Background: Chronic inflammatory enteropathy (CIE) in dogs is often associated with cobalamin deficiency. Hypocobalaminemia is also a risk factor for negative clinical outcomes in dogs with CIE and affected dogs may not respond to treatment unless receiving supplemental cobalamin. It has been proposed that the uptake of cobalamin from the intestinal lumen is compromised as a result of receptor deficiency in dogs with CIE, but the expression of the cobalamin receptor in dogs with chronic intestinal inflammation has not been studied. In addition to cobalamin deficiency, increased serum cobalamin concentrations could also be linked to relevant health conditions if not resulting from cobalamin supplementation. Cobalamin is essential for many cell functions, and both under- and oversupply may be associated with severe disease. Objectives: The study aimed to quantify protein and mRNA abundances of components involved in intestinal cobalamin uptake (i.e., amnionless [AMN], cubilin [CUBN], and the basolateral efflux transporter multi-drug resistance protein 1 [MRP1]) in ileal biopsies from dogs diagnosed with CIE compared to healthy dogs. These receptor levels were also evaluated in relation to the patient clinical, clinicopathologic, and histologic variables. Further, the study aimed to retrospectively determine the prevalence of hypercobalaminemia compared to hypocobalaminemia and its potential association with pathologies in a large group of dogs and cats. Material and Methods: The intestinal expression of the cobalamin receptor subunits AMN and CUBN, as well as MRP1, was evaluated in dogs with CIE (n=22) compared to healthy control dogs (n=9 for protein and n=11 for mRNA analysis). Epithelial CUBN and AMN levels were quantified by confocal laser scanning microscopy using immunofluorescent stainings in endoscopic ileal biopsies from dogs with (i) CIE and normocobalaminemia, (ii) CIE and suboptimal serum cobalamin status, (iii) CIE and severe hypocobalaminemia, and (iv) healthy controls. Expression of CUBN and MRP1 was also quantified by RT-qPCR. Receptor expression levels were analyzed for correlation with clinical patient data using non-parametric two- or multiple-group comparison or likelihood ratio tests and calculating correlation coefficients, applying a Bonferroni correction (significance at P<0.05) if indicated. For the second part of the study, medical records of all dogs and cats that presented at the Small Animal Clinic of the Leipzig University between 2007 and 2019 and had the serum cobalamin concentration measured were reviewed (1,227 cobalamin measurements). Patients receiving prior cobalamin supplementation or with incomplete medical record data were excluded from further analysis. The proportion of animals with hypercobalaminemia (serum cobalamin concentration >908 ng/L in dogs and >1,334 ng/L in cats) was calculated, and the association of hypercobalaminemia with individual patient characteristics and pathologic findings was evaluated. Results: Ileal mucosal protein levels of AMN and CUBN, as well as mRNA levels of CUBN and MRP1, were significantly increased in dogs with CIE, particularly those dogs with hypocobalaminemia, compared to healthy controls (all P=0.05). Ileal cobalamin receptor expression was positively correlated with age, clinical disease activity index (CCECAI) score, and lacteal dilation in the ileum, inversely correlated with serum folate concentrations but was not associated with serum cobalamin concentrations. Of the 654 dogs included in the second part of the study, 3% (n=21) were hypercobalaminemic, and 48% of these dogs had chronic gastrointestinal signs. Two of the 21 hypercobalaminemic dogs (10%) were diagnosed with hypoadrenocorticism, and adrenal insufficiency was significantly associated with hypercobalaminemia (P=0.031). Of the 315 cats included in the final analysis, 11% (n=34) were hypercobalaminemic. Of these cats, 65% (n=22) were diagnosed with chronic enteropathy, 24% (n=8) with acute or chronic pancreatitis, and 18% (n=6) with cholangiohepatopathy. Conclusions: Contrary to the previously proposed pathogenetic mechanism, cobalamin receptor downregulation does not appear to be the primary cause of hypocobalaminemia in canine CIE. Especially in dogs of older age, with severe clinical signs and/or more pronounced microscopic intestinal lesions, intestinal upregulation of the cobalamin receptor may be a mechanism to compensate for CIE-associated hypocobalaminemia. These findings also support an oral supplementation strategy in canine hypocobalaminemic patients with CIE. Hypercobalaminemia occurs infrequently in cats and less often in dogs. Increased serum cobalamin concentrations in patients without prior supplementation should not be ignored as they may indicate severe inflammatory, immunemediated, or neoplastic diseases.

Einführung: Enterobacter (E.) cloacae subsp. cloacae sind wichtige Humanpathogene, insbesondere bei stationär untergebrachten Patienten. Sie sind in der Lage, Medizinprodukte zu kontaminieren, und es wurde über nosokomiale Krankheitsausbrüche in Verbindung mit der Kolonisation von chirurgischen Utensilien berichtet. Es ist daher wichtig, die Wirksamkeit und Effizienz von Desinfektionsmitteln gegenüber dieser Bakterienart zu bestimmen. Ziele: Die aktuelle Studie wurde durchgeführt, um nachzuweisen, ob Peressigsäure, Ethanol, Benzalkoniumchlorid und Natriumhypochlorit, welche weit verbreitet in kommerziellen Desinfektionsmitteln enthalten sind, eine ausreichende Wirksamkeit gegen multiresistente, von Patienten im Krankenhaus isolierte, E. cloacae aufweisen. Material und Methoden: Sechs multiresistente E. cloacae Isolate, die von Patienten in einem klinischen Umfeld gewonnen wurden, wurden getestet und mit dem E. cloacae Typstamm verglichen. Die Studien wurden in vitro mit Peressigsäure, Ethanol, Benzalkoniumchlorid und Natriumhypochlorit nach den Richtlinien der Desinfektionsmittel-Kommission des Verbundes für Angewandte Hygiene e.V. durchgeführt. Die Tests umfassten qualitative und quantitative Suspensionstests zur Bestimmung der bakteriziden Wirkung, den sogenannten Keimträgertest und die Bestimmung der minimalen Hemmkonzentrationen. Ergebnisse: Die Studienergebnisse zeigten, dass multiresistente E. cloacae Stämme genauso empfindlich gegenüber Desinfektionsmitteln waren wie der Typstamm. Organische Belastung interagierte stark mit Natriumhypochlorit und minderte dadurch seine Wirksamkeit, während Peressigsäure und Ethanol nicht durch organische Verunreinigung beeinflusst wurden. Die Kontaktzeit hatte nur einen geringen Einfluss auf die bakterizide Wirkung. Im Gegensatz dazu spielten bei Benzalkoniumchlorid organische Verunreinigung und die Kontaktzeit eine wichtige Rolle. Insgesamt waren die minimalen Hemmkonzentrationen und die bakterizid wirksamen Konzentrationen niedriger als die für kommerzielle Produkte gebräuchlichen Konzentrationen. In den Keimträgertests hatte das Trocknen auf einer glatten Oberfläche einen Einfluss auf das Überleben eines Stammes von E. cloacae. Die Ergebnisse zeigten auch, dass sich die Wirksamkeit der Desinfektionsmittel in den verschiedenen verwendeten Tests deutlich unterscheiden kann. Die Ergebnisse waren schwer mit anderen Studien zu vergleichen, da eine internationale Durchführungsrichtlinie für die Prüfung der Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln gegen multiresistente Bakterien fehlt. Fazit: Peressigsäure, Ethanol, Benzalkoniumchlorid und Natriumhypochlorit eignen sich zur Desinfektion von multiresistenten E. cloacae. Die Wirksamkeit von Natriumhypochlorit und Benzalkoniumchlorid wird jedoch stark durch organische Stoffe beeinflusst. Dies unterstreicht die Bedeutung geeigneter Reinigungsmaßnahmen vor der Desinfektion. Wenn dies erfolgt ist, erweisen sich die getesteten Desinfektionsmittel gegen multiresistente E. cloacae genauso effektiv wie gegen den Typstamm.:1. Introduction ............................................................ 1 2. Literature Review ....................................................... 3 2.1 Enterobacteriaceae ..................................................... 4 2.1.1 General properties ................................................... 4 2.1.2 Enterobacter cloacae complex ......................................... 4 2.2 Multidrug-resistant bacteria and disinfectant “resistance” ............. 6 2.3 Disinfectant testing ................................................... 7 2.4 Active substances investigated in this study ........................... 8 2.4.1 Peracetic acid (PAA) ................................................. 8 2.4.2 Ethanol (ETH) ........................................................ 9 2.4.3 Benzalkonium chloride (BKC) .......................................... 9 2.4.4 Sodium hypochlorite (NaOCl) .......................................... 10 3. Materials and Methods ................................................... 11 3.1 Materials .............................................................. 11 3.2 Methods ................................................................ 14 3.2.1 Culture and storage of bacteria ...................................... 14 3.2.2 Preparation of disinfectants and the neutralizing agent .............. 14 3.2.3 Minimum inhibitory concentration (MIC) ............................... 15 3.2.4 Qualitative suspension test .......................................... 15 3.2.5 Quantitative suspension test.......................................... 16 3.2.6 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ... 16 3.2.7 Statistical analysis ................................................. 17 4. Results ................................................................. 18 4.1 Minimum inhibitory concentrations ...................................... 18 4.2 Qualitative suspension tests ........................................... 18 4.3 Quantitative suspension tests .......................................... 21 4.4 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ..... 24 5. Discussion .............................................................. 28 6. Summary ................................................................. 31 7. Zusammenfassung ......................................................... 33 8. References .............................................................. 35 9. Appendix ................................................................ 49 Acknowledgments ............................................................ 50 / Introduction: Enterobacter (E.) cloacae subsp. cloacae are important human pathogens, particularly in hospitalized patients. They tend to contaminate various medical devices and nosocomial outbreaks have been reported to be associated with the colonization of surgical equipment. Therefore, it is critical to determine the efficacy and effectiveness of disinfectants against this bacterial species. Objectives: The current study was undertaken to prove whether single active ingredients (i.e. peracetic acid, ethanol, benzalkonium chloride, and sodium hypochlorite) of widely used commercial disinfectants provide proper efficacy against multidrug-resistant human isolates of E. cloacae. Material and Methods: Six multidrug-resistant E. cloacae isolates obtained from patients in a clinical setting were tested and compared to the E. cloacae type strain. The studies were performed in vitro using peracetic acid, ethanol, benzalkonium chloride and sodium hypochlorite following the guidelines specified by the Disinfectants Commission within the Association of Applied Hygiene. Tests included determination of minimum inhibitory concentrations, bactericidal values by qualitative and quantitative suspension tests, and so-called germ carrier tests. The influence of exposure time and organic load on bacteriostatic and bactericidal concentrations was evaluated for each disinfectant using the two-tailed Mann-Whitney U-test. Results: Study results showed that multidrug-resistant E. cloacae strains were equally susceptible to disinfectants as the type strain. Organic matter highly interfered with sodium hypochlorite thereby decreasing its efficacy whereas peracetic acid and ethanol were not influenced by organic soiling. Contact time had only a minor effect on bactericidal values. This was in contrast to benzalkonium chloride where organic soiling and contact time played an important role. On the whole, minimum inhibitory concentrations and bactericidal concentrations were lower than in-use concentrations of commercial products. Drying on smooth surfaces in the carrier tests had an effect on the survival of one E. cloacae strain. Results also showed that efficacious values determined by the different tests used may differ distinctly. Results were difficult to compare with other studies because an international practical standard for testing disinfectant efficacy against multidrug-resistant bacteria is missing. Conclusion: Peracetic acid, ethanol, benzalkonium chloride and sodium hypochlorite are suitable to disinfect multidrug-resistant E. cloacae but the effectiveness of sodium hypochlorite and benzalkonium chloride is strongly influenced by organic matter. This underlines the importance of proper cleaning measures before disinfection. When this is done, the tested disinfectants proved to be as efficient against multidrug-resistant E. cloacae as against the type strain.:1. Introduction ............................................................ 1 2. Literature Review ....................................................... 3 2.1 Enterobacteriaceae ..................................................... 4 2.1.1 General properties ................................................... 4 2.1.2 Enterobacter cloacae complex ......................................... 4 2.2 Multidrug-resistant bacteria and disinfectant “resistance” ............. 6 2.3 Disinfectant testing ................................................... 7 2.4 Active substances investigated in this study ........................... 8 2.4.1 Peracetic acid (PAA) ................................................. 8 2.4.2 Ethanol (ETH) ........................................................ 9 2.4.3 Benzalkonium chloride (BKC) .......................................... 9 2.4.4 Sodium hypochlorite (NaOCl) .......................................... 10 3. Materials and Methods ................................................... 11 3.1 Materials .............................................................. 11 3.2 Methods ................................................................ 14 3.2.1 Culture and storage of bacteria ...................................... 14 3.2.2 Preparation of disinfectants and the neutralizing agent .............. 14 3.2.3 Minimum inhibitory concentration (MIC) ............................... 15 3.2.4 Qualitative suspension test .......................................... 15 3.2.5 Quantitative suspension test.......................................... 16 3.2.6 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ... 16 3.2.7 Statistical analysis ................................................. 17 4. Results ................................................................. 18 4.1 Minimum inhibitory concentrations ...................................... 18 4.2 Qualitative suspension tests ........................................... 18 4.3 Quantitative suspension tests .......................................... 21 4.4 Surface disinfection without mechanical action (germ carrier test) ..... 24 5. Discussion .............................................................. 28 6. Summary ................................................................. 31 7. Zusammenfassung ......................................................... 33 8. References .............................................................. 35 9. Appendix ................................................................ 49 Acknowledgments ............................................................ 50

Angeborene oder erworbene Knochendefekte können infolge ihrer Häufigkeit, ihrer oft mangelhaften spontanen Regenerationsfähigkeit sowie ihrer in der Regel langen Heilungsdauer ein erhebliches medizinisches, soziales und ökonomisches Problem darstellen. Zur Lösung dieses Problems stehen standardisierte und seit langen praktizierte Möglichkeiten wie die Osteosynthese oder die Defektauffüllung mit biologischen Knochenersatzmaterialien zur Verfügung. Auch synthetische Knochenersatzmaterialien, zum Teil in Kombinationen mit regenerativmedizinischen Prinzipien, kommen immer häufiger zum Einsatz wenn aufgrund eines großen Substanzverlustes des Knochens Defekte aufgefüllt werden müssen. Ziel dieser Studie am Tiermodell Schwein war es, die Knochenheilung calvärer Knochendefekte kritischer Größe unter Einsatz zweier verschiedener synthetischer Knochenersatzmaterialien, auf ß-Tricalciumphosphat- (β-TCP; Syntricer®, MedArtis Medizinprodukte und Forschung AG, München, Deutschland) bzw. Hydroxyapatit- Basis (HA; Ostim®, Heraeus-Kulzer, Hanau, Deutschland), angewandt sowohl in reiner Form als auch in Kombination mit autologen Stammzellen bzw. autologem Knochenmark, zu optimieren. Zur Untersuchung standen 16 klinisch gesunde weibliche Schweine der Deutschen Landrasse zur Verfügung. Alle Tiere waren zu Versuchsbeginn etwa 6 Monate alt und das durchschnittliche Lebendgewicht betrug zwischen 50 und 60 kg. Sowohl die β-TCP- als auch die HA-Gruppe umfasste 8 Schweine. Diese wurden wiederum in eine Kurz- und eine Langzeitgruppe zu je 4 Schweinen unterteilt, deren Beobachtungszeitraum 6 bzw. 16 Wochen betrug. Je Schwein wurden vier standardisierte Bohrlochdefekte kritischer Größe am Os frontale gesetzt. Ein Defekt wurde leer gelassen und diente als Kontrolldefekt für die physiologische Knochenheilung. Die drei anderen Defekte wurden einmal mit reinem und die anderen beiden mit biotechnologisch modifiziertem Knochenersatzmaterial aufgefüllt. Die biotechnologische Modifikation der Basissubstanzen erfolgte für einen Defekt durch die Anreicherung mit aus dem Knochenmark entnommenen und kultivierten autologen Stammzellen und für den vierten Defekt mit intraoperativ frisch punktiertem autologem Knochenmark. Die Ergebnisse der Knochenheilung wurden mit Hilfe einer computertomographischen Verlaufskontrolle intra vitam, sowie durch eine mikrotomographische und histologische Untersuchung nach der Euthanasie, untersucht. Sowohl Tier- als auch Versuchsmodell erwiesen sich als geeignet zur Untersuchung der Knochenregeneration mit Knochenersatzmaterialien. Die Knochenregeneration mit Ersatzmaterial führte in beiden Gruppen nach 6 Wochen im Vergleich mit der physiologischen Heilung zu besseren Ergebnissen, wobei sich das HA, wenn auch nicht signifikant, dem β-TCP überlegen zeigte. Die mikrotomographische Untersuchung zeigte aufgrund der höheren Detailerkennbarkeit im Vergleich zum CT einen größeren Unterschied zwischen den beiden Gruppen. So liegen die Mittelwerte im CT für die mit HA und mit dessen biotechnologischen Modifikationen gefüllten Defekte im Durchschnitt bei 11,2 ( ) und in der β-TCP-Gruppe bei 10,3 ( ) während sie für die mikrotomographische Untersuchung im Durchschnitt mit 9,4 ( ) für die mit HA und 5,7 ( ) für die mit β-TCP gefüllten Defekte bewertet wurden. Die histologische Bewertung zeigt den Unterschied zwischen beiden Gruppen bezüglich der Knochenregeneration am deutlichsten. So zeigte sich in der β-TCP-Gruppe ein sehr variabler Anteil an neugebildetem Knochengewebe, während in der HA-Gruppe immer mindestens 75% neugebildetes Knochengewebe nachgewiesen werden konnte. Der Zusatz von frischem Knochenmarkpunktat oder Stammzellen zu den Knochenersatzmaterialien hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Regeneration des Knochens. Synthetische resorbierbare Knochenersatzmaterialien, sowohl auf β-TCP- als auch auf HA-Basis, können die Knochenheilung positiv beeinflussen, und führen damit zu einer schnelleren Knochenregeneration als bei der physiologischen Knochenheilung. Im vorliegenden Modell führt die Kombination mit biotechnologischen Modifikationen wie autologen Stammzellen oder frisch punktiertem Knochenmark nicht zu einer zusätzlichen signifikanten Verbesserung der Knochenregeneration. Das pastöse nanopartikuläre Hydroxyapatit erscheint aufgrund besserer Handhabung, schnellerer Resorption sowie besserer Knochenheilung als das überlegene Material. / Inherited or acquired bone defects can, due to their frequency, their low spontaneous regenerative potential, and their generally long healing trajectories, present a significant medical, social and economical problem. Currently available solutions include standardized and well-established methods such as osteosynthesis or bone grafting using biological bone substitutes. In addition, synthetic bone substitutes, sometimes in combination with regenerative medicine, are increasingly used in cases when large bone defects require significant tissue replacement. The goal of this study was to optimize the healing of calvarial bone defects in pigs through the use of two distinct synthetic bone substitutes, -Tricalciumphosphate (β-TCP; Syntricer®, MedArtis Medizinprodukte und Forschung AG, Munich, Germany) and Hydroxyapatite (HA; Ostim®, Heraeus-Kulzer, Hanau, Germany), applied either in their pure form or in combination with either autologous stem cells or autologous bone marrow. Subjects for this study were 16 clinically healthy female domestic pigs (Deutsche Landrasse). All animals were approximately 6 months of age at the beginning of the study, with live weights between 50 and 60 kg. The animals were split into two groups of 8 for the separate study of HA and β-TCP. Each of these groups was further divided into two groups of 4 pigs, for studies of short and long duration (6 and 16 weeks, respectively). Four standardized drill holes of critical size were made in the Os frontale of each pig. One hole was left untreated as a control of physiological bone healing. Among the remaining three holes, one was filled with pure bone substitute (HA or β-TCP), and the other two were filled with biotechnologically modified bone substitute. This modification of the pure substances consisted for one drill hole of enrichment with autologous stem cells, cultured from bone marrow and, for the final hole, with intraoperative freshly extracted bone marrow. The bone healing results were measured intra vitam by computed tomography (CT), and after euthanasia by microtomography and histology. Both the model animal and experimental design proved useful for this study of bone healing using bone substitutes. Bone regeneration with bone substitutes in both experimental groups was enhanced after 6 weeks when compared with the untreated physiologically healed defects, where HA was superior to β-TCP (though not significantly). Owing to a higher resolution, microtomographic analysis revealed a greater difference between the two study groups than did CT. Thus, the mean values as measured by CT for defects filled with HA and biotechnologically modified HA are 11.2, and for 10.3 for the β-TCP group, while they are 9.4 and 5.7, respectively, as measured by microtomography. The histological assessment revealed the greatest difference in bone healing between the two experimental groups. Here, the β-TCP group displayed highly variable amounts of newly formed bone tissue, whereas each subject in the HA group displayed a minimum of 75% newly formed bone tissue. The addition of freshly extracted bone marrow or stem cells to the bone substitutes had no detectable effect on bone regeneration. Synthetic resorptable bone substitutes, on a basis of both β-TCP and HA, can positively influence bone healing, and thereby lead to a faster regeneration of bone tissue than the physiological process. In the present study, biotechnological modification of bone substitutes with autologous stem cells or bone marrow did not further enhance bone regeneration. Given its easy handling, faster resorption, and better bone healing, the nanoparticulate Hydroxyapatite paste appears to be the superior material.

In dieser Dissertation wurden am Ferkelmodell (8-15 kg, drei Gruppen: „Kontrolle“ n=7, „Herz-Lungen-Maschine (HLM)“ n=10, „(-)-Epigallocatechin-3-Gallat (EGCG)“ n=6, die Kontrollgruppe wurde thorakotomiert, die HLM- und die EGCG-Gruppe wurden thorakotomiert und für 90 Minuten an eine HLM angeschlossen, die EGCG-Gruppe erhielt vor und nach der HLM-Zeit EGCG) drei Fragestellungen behandelt: Erstens wurde untersucht, ob die Verwendung einer HLM während eines kardiochirurgischen Eingriffes unter hypothermen Bedingungen mit nicht-pulsatilem Blutfluss und Kardioplegie die Niere schädigte. Dafür wurden Paraffinschnitte der Niere aus der Kontroll- und der HLM-Gruppe mit Hämatoxylin-Eosin (HE) angefärbt und unterschiedliche Strukturen betrachtet, wobei histopathologische Veränderungen in der HLM-Gruppe auffielen. Paraklinisch fanden sich erhöhte nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin und -harnstoff) in der HLM-Gruppe. Diese Ergebnisse waren hinweisend für eine funktionell relevante Schädigung der Niere durch die HLM. Unterstützend kam ein Absinken des Gesamteiweißes im Serum der HLM-Gruppe hinzu, was auf eine generelle Schädigung des Organismus durch die HLM hindeutete. Zweitens wurde betrachtet, ob die gesetzten Schäden die Merkmale eines Ischämie-Reperfusionsschadens aufwiesen. Hierzu wurden Paraffinschnitte der Niere aus der Kontroll- und der HLM-Gruppe immunhistochemisch (Hypoxie-induzierter-Faktor-1-alpha-Tyramide- Signal-Amplification (HIF-1-alpha-TSA)-, Nitrotyrosin-3-Amino-9-Ethylcarbazol (Nitrotyrosin-AEC)- und Apoptose-induzierender-Faktor-Tyramide-Signal-Amplification (AIF-TSA)-Färbung) angefärbt. Dabei zeigte sich, dass sich die HLM-Gruppe in einer hypoxischen Situation befand (HIF-1-alpha Akkumulation in den Zellkernen), nitrosativem Stress ausgesetzt war (Nitrotyrosin in den Tubuli) und dass sie teilweise so stark geschädigt wurde, dass Apoptose induziert wurde (AIF in Zellkernen) – alle drei Färbungsergebnisse waren hinweisend für einen ischämischen Zustand, in dem sich die HLM-Gruppe befunden hat. Auch die Ergebnisse der durchgeführten renalen Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography (RP-HPLC) deuteten auf ebendies hin. Unterstützend wirkten die Ergebnisse des arteriellen Laktats – die HLM-Gruppe zeigte eine Hyperlaktämie – und die Tatsache, dass einige der histologischen Merkmale für eine frühe Schockniere (welche ischämischen Ursprungs sein kann) in der HLM-Gruppe gefunden wurden. Dies alles zeigte, dass der HLM-assoziierte Nierenschaden vorrangig die Natur eines Ischämie-Reperfusionsschadens aufwies. Drittens wurde untersucht, ob EGCG diese HLM-assoziierte Schädigung abmildern konnte. Dafür wurden bei der EGCG-Gruppe alle oben genannten Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass EGCG in der Dosierung 10 mg/kg eine renoprotektive Wirkung gegen die HLM-assoziierten Schäden hatte, und diese abmildern bzw. ihnen entgegenwirken konnte. Diese Ergebnisse sind für die pädiatrische Kardiochirurgie interessant, welche zum Beispiel bei der Korrektur angeborener Herzdefekte auf die Verwendung der HLM angewiesen ist. Komplikationen wie eine Nierenschädigung post operationem sind nicht selten und verkomplizieren den Verlauf. Die vorliegende Dissertation zeigt das renoprotektive Potential des in grünem Tee vorkommenden Katechins EGCG im Umfeld eines kardiochirurgischen Eingriffes mit Verwendung einer HLM. Die Wirksamkeit dieser Substanz ist wahrscheinlich darin begründet, dass sie mehr als ein Antioxidans ist. Neben seiner Radikalfänger- und Stickstoffmonoxidscavenger-Fähigkeiten ist EGCG außerdem antiapoptotisch wirksam. Derzeit wird die Kardiochirurgie mit Verwendung einer HLM in der Veterinärmedizin nur in wenigen Zentren angewendet. Es besteht für die Zukunft jedoch die Hoffnung, dass gerade für Kleintierbesitzer, die ihre Tiere als Familienmitglied betrachten, und auch für zoologische Einrichtungen bei der Diagnose eines Herzfehlers die Kardiochirurgie mit Verwendung einer HLM als Therapiemöglichkeit eine interessante und realistische Alternative zur bislang angewandten palliativen medikamentösen Therapie darstellen kann. / In this dissertation a piglet model (8-15 kg, three groups: “control” n=7, “extracorporeal circulation (EC)” n=10, “EGCG” n=6, the control-group was thoracotomized, the EC- and the EGCG-group were thoracotomized and underwent cardiopulmonary bypass (CPB) for 90 minutes, and the EGCG-group received EGCG before and after the CPB) is presented. Three questions were raised and answered: Firstly, it was investigated if the use of a CPB during cardiac surgery with hypothermia, non-pulsatile blood flow and cardioplegia caused damage to the kidney. In order to answer this question, paraffin slices of the kidney of the control- and the EC-group were stained with hematoxylin-eosin (HE), and different structures were evaluated – this staining showed histopathological changes in the EC-group. Paraclinical, the EC-group showed elevated kidney-specific blood parameters (serumcreatinine and -urea). These findings indicated a functionally relevant impairment of the kidney caused by the CPB. Supporting this, the EC-group also showed a decline of the total amount of proteins in the serum, which was suggestive of a generalized injury of the body by the CPB. Secondly, it was investigated whether the injury of the kidney might have been caused by an ischemia/reperfusion injury. Therefore, paraffin slices of the kidney of the control- and the EC-group were immunhistochemically stained (hypoxia-induced-factor-1-alpha-tyramidesignal-amplification (HIF-1-alpha-TSA)-, nitrotyrosine-3-amino-9-ethylcarbazole (nitrotyrosine-AEC)- and apoptosis-inducing-factor-tyramide-signal-amplification (AIF-TSA)-staining). These stainings revealed, that the EC-group had suffered from a hypoxemic situation (accumulation of HIF-1-alpha in the nuclei), from nitrosative stress (presence of nitrotyrosine in the tubuli), and that the kidney was partly damaged to the point of an induction of apoptosis (presence of AIF in the nuclei) – all three of these findings indicated, that the kidneys of the EC-group were put into an ischemic situation. The findings of the renal reversed phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC) indicated the same thing. This was also supported by the blood parameter of lactate – the EC-group showed a hyperlactemia – and by some histological findings in the EC-group, which were characteristical for an early shock-kidney (which may be caused by ischemia). Taken together, these findings showed that the CPB-associated kidney injury was primarily caused by an ischemia/reperfusion injury. Thirdly, it was investigated, whether EGCG might attenuate the CPB-associated kidney injury. For that purpose, all of the investigation methods mentioned above were carried out with the samples of the EGCG-group. The findings showed that EGCG (dose: 10 mg/kg) had a protective effect on the kidney, protecting it against the damage caused by the CPB, and was able to partly attenuate this damage and partly even fully counteract it. These findings are of interest for pediatric cardiac surgery, which for example for the correction of innate heart defects depends on the use of CPB. Complications – like acute renal injury post operationem – occur frequently and complicate the recovery. This dissertation demonstrates the renoprotective potential of the natural compound EGCG in the setting of cardiac surgery with the use of CPB. The reason for the effectiveness of EGCG in this situation probably is that EGCG is more than an antioxidant. EGCG not only works as a radical- and nitric-oxide-scavenger, but also is antiapoptotic. In veterinary medicine cardiac surgery with CPB is done by few centers only. However for the future there is hope that people – especially pet owners who view their companion animals as family members, and zoos – become more and more willing to and interested in having an animal diagnosed with a heart defect treated with cardiac surgery including the use of an CPB, instead of – like its usually done nowadays – only giving palliative medication to the animal.

Einleitung: Ischämische Schlaganfälle ziehen ausgeprägte Entzündungsprozesse im Gehirn sowie Immunreaktionen in der Körperperipherie nach sich, welche den Erkrankungsverlauf und die Regeneration maßgeblich beeinflussen. Die Modulation dieser Immunantwort stellt folglich einen vielversprechenden experimentellen Ansatz in der Schlaganfalltherapie dar. Der ischämische Schlaganfall ist außerdem mit verschiedenen Komorbiditäten und Risikofaktoren assoziiert, deren Auswirkungen auf die komplexen postischämischen pathophysiologischen Prozesse nur in Teilen aufgeklärt sind. So hat eine arterielle Hypertonie (Bluthochdruck) als wichtigster modifizierbarer Risikofaktor durch die Induktion von Gefäßschäden eine zentrale Bedeutung für die Pathogenese von ischämischen Schlaganfällen und geht außerdem mit einer Aktivierung des Immunsystems einher. Der konkrete Einfluss der Hypertonie auf die postischämische Entzündungsreaktion wurde bislang nicht hinreichend untersucht. Die Einbeziehung wichtiger Begleiterkrankungen, wie Bluthochdruck, in die präklinische Schlaganfallforschung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da ein erweitertes Verständnis der pathophysiologischen Zusammenhänge auch eine bessere Übertragbarkeit neuer immunmodulatorischer Therapiekonzepte auf den Menschen in Aussicht stellt. Zielstellung: Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Identifizierung pathofunktioneller Zusammenhänge zwischen der Immunantwort nach Schlaganfall und manifestem Bluthochdruck. Dafür wurde die zentrale und periphere Entzündungsreaktion nach experimentellem Schlaganfall in einem prämorbiden hypertensiven Tiermodell (spontan-hypertensive Ratte, SHR) im Vergleich mit normotensiven Tieren mithilfe von vorwiegend durchflusszytometrischen, histologischen und molekularbiologischen Methoden analysiert. Daneben sollte das verwendete hypertensive Tiermodell für die Untersuchung immunologischer Aspekte der translationalen Schlaganfallforschung evaluiert werden. Tiere, Material und Methoden: Für alle Tierversuche und Organentnahmen wurden ausschließlich männliche Ratten der Stämme Wistar-Kyoto und SHR im Alter von 12 bis 14 Wochen verwendet. Die Induktion des ischämischen Infarkts erfolgte mithilfe eines permanenten, transkraniellen Schlaganfallmodells oder mittels photochemischer Thrombose. In Abhängigkeit von der Untersuchungsgruppe wurden die Tiere 1 oder 4 Tage nach Infarktinduktion bzw. Sham-Operation schmerzfrei getötet. Neben wenigen neuroanatomischen und neurofunktionellen Ausleseparametern wurde als Hauptzielgröße die Immunzellverteilung im Gehirn und im Blut erfasst. Dafür wurden Hirnzellisolate und Vollblutproben mit maximal 8 fluoreszenzgekoppelten Antikörpern in verschiedenen Kombinationen markiert und in einem 3-Laser-Durchflusszytometer (FACSCanto II) gemessen und ausgewertet. Zudem wurden in kryokonservierten Hirnschnitten relevante Immunzellpopulationen und Adhäsionsmoleküle mittels Immunfluorezenztechniken markiert und für die Darstellung der räumlichen Verteilung mit einem Konfokal-Mikroskop (LSM710, Zeiss) analysiert. Zusätzlich wurde die Gen-und Proteinexpression selektiver Zytokine und Adhäsionsmoleküle in dissoziiertem Hirngewebe ermittelt. Die statistische Auswertung wurde je nach erfasster Zielgröße mittels zweiseitigem t-Test, Wilcoxon Rangsummentest, Pearson-Korrelation oder Varianzanalyse-Verfahren durchgeführt. Ein Signifikanzniveau von p<0,05 wurde für alle statistischen Verfahren festgelegt. Ergebnisse: Neben einer vergrößerten Läsion konnte in hypertensiven Tieren insbesondere eine gesteigerte Infiltration von Zellen des angeborenen Immunsystems in das ischämische Hirn gezeigt werden. Eine Verschiebung des Makrophagen-Granulozyten-Verhältnisses wies darüber hinaus auf eine veränderte Entzündungskinetik bei Vorliegen von Bluthochdruck hin. Weiterhin wurde in Tieren mit arterieller Hypertonie eine erhöhte Zahl von zirkulierenden Monozyten und Granulozyten beobachtet. Im Hirngewebe von spontan-hypertensiven Ratten nach Schlaganfall wurden außerdem eine verminderte Expression des antiinflammatorisch wirksamen Zytokins Interleukin 10, erhöhte Expressionsraten selektiver Leukozyten-rekrutierender Chemokine sowie eine vermehrte Expression des Adhäsionsmoleküls ICAM-1 auf infiltrierenden Leukozyten erfasst. Daneben konnten modellabhängige Einflüsse der verschiedenen Induktionsmethoden auf die Immunreaktion identifiziert werden. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse weisen deutlich auf einen Zusammenhang zwischen einem bestehenden arteriellen Hypertonus und einer gesteigerten entzündlichen Reaktion im Gehirn nach experimentellem Schlaganfall hin und zeigen mögliche zugrundeliegende Mechanismen auf. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit durch eine differenzierte Analyse methodischer und modellabhängiger Einflüsse die Unerlässlichkeit, präklinische Ergebnisse kritisch zu hinterfragen und in unterschiedlichen Modellen zu überprüfen. Auf Grundlage der Untersuchungen kann die spontan-hypertensive Ratte zudem als ein für die translationale Schlaganfallforschung geeignetes prämorbides Tiermodell beurteilt werden, in welchem sich der Einfluss des Risikofaktors Bluthochdruck auf die Entwicklung und den Verlauf der postischämischen Entzündung gut abbilden lässt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Humaner Schlaganfall - Grundlagen 2.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Bedeutung 2.1.2 Allgemeine Definition und Ätiologie 2.2 Postischämische Entzündung und systemische Immunantwort 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Initialer Pathomechanismus der sterilen Entzündung im Gehirn 2.2.3 Immunzellen in der postischämischen Entzündung 2.2.4 Periphere Immunmodulation und postischämische Immunsuppression 2.2.5 Auflösung der Entzündungsreaktion 2.3 Schlaganfall und Hypertonie 2.4 Translation - Schlaganfall im Tiermodell 2.4.1 Tiermodelle 2.4.2 Methoden zur Induktion des experimentellen Schlaganfalls 2.4.3 Translationsproblematik 2.4.4 Die spontan-hypertensive Ratte als prämorbides Tiermodell 2.5 Therapieverfahren und therapeutische Ansätze 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Publikation 1 5 Publikation 2 6 Zusammenfassende Diskussion 6.1 Infarktvolumina und funktionelle Daten 6.2 Immunzytologie im Hirngewebe 6.3 Immunzytologie im peripheren Blut 6.4 Leukozytenrekrutierung ins ischämische Gewebe 6.5 Fazit, Limitationen und Ausblick 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis Danksagung / Introduction: Ischemic strokes lead to a sequence of immune responses, including pronounced tissue inflammation in the brain as well as distinct reactions of the peripheral immune system that consistently influence disease process and outcome. The modulation of these immune responses therefore represents a promising experimental approach in stroke therapy. Ischemic stroke is also associated with various comorbidities and risk factors whose effects on the complex postischemic pathology have only been partially elucidated. Being the most important modifiable risk factor this especially applies to arterial hypertension that has a central role in the pathogenesis of ischemic stroke by inducing vascular damage but is also associated with a strong activation of the immune system. However, the specific influence of hypertension on postischemic inflammation has not been sufficiently investigated. Besides, the integration of hypertension and other important concomitant diseases is becoming a more regular tool in preclinical stroke modelling in order to expand the understanding of pathophysiological interactions and overcome the translational gap of new immunomodulatory therapies. Aim: The main objective of this work is the identification of pathofunctional interations between the immune response after stroke and preexisting arterial hypertension. For this purpose, the central and peripheral inflammatory response after experimental stroke was investigated in a premorbid hypertensive animal model (spontaneously hypertensive rat, SHR) in comparison with normotensive animals by means of flow cytometric, histological and molecular biological methods. In addition, the hypertensive animal model was supposed to be assessed regarding its suitability for the investigation of immunological aspects in translational stroke research. Material and Methods: For all animal experiments and organ removal, only male rats of the Wistar Kyoto and SHR strains aged 12 to 14 weeks were used. Induction of experimental stroke was performed using either a permanent transcranial stroke model or photochemical thrombosis model. Depending on the study group, animals were killed painlessly 1 or 4 days after infarct induction or sham surgery respectively. In addition to few neuroanatomic and neurofunctional readout parameters, immune cell distribution in the brain and blood was captured as primary variable. Therefore, brain cell isolates and whole blood samples labeled with a maximum of 8 fluorescence-coupled antibodies in different combinations were measured and analyzed in a 3-laser flow cytometer (FACSCanto II). Furthermore, immunofluorescence techniques were applied on cryopreserved brain sections in order to image spatial distribution of relevant immune cell populations and adhesion molecules by means of confocal microscopy (LSM710, Zeiss). In addition, the mRNA and protein expression of selective cytokines and adhesion molecules was determined in dissociated brain tissue. Depending on the targeted parameter statistical analyses were performed by using two-sample t-test, Wilcoxon rank-sum test, Pearson correlation coefficient or analysis of variance. A significance level of p<0.05 was set for all statistical methods. Results: In addition to an enlarged lesion, in hypertensive animals an increased infiltration of cells of the innate immune system to the ischemic brain area was detected. A shift of the macrophage-granulocyte-ratio further indicated an altered inflammatory profile in hypertensive rats. Furthermore, an increased number of circulating monocytes and granulocytes were observed in animals with hypertension. In brain tissue of SHR after stroke, a decreased expression of the anti-inflammatory cytokine interleukin 10 were recorded along with increased expression levels of selective leukocyte-recruiting chemokines and an increased expression of the adhesion molecule ICAM-1 on infiltrating leukocytes. In addition, caused by different induction methods, model-dependent impact on the immune reaction could be identified. Conclusion: The results clearly indicate a relationship between existing arterial hypertension and an increased inflammatory response in the brain after experimental stroke and point out potential underlying mechanisms. At the same time, by adopting a differentiated view of methodological and model-dependent influences, the work underscores the need for critical reflection and constant verification of preclinical results in different models. Finally the work validates the SHR strain as a suitable premorbid preclinical system for further translational research since it well models the influence of hypertension on the development and course of postischemic inflammation.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Humaner Schlaganfall - Grundlagen 2.1.1 Epidemiologie und sozioökonomische Bedeutung 2.1.2 Allgemeine Definition und Ätiologie 2.2 Postischämische Entzündung und systemische Immunantwort 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Initialer Pathomechanismus der sterilen Entzündung im Gehirn 2.2.3 Immunzellen in der postischämischen Entzündung 2.2.4 Periphere Immunmodulation und postischämische Immunsuppression 2.2.5 Auflösung der Entzündungsreaktion 2.3 Schlaganfall und Hypertonie 2.4 Translation - Schlaganfall im Tiermodell 2.4.1 Tiermodelle 2.4.2 Methoden zur Induktion des experimentellen Schlaganfalls 2.4.3 Translationsproblematik 2.4.4 Die spontan-hypertensive Ratte als prämorbides Tiermodell 2.5 Therapieverfahren und therapeutische Ansätze 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 4 Publikation 1 5 Publikation 2 6 Zusammenfassende Diskussion 6.1 Infarktvolumina und funktionelle Daten 6.2 Immunzytologie im Hirngewebe 6.3 Immunzytologie im peripheren Blut 6.4 Leukozytenrekrutierung ins ischämische Gewebe 6.5 Fazit, Limitationen und Ausblick 7 Zusammenfassung 8 Summary 9 Literaturverzeichnis Danksagung

Der ischämische Schlaganfall, der durch eine akut auftretende Durchblutungsstörung des Gehirns zu einem plötzlichen Verschluss eines zerebrovaskulären Gefäßes und somit zu einer massiven und oft lebensgefährlichen Minderung der zerebralen Blutversorgung führt, zählt zu den dritthäufigsten Todesursachen beim Menschen in den Industrieländern der Erde. Da die verfügbaren Therapieverfahren bisher erheblichen Limitationen unterliegen und nicht für alle Patienten gleichermaßen geeignet sind, ist eine kontinuierliche Forschung an neuen Therapieverfahren sowie die Weiterentwicklung der bisher verfügbaren Behandlungsmethoden unabdingbar. Der Erfolg dieser Arbeiten ist von der Übertragbarkeit von Ergebnissen aus präklinischen Testverfahren in die Klinik abhängig. In der Vergangenheit konnten sich beispielsweise zahlreiche Medikamente, insbesondere die sogenannten Neuroprotektiva, trotz hervorragender präklinischer Ergebnisse nicht in der Klinik behaupten. Zahlreiche Untersuchungen, die die methodische Qualität tierexperimenteller Kleintierstudien evaluierten, deckten dabei signifikante Mängel und potentielle Gründe für den Misserfolg der Translation auf. Mit der zunehmenden Bedeutung von Großtierversuchen in im Forschungsfeld steigt die Notwendigkeit, auch diese Studien hinsichtlich ihrer methodischen Qualität zu überprüfen. Dies bildet den Schwerpunkt dieser Dissertation. Die vorliegende Dissertation überprüft anhand eines an speziellen schlaganfallspezifischen Leitlinien und Vorgaben angelehnten Qualitätsscores die methodische Qualität sowie Validität von Großtierversuchen in der translationalen Schlaganfallforschung. Anhand einer systematischen Literaturrecherche nach den Vorgaben der PRISMA-Leitlinien wurden von 1990-2019 publizierte präklinische Großtierstudien (n=208) identifiziert und analysiert. Der Qualitätsscore umfasste essentielle methodische Qualitätsmerkmale. Korrelationen der Studienqualität mit externen Faktoren wie der Tierart, dem Untersuchungsgegenstand, der Region, dem Einflussfaktor der publizierenden Zeitschrift sowie dem Erscheinen schlaganfallspezifischer Leitlinien (STAIR) wurden ebenfalls evaluiert. Gruppenvergleiche von jeweils 2 Gruppen wurden mit dem Wilcoxon-Rangsummentest für nicht-parametrische Daten überprüft, für Gruppenvergleiche von mehr als 2 Gruppen wurde der Kruskal-Wallis Test verwendet. Im Falle einer statistischen Signifikanz wurde diese mittels Dunn-Bonferroni post-hoc-Korrektur verifiziert. Die Korrelation zwischen der Studienqualität und dem Einflussfaktor wurde mit dem Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman untersucht. Der Vergleich der tierarztspezifischen Gruppengrößen wurde mittels ANOVA untersucht, gefolgt von einer Dunn-Bonferroni post-hoc-Korrektur. Die Untersuchungen kamen zu dem Schluss, dass die methodische Qualität der bisherigen Großtierversuche als noch nicht optimal einzustufen ist. Studien wiesen insbesondere in methodischen Kriterien wie der Randomisierung, verdeckten Versuchsgruppenzuteilung, verblindeten Auswertung, primärer Endpunkte, der Effektstärkenberechnung, vorab erfolgten Stichprobenkalkulationen, Festlegung der Ein- und Ausschlusskriterien vor Versuchsbeginn, der Verifizierung der Infarktinduktion, der Dokumentation individueller Datenpunkte sowie einer Dokumentation möglicher Fehlerquellen sowie methodischer Limitierungen Mängel auf. Aufbauend auf den Analyseergebnissen wurden Empfehlungen für die translationale Schlaganfallforschung mit Großtieren erarbeitet. Diese sollen insbesondere zur Verbesserung der Studienplanung sowie des Studiendesigns, zu einer Erhöhung der Studientransparenz sowie zu einer kontinuierlichen, positiven Entwicklung der Studienqualität und zu einer erfolgreichen Translation von der Präklinik in die Klinik beitragen.:Inhaltsverzeichnis Widmung Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung……………………………………………………………………………….. 1 2 Literaturübersicht………………………………………………………………………. 2 2.1 Der Schlaganfall des Menschen………………………………………………… 2 2.1.1 Die akute Schlaganfalltherapie…………………………………………….. 2 2.1.2 Die Rolle von Großtiermodellen in der präklinischen Schlaganfallforschung……………………………………………………………………… 4 2.2 Translation und Studienvalidität in der präklinischen Schlaganfallforschung 6 2.2.1 Leitlinien zur Sicherung des wissenschaftlichen Qualitätsstandards in der präklinischen Schlaganfallforschung………………………………………………..... 9 2.2.2 Die Bedeutung von systematischen Reviews und Meta-Analysen in der Sicherung wissenschaftlicher Qualitätsstandards……………………………………... 12 2.3.1 Ergebnisse aus systematischen Reviews und Meta-Analysen in der tierexperimentellen Schlaganfallforschung……………………………………………... 13 3 Material und Methoden……………………………...………………………………. 17 3.1 Auswahl der Studien……………………………………………………………. 17 3.1.1 Suchstrategie………………………………………………………………. 17 3.1.2 Ein- und Ausschlusskriterien..………….………………………………… 17 3.1.3 Ablauf der Studienselektion ………………………………………..…….. 18 3.2 Datenextraktion.………………………………………………………………… 19 3.2.1 Basisinformationen, Einschlussfaktor und tierartspezifische Gruppengrößen ……………………………………………………………………………. 19 3.3 Studienanalyse.…………………………………………………………………. 20 3.3.1 Analyse der Qualitätskriterien ……………………………………………. 20 3.3.2 Analyse der Studienqualität unter der Berücksichtigung nicht-experimenteller Einflussgrößen ………………………………………………………….. 20 3.4 Statistische Auswertung.……………………………………………………….. 22 4 Ergebnisse ……………………………………………………………………………. 24 4.1 Studienoutput, Basisinformationen.…………………………………………… 24 4.1.1 Gruppengrößen ……………………………………………………………. 26 4.2 Studienqualität.………………………………………………………………….. 28 4.2.1 Tierbezogene Angaben (Kategorie 1) …………………………………... 28 4.2.2 Studienplanung (Kategorie 2) ……………………………………………. 29 4.2.3 Studiendurchführung (Kategorie 3) ……………………………………… 29 4.2.4 Dokumentation der Studienresultate und -auswertung (Kategorie 4).. 30 4.3 Analysen der Studienqualität unter der Berücksichtigung nicht-experimenteller Einflussgrößen ………………………………………………………….. 31 4.3.1 Unterschiede der Studienqualität (regional, tierartspezifisch, interventionsabhängig) ……………………………………………………………………. 31 4.3.1 Entwicklung der Studienqualität nach Einführung der STAIR-Leitlinien 33 4.3.2 Beeinflussung der Studienqualität durch den Einflussfaktor..…………. 34 5 Diskussion …………………………………………………………………………….. 36 5.1 Einschätzung der Studienqualität und -validität von Großtierversuchen in der Schlaganfallforschung …………………………………………………………………….. 36 5.2 Empfehlungen für eine langfristige Verbesserung der Studienqualität und -validität ..……………………………………………………………………………………. 43 5.2.1 Empfehlungen für eine Verbesserung der Studienplanung und des Studiendesigns.……………………………………………………………………………. 44 5.2.2 Empfehlungen zur Erhöhung der Studientransparenz..……………….. 47 5.3 Ausblick ………………………………………………………………………….. 49 6 Zusammenfassung.………………………………………………………………….. 51 7 Summary ……………………………………………………………………………… 53 8 Literaturverzeichnis ………………………………………………………………….. 55 9 Anhang …………….………………………………………………………………….. 62 / Ischemic stroke, which is based on a sudden occlusion of a cerebral artery is characterized by a massive and often life-threatening reduction of cerebral blood supply. Being frequent, ischemic stroke accounts for one in three deaths in the industrialized nations. The complex pathophysiology an acute stroke and the lack of broadly applicable treatment options requires continuous research for novel and refinement of available treatment methods. The success of this work decisively depends on result transferability from preclinical test procedures to clinically available treatments. In the past, numerous drugs, predominantly neuroprotectants, did not show clinical efficacy despite excellent results in preclinical studies. Post-hoc analyses revealed methodological quality issues in most small animal studies that are believed to be responsible for the translational failure. Since large animal experiments become increasingly important in translational stroke research, the need to review these studies regarding their methodological quality became apparent. This dissertation addresses this point. The methodological quality and validity of large animal experiments in translational stroke research was evaluated by using a quality score. This score was based on stroke-specific guidelines and recommendations for high-quality research. Based on a systematic literature search according to the PRISMA guidelines, preclinical large animal studies published from 1990-2019 (n=208) were identified and analyzed. The quality score comprised essential methodological features. Correlations of study quality with external factors such as species, type of intervention, region, journal`s impact factor as well as the implementation of stroke specific guidelines in the past (STAIR) were also evaluated. Group comparisons of 2 groups each were checked with the Wilcoxon rank sum test for non-parametric data while Kruskal-Wallis was used for group comparisons of more than 2 groups. Statistical significance was verified using Dunn-Bonferroni post-hoc correction. The correlation between study quality and impact factor was examined using Spearman correlation coefficient. Comparison of individual group sizes was investigated using ANOVA, followed by a Dunn-Bonferroni post-hoc correction. The methodological quality of the previous large animal experiments was found mediocre with, among others, shortcomings identified in methodological criteria such as blinding and randomization, definition of primary endpoints, effect size estimation and a priori sample size calculation, determination and application of preset inclusion and exclusion criteria, verification of infarct induction, documentation of individual data points, as well as the documentation of possible sources of error and methodological limitations. In summary, resulting recommendations made below are based on these shortages and are intended to improve study planning and design, and to increase study transparency. Furthermore these recommendations are intended to impact positively and continuously study quality and validity as well as translational success.:Inhaltsverzeichnis Widmung Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung……………………………………………………………………………….. 1 2 Literaturübersicht………………………………………………………………………. 2 2.1 Der Schlaganfall des Menschen………………………………………………… 2 2.1.1 Die akute Schlaganfalltherapie…………………………………………….. 2 2.1.2 Die Rolle von Großtiermodellen in der präklinischen Schlaganfallforschung……………………………………………………………………… 4 2.2 Translation und Studienvalidität in der präklinischen Schlaganfallforschung 6 2.2.1 Leitlinien zur Sicherung des wissenschaftlichen Qualitätsstandards in der präklinischen Schlaganfallforschung………………………………………………..... 9 2.2.2 Die Bedeutung von systematischen Reviews und Meta-Analysen in der Sicherung wissenschaftlicher Qualitätsstandards……………………………………... 12 2.3.1 Ergebnisse aus systematischen Reviews und Meta-Analysen in der tierexperimentellen Schlaganfallforschung……………………………………………... 13 3 Material und Methoden……………………………...………………………………. 17 3.1 Auswahl der Studien……………………………………………………………. 17 3.1.1 Suchstrategie………………………………………………………………. 17 3.1.2 Ein- und Ausschlusskriterien..………….………………………………… 17 3.1.3 Ablauf der Studienselektion ………………………………………..…….. 18 3.2 Datenextraktion.………………………………………………………………… 19 3.2.1 Basisinformationen, Einschlussfaktor und tierartspezifische Gruppengrößen ……………………………………………………………………………. 19 3.3 Studienanalyse.…………………………………………………………………. 20 3.3.1 Analyse der Qualitätskriterien ……………………………………………. 20 3.3.2 Analyse der Studienqualität unter der Berücksichtigung nicht-experimenteller Einflussgrößen ………………………………………………………….. 20 3.4 Statistische Auswertung.……………………………………………………….. 22 4 Ergebnisse ……………………………………………………………………………. 24 4.1 Studienoutput, Basisinformationen.…………………………………………… 24 4.1.1 Gruppengrößen ……………………………………………………………. 26 4.2 Studienqualität.………………………………………………………………….. 28 4.2.1 Tierbezogene Angaben (Kategorie 1) …………………………………... 28 4.2.2 Studienplanung (Kategorie 2) ……………………………………………. 29 4.2.3 Studiendurchführung (Kategorie 3) ……………………………………… 29 4.2.4 Dokumentation der Studienresultate und -auswertung (Kategorie 4).. 30 4.3 Analysen der Studienqualität unter der Berücksichtigung nicht-experimenteller Einflussgrößen ………………………………………………………….. 31 4.3.1 Unterschiede der Studienqualität (regional, tierartspezifisch, interventionsabhängig) ……………………………………………………………………. 31 4.3.1 Entwicklung der Studienqualität nach Einführung der STAIR-Leitlinien 33 4.3.2 Beeinflussung der Studienqualität durch den Einflussfaktor..…………. 34 5 Diskussion …………………………………………………………………………….. 36 5.1 Einschätzung der Studienqualität und -validität von Großtierversuchen in der Schlaganfallforschung …………………………………………………………………….. 36 5.2 Empfehlungen für eine langfristige Verbesserung der Studienqualität und -validität ..……………………………………………………………………………………. 43 5.2.1 Empfehlungen für eine Verbesserung der Studienplanung und des Studiendesigns.……………………………………………………………………………. 44 5.2.2 Empfehlungen zur Erhöhung der Studientransparenz..……………….. 47 5.3 Ausblick ………………………………………………………………………….. 49 6 Zusammenfassung.………………………………………………………………….. 51 7 Summary ……………………………………………………………………………… 53 8 Literaturverzeichnis ………………………………………………………………….. 55 9 Anhang …………….………………………………………………………………….. 62

Einleitung: Die Hände des medizinischen Personals gelten als wichtigste Übertragungsquelle von Krankheitserregern. Methicillin- und multiresistente Erreger stellen die Tiermedizin vor besondere Herausforderungen und limitieren therapeutische Optionen. Obwohl die chirurgische Händedesinfektion einen wichtigen und alltäglichen Bestandteil der Infektionsprävention darstellt, scheinen die Grundkenntnisse hierüber selbst bei chirurgischen Fachtierärzten gering zu sein. Studien haben gezeigt, dass 66 % der Chirurgen sich nicht an etablierte Standardprotokolle halten. Neben der Händedesinfektion stellen sterile OP-Handschuhe eine zusätzliche Barriere für die Übertragung von Bakterien dar. Allerdings sind perforierte Handschuhe mit einem höheren Risiko für postoperative Infektionen (SSI) verbunden, wobei die SSI-Rate in der Pferdechirurgie bis über 60 % reicht. Ziele der Untersuchungen: Die Hauptziele dieser Arbeit lagen in der Erhebung der individuellen Gewohnheiten bei der Durchführung der chirurgischen Händedesinfektion in einer Pferdeklinik (Phase 1) und dem Vergleich der Keimreduktion mit einem Standardprotokoll (Phase 2). Ferner wurden die Proben auf Bakterienspezies gescreent, die SSI induzieren können. Darüber hinaus wurde die Rate von Handschuhperforationen bestimmt. Material und Methoden: Die Observation der individuellen Gewohnheiten (Phase 1) umfasste die Dauer der Händewaschung und -desinfektion, die genutzte Desinfektionsmittelmenge und Zusammenfassung 62 die Verwendung von Bürsten. Das Standardprotokoll in Phase 2 beinhaltete eine 1-minütige Händewaschung mit flüssiger, pH-neutraler Seife ohne Bürsten und die Händedesinfektion über 3 Minuten. Alle Teilnehmer (2 Chirurgen, 8 Klinikmitarbeiter, 32 Studenten) verwendeten Sterillium® für die Händedesinfektion. Die Gesamtkeimzahlen wurden jeweils vor und nach dem Händewaschen, nach der Desinfektion und nach der Operation bestimmt. Zur Probennahme wurden die Hände für 1 Minute in 100 ml sterile phosphatgepufferte Lösung getaucht und die Bakterienkulturen auf Columbia-Schafblutagar angezüchtet. Die Bakterienkolonien wurden manuell ausgezählt und die Bakterienspezies mittels MALDI-TOF identifiziert. Die Handschuhe wurden postoperativ mit einem modifizierten Wasser-Leck-Test auf Perforationen untersucht. Ergebnisse: In Phase 1 und Phase 2 wurden 46 bzw. 41 Händedesinfektionen durchgeführt. Die individuellen Gewohnheiten unterschieden sich deutlich zwischen den Teilnehmern hinsichtlich der Dauer des Händewaschens (bis zu 8 min) und der Desinfektion, sowie der Menge des verwendeten Desinfektionsmittels (bis zu 48 ml). Die Dauer des Händewaschens in Phase 1 und 2 zeigte keinen statistisch signifikanten Effekt auf die Bakterienreduktion. Bei Verwendung des Standardprotokolls war die Reduktion der Keimzahlen nach der Desinfektion im Vergleich zur täglichen Routine signifikant höher (p < 0.001). Die mittlere Reduktion in Phase 1 betrug 90,72 % (LR = 3,23; rechte Hand) und 89,97 % (LR = 3,28; linke Hand) im Vergleich zu 98,85 % (LR = 3,29; rechte Hand) und 98,92 % (LR = 3,47; linke Hand) in Phase 2. Bei acht Teilnehmern (19 %) wurde MRSA (spa Typ t011, CC398) nachgewiesen. Die MRSA-Isolate konnten ferner einer Subpopulation zugeordnet werden, die besonders mit Pferdekliniken assoziiert wurde (hauptsächlich t011, ST398, Gentamicin-resistent). Handschuhperforationen traten bei 54 % (Chirurgen) bzw. 17 % (Assistenten) der Handschuhe auf, wobei eine höhere Prävalenz bei invasiven Eingriffen und Operationen mit einer Dauer von > 60 Minuten vorlag. Die Mehrheit (85 %) der Perforationen blieben vom Operationsteam unbemerkt, wobei Zeigefinger und Daumen die am häufigsten punktierten Stellen waren. Insgesamt nahmen die Bakterienzahlen an den Händen im Laufe der Zeit erneut zu, insbesondere wenn eine Handschuhperforation auftrat. Schlussfolgerung: Die Einhaltung eines Standardprotokolls nach neuestem Stand der Wissenschaft trägt zu einer quantitativ höheren und gleichmäßigeren Keimreduktion beider Hände bei. Die Implementierung eines standardisierten Händedesinfektionsplans sichert die Qualität der aseptischen Maßnahme und ist besonders für die Ausbildung und Schulung von Studenten mit geringer chirurgischer Erfahrung unerlässlich.:1 Einleitung ............................................................................................................................ 1 2 Literaturübersicht ............................................................................................................... 3 2.1 Residente und transiente Hautflora ............................................................................. 3 2.2 Asepsis und Antisepsis ............................................................................................... 4 2.3 Grundlagen und allgemeine Voraussetzungen für eine effektive Händehygiene ......... 4 2.4 Händewaschung .......................................................................................................... 5 2.4.1 Limitationen der Händewaschung ........................................................................ 5 2.5 Händedesinfektion ....................................................................................................... 6 2.5.1 Historie der Händedesinfektion ............................................................................ 6 2.5.2 Hygienische Händedesinfektion ........................................................................... 8 2.5.3 Chirurgische Händedesinfektion .......................................................................... 8 2.5.4 Aliphatische Alkohole ......................................................................................... 10 2.5.5 Dauer und Wirksamkeit der chirurgischen Händedesinfektion .......................... 12 2.5.6 Compliance ........................................................................................................ 13 2.5.7 Zulassung und Prüfung von Händedesinfektionsmitteln .................................... 15 2.6 Nosokomiale Infektionen, Surgical Site Infections (SSI) ........................................... 16 2.6.1 Staphylococcus aureus ...................................................................................... 18 2.6.1.1 Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) ................................... 18 2.7 Handschuhe .............................................................................................................. 21 2.7.1 Nutzen und Limitationen von Handschuhen ...................................................... 21 3 Veröffentlichung ............................................................................................................... 24 3.1 Eigenanteil zur Veröffentlichung ................................................................................ 24 3.1.1 Publikation ......................................................................................................... 26 4 Diskussion ........................................................................................................................ 50 5 Zusammenfassung ........................................................................................................... 61 6 Summary .......................................................................................................................... 63 7 Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 65 Danksagung .............................................................................................................................. 79 / Introduction: Hands of medical personnel are considered the most important source of pathogen transmission. Methicillin- and multiresistant strains of pathogens provide particular challenges to veterinary medicine and limit therapeutic options. Surgical hand disinfection is a major aspect of infection prevention, but basic knowledge seems to be low, even among specialized veterinary surgeons. Studies revealed that 66 % of surgeons do not adhere to established standard protocols. Besides hand disinfection, sterile surgical gloves provide an additional barrier to the transmission of bacteria. However, perforated gloves are associated with a higher risk of surgical site infections (SSI), with an SSI rate in equine surgery exceeding 60 %. Objective: The major objectives were to assess current habits for presurgical hand preparation (phase 1) among personnel in a veterinary equine hospital and to compare the effectiveness in reducing bacteria from hands with a standardized protocol (phase 2). Moreover, samples were screened for bacteria known to cause surgical site infection. The rate of glove perforation was determined, additionally. Material and methods: Individual habits were recorded with regards to the time taken for washing and disinfecting hands, the amount of disinfectant used, as well as the usage of brushes (Phase 1). In contrary to the personal habits, the applied standardized protocol (Phase 2) defined washing hands for 1 minute with liquid neutral soap without brushing and disinfection for Summary 64 3 minutes. All participants (2 surgeons, 8 clinic members, 32 students) used Sterillium® for disinfection. Total bacterial counts were determined before and after hand washing, after disinfection and after surgery. In brief, hands were immersed in 100 ml sterile phosphate-buffered saline for 1 minute and cultures were inoculated onto Columbia sheep blood agar using the spread-plate method. Bacterial colonies were manually counted. Surgical gloves were investigated for perforations after surgery using a modified water leak test. Results: Fourty-six and 41 hand disinfection preparations were carried out during phase 1 and phase 2, respectively. Individual habits differed distinctly between participants regarding the duration of handwashing (up to 8 min) and disinfection as well as the amount of disinfectant used (up to 48 ml). The duration of hand washing in phase 1 and 2 revealed no statistically significant effect on reducing bacteria. In contrary, using the standardized protocol in phase 2, reduction in bacterial numbers after disinfection was significantly higher (p < 0.001) compared to current habits. The mean reduction in phase 1 was 90.72 % (LR = 3.23; right hand) and 89.97 % (LR = 3.28; left hand) compared to 98.85 % (LR = 3.29; right hand) and 98.92 % (LR = 3.47; left hand) in phase 2. Eight participants (19 %) carried MRSA (spa type t011, CC398) which is well established as a nosocomial pathogen in veterinary clinics. The isolates were further assigned to a subpopulation which is particularly associated with equine clinics (mainly t011, ST398, gentamicin-resistant). Glove perforation occurred in 54 % (surgeons) and 17 % (assistants) of gloves, respectively, with a higher number in invasive procedures and operations lasting > 60 minutes. The majority (85 %) of perforations was unnoticed by the surgical team, with index fingers and thumbs most frequently affected. Overall, bacterial numbers on hands mainly increased over time during surgery, especially when glove perforation occurred. Conclusion: Adherence to state-of-the-art standardized protocols contributes to a quantitatively higher and constant germ reduction on both hands. The implementation of a standardized hand disinfection protocol ensures a high quality of aseptic measures and is essential for the education and training of students with little surgical experience.:1 Einleitung ............................................................................................................................ 1 2 Literaturübersicht ............................................................................................................... 3 2.1 Residente und transiente Hautflora ............................................................................. 3 2.2 Asepsis und Antisepsis ............................................................................................... 4 2.3 Grundlagen und allgemeine Voraussetzungen für eine effektive Händehygiene ......... 4 2.4 Händewaschung .......................................................................................................... 5 2.4.1 Limitationen der Händewaschung ........................................................................ 5 2.5 Händedesinfektion ....................................................................................................... 6 2.5.1 Historie der Händedesinfektion ............................................................................ 6 2.5.2 Hygienische Händedesinfektion ........................................................................... 8 2.5.3 Chirurgische Händedesinfektion .......................................................................... 8 2.5.4 Aliphatische Alkohole ......................................................................................... 10 2.5.5 Dauer und Wirksamkeit der chirurgischen Händedesinfektion .......................... 12 2.5.6 Compliance ........................................................................................................ 13 2.5.7 Zulassung und Prüfung von Händedesinfektionsmitteln .................................... 15 2.6 Nosokomiale Infektionen, Surgical Site Infections (SSI) ........................................... 16 2.6.1 Staphylococcus aureus ...................................................................................... 18 2.6.1.1 Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) ................................... 18 2.7 Handschuhe .............................................................................................................. 21 2.7.1 Nutzen und Limitationen von Handschuhen ...................................................... 21 3 Veröffentlichung ............................................................................................................... 24 3.1 Eigenanteil zur Veröffentlichung ................................................................................ 24 3.1.1 Publikation ......................................................................................................... 26 4 Diskussion ........................................................................................................................ 50 5 Zusammenfassung ........................................................................................................... 61 6 Summary .......................................................................................................................... 63 7 Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 65 Danksagung .............................................................................................................................. 79

Einleitung: Das Auftreten von multiresistenten Bakterien in der Bevölkerung und in Kran-kenhäusern sowie in der Tierhaltung hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Die weltweite Zunahme multiresistenter gramnegativer Bakterien, insbesondere Entero-bakterien wie Klebsiella (K.) pneumoniae und Escherichia (E.) coli, gibt Anlass zu wach-sender Besorgnis und ist Gegenstand zahlreicher Studien. Ziele der Untersuchungen: Im Rahmen der vorliegenden Studie sollte die Prävalenz von Extended-Spectrum-Beta-Lactamase (ESBL)-produzierenden Enterobakterien (ESBL-E) bei Milchkälbern untersucht und Risikofaktoren für deren Auftreten unter Verwendung von Daten zu Antibiotikaeinsatz, Betriebshygiene und Tiergesundheit identifiziert werden. Tiere, Material und Methoden: Zehn Betriebe mit einem Median von 781 Milchkühen (319-1701) nahmen an der Studie Teil. Die Betriebe wurden zweimal im Abstand von 7-11 Monaten besucht und Kotproben von jeweils 10 neugeborenen Kälbern gesammelt. Alle untersuchten Kälber waren jünger als zwei Wochen mit einem Durchschnittsalter von 6,8 (±3,9) Tagen. Die Kotproben wurden 1:10 verdünnt und im Doppelansatz auf Brilli-anceTM ESBL-Agar plattiert. Nach 24 Stunden bei 37 °C wurden die Kolonien gezählt und die Gesamtanzahl der koloniebildenden Einheiten (cfu)/ml berechnet. Die Bakterien-spezies wurde biochemisch identifiziert. Die ESBL-Produktion wurde mittels MICRONAUT-S β-Lactamase-Platten phänotypisch bestätigt. Zusätzlich wurden weitere Resistenztest mit der VITEK® 2 Technologie durchgeführt. Die Bestimmung der Phy-logruppen der E. coli-Isolate und das Screening auf bla-Gene wurde mittels PCR durch-geführt. Der Hygienestatus der Betriebe wurde mit Hilfe eines standardisierten Fragebo-gens erfasst und bewertet und Daten zu Tiergesundheit und Antibiotikaeinsatz wurden über Tier-Scoring und das Herdemanagementprogramm gesammelt. Ergebnisse: ESBL-E konnten in allen Betrieben und 96,5 % der Kotproben nachgewiesen werden. Der dominierende Anteil der ESBL-produzierenden Isolate waren E. coli (92,9 %), gefolgt von Enterobacter (E.) cloacae (5,1 %) und K. pneumoniae subsp. pneumoniae (2,0 %). Die Mehrheit der E. coli-Isolate wurde eindeutig der Phylogruppe C zugeordnet (25,0 %), gefolgt von den Phylogruppen A (15,2 %) und E (14,1 %). Die CTX-M-Gruppe 1 wurde am häufigsten nachgewiesen (80,4 %). Neben der Resistenz gegenüber Penicillinen und Cephalosporinen war die Mehrheit der Isolate zusätzlich ge-genüber einer oder mehrerer weiterer Substanzklassen resistent, wobei ein hoher Anteil gegenüber Fluorchinolonen resistent war. 52,5 % der Isolate wurden außerdem als drei-fach multiresistente gramnegative Bakterien (3MRGN) gemäß der Kommission für Kran-kenhaushygiene und Infektionsprävention charakterisiert. Keines der Isolate war 4MRGN, d.h. keines zeigte eine Carbapenem-Resistenz. Penicilline wurden bei Kälbern in den meisten Betrieben am häufigsten verabreicht und stellten auf Herdenebene in al-len Betrieben die vorherrschende Substanzklasse dar. Insgesamt war die Anzahl der Kälber, die vor der Probenahme behandelt wurden, eher gering (11,7 %). Analysen der Daten zum Betriebsmanagement ergaben Schwächen bei der Biosicherheit und der Rei-nigung und Desinfektion. Neben Beta-Laktam-Antibiotika als den am häufigsten verwen-deten Antibiotika konnten keine weiteren Risikofaktoren identifiziert werden. Schlussfolgerungen: Die Prävalenz von ESBL-E in unserer Studie war außergewöhnlich hoch. Obwohl die Prävalenz mit zunehmendem Alter der Rinder nachgewiesenermaßen abnimmt, sollten unsere Ergebnisse Anlass zur Entwicklung von Strategien sein, die den Eintrag von ESBL-E in das Kälberaufzuchtsystem frühzeitig verhindern. Dies können beispielsweise der verantwortungsbewusste Einsatz antibiotischer Trockensteller und ei-ne sorgfältige Hygiene in Abkalbeboxen und Kälberställen sein. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um den/die Eintrittspunkt(e) von ESBL-E in die Kälberaufzucht zu defi-nieren.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Antimikrobielle Resistenzen 2.1.1 Entstehung antimikrobieller Resistenzen 2.1.2 Resistenzmechanismen 2.1.3 Verbreitung von Resistenzen 2.2 Beta-Laktamantibiotika 2.2.1 Penicilline 2.2.2 Cephalosporine 2.2.3 Carbapeneme und Monobactame 2.2.4 ß-Laktamasehemmer 2.2.5 Bakterielle Resistenzmechanismen gegenüber Beta-Laktamen 2.3 Beta-Laktamasen 2.3.1 Klassifikation 2.3.2 Extended-Spectrum-Beta-Laktamasen 2.4 Vorkommen und Verteilung von ESBL bei Nutztieren und ihr zoonotisches Potenzial 2.5 Nachweis und Identifikation von ESBL 2.5.1 Phänotypischer Nachweis 2.5.2 Genotypische Identifikation 3 Veröffentlichung 4 Diskussion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 Literaturverzeichnis 8 Danksagung / Introduction: The occurrence of multidrug-resistant bacteria in the community and in hospi-tals as well as in animal husbandry has increased rapidly over the last decades. The in-creasing occurrence of multidrug-resistant gram-negative bacteria, especially enterobac-teria such as Klebsiella (K.) pneumoniae and Escherichia (E.) coli, is of growing concern and has been subject to many studies worldwide. Study aims: We studied the prevalence of extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Enterobacteriaceae in dairy calves as part of a routine health check protocol. In addition, data regarding antimicrobial use (AMU), farm hygiene, and farm manage-ment were collected in order to identify possible risks for ESBL occurrence. Animals, material and methods: Ten farms participated in the study with a median of 781 milking cows (319-1701). All calves investigated were younger than two weeks with an average age of 6.8 (±3.9) days. The farms were visited and samples were collected twice at an interval of 7-11 months. Faecal samples diluted 1:10, were plated onto Bril-lianceTM ESBL agar in duplicates. After 24 hours at 37 °C, colonies were counted and to-tal colony forming units (cfu)/ml calculated. Bacteria species were identified biochemical-ly. ESBL-production was phenotypically confirmed using the MICRONAUT-S β-Lactamases system. Additionally, antimicrobial susceptibility was tested using VITEK® 2 technology. Phylotyping of E. coli isolates and screening for bla genes was performed by PCR. The hygienic status of the farms was recorded and rated using a standardized questionnaire developed for dairy cattle and data on animal health and antimicrobial treatment were collected through animal scoring and the herd management program. Results: ESBL-producing enterobacteria were detected on all farms and 96.5 % of calves investigated shed ESBL-positive bacteria. Of all ESBL-producing isolates, the majority were E. coli (92.9 %), followed by Enterobacter cloacae (5.1 %) and Klebsiella pneu-moniae subsp. pneumoniae (2.0 %). The majority of E. coli isolates was clearly assigned to phylogroup C (25.0 %), followed by phylogroups A (15.2 %) and E (14.1 %). CTX-M group 1 was most frequently detected (80.4 %). Besides resistance to penicillins and cephalosporins, the majority of isolates was also resistant to one or more antibiotic clas-ses, with a high proportion being resistant against fluoroqinolones. 52.5 % of isolates were further characterised as threefold multidrug resistant gram-negative bacteria (3MDR-GNB) according to the German Commission for Hospital Hygiene and Infection Prevention. None of the isolates were 4MDR-GNB, i.e. none revealed carbapenem-resistance. Penicillins were the most frequently administered antibiotics to calves on most farms and were the predominant substance class at herd level on all farms. Over-all, the number of calves treated prior to sampling was rather low (11.7 %). Analyses of data regarding the farm management identified weaknesses in biosecurity and cleaning and disinfection. Besides beta-lactam antibiotics being the most commonly used antibiot-ics no other risk factors could be identified. Conclusions: The prevalence of ESBL-carriers in dairy calves in our study was exceptional-ly high. Although ESBL-E-prevalence has been described to decrease with increasing age of cattle, our findings should be motivation to develop strategies to prevent the entry of ESBL-E into the calf rearing system at an early stage such as prudent use of antimi-crobials during drying off and diligent hygiene in calving pens and calf housing. Further investigation is needed, to define the entry point(s) of ESBL-E into calf rearing.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Antimikrobielle Resistenzen 2.1.1 Entstehung antimikrobieller Resistenzen 2.1.2 Resistenzmechanismen 2.1.3 Verbreitung von Resistenzen 2.2 Beta-Laktamantibiotika 2.2.1 Penicilline 2.2.2 Cephalosporine 2.2.3 Carbapeneme und Monobactame 2.2.4 ß-Laktamasehemmer 2.2.5 Bakterielle Resistenzmechanismen gegenüber Beta-Laktamen 2.3 Beta-Laktamasen 2.3.1 Klassifikation 2.3.2 Extended-Spectrum-Beta-Laktamasen 2.4 Vorkommen und Verteilung von ESBL bei Nutztieren und ihr zoonotisches Potenzial 2.5 Nachweis und Identifikation von ESBL 2.5.1 Phänotypischer Nachweis 2.5.2 Genotypische Identifikation 3 Veröffentlichung 4 Diskussion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 Literaturverzeichnis 8 Danksagung

Salmonella enterica subspecies enterica serovar Infantis (S. Infantis) places the fourth position in the ranking of most reported Salmonella serovars in Europe. During the last decade, a multi-drug resistant (MDR) S. Infantis population has rapidly increased and widespread in European and non-European broiler production. The study proposed here aimed to i) implement and evaluate the performance of a bioinformatics pipeline named WGSBAC for Salmonella in silico serotyping, and ii) identify the genetic determinants for the increased emergence of broiler-derived S. Infantis observed in Germany. First, we conducted an evaluation of WGSBAC and three bioinformatic tools (SISTR, SeqSero, and SeqSero2) for the characterization and genoserotyping of 43 Salmonella strains of 26 different serovars. Second, we performed sequencing of 30 broiler-derived S. Infantis isolates collected from two distant decades (the 1990s and the 2010s). We applied the WGSBAC pipeline and external bioinformatics software to i) assess and control the quality of the sequenced reads ii) assembly and quality control of assemblies, and iii) annotation, typing by classical MLST, cgMLST, genoserotyping, SNPs-based phylogenetic reconstruction and in silico phenotype prediction including antimicrobial resistance genes (AMR), virulence genes and plasmid replicons detection. To detect possible clonal relatedness with other S. Infantis clones from Europe, we performed a further comparative genome analysis using 17 public genomes of other S. Infantis clones circulating in Europe. WGSBAC was feasible for the serovar prediction of most of the 43 Salmonella strains. The tool SISTR reported the highest correlation (79.1%) followed by SeqSero2 (72.1%) and SeqSero (60.5%). The study of the S. Infantis strains revealed that in contrast to the isolates from the 1990s, the majority of the strains from the 2010s revealed the presence of a megaplasmid that carried a multidrug-resistant genes (MDR) pattern, a virulence genes pattern, and several fitness-associated determinants. We termed the MDR gene pattern “ESIr” and it coded for at least three antimicrobial families: ant(3”)-Ia (aminoglycosides), sul1 (sulfonamides), and tet(A) (tetracyclines). Besides, we termed the virulence pattern as “ESIv” which includes genes for fimbriae cluster, yersiniabactin siderophore, mercury resistance, and antitoxin/antitoxin systems. Furthermore, the genotyping analysis revealed the presence of a novel sequence type (ST2283) among the majority of the strains from the 2010s and ST32 and ST1032 within the strains from the 1990s. This genetic traits may promote the rapid incidence and dissemination of a novel MDR S. Infantis population. Following a WGS-based approach, this study evidences that MDR S. Infantis ST2283 strains carrying a pESI-like plasmid have emerged during the last decade and are currently circulating in the German poultry production chain. This event results in an urgent public health hazard, thus, control measures and the support of epidemiological studies are needed to prevent the entrance, transmission, and further dissemination of this clonal population in the food chain. / Salmonella enterica subspecies enterica serovar Infantis (S. Infantis) nimmt die vierte Position in der Rangliste der am häufigsten gemeldeten Salmonella-Serovare in Europa ein. Während des letzten Jahrzehnts hat das Auftreten einer multiresistenten Salmonella enterica subspecies enterica serovar Infantis (S. Infantis)-Population rapide zugenommen und ist in der europäischen und außereuropäischen Broilerproduktion weit verbreitet. Die Studie zielte darauf ab, i) eine bioinformatische Pipeline für die in silico-Serotypisierung von Salmonellen zu implementieren und deren Leistungsfähigkeit zu bewerten, und ii) die genetischen Determinanten für das in der deutschen Broilerproduktion während des letzten Jahrzehnts beobachtete vermehrte Auftreten von S. Infantis zu identifizieren. Zunächst wurde eine Bioinformatik-Pipeline (WGSBAC) und drei bioinformatische Tools (SISTR, SeqSero und SeqSero2) zur Genoserotypisierung von 43 Salmonella spp.-Stämmen von 26 verschiedenen Serovaren durchgeführt. Zweitens führten wir die Genomsequenzierung von 30 S. Infantis Broiler-Isolaten durch, die in zwei unterschiedlichen Jahrzehnten (den 1990er und den 2010er Jahren) gesammelt wurden. Wir setzen die WGSBAC-Pipeline und externe Bioinformatik-Software ein, um i) die Qualität der sequenzierten Reads zu bewerten und zu kontrollieren, ii) Assemblierungen und Qualitätskontrollen von und iii) Annotation, Typisierung durch klassischen MLST, cgMLST, Genoserotypisierung, phylogenetische Rekonstruktion mittels Einzelnukleotidänderungen (SNPs) und in-silico-Phänotyp-Vorhersage, einschließlich antimikrobieller Resistenzgene (AMR), Virulenzgene und Plasmid-Replikons zu erkennen. Die Bioinformatik-Pipeline WGSBAC ist geeignet, das antigene Profil der meisten der in der Studie verwendeten Salmonella-Stämme zu bestimmen. Das Tool SISTR zeigte dabei die höchste Übereinstimmung (79,1 %), gefolgt von SeqSero2 (72,1 %) und SeqSero (60,5 %). Die Untersuchung der S. Infantis-Stämme ergab, dass im Gegensatz zu den Isolaten aus den 1990er Jahren, die Mehrheit der Stämme aus den 2010er Jahren das Vorhandensein eines Megaplasmids zeigte, das homolog zu dem pESI-Plasmid aus Israel und anderen pESIähnlichen Plasmiden aus europäischen Isolaten ist. Das deutsche pESI-ähnliche Plasmid kodierte für ein Muster von multiresistenten Genen (MDR), ein Muster von Virulenzgenen und mehrere Fitness-assoziierte Determinanten, welches wir 'ESIr' nannten. Dieses korrelierte mit mindestens drei antimikrobiellen Familien: ant(3')-Ia (Aminoglykoside), sul1 (Sulfonamide) und tet(A) (Tetracycline). Der Genotyp korreliert hier vollständig mit dem antimikrobiellen Phänotyp. Außerdem bezeichneten wir das Virulenzmuster als 'ESIv', welches Gene für Fimbrien-Cluster, Yersiniabactin-Siderophore, Quecksilberresistenz und Antitoxin/Antitoxin- Systeme mit einschließt. Die Genotypisierungsanalyse ergab das Vorhandensein eines neuen Sequenztyps (ST2283) bei der Mehrzahl der Stämme aus den 2010er Jahren und ST32 und ST1032 bei den Stämmen aus den 1990er Jahren. Anhand eines auf Gesamtgenomsequenzierung-basierten Ansatzes zeigte diese Studie, dass MDR S. Infantis ST2283 Stämme, die ein pESI-ähnliches Plasmid tragen, während des letzten Jahrzehnts entstanden sind und derzeit in der deutschen Geflügelproduktionskette zirkulieren. Der Erwerb eines Megaplasmids, das für Resistenzen, Virulenz-assoziierte Determinanten und Fitnessmechanismen kodiert, könnte dieses schnelle und besorgniserregende epidemiologische Ereignis erklären. Dieses Ereignis stellt eine Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar. Daher sind Kontrollmaßnahmen und die Unterstützung epidemiologischer Studien erforderlich, um den Eintritt, die Übertragung und die weitere Verbreitung dieser klonalen Population in der Lebensmittelkette zu verhindern.

EINLEITUNG: In der Diagnostik mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) liegt ein großes Potential hinsichtlich Diagnostik und Therapie einer Vielzahl von Erkrankungen. Gerade das radioaktive Isotop 18F eignet sich aufgrund hervorragender Zerfallseigenschaften besonders gut für die Entwicklung neuer Radiotracer für den klinischen Einsatz. Dabei haben sich Aminosäure (AS)-Tracer besonders bei der Darstellung von zerebralen Tumoren bewährt. Dies ist insbesondere auf eine erhöhte AS- Transportrate sowie eine erhöhte Proteinbiosyntheserate im Tumorgewebe zurückzuführen. ZIELE DER UNTERSUCHUNGEN: Eine große Hürde in der PET-Diagnostik besteht in der Entwicklung neuer Tracer, welche sich für den klinischen Einsatz eignen. Denn auch die Qualität von PET-Untersuchungen hängt stark von der Entwicklung selektiver PET-Tracer ab. Ziel dieser Studie war es daher, die neu entwickelten Phenylalanin (Phe)-Tracer zunächst in vitro zu evaluieren, bevor die Tracer bei erfolgsversprechenden Ergebnissen in verschiedenen subkutanen sowie orthotopen Tumormodellen in vivo eingesetzt wurden. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Entwicklung neuer Tracer für die Darstellung zerebraler Glioblastome gelegt, da diese nach wie vor meist zu einem späten Erkrankungszeitpunkt diagnostiziert werden und mit einer hohen Mortalität einhergehen. TIERE, MATERIAL UND METHODEN: Insgesamt 5 Tracer – 3-L-[18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe sowie α-Methyl-2-,3- und 4-[18F]FPhe – wurden hinsichtlich ihrer Bildeigenschaften im PET evaluiert. Als Referenztracer wurde jeweils der bereits etablierte Tracer [18F]Fluoroethyltyrosin ([18F]FET) eingesetzt. Zunächst wurde die prinzipielle Eignung der Tracer anhand von in vitro Zellaufnahmeversuchen an verschiedenen humanen Tumorzelllinien (MCF-7, PC-3 und U87 MG) evaluiert. Erste in vivo Versuche zur Biodistribution wurden an gesunden weiblichen und männlichen Ratten (Long Evans, je n=6) durchgeführt. Im Anschluss erfolgten Untersuchungen an einem subkutanen Tumormausmodell (männliche SCID-Mäuse, n=18) sowie einem orthotopen Gehirntumormodell an der Ratte (männliche RNU-Ratten, n=24). ERGEBNISSE: Die in vitro Traceraufnahme der evaluierten Phe-Tracer war höher oder ähnlich im Vergleich zu [18F]FET. Vor allem das AS-Transportsystem L sowie ASC waren am Transport der AS-Tracer beteiligt. Eine Proteininkorporation konnte für den Tracer 3-L-[18F]FPhe nachgewiesen werden. Insgesamt zeigten alle Tracer eine hohe metabolische Stabilität in gesunden Tieren in vivo. Die höchste Gehirnaufnahme wurde für die Tracer 3-L-[18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe beobachtet. Im subkutanen Tumormodell wiesen alle Tracer ähnliche Tumorbildgebungseigenschaften auf. Lediglich αM-2-[18F]FPhe zeigte in den MCF-7 Tumoren signifikant niedrigere Tumorwerte im Vergleich zu [18F]FET. Auch im orthotopen Modell war zu beobachten, dass sich die neuen Phe-Tracer nur geringgradig von [18F]FET unterschieden. Hier zeigten sich in den ersten Minuten post injectionem (p.i.) signifikant höhere Traceraufnahmen für 3-L-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe im orthotopen Glioblastom. Das Tumor/Gehirn-Verhältnis zeigte jedoch keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der untersuchten Tracer. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Insgesamt wiesen alle fünf evaluierten Tracer gute Tumorbildgebungseigenschaften auf. Die Enantiomere 3-L-[18F]FPhe und 3-D-[18F]FPhe unterschieden sich erstaunlicherweise kaum in ihrem biologischen Verhalten. Insbesondere für die Tracer 3-L-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe war eine hohe Tumortraceraufnahme zu beobachten. Alle Tracer ermöglichten eine sensitive Detektion orthotoper Glioblastome in der Ratte. Die signifikant höhere Tumoraufnahme von 3-L-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe in den ersten Minuten p.i. könnte die Scanzeiten von Gehirntumorpatienten verkürzen. Eine erhöhte Proteininkorporation zeigte keinen signifikanten Vorteil für 3-L-[18F]FPhe gegenüber [18F]FET. Insgesamt war kein klarer Vorteil gegenüber dem etablierten AS-Tracer [18F]FET zu sehen.:1. EINLEITUNG 2. LITERATURÜBERSICHT 2.1 Prinzip der Positronen-Emissions-Tomographie 2.2 Klinische Bedeutung von Phenylalanin. 