Understanding how biological cells organize to form complex functional tissues is a question of key interest at the interface between biology and physics. The liver is a model system for a complex three-dimensional epithelial tissue, which performs many vital functions. Recent advances in imaging methods provide access to experimental data at the subcellular level. Structural details of individual cells in bulk tissues can be resolved, which prompts for new analysis methods. In this thesis, we use concepts from soft matter physics to elucidate and quantify structural properties of mouse liver tissue. Epithelial cells are structurally anisotropic and possess a distinct apico-basal cell polarity that can be characterized, in most cases, by a vector. For the parenchymal cells of the liver (hepatocytes), however, this is not possible. We therefore develop a general method to characterize the distribution of membrane-bound proteins in cells using a multipole decomposition. We first verify that simple epithelial cells of the kidney are of vectorial cell polarity type and then show that hepatocytes are of second order (nematic) cell polarity type. We propose a method to quantify orientational order in curved geometries and reveal lobule-level patterns of aligned cell polarity axes in the liver. These lobule-level patterns follow, on average, streamlines defined by the locations of larger vessels running through the tissue. We show that this characterizes the liver as a nematic liquid crystal with biaxial order. We use the quantification of orientational order to investigate the effect of specific knock-down of the adhesion protein Integrin ß-1. Building upon these observations, we study a model of nematic interactions. We find that interactions among neighboring cells alone cannot account for the observed ordering patterns. Instead, coupling to an external field yields cell polarity fields that closely resemble the experimental data. Furthermore, we analyze the structural properties of the two transport networks present in the liver (sinusoids and bile canaliculi) and identify a nematic alignment between the anisotropy of the sinusoid network and the nematic cell polarity of hepatocytes. We propose a minimal lattice-based model that captures essential characteristics of network organization in the liver by local rules. In conclusion, using data analysis and minimal theoretical models, we found that the liver constitutes an example of a living biaxial liquid crystal.:1. Introduction 1 1.1. From molecules to cells, tissues and organisms: multi-scale hierarchical organization in animals 1 1.2. The liver as a model system of complex three-dimensional tissue 2 1.3. Biology of tissues 5 1.4. Physics of tissues 9 1.4.1. Continuum descriptions 11 1.4.2. Discrete models 11 1.4.3. Two-dimensional case study: planar cell polarity in the fly wing 15 1.4.4. Challenges of three-dimensional models for liver tissue 16 1.5. Liquids, crystals and liquid crystals 16 1.5.1. The uniaxial nematic order parameter 19 1.5.2. The biaxial nematic ordering tensor 21 1.5.3. Continuum theory of nematic order 23 1.5.4. Smectic order 25 1.6. Three-dimensional imaging of liver tissue 26 1.7. Overview of the thesis 28 2. Characterizing cellular anisotropy 31 2.1. Classifying protein distributions on cell surfaces 31 2.1.1. Mode expansion to characterize distributions on the unit sphere 31 2.1.2. Vectorial and nematic classes of surface distributions 33 2.1.3. Cell polarity on non-spherical surfaces 34 2.2. Cell polarity in kidney and liver tissues 36 2.2.1. Kidney cells exhibit vectorial polarity 36 2.2.2. Hepatocytes exhibit nematic polarity 37 2.3. Local network anisotropy 40 2.4. Summary 41 3. Order parameters for tissue organization 43 3.1. Orientational order: quantifying biaxial phases 43 3.1.1. Biaxial nematic order parameters 45 3.1.2. Co-orientational order parameters 51 3.1.3. Invariants of moment tensors 52 3.1.4. Relation between these three schemes 53 3.1.5. Example: nematic coupling to an external field 55 3.2. A tissue-level reference field 59 3.3. Orientational order in inhomogeneous systems 62 3.4. Positional order: identifying signatures of smectic and columnar order 64 3.5. Summary 67 4. The liver lobule exhibits biaxial liquid-crystal order 69 4.1. Coarse-graining reveals nematic cell polarity patterns on the lobulelevel 69 4.2. Coarse-grained patterns match tissue-level reference field 73 4.3. Apical and basal nematic cell polarity are anti-correlated 74 4.4. Co-orientational order: nematic cell polarity is aligned with network anisotropy 76 4.5. RNAi knock-down perturbs orientational order in liver tissue 78 4.6. Signatures of smectic order in liver tissue 81 4.7. Summary 86 5. Effective models for cell and network polarity coordination 89 5.1. Discretization of a uniaxial nematic free energy 89 5.2. Discretization of a biaxial nematic free energy 91 5.3. Application to cell polarity organization in liver tissue 92 5.3.1. Spatial profile of orientational order in liver tissue 93 5.3.2. Orientational order from neighbor-interactions and boundary conditions 94 5.3.3. Orientational order from coupling to an external field 99 5.4. Biaxial interaction model 101 5.5. Summary 105 6. Network self-organization in a liver-inspired lattice model 107 6.1. Cubic lattice geometry motivated by liver tissue 107 6.2. Effective energy for local network segment interactions 110 6.3. Characterizing network structures in the cubic lattice geometry 113 6.4. Local interaction rules generate macroscopic network structures 115 6.5. Effect of mutual repulsion between unlike segment types on network structure 118 6.6. Summary 121 7. Discussion and Outlook 123 A. Appendix 127 A.1. Mean field theory fo the isotropic-uniaxial nematic transition 127 A.2. Distortions of the Mollweide projection 129 A.3. Shape parameters for basal membrane around hepatocytes 130 A.4. Randomized control for network segment anisotropies 130 A.5. The dihedral symmetry group D2h 131 A.6. Relation between orientational order parameters and elements of the super-tensor 134 A.7. Formal separation of molecular asymmetry and orientation 134 A.8. Order parameters under action of axes permutation 137 A.9. Minimal integrity basis for symmetric traceless tensors 139 A.10. Discretization of distortion free energy on cubic lattice 141 A.11. Metropolis Algorithm for uniaxial cell polarity coordination 142 A.12. States in the zero-noise limit of the nearest-neighbor interaction model 143 A.13. Metropolis Algorithm for network self-organization 144 A.14. Structural quantifications for varying values of mutual network segment repulsion 146 A.15. Structural quantifications for varying values of self-attraction of network segments 148 A.16. Structural quantifications for varying values of cell demand 150 Bibliography 152 Acknowledgements 175

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L’obstruction nasale chronique (ONC) est un symptôme banal qui révèle de nombreuses pathologies rhinologiques ostéo-cartilagineuses et/ou muqueuses. Les explorations de l’ONC aident à la démarche diagnostique et permettent d’évaluer le retentissement de l’ONC sur la muqueuse nasale.Afin de répondre aux problèmes que je rencontre dans ma pratique clinique en rhinologie, j’ai orienté mes travaux de recherche vers le développement de nouveaux outils d’exploration des pathologies nasales obstructives :1. A l’échelle tissulaire, dans le cadre des rhinites chroniques, en particