compared to external heat supply only. Significance The possible influence of mechanical stimulation and warming towards superior plantar afferent feedback highlights its importance regarding human posture and fall prevention.

Im Zentrum dieser kumulativ angefertigten Dissertation stehen vier Untersuchungen, welche den menschlichen Fuß in Abhängigkeit unterschiedlicher Belastungssituationen betrachten und das Verständnis bezüglich seiner funktionellen Anatomie und Biomechanik erweitern sollen. Die einzelnen Studien werden dabei in einer Gesamtschau zusammengetragen. Der erste Beitrag beschäftigt sich mit Trainingsmöglichkeiten der intrinsischen Fußmuskulatur. Der Fokus liegt dabei auf der Ermittlung anatomischer Anpassungserscheinungen und der Untersuchung, wie sich diese auf die Funktionalität des Fußes auswirken. Trotz einer Zunahme des Muskelquerschnitts konnten keinerlei Veränderungen hinsichtlich der Fußfunktionalität festgestellt werden. Daraus wurde die Frage abgeleitet, ob der verwendete Navicular Drop-Test als Vertreter statischer Testverfahren in der Lage ist, das Zusammenspiel der einzelnen Fußstrukturen abzubilden und darüber hinaus Veränderungen zu detektieren. Der zweite Beitrag schließt an diese Frage an und fokussiert sich mit der markerbasierten dreidimensionalen Bewegungsanalyse auf ein Messsystem, welches die Möglichkeit bietet, die Verformung des Fußes zusätzlich auch in dynamischen Belastungssituationen, wie zum Beispiel dem Gehen, zu erfassen. Dabei besitzen die Hautrigidität und die verwendete Markergröße nur einen geringen Einfluss auf die Berechnung gängiger Parameter zur Charakterisierung der Fußverformung. Gemeinsam bilden diese beiden Beiträge die Grundlage für ein anschließendes Experiment, in welchem der Windlass-Mechanismus genutzt wird, um die Fußfunktionalität in statischen und dynamischen Belastungssituationen zu untersuchen und mögliche Unterschiede aufzudecken. Die ermittelten Abweichungen zwischen den beiden Belastungssituationen lassen den Schluss zu, dass statische Experimente nur sehr bedingt dafür geeignet sind die Funktionalität des Fußes in der Dynamik zu beschreiben. Der letzte Beitrag beschäftigt sich mit einer detaillierten Betrachtung der evolutionären Entwicklung der Plantaraponeurose, da diese häufig als einzigartige Anpassungserscheinung des Menschen an die zweibeinige Fortbewegung angesehen wird. Dabei zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Plantaraponeurose kein menschliches Alleinstellungsmerkmal darstellt und sich in mehreren Primatenarten unabhängig voneinander entwickelte. Die Entwicklung dieser Struktur scheint von der Fortbewegungsform und den damit einhergehenden Belastungen abhängig zu sein. Im Anschluss setzt sich die Abschlussdiskussion mit Möglichkeiten und Grenzen biomechanischer Untersuchungen des menschlichen Fußes auseinander und beschäftigt sich mit der Frage, wie eine möglichst gesamtheitliche Betrachtung gelingen kann.

Der menschliche Gang und damit auch das Abrollverhalten und die Belastungssituation des Fußes wird von einer Vielzahl an extrinsischen und intrinsischen Faktoren beeinflusst. In dieser Arbeit soll der Einfluss des Körpergewichtes, im Speziellen der übermäßigen Körpermasse unter der Krankheit Adipositas sowie der Einfluss der plantaren, kutanen Sensorik auf den menschlichen Gang betrachtet werden. Die starken Auswirkungen von Übergewicht und Adipositas auf das muskuloskelettale System lassen sich vor allem an der hohen Prävalenz von Schmerzen an den unteren Extremitäten festmachen. Besonders häufig treten neben Schmerzen an Hüfte und Knie auch Beschwerden im Bereich des Fußes auf. Die Betrachtung kinetischer Auswirkungen von Übergewicht und Adipositas auf den Bewegungsapparat rückt daher zunehmend in den Fokus der bewegungswissenschaftlichen Forschung. Die aktuelle Studienlage lässt derzeit jedoch keine eindeutigen Schlussfolgerungen zu, in welcher Weise sich Adipositas mit steigendem Schweregrad auf das Gangmuster auswirkt. Besonders im Bereich des Fußes fehlen belastungsrelevante Informationen mit denen das Abrollverhalten des Fußes bestimmt und mögliche Fehlbelastungen erkannt werden können. Zur Behandlung von schweren Graden der Adiposits werden adipositaschirurgische Maßnahmen eingesetzt. Dadurch ist es möglich in kürzester Zeit einen starken Gewichtsverlust hervorzurufen. Unklar ist, ob sich das Gangbild nach einem entsprechenden Gewichtsverlust wieder normalisieren kann und Adaptationsvorgänge nach einem längeren Zeitraum nachweisbar sind. In zwei Studien soll daher das plantare Belastungsmuster unter Adipositas evaluiert werden. In Studie I wird dazu eine Kategorisierung nach dem Schweregrad der Adipositas vorgenommen und das plantare Belastungsmuster der jeweiligen Gruppen gegenüber dem einer normalgewichtigen Gruppe gestellt. Ein besonderes Augenmerk soll hier auf Belastungen im Fersen- und im Mittelfußbereich gelegt werden, da hier Schmerzen am häufigsten auftreten. Der Kenntnisgewinn aus dieser Studie soll vor allem zur theoretischen Herleitung der Entstehungsmuster von Schmerzen im Bereich des Fußes dienen, aber auch typische Gangmuster der einzelnen Adipositas Grade festhalten. In Studie II erfolgt die Betrachtung der plantaren Belastung nach einem adipositaschirurgischen Eingriff. Ziel dieser Studie ist es, Anpassungsprozesse nach einem massiven Gewichtsverlust im Gangverhalten zu bewerten und Faktoren, welche wesentlich zur Veränderung des Gangbildes beitragen, auszumachen. Die Ergebnisse können weiterhin Hinweise auf eine mögliche Notwendigkeit einer bewegungstherapeutischen Begleitung nach einem adipositaschirurgischen Eingriff liefern. Studie III beschäftigt sich mit den Auswirkungen einer Desensibilisierung der plantaren kutanen Sensorik auf das plantare Abrollmuster beim Gehen. Die kutanen Mechanorezeptoren sind wesentlich an der posturalen Kontrolle beim Stehen und bei dynamischen Bewegungsvorgängen beteiligt. Beeinträchtigungen in der Funktionsweise der plantaren kutanen Mechanorezeptoren bspw. in Folge einer diabetischen Polyneuropathie können zu Gangpathologien, einer erhöhten Sturzgefahr oder auch der Entstehung von Druckulzerationen führen. Die Stärke der Beteiligung der plantaren Sensorik am plantaren Belastungmuster ist jedoch nicht ausreichend erschlossen und soll daher in Studie III betrachtet werden.

To fully understand how the brain works, it is necessary to relate the brain’s function to its anatomy. Cortical anatomy is subject-specific. It is character- ized by the thickness and number of intracortical layers, which differ from one cortical area to the next. Each cortical area fulfills a certain function. With magnetic res- onance imaging (MRI) it is possible to study structure and function in-vivo within the same subject. The resolution of ultra-high field MRI at 7T allows to resolve intracortical anatomy. This opens the possibility to relate cortical function of a sub- ject to its corresponding individual structural area, which is one of the main goals of neuroimaging. To parcellate the cortex based on its intracortical structure in-vivo, firstly, im- ages have to be quantitative and homogeneous so that they can be processed fully- automatically. Moreover, the resolution has to be high enough to resolve intracortical layers. Therefore, the in-vivo MR images acquired for this work are quantitative T1 maps at 0.5 mm isotropic resolution. Secondly, computational tools are needed to analyze the cortex observer-independ- ently. The most recent tools designed for this task are presented in this thesis. They comprise the segmentation of the cortex, and the construction of a novel equi-volume coordinate system of cortical depth. The equi-volume model is not restricted to in- vivo data, but is used on ultra-high resolution post-mortem data from MRI as well. It could also be used on 3D volumes reconstructed from 2D histological stains. An equi-volume coordinate system yields firstly intracortical surfaces that follow anatomical layers all along the cortex, even within areas that are severely folded where previous models fail. MR intensities can be mapped onto these equi-volume surfaces to identify the location and size of some structural areas. Surfaces com- puted with previous coordinate systems are shown to cross into different anatomical layers, and therefore also show artefactual patterns. Secondly, with the coordinate system one can compute cortical traverses perpendicularly to the intracortical sur- faces. Sampling intensities along equi-volume traverses results in cortical profiles that reflect an anatomical layer pattern, which is specific to every structural area. It is shown that profiles constructed with previous coordinate systems of cortical depth disguise the anatomical layer pattern or even show a wrong pattern. In contrast to equi-volume profiles these profiles from previous models are not suited to analyze the cortex observer-independently, and hence can not be used for automatic delineations of cortical areas. Equi-volume profiles from four different structural areas are presented. These pro- files show area-specific shapes that are to a certain degree preserved across subjects. Finally, the profiles are used to classify primary areas observer-independently.:1 Introduction p. 1 2 Theoretical Background p. 5 2.1 Neuroanatomy of the human cerebral cortex . . . .p. 5 2.1.1 Macroscopical structure . . . . . . . . . . . .p. 5 2.1.2 Neurons: cell bodies and fibers . . . . . . . .p. 5 2.1.3 Cortical layers in cyto- and myeloarchitecture . . .p. 7 2.1.4 Microscopical structure: cortical areas and maps . .p. 11 2.2 Nuclear Magnetic Resonance . . . . . . . . . . . . . .p. 13 2.2.1 Proton spins in a static magnetic field B0 . . . . .p. 13 2.2.2 Excitation with B1 . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 15 2.2.3 Relaxation times T1, T2 and T∗ 2 . . . . . . . . . .p. 16 2.2.4 The Bloch equations . . . . . . . . . . . . . . . . p. 17 2.3 Magnetic Resonance Imaging . . . . . . . . . . . . . .p. 20 2.3.1 Encoding of spatial location and k-space . . . . . .p. 20 2.3.2 Sequences and contrasts . . . . . . . . . . . . . . p. 22 2.3.3 Ultra-high resolution MRI . . . . . . . . . . . . . p. 24 2.3.4 Intracortical MRI: different contrasts and their sources p. 25 3 Image analysis with computed cortical laminae p. 29 3.1 Segmentation challenges of ultra-high resolution images p. 30 3.2 Reconstruction of cortical surfaces with the level set method p. 31 3.3 Myeloarchitectonic patterns on inflated hemispheres . . . . p. 33 3.4 Profiles revealing myeloarchitectonic laminar patterns . . .p. 36 3.5 Standard computational cortical layering models . . . . . . p. 38 3.6 Curvature bias of computed laminae and profiles . . . . . . p. 39 4 Materials and methods p. 41 4.1 Histology . . . . . p. 41 4.2 MR scanning . . . . p. 44 4.2.1 Ultra-high resolution post-mortem data p. 44 4.2.2 The MP2RAGE sequence . . . . . . . . p. 45 4.2.3 High-resolution in-vivo T1 maps . . . .p. 46 4.2.4 High-resolution in-vivo T∗ 2-weighted images p. 47 4.3 Image preprocessing and experiments . . . . . .p. 48 4.3.1 Fully-automatic tissue segmentation . . . . p. 48 4.3.2 Curvature Estimation . . . . . . . . . . . . p. 49 4.3.3 Preprocessing of post-mortem data . . . . . .p. 50 4.3.4 Experiments with occipital pole post-mortem data .p. 51 4.3.5 Preprocessing of in-vivo data . . . . . . . . . . p. 52 4.3.6 Evaluation experiments on in-vivo data . . . . . .p. 56 4.3.7 Application experiments on in-vivo data . . . . . p. 56 4.3.8 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 58 5 Computational cortical layering models p. 59 5.1 Implementation of standard models . .p. 60 5.1.1 The Laplace model . . . . . . . . .p. 60 5.1.2 The level set method . . . . . . . p. 61 5.1.3 The equidistant model . . . . . . .p. 62 5.2 The novel anatomically motivated equi-volume model p. 63 5.2.1 Bok’s equi-volume principle . . . . . .p. 63 5.2.2 Computational equi-volume layering . . p. 66 6 Validation of the novel equi-volume model p. 73 6.1 The equi-volume model versus previous models on post-mortem samples p. 73 6.1.1 Comparing computed surfaces and anatomical layers . . . . . . . . p. 73 6.1.2 Cortical profiles reflecting an anatomical layer . . . . . . . . .p. 79 6.2 The equi-volume model versus previous models on in-vivo data . . . .p. 82 6.2.1 Comparing computed surfaces and anatomical layers . . . . . . . . p. 82 6.2.2 Cortical profiles reflecting an anatomical layer . . . . . . . . .p. 85 6.3 Dependence of computed surfaces on cortical curvature . . . . .p. 87 6.3.1 Within a structural area . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 87 6.3.2 Artifactual patterns on inflated surfaces . . . . . . . . . .p. 87 7 Applying the equi-volume model: Analyzing cortical architecture in-vivo in different structural areas p. 91 7.1 Impact of resolution on cortical profiles . . . . . . . . . . . . . p. 91 7.2 Intersubject variability of cortical profiles . . . . . . . . . . . p. 94 7.3 Myeloarchitectonic patterns on inflated hemispheres . . . . . . .p. 95 7.3.1 Comparison of patterns with inflated labels . . . . . . . . . .p. 97 7.3.2 Patterns at different cortical depths . . . . . . . . . . . . .p. 97 7.4 Fully-automatic primary-area classification using cortical profiles p. 99 8 Discussion p. 105 8.1 The novel equi-volume model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 105 8.2 Analyzing cortical myeloarchitecture in-vivo with T1 maps . . . . . .p. 109 9 Conclusion and outlook p. 113 Bibliography p. 117 List of Figures p. 127