Die vorliegende Arbeit untersucht die Rolle des Metabolismus in der Entstehung und Progression des Hepatozellulären Karzinoms (HZK). Der Schwerpunkt der Studie liegt auf Veränderungen zentraler Stoffwechselwege, unter anderem der Glykolyse, der Gluconeogenese, des Citratzyklus und anderer Prozesse des Zellstoffwechsels. Umfassende Multiomikanalysen, wie etwa Proteomik, Metabolomik und gezielte Genomsequenzierung wurden angewandt, um in vivo die Mechanismen der HZK Entstehung zu verstehen. Es wurden zwei Systeme untersucht: das ASV-B Mausmodell und klinische Patientenproben. Die Kohorte bestehend aus Biopsien und Resektaten von 95 Patienten umfasste 47 Fälle von HZK und 48 Fälle ohne HZK. Das Proteom des Mausmodells und der Patientenkohorte zeigen eine deutliche Herabregulierung wesentlicher Energie bereitstellender Kreisläufe im HZK: Glykogenstoffwechsel, de novo Synthese von Glukose, Glutaminaufnahme in den Citratzyklus, des weiteren sind 60% der Enzyme des Citratzyklus, und des Transports von Pyruvat in Mitochondrien im HZK herabreguliert. In dieser Arbeit wurde ein Isoformenwechsel auf mehreren Ebenen des zentralen Kohlenstoffmetabolismus gezeigt. Sowohl das Mausmodell, als auch die Gewebeproben von HZK-Patienten weisen Isoformenwechsel der Phosphoglyzeratmutasen und der Pyruvatkinasen auf. Die Hauptmerkmale finden sich sowohl in Modellmäusen, als auch in Patienten, und stellen so einen universalen metabolomischen Fingerabdruck des HZK dar. Darüber hinaus demonstriert diese Studie, dass die Proteomanalyse von bioptischen Material ein aussagekräftiges und ausreichendes molekular-diagnostisches Instrument für die Krebsforschung ist: die Proteomanalyse von Lebermaterial erlaubt die Unterscheidung von Tumorgewebe und tumorfreien Proben und die Dokumentation des Krankheitsverlaufs. / The present work evaluates the role of metabolism in development and progression of hepatocellular carcinoma (HCC). This study focuses on changes of central metabolic pathways, including glycolysis, gluconeogenesis, tricarboxylic acid (TCA) cycle and other processes involved in cellular metabolism and known to be dysregulated during cancer formation. Comprehensive multiomics analyses, such as proteomics, metabolomics and targeted genome sequencing, were applied in order to better understand HCC developmental mechanisms in vivo. Two main systems were studied: the ASV-B mouse model and clinical samples from human patients. The human cohort was composed of biopsy and surgery material from 95 patients: 47 HCC and 48 non-HCC. Proteomic data from both mice and humans show a clear downregulation of the main energy-producing pathways in HCC. Glycogen metabolism, de novo glucose synthesis, glutamine uptake to the TCA cycle, approximately 60% of enzymes of TCA cycle, and transport of pyruvate to mitochondria are downregulated in HCC. An isoform switch at various levels of central carbon metabolism was demonstrated in this work. Both mice and humans with HCC reveal isoform switches at the level of phosphoglycerate mutases and pyruvate kinases. The key features are found in both mouse and human, showing a universal metabolic HCC fingerprint. This study also demonstrates that proteomic analysis of the bioptate material is a strong and sufficient molecular diagnostic tool for research in cancer: the proteomic analysis of liver material allows the distinction of tumor samples from non-tumor samples and also to track the level of disease progression. Targeted genome sequencing revealed that no clear distinction between cancer and precancerous conditions could be made exclusively from the mutation analysis. Human metabolomic data remains inconclusive, possibly due to the different sources of tissue samples.