2.3 Vor- und Nachteile Aminosäure-basierter PET-Tracer 2.4 Wichtige eingesetzte PET-Tracer in der zerebralen Tumorbildgebung 2.4.1 L-[methyl-11C]methionin ([11C]MET) 2.4.2 [11C]-α-Methyl-L-Tryptophan ([11C]AMT) 2.4.3 6-[18F]Fluor-L-3,4-dihydroxyphenylalanin ([18F]FDOPA) 2.4.4 [18F]Fluorethyltyrosin ([18F]FET) 2.5 Blut-Hirn-Schranke: Aufbau und tierartliche Unterschiede 2.5.1 Aufbau der Blut-Hirn-Schranke 2.5.2 Transport über die Blut-Hirn-Schranke 2.5.3 Tierartliche Unterschiede 2.5.4 Einfluss von Krankheiten auf die Blut-Hirn-Schranke 2.6 Aminosäurentransporter: Charakterisierung und Vorkommen in verschiedenen Tumorarten 2.6.1 Aminosäurentransportsystem L 2.6.1.1 LAT1/SLC7A5-Transporter 2.6.2 Aminosäurentransportsystem ASC 2.6.2.1 ASCT2/SLC1A5-Transporter 2.6.3 Aminosäurentransportsystem A 3. TIERE, MATERIAL UND METHODEN 3.1 Haltung der Versuchstiere 3.1.1 Haltung der Versuchsratten 3.1.2 Haltung der Versuchsmäuse 3.2 Anästhesie der Versuchstiere 3.3 Verwendete Materialien und Geräte 3.4 Verwendete Agenzien 3.5 Herstellung der 18F-markierten Tracer 3.5.1 Physikalische Grundlagen 3.5.2 Herstellung des radioaktiven Isotops 18F 3.5.3 Aminosäuren-Tracer auf Phenylalanin-Basis 3.6 Verwendete Zelllinien 3.6.1 U87 MG Zelllinie (humanes Glioblastom) 3.6.2 MCF-7 Zelllinie (humanes Brustadenokarzinom) 3.6.3 PC-3 Zelllinie (humanes Prostataadenokarzinom) 3.7 Zellaufnahmeversuche in vitro 3.7.1 Zellkultivierung 3.7.2 Versuchsdurchführung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.7.3 Versuchsdurchführung der kompetitiven Inhibitionsstudien 3.7.4 Versuchsdurchführung der Proteininkorporation 3.7.5 Messung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.8 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.8.1 Versuchstiere 3.8.2 Versuchsaufbau 3.9 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.9.1 Versuchstiere 3.9.2 Verwendete Zelllinien 3.9.3 Versuchsaufbau 3.9.4 Diagnostische Verfahren 3.10 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.10.1 Versuchstiere 3.10.2 Verwendete Zelllinie 3.10.3 Versuchsaufbau 3.10.4 Diagnostische Verfahren 3.10.5 Transkardiale Perfusion und Gehirnentnahme nach Versuchsende 3.11 PET-Messungen 3.11.1 Rekonstruktion der PET-Bilder 3.11.2 Auswertung der PET-Bilder mit der Software VINCI 3.11.3 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.11.4 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.11.5 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.12 Statistische Auswertung 4. ERGEBNISSE 4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 4.1.1 Zelluläre Tracer-Aufnahme 4.1.2 Kompetitive Inhibitionsstudien 4.1.3 Proteininkorporation 4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 4.2.1 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.2 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.3 α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.4 α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.5 α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.6 Vergleichende Auswertung 4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 4.3.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.3.2 PET-Messungen MCF-7 Zelllinie 4.3.3 PET-Messungen PC-3 Zelllinie 4.3.4 Vergleichende Auswertung 4.3.5 Histologische Verfahren 4.4.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.4.2 MRT- und PET-Messungen 4.4.3 Vergleichende Auswertung 4.4.4 Immunhistochemie 5. DISKUSSION 5.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 5.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 5.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 5.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 5.5 Synopsis: Gegenüberstellung der untersuchten Tracer 5.6 Ausblick 6. ZUSAMMENFASSUNG 7. SUMMARY 8. REFERENZEN 8.1 Abbildungsverzeichnis 8.2 Tabellenverzeichnis 8.3 Formelverzeichnis 8.4 Literaturverzeichnis 9. ANHANG 9.1 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.1.1 PET-Bilder und TACs 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.2 PET-Bilder und TACs 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.3 PET-Bilder und TACs α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.4 PET-Bilder und TACs α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.5 PET-Bilder und TACs α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.6 PET-Bilder und TACs [18F]Fluorethyltyrosin 9.2 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 9.2.1 MRT-und PET-Bilder 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.2 MRT-und PET-Bilder 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.3 MRT-und PET-Bilder α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.4 MRT-und PET-Bilder [18F]Fluorethyltyrosin 9.3 Durchführung der histologischen Verfahren 9.3.1 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 9.3.2 Anti-LAT1(SLC7A5)-Färbung 9.3.3 Anti-ASCT2(SLC1A5)-Färbung 9.4 Statistische Auswertung 9.4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 9.4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 9.4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.4.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 10. DANKSAGUNG / INTRODUCTION: Positron emission tomography (PET) has gained great potential for the diagnosis and treatment of a wide range of diseases. The radioactive isotope 18F is particularly well suited for the development of new radiotracers for clinical use due to its excellent decay properties. Amino acids (AA) have proven particularly useful in the imaging of cerebral tumors due to an increased protein synthesis rate and AA transport rates in tumor tissue. AIMS OF THE STUDIES: A major difficulty in PET diagnostics is the development of new tracers which are suitable for clinical use. This is because the quality of PET imaging depends heavily on the development of selective PET tracers. The aim of the study was therefore to preclinically evaluate the newly developed phenylalanine (Phe) tracers. After principle suitability was seen in in vitro cellular experiments, further experiments were performed in subcutaneous as well as orthotopic tumor models in vivo. Particular attention has been paid to the development of new tracers imaging cerebral glioblastomas, as they are mostly still diagnosed late and are associated with high mortality. ANIMALS, MATERIAL AND METHODS: A total of 5 Phe-based tracers – 3-L-[18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe as well as α-Methyl-2-,3- and 4-[18F]FPhe – were evaluated with regard to their imaging properties in PET. The already established tracer [18F]fluoroethyltyrosine ([18F]FET) was used as reference tracer in each case. First, the principle suitability of the tracers was evaluated by in vitro cell uptake experiments on various human tumor cell lines (MCF-7, PC-3 and U87 MG). Next, in vivo biodistribution studies were carried out on healthy female and male rats (Long Evans, n=6). Subsequently, experiments with subcutaneous tumor bearing mice (male SCID mice, n=18) and an orthotopic brain tumor model in the rat (male RNU rats, n=24) were performed. RESULTS: The in vitro cellular uptake of the evaluated Phe-tracers was higher or similar compared to [18F]FET. Significant inhibition of cellular uptake was seen in blocking the AA transport systems L and ASC. Protein incorporation could be demonstrated for 3-L-[18F]FPhe. Overall, all tracers showed high in vivo metabolic stability in healthy animals. The highest brain uptake was observed for the tracers 3-L- [18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe and αM-3-[18F]FPhe. In the subcutaneous tumor model, all tracers showed similar tumor imaging properties. Only αM-2-[18F]FPhe showed significantly lower tumor levels in the MCF-7 tumors compared to [18F]FET. It was also observed in the orthotopic model that the new Phe- based tracers differed only slightly from [18F]FET. Significantly higher tracer uptakes for 3-L-[18F]FPhe as well as αM-3-[18F]FPhe were seen in the first minutes post injection (p.i.) in the orthotopic tumor. However, the tumor-to-brain-ratio showed no significant differences. CONCLUSION: All five tracers evaluated showed good tumor imaging properties. Surprisingly, the enantiomers 3-L- [18F]FPhe and 3-D-[18F]FPhe hardly differed in their biological behaviour. In particular, a high tumour tracer uptake was observed for the tracers 3-L-[18F]FPhe as well as αM-3-[18F]FPhe. All tracers enabled sensitive detection of orthotopic glioblastomas in the rat. The significantly higher tumor uptake of 3-L-[18F]FPhe and αM-3-[18F]FPhe in the first minutes p.i. could shorten the scan times of brain tumour patients. Increased protein incorporation showed no significant advantage for 3-L- [18F]FPhe over [18F]FET. In summary, no clear advantage was seen over the established AA tracer [18F]FET.:1. EINLEITUNG 2. LITERATURÜBERSICHT 2.1 Prinzip der Positronen-Emissions-Tomographie 2.2 Klinische Bedeutung von Phenylalanin. 2.3 Vor- und Nachteile Aminosäure-basierter PET-Tracer 2.4 Wichtige eingesetzte PET-Tracer in der zerebralen Tumorbildgebung 2.4.1 L-[methyl-11C]methionin ([11C]MET) 2.4.2 [11C]-α-Methyl-L-Tryptophan ([11C]AMT) 2.4.3 6-[18F]Fluor-L-3,4-dihydroxyphenylalanin ([18F]FDOPA) 2.4.4 [18F]Fluorethyltyrosin ([18F]FET) 2.5 Blut-Hirn-Schranke: Aufbau und tierartliche Unterschiede 2.5.1 Aufbau der Blut-Hirn-Schranke 2.5.2 Transport über die Blut-Hirn-Schranke 2.5.3 Tierartliche Unterschiede 2.5.4 Einfluss von Krankheiten auf die Blut-Hirn-Schranke 2.6 Aminosäurentransporter: Charakterisierung und Vorkommen in verschiedenen Tumorarten 2.6.1 Aminosäurentransportsystem L 2.6.1.1 LAT1/SLC7A5-Transporter 2.6.2 Aminosäurentransportsystem ASC 2.6.2.1 ASCT2/SLC1A5-Transporter 2.6.3 Aminosäurentransportsystem A 3. TIERE, MATERIAL UND METHODEN 3.1 Haltung der Versuchstiere 3.1.1 Haltung der Versuchsratten 3.1.2 Haltung der Versuchsmäuse 3.2 Anästhesie der Versuchstiere 3.3 Verwendete Materialien und Geräte 3.4 Verwendete Agenzien 3.5 Herstellung der 18F-markierten Tracer 3.5.1 Physikalische Grundlagen 3.5.2 Herstellung des radioaktiven Isotops 18F 3.5.3 Aminosäuren-Tracer auf Phenylalanin-Basis 3.6 Verwendete Zelllinien 3.6.1 U87 MG Zelllinie (humanes Glioblastom) 3.6.2 MCF-7 Zelllinie (humanes Brustadenokarzinom) 3.6.3 PC-3 Zelllinie (humanes Prostataadenokarzinom) 3.7 Zellaufnahmeversuche in vitro 3.7.1 Zellkultivierung 3.7.2 Versuchsdurchführung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.7.3 Versuchsdurchführung der kompetitiven Inhibitionsstudien 3.7.4 Versuchsdurchführung der Proteininkorporation 3.7.5 Messung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.8 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.8.1 Versuchstiere 3.8.2 Versuchsaufbau 3.9 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.9.1 Versuchstiere 3.9.2 Verwendete Zelllinien 3.9.3 Versuchsaufbau 3.9.4 Diagnostische Verfahren 3.10 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.10.1 Versuchstiere 3.10.2 Verwendete Zelllinie 3.10.3 Versuchsaufbau 3.10.4 Diagnostische Verfahren 3.10.5 Transkardiale Perfusion und Gehirnentnahme nach Versuchsende 3.11 PET-Messungen 3.11.1 Rekonstruktion der PET-Bilder 3.11.2 Auswertung der PET-Bilder mit der Software VINCI 3.11.3 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.11.4 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.11.5 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.12 Statistische Auswertung 4. ERGEBNISSE 4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 4.1.1 Zelluläre Tracer-Aufnahme 4.1.2 Kompetitive Inhibitionsstudien 4.1.3 Proteininkorporation 4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 4.2.1 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.2 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.3 α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.4 α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.5 α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.6 Vergleichende Auswertung 4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 4.3.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.3.2 PET-Messungen MCF-7 Zelllinie 4.3.3 PET-Messungen PC-3 Zelllinie 4.3.4 Vergleichende Auswertung 4.3.5 Histologische Verfahren 4.4.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.4.2 MRT- und PET-Messungen 4.4.3 Vergleichende Auswertung 4.4.4 Immunhistochemie 5. DISKUSSION 5.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 5.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 5.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 5.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 5.5 Synopsis: Gegenüberstellung der untersuchten Tracer 5.6 Ausblick 6. ZUSAMMENFASSUNG 7. SUMMARY 8. REFERENZEN 8.1 Abbildungsverzeichnis 8.2 Tabellenverzeichnis 8.3 Formelverzeichnis 8.4 Literaturverzeichnis 9. ANHANG 9.1 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.1.1 PET-Bilder und TACs 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.2 PET-Bilder und TACs 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.3 PET-Bilder und TACs α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.4 PET-Bilder und TACs α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.5 PET-Bilder und TACs α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.6 PET-Bilder und TACs [18F]Fluorethyltyrosin 9.2 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 9.2.1 MRT-und PET-Bilder 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.2 MRT-und PET-Bilder 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.3 MRT-und PET-Bilder α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.4 MRT-und PET-Bilder [18F]Fluorethyltyrosin 9.3 Durchführung der histologischen Verfahren 9.3.1 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 9.3.2 Anti-LAT1(SLC7A5)-Färbung 9.3.3 Anti-ASCT2(SLC1A5)-Färbung 9.4 Statistische Auswertung 9.4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 9.4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 9.4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.4.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 10. DANKSAGUNG