Bei fortgeschrittenen rektosigmoidalen Karzinomen sollte grundsätzlich die chirurgische Resektion angestrebt werden. Es gibt allerdings zahlreiche der zumeist alten Patienten, die einer solchen Therapieform nicht zugeführt werden können (Inoperabilität, Ablehnung der Operation). Für diese Patienten stellt die palliative, endoskopische Lasertherapie nach wie vor eine effiziente Alternative dar. Im Rahmen einer prospektiven Untersuchung von 61 Patienten wurde über einen 3jährigen Beobachtungszeitraum der Einfluß der palliativen Therapie mit dem Neodym:YAG-Laser auf die Symptomatologie fortgeschrittener rektosigmoidaler Tumore analysiert. Die Ergebnisse bestätigten den auch in anderen Studiengruppen beschriebenen Kurzzeiteffekt (Behandlungsdauer bis zu 3 Monaten), wonach die tumorbedingte Darmokklusion durch den Laser beherrscht werden kann und damit die Anlage eines Anus praeter vermieden wird. Besonderes Augenmerk wurde auf 32 Patienten gelegt, die längerfristig behandelt wurden, da bezüglich eines Langzeiteffekts in der Literatur kaum Angaben zu finden sind. Behandlungs-dauer: min. 3,5, max. 16,8 Monate. Tumorlokalisation: Rektum und rektosigmoidaler Übergang. Die Ergebnisse der ersten 3 Behandlungsmonate (statistisch signifikanter Rückgang für abdominale Beschwerden und peranale Blutungen) lassen sich nicht fortsetzen, aber es wird eine Art "steady state" erreicht. Die wichtigste Zielgröße der Therapie, die Sicherung der Darmpassage, konnte bei dieser Patientengruppe in 87,5 % erreicht werden. Die methodenbedingte Komplikationsrate liegt bei 6,3 %; die therapiebedingte Letalität beträgt 0 %. Problematisch ist der Anteil von Patienten mit Stuhlinkontinenz, der im Verlauf der Therapie von 6,2 % auf 40,6 % drastisch anstieg. Dennoch sahen nahezu 90 % der Patienten ihre Lebensqualität erhalten, da es sich meist um Inkontinenz I. oder II. Grades handelt, was von der Mehrzahl der Patienten angesichts ihrer Lebenssituation toleriert wird. Somit stellt die endoskopische Lasertherapie auch unter dem Aspekt der Langzeitpalliation die Behandlung der Wahl dar. Im Vergleich mit der palliativen Anlage eines Anus praeter besitzt der Laser trotz Wieder-holungsbehandlungen deutliche Vorteile: die Therapie ist ambulant durchführbar, kostengünstiger, komplikationsärmer und führt zur besseren Symptombeeinflussung. / The symptomatology of advanced rectosigmoid carcinomas by palliative therapy with the Neodymium:YAG-laser. In principle surgical resection should be aspired to in advanced rectosigmoid carcinomas. Nevertheless, there are numerous, mostly older patients, who cannot receive such a therapy (inoperability, refusal of operation). For those patients palliative, endoscopical lasertherapy is still an efficient alternative. The influence of the palliative therapy with the Nd:YAG-laser on the symptomatology of advanced rectosigmoid tumours was investigated in a prospective study of 61 patients over a 3-year period. The results also confirm the short-term effect reported by other study groups (duration of treatment up to 3 months) that occlusion of the colon can be controlled by laser-therapy and thereby the application of a colostomy may be avoided. Special attention was given to 32 patients treated for a longer duration, since reference in the medical literature relating to long-term effects of lasertherapy are rarely to be found. Duration of treatment: 3,5 to 16,8 months. Tumour location: rectum and rectosigmoid. The results of lasertherapy during the first 3 months (statistically significant reduction of abdominal symptoms and bleeding) cannot continue but it can be achieve a steady state. The maintenance of luminal patency as the most important aim of therapy in these group of patients was achieved in 87,5 %. The rate of method-related complication was 6,3 %; the treatment-related mortality was 0 %. Problematic is the increase in fecal incontinence from 6,2 % to 40,6 % seen in the patient group during the therapy. However nearly 90 % of the patients did not report significant reduction in life quality, since most fecal incontinence can be classified as first or second degree, which is tolerated by the patients in their current life situation. Consequently, the endoscopical laser-therapy is the treatment of choice also under the aspect of long-term palliation. The laser has clear advantages in comparison with the palliative colostomy in spite of the need for repeated applications: possibility of outpatient treatment, cost-effectiveness, low complication rate and better influence on symptomatology.

Abstrakt Bei Frauen wurde der Zusammenhang zwischen berufsbedingten Expositionen und dem primären Leberzellkarzinom (HCC) bisher nur sehr eingeschränkt diskutiert, das heißt, es gibt bisher kaum Forschungsergebnisse. Diese Arbeit zeigt die Ergebnisse einer internationalen Fall-Kontroll-Studie bei Frauen. Es wurden 317 HCC-Fälle und 1789 Kontrollen ohne diese Erkrankung untersucht. Grenzwertig signifikant erhöhte, adjustierte Risikoschätzer (Odds Ratio=OR)konnten für Beschäftigte in der Landwirtschaft (OR=2.50, 95% Konfidenzintervall: 1.28-4.88) und der chemischen Industrie (2.37 (1.04-5.41)) gefunden werden. Andere, nicht-signifikant erhöhte Werte fanden sich bei Frauen, die in der pharmazeutischen Industrie, in der Plastik- und PVC-Produktion, in der Schlachterei und in der Textilindustrie beschäftigt waren. Allerdings zeigten die jeweiligen Risikoschätzer nur eine geringe Konsistenz zwischen drei verschiedenen Analyseverfahren. Desweiteren zeigte keine der Analysen einen linearen Trend mit zunehmender Zeitdauer der Exposition. Die Anzahl der exponierten Fälle und Kontrollen waren aber in vielen der Berufsgruppen sehr klein, und damit auch die Studien-Power und die Präzision. Wir konnten keinen ernstzunehmenden und konsistenten Beleg für eine Beziehung zwischen HCC bei Frauen und berufsbedingten Expositionen aufzeigen. Nichtsdestotrotz, auch schwache Hinweise auf berufsbedingte Risiken rechtfertigen weitere sorgfältige Betrachtungen in zukünftigen Studien. / Abstract The association of occupational variables and hepatocellular cancer (HCC) is discussed with particular reference to women, as little research has been undertaken on their behalf. This paper reports the results of an international case-control study concerning women and involves 317 cases of HCC and 1789 controls without HCC. Working in the chemical industry and in farming was shown to have only a marginally significant risk associated with HCC: adjusted occupational risk (OR) and 95% confidence interval 2.37 (1.04-5.41) for the chemical industry and 2.50 (1.28-4.88) for farming. Other non-significantly elevated ORs were observed in the pharmaceutical, plastics, PVC-producing, textile-producing and butchery industries. Little consistency was found among the risk estimates for HCC, based on three different analytical approaches. None of the analyses showed a linear trend of risk with increasing duration of exposure. However, the numbers of exposed cases and controls were small for many of the occupations and therefore the study power and precision were low. We failed to find important and consistent evidence for a relationship between HCC in women and occupational variables. However, even weak evidence of occupational risk warrants careful consideration in future studies.

MACC1 wurde als prognostischer Biomarker für die Tumorprogression und das Metastasen-freie Überleben im KRK sowie in anderen soliden Tumoren beschrieben. Das Gen induziert Zellmotilität und Proliferation in Zellkultur sowie die Metastasierung im Mausmodell. Damit stellt MACC1 ein vielversprechendes Ziel für die Intervention bei Tumorprogression und –metastasierung und damit für die Behandlung von KRK-Patienten dar. Unser Ziel war es, die Transkription von MACC1 zu inhibieren. Hierfür identifizierten wir zunächst die Promoter-Region von MACC1 und untersuchten MACC1s transkriptionelles Regulationsnetzwerk. Durch ortsgerichtete Mutagenese, Chromatin Immunopräzipitation und Electrophoretic Mobility Shift Assay ermittelten wir, dass Transkriptionsfaktoren wie Ap-1, Sp1, C/EBPs und GIPC1 an den MACC1-Promoter binden und die Transkription des MACC1-Gens kontrollieren. Darüberhinaus konnten wir durch Hochdurchsatz-Screening die bisher ersten Inhibitoren gegen MACC1 identifizieren: Rottlerin und Lovastatin. Wir zeigten, dass diese spezifisch auf den endogenen MACC1-Promoter wirken, was eine zeit- und konzentrationsabhängige Reduktion der MACC1-Expression zur Folge hatte. Beide Inhibitoren begrenzten das Expressionsniveau von Sp1 und interferierten mit der Bindung von c-Jun mit dem MACC1-Promoter, was in einer Inhibition der MACC1-Transkription resultierte. Ferner führte die tägliche Behandlung von Xenograft-Mausmodellen mit Rottlerin zu einer Inhibition der MACC1-Expression im Primärtumor und einer damit einhergehenden Begrenzung des Tumorwachstums. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal der MACC1-Promoter und seine transkriptionelle Regulation beleuchtet wurden. Die neuen Erkenntnisse wurden zur Identifizierung der ersten Inhibitoren gegen MACC1 genutzt. Zur Behandlung von KRK-Patienten mit einem hohen Risiko für MACC1-induzierte Metastasierung könnten diese Inhibitoren Potential für die klinische Anwendung beherbergen. / MACC1 has been reported as a prognostic biomarker for tumor progression and metastasis-free survival in CRC along with other solid tumors. It induces cell motility and proliferation in cell culture and metastasis in mouse models. Consequently, targeting MACC1 to intervene in tumor progression and metastasis formation holds a promising approach to treat CRC patients. We designed a strategy to inhibit MACC1 via targeting its transcription. We first identified MACC1 gene promoter by creating various promoter-luciferase constructs. We then established that transcription factors such as Ap-1, Sp1, C/EBPs and GIPC1 bind to the MACC1 promoter and govern MACC1 transcription, expression and thus motility in vitro and in CRC patients. Using a high throughput screening targeting the MACC1 promoter, we identified small molecule MACC1 inhibitors, Rottlerin and Lovastatin. These inhibitors specifically restricted endogenous MACC1 promoter leading to reduced MACC1 expression in a time- and concentration-dependent manner. In vitro functional assays demonstrated the impact of the small molecule inhibitors on retarding cell proliferation and motility. Both inhibitors restricted Sp1 levels and interfered with the binding of c-Jun to the MACC1 promoter, thereby inhibiting MACC1 transcription. The study further described the effect of Rottlerin on a CRC-xenografted mouse model. Daily treatment of xenografted mice with Rottlerin resulted in the inhibition of MACC1 expression in the primary tumor accompanied with the restricted tumor growth. To summarize, this is the first study unraveling the MACC1 promoter, its transcriptional regulation and identification of newly identified MACC1 inhibitors. In clinical settings, inhibition of MACC1 expression using these inhibitors might provide immense potential for the treatment of CRC patients who are at high risk for MACC1-induced metastasis linked to shorter survival.

Das kolorektale Karzinom (KRK) ist die zweithäufigste Krebserkrankung und die Metastasierung die häufigste Todesursache hierbei. Das neu identifizierte Gen MACC1 (metastasis associated in colon cancer 1) wurde als prognostischer Marker für die Metastasierung des KRK beschrieben. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Exons 14-19 des Protoonkogens MET (met proto-oncogene (hepatocyte growth factor receptor)) und die kodierenden Exons von MACC1 in kolorektalen Tumoren sequenziert. Es waren in 60 Tumoren nur zwei MET Mutationen zu finden. In 154 kolorektalen Tumoren wurden die drei MACC1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) rs47211888, rs975263 und rs3735615 identifiziert. Diese MACC1 SNPs veränderten nicht die MACC1 Expression in Tumoren oder KRK-Zelllinien. Sie waren nicht mit klinischen Daten von Patienten, nicht mit dem Gesamtüberleben oder dem metastasenfreien Überleben aller Patienten mit KRK assoziiert. Der MACC1 SNP rs975263 war signifikant mit einem kürzeren metastasenfreien Überleben in einer kleineren Gruppe von jüngeren Kolonkarzinom Patienten in frühen Stadien assoziiert. Zudem wurden mittels Microarray Analyse Targetgene von MACC1 identifiziert. MACC1 regulierte die Expression von S100P (S100 calcium binding protein P) und SPON2 (spondin 2, extracellular matrix protein) in den Zelllinien SW480 und SW620. Eine S100P oder SPON2 Überexpression förderte die Zellproliferation, Zellmigration und Zellinvasion. Intraspenal transplantierte Zellen mit hoher S100P oder SPON2 Expression führten im Gegensatz zu Kontrollzellen in Xenograft Modellen zur Bildung von Metastasen. Des Weiteren war die S100P oder SPON2 Expression in humanen metachron metastasierenden kolorektalen Tumoren höher als in nicht metastasierenden Tumoren. Patienten mit einer hohen S100P oder SPON2 Expression in ihren Tumoren hatten ein kürzeres metastasenfreies Überleben im Vergleich zu Patienten mit niedriger Expression. S100P und SPON2 könnten somit eine wichtige Rolle in der Metastasierung spielen. / Colorectal cancer (CRC) is the second leading cause of cancer-related deaths in the Western World, mainly due to metastasis. The gene MACC1 (metastasis associated in colon cancer 1) was described as a prognostic marker for CRC metastasis. In this study, we sequenced the exons 14-19 of the protooncogene MET (met proto-oncogene (hepatocyte growth factor receptor)) and the coding exons of MACC1 in colorectal tumors. We found two MET mutations in 60 tumors. In 154 tumors we identified the MACC1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) rs47211888, rs975263 and rs3735615. These SNPs did neither modify the MACC1 expression in tumors nor in CRC cell lines. They were not associated with clinical parameters of the patients or with the overall survival and metastasis-free survival time of all CRC patients. Only in a subgroup, younger patients with colon cancer in early stages, the SNP rs975263 was significantly associated with a shorter metastasis-free survival time. Additionally, we identified new target genes of MACC1 by microarray analysis. MACC1 regulated the expression of S100P (S100 calcium binding protein P) and SPON2 (spondin 2, extracellular matrix protein) in the cell lines SW480 and SW620. Cell with a high S100P and SPON2 expression, intrasplenically transplanted into NOD/SCID mice, led to metastasis formation whereas transplanted control cells did not metastasize at all. The S100P and SPON2 expression was higher in colorectal tumors with metachronous metastasis than in non-metastasizing tumors. CRC patients with a high S100P or SPON2 expression in their primary tumors had a shorter metastasis-free survival time compared to patients with a low expression. Thus, S100P and SPON2 might play an important role in CRC metastasis.

Das metastasierende kolorektale Karzinom stellt eine große Herausforderung in der Krebstherapie dar. Verlässliche und effiziente Biomarker zur Prognose des Krankheitsverlaufes oder der Therapieantwort (Prädiktion) sind rar. Metastasis-associated in colon cancer 1 (MACC1) ist ein prognostischer, prädiktiver und kausaler Biomarker für verschiedene Tumorentitäten. Durch die Induzierung von Zielgenen, wie z.B. MET, beeinflusst es Signalwege wie MEK/ERK und AKT/β-catenin und fördert so Zellproliferation und -motilität sowie Tumorprogression und Metastasierung in vivo. Diese Arbeit sollte neue Strategien erforschen diese Prozesse durch die Inhibition von MACC1 auf Transkriptions- und Signaltransduktionsebene zu unterbinden. Mit zwei verschiedenen Screeningmethoden konnten wir Statine als potente transkriptionelle Inhibitoren von MACC1 als auch phosphotyrosin (pY)-abhängige Interaktionen von MACC1 mit essentiellen Signalmolekülen identifizieren: SHP2, GRB2, SHC1, PLCG1 und STAT5B. Statine verringerten MACC1-spezifische Proliferation und Koloniebildung in vitro als auch Tumor Wachstum und Metastasierung in vivo bei Dosen äquivalent der humanen Standardtherapie zur Blutlipidsenkung. Mutation der pY-Bindungsstellen reduzierte die Aktivität des MACC1-induzierten ERK Signalwegs sowie Zellmigration und -proliferation. Anhand unserer Daten orchestriert MACC1, abhängig von MET und EGFR, neue SHP2/SRC/ERK und PKA/SRC/CREB Signalkaskaden zu einem malignen Phänotyp. Gezielte Intervention restringierte die MACC1-abhängige Koloniebildung, was neue therapeutische Interventionspunkte identifiziert und eine hervorragende Basis für Untersuchungen zur Kombinationstherapie darstellt. Die weitere Erforschung der spatiotemporalen Organisation des MACC1 Signalosoms und assoziierter Signalkaskaden soll das volle therapeutische Potential von MACC1 ausschöpfen. Wir empfehlen zudem Statine in der Krebstherapie bzw. -prävention, besonders bei MACC1-stratifzierten Patienten, anzuwenden. / Metastatic colorectal cancer still represents a major challenge in therapy. Reliable and efficient biomarkers for early prognosis of disease course or treatment response (prediction) remain scarce. Metastasis-associated in colon cancer 1 (MACC1) has been established as prognostic, predictive and causal biomarker for several tumor entities. Its induction of target genes such as MET affects several signaling pathways including MEK/ERK and AKT/β-catenin. Thus, it promotes cellular proliferation and motility as well as tumor progression and metastasis formation in vivo. This study intended to explore new strategies to inhibit these processes by targeting MACC1 on transcriptional and signaling level. By two distinct screening methods, we identified statins as potent MACC1 transcriptional inhibitors as well as phosphotyrosine (pY)-dependent interactions of MACC1 with crucial signaling molecules: SHP2, GRB2, SHC1, PLCG1 and STAT5B. Statins showed MACC1-specific reduction of proliferation and colony formation in vitro as well as restriction of tumor growth and metastasis formation in vivo at doses equivalent to human standard lipid reduction therapy. Mutation of the pY-interaction sites abrogated MACC1-dependent ERK signaling as well as cell migration and proliferation. Our data further suggest that MACC1 governs SHP2/SRC/ERK and PKA/SRC/CREB axes conferring a malignant phenotype in response to MET and EGFR. Targeted intervention restricted MACC1-dependent colony formation which indicates new drug intervention points for MACC1 signaling and provides an excellent baseline for further investigations of combinatorial treatments. Additional research about the spatiotemporal organization of MACC1 signalosome formation and downstream signaling will reveal the entire potential of MACC1 as therapeutic target, whereas statins should already be considered for cancer therapy or prevention, especially in patients stratified for MACC1 expression.

Die Arbeit umfaßt erstens einen Literaturüberblick über die charakteristischen Merkmale und Besonderheiten des verrukösen Karzinoms (VK) und die Prognose bei unterschiedlichen therapeutischen Herangehensweisen. Von besonderem Interesse ist die LK-Metastasierung von VK. In der Literaturauswertung konnten dabei 18 Fälle ermittelt werden; dabei waren nur in einem Fall Fernmetastasen vorhanden. Die Prognose von VK ist gut bei einer adäquaten chirurgischen Therapie; die Mitbehandlung des Lymphabstromgebietes sollte nicht routinemäßig erfolgen. Zweiter Schwerpunkt der Arbeit ist eine Auswertung des Patientengutes der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Charité (24 Patienten) und der Hals-Nasen-Ohrenklinik der Charité (13 Patienten) unter der besonderen Fragestellung des Metastasierungsverhaltens und der Prognose von VK. In 2 Fällen wurden LK-Metastasen eines VK festgestellt. In keinem Fall ist das VK als Todesursache eines Patienten bekannt. Bei 8 Patienten traten Rezidive auf. Es wurde festgestellt, daß größere Tumoren schneller und häufiger rezidivieren. Bei der Hälfte der Patienten trat das Rezidiv 4 bis 9 Monate post operationem auf. Die Früherkennung von VK ist wichtig, denn die Prognose ist umso besser, je kleiner der Tumor ist. / The paper comprises first an assessment of literature about the characteristics, and the particularities of verrucous carcinoma (VC), and prognosis dependent on the different therapies. Of particular interest is the lymph node metastatic invasion of VC. The assessment of literature showed in 18 cases lymph node metastases; one VC of these had distant metastases. The prognosis of VC is excellent with adequate surgical therapy. Lymph node treatment should not be routine. Second point of the paper is the assessment of data of 24 patients with VC of the Clinic for Oral and Maxillo-Facial surgery of the Charité and 13 patients with VC of the Clinic for Otorhinolaryngology of the Charité with special attention on metastatic invasion and prognosis of VC. Two patients had lymph node metastases caused by a VC. In no case VC is known as cause of death. Eight patients had relapses. Half of these patients had relapse 4 to 9 monthes post operationem. It was established that larger tumors relapse more often and faster. Early detection of VC is necessary, because the prognosis is the better the smaller the tumor is.

Das Kolorektale Karzinom zählt zu den häufigsten malignen Erkrankungen und ist verbunden mit einer hohen Letalität. Die Therapie des KRK beinhaltet häufig chirurgische Herangehensweisen, welche sich in den letzten Jahren zunehmend in Richtung minimalinvasiver und roboterassistierter Verfahren entwickeln. Die operative Versorgung bringt, auch aufgrund der engen anatomischen Lagebeziehungen, ein Verletzungsrisiko für verschiedene anatomische Strukturen mit sich. Hierzu zählen neben seltenen Organverletzungen auch Schädigungen der Nerven, welche in die Lebensqualität oft stark beeinträchtigenden urogenitalen Dysfunktionen resultieren können. Daraus können Komplikationen folgen, deren Vermeidung stets angestrebt wird. Maschinelle Lernverfahren erleben in den letzten Jahren eine zunehmende Popularität und werden auf eine wachsende Vielzahl von Arbeitsbereichen mit Erfolg angewendet. Darunter findet sich auch die Medizin. Da die mangelhafte Erkennung von abdominellen Strukturen einen relevanten Risikofaktor verschiedener Operationen darstellt, der einen großen Einfluss auf die Prognose und Lebensqualität der Patient*innen hat, bietet sich hier großes Potential. An dieser Stelle soll durch eine KI-basierte Assistenz eine Lücke geschlossen werden, deren Relevanz bisher noch nicht ausreichend untersucht wurde. Auch wenn sich bereits zeigte, dass maschinelle Lernverfahren das Potential haben, optisch differenzierbare Strukturen im chirurgischen Kontext zu erkennen, bleibt die klinische Bedeutung dessen bislang unklar. In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern die Erkennung anatomischer Strukturen durch Bilderkennungsalgorithmen auf intraoperativem Bildmaterial möglich ist. Dies ist eine notwendige Grundlage für die Entwicklung weiterführender Technologien für die Erleichterung von operativen Eingriffen, die Vermeidung von Komplikationen oder die Erkennung morphologisch sichtbarer Pathologien. Hierbei soll sich künftig nicht nur auf die Anwendung in roboterassistierten Rektum- bzw. Sigmaresektionen beschränkt werden, sondern eine Anwendung für alle minimalinvasiven OPs ermöglicht werden. Damit können Kosten und Dauer von Eingriffen ebenso sinken wie die kognitiven Anforderungen an die Operateur*innen und eine Verbesserung der postoperativen Ergebnisse und Lebensqualität für die Patient*innen erreicht werden. Es wurden 43 zwischen Februar 2019 und März 2021 an der Klinik für Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus in Dresden durchgeführte roboterassistierte Sigma- bzw. Rektumresektionen und -exstirpationen einbezogen. Diese wurden hinsichtlich der Sichtbarkeit 6 verschiedener anatomischer Strukturen untersucht. Für die Kategorien Leber, Magen, Milz, Nerven, Pankreas und Ureter wurden jeweils zwischen 1023 und 1754 Einzelbilder aus 18 bis 23 OPs verwendet. Damit wurden sowohl anatomische Strukturen geringerer als auch höchster Komplexität betrachtet. Auf den Schritt der temporalen Annotation folgte nach der Einzelbildextraktion die semantische Segmentierung eines jeden Bildes. Dabei wurden alle Bereiche, in denen die jeweilige Struktur zu sehen ist, in ihren exakten Grenzen markiert. Diese segmentierten Bilder stellten die Grundlage für den anschließenden deep learning Prozess mittels eines CNNs dar. Das Resultat dessen war für jede Struktur ein Bilderkennungsalgorithmus, der sie automatisiert erkennen und semantische Segmentierungen anfertigen kann. Die Evaluation der Erkennungsleistung erfolgte mittels Intersection over Union, F1- Score, Precision Score, Recall Score, Specificity und Accuracy. Des Weiteren wurde die Performance des Algorithmus am Beispiel von 35 Bildern, von denen 16 das Pankreas zeigten, hinsichtlich der IoU für dieses Segment mit derjenigen von 28 Proband*innen verschiedener Wissens- und Ausbildungsstände verglichen. Dabei wurde das Konzept der Bounding box–Annotation verwendet. Die Ergebnisse der erarbeiteten Bilderkennungsalgorithmen bewegten sich für die 6 untersuchten Strukturen bei einer durchschnittlichen IoU, welche den Grad an Überlappung zweier Segmente beschreibt, zwischen 0,744 ± 0,275 und 0,255 ± 0,147. In der klinischen Evaluation wurden durch den auf das Pankreas trainierten Algorithmus Ergebnisse erzielt, die sich im Vergleich mit den 28 Proband*innen mit 0,31 an zweiter Stelle hinter einer Person von höchster Expertise eingliederten. Die von den Teilnehmenden erzielte durchschnittliche IoU betrug 0,100 ± 0,097. Die in dieser Arbeit erreichten Ergebnisse stellen einen guten Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung KI-basierter Assistenzfunktionalitäten für den chirurgischen Alltag dar. Trotz einiger Limitationen hinsichtlich der Generalisierbarkeit einer eher kleinen und monozentrischen Untersuchung und Verbesserungspotential bezüglich der Generierung der Segmentierungen konnte ein hochwertiger Datensatz erarbeitet und publiziert werden. Insgesamt betrachtet lässt sich aus den Ergebnissen der darauf basierenden Bilderkennungsalgorithmen schließen, dass Methoden künstlicher Intelligenz bereits jetzt das Potential haben, viele Organe sehr gut und zuverlässig zu erkennen und abzugrenzen. Dadurch besitzen sie das Potential einer relevanten Unterstützung im chirurgischen Alltag. Bis zum Erreichen des Ziels einer klinischen Anwendung sind jedoch noch einige Schritte zu gehen, insbesondere die Übertragung des Erreichten auf Bewegtbildmaterial steht hierbei im Vordergrund. Zudem zeigte sich, dass die etablierten Metriken nicht ideal geeignet sind, um die klinische Relevanz der Prädiktionen abzubilden. Damit ist es notwendig, weiterhin über geeignete Metriken für die praktische Anwendung zu diskutieren und an der Entwicklung neuer Maßzahlen zu arbeiten. Allerdings kann bereits jetzt eine wertvolle Hilfestellung, besonders für Personen ohne langjährige chirurgische Erfahrung, geleistet werden. Dies stellt eine hervorragende Grundlage für die Weiterentwicklung der Algorithmen und deren Implementierung als Grundlage weiterführender Technologien im Bereich der intraoperativen Assistenzsysteme dar. / Colorectal cancer (CRC) is one of the most common malignancies and is associated with a high mortality rate. The treatment of CRC often involves surgical approaches, which in recent years have increasingly evolved towards minimally invasive and robotic-assisted procedures. Surgical treatment entails a risk of injury to various anatomical structures, in part due to the narrow surgical field and close anatomical positioning. In addition to rare organ injuries these include the more common nerve lesions which often result in urogenital dysfunction affecting patients' quality of life tremendously. Consequently, complications can occur and the aim is always to avoid them. In recent years, machine learning techniques have become increasingly popular and are being successfully applied in a growing variety of fields. One such area is medical applications. Since the inadequate detection of anatomical structures represents a relevant risk factor in various surgical procedures with a high impact on patient prognosis and quality of life, there is great potential here. At this point, AI-based assistance aims to fill a gap whose practical relevance has not yet been sufficiently investigated. Although machine learning has already been shown to identify optically differentiable structures in a surgical context, its clinical significance remains unclear to date. This work examines the possibility of using image recognition algorithms to identify anatomical structures on intraoperative image material. This research is fundamental to the development of future technologies that facilitate surgical interventions, reduce the likelihood of complications or identify morphologically visible organ pathologies. This technique is intended to be used in the widespread field of minimally invasive surgery, rather than being limited to robot-assisted rectal and sigmoid resections. This could result in a decrease in the expenses and duration of surgery, as well as a reduction in the cognitive demands on the surgeons. Additionally, it could lead to improvements in post-operative outcomes and quality of life for patients. Between February 2019 and March 2021, 43 robot-assisted rectal and sigmoid resections and extirpations performed at the Clinic for Visceral, Thoracic and Vascular Surgery of the University Hospital Carl Gustav Carus in Dresden were included in this work. The surgery recordings were examined with regard to the visibility of 6 different anatomical structures. For the categories liver, stomach, spleen, nerves, pancreas and ureter, between 1023 and 1754 individual frames from 18 to 23 surgeries were used in each case. Thus, both anatomical structures of lower as well as highest complexity were considered. After performing temporal annotation and extracting single frames, each frame underwent semantic segmentation. In this step, all areas displaying the respective structure were marked with their exact boundaries. The resulting segmented images provided as input to the subsequent deep learning process using a CNN. As a result, we have obtained an image recognition algorithm for each structure considered capable of automatic detection and semantic segmentation. The recognition performance was evaluated using metrics including Intersection over Union, F1- Score, Precision Score, Recall Score, Specificity and Accuracy. Additionally, the algorithm's performance was compared with the organ recognition skills of 28 individuals with varying levels of medical knowledge and training. A clinical evaluation was performed using the example of the pancreas, which had to be highlighted by bounding boxes. For this purpose, a sample of 35 images, 16 of which included the pancreas, was used to examine the IoU for this segment. The developed image recognition algorithms produced results regarding the average IoU, which describes the degree of overlap between two segments, ranging from 0.744 ± 0.275 to 0.255 ± 0.147 for the 6 anatomical structures investigated. During the clinical validation, the algorithm's results for the generation of bounding boxes for the segment pancreas achieved the second-highest score, at an IoU of 0.31. This ranking placed it second among the 28 individuals, surpassed only by a single person with the highest level of expertise. The average IoU obtained by the participants was 0.100 ± 0.097. The results of this work provide a good starting point for the development of further AI-based assistance functionalities for everyday surgical practice. Despite some limitations regarding the generalisability of a rather small and monocentric study and potential for improvement in the generation of the segmentations, a high quality dataset has been compiled and published. Overall, the resulting image recognition algorithms' outcomes indicate that AI techniques already have the potential to detect and differentiate a lot of organs very well and dependably. As a consequence, they have the capacity to offer significant assistance to the surgical routine. Before moving to clinical application, several additional steps need to be taken, with particular emphasis on the crucial process of transferring what has been achieved to moving image material. Furthermore, it has become evident that the established metrics are not entirely capable of representing the clinical value of the predictions. Thus, it is necessary to have further discussions regarding appropriate metrics for practical implementation and to focus on the development of new measures. However, even now they can provide a precious assistance, particularly for individuals without extensive surgical training. This signifies an excellent foundation for advancing the algorithms and implementing them as the basis for future technologies in the field of intra-operative assistance systems.

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Ziel der vorliegenden Arbeit ist die retrospektive Beurteilung der Sicherheit und Effektivität der Leberteilresektion bei der Behandlung von Lebermetastasen des kolorektalen Karzinoms sowie der Re-Resektion bei Patienten mit Rezidivlebermetastasen. Weiterhin soll das operative Vorgehen bei synchronen Lebermetastasen hinsichtlich simultaner Resektionsverfahren und zweizeitigen Vorgehens untersucht werden. Insgesamt wurden die Ergebnisse von 660 Patienten ausgewertet, die zwischen 1988 und 2004 mit 685 Leberteilresektionen behandelt wurden. Unter diesen waren 75 Patienten, die eine Re-Resektion erhielten sowie 202 Patienten, bei denen die Lebermetastasen synchron auftraten. Neben der Analyse der postoperativen Letalität und postoperativen Komplikationen sollen prognostische Faktoren für das Langzeitüberleben und das Auftreten von Tumorrezidiven nach Leberteilresektion identifiziert werden. Da sich die Studienpopulation aus einem Zeitraum von über 15 Jahren rekrutiert, sollen außerdem verschiedene Zeitabschnitte vergleichend analysiert werden. Die Leberteilresektion ist derzeit die einzige potentiell kurative Therapie bei kolorektalen Lebermetastasen. Als prognostisch günstige Parameter in der multivariaten Analyse zeigten sich die Radikalität des Eingriffes, die Anzahl der Metastasen, vorhandene ligamentäre Lymph-knotenmetastasen sowie das Jahr der Resektion. Auch bei Rezidiven kolorektaler Lebermetastasen ist das chirurgische Vorgehen derzeit die einzige kurative Intervention. Re-Resektionen weisen ein vergleichbares operatives Risiko und vergleichbare Langzeitüberlebensraten auf wie Erstresektionen. Als einziger prognostischer Parameter für das Langzeitüberleben erwies sich in der multivariaten Analyse die Radikalität des Eingriffes. Bei synchronen Lebermetastasen sind die wichtigsten Kriterien, um eine simultane Resektion durchzuführen, die Berücksichtigung des Alters sowie des Resektionsausmaßes. Simultane Resektionen sind bei synchronen kolorektalen Lebermetastasen dann so sicher und effizient durchführbar wie Resektionen im zweizeitigen Vorgehen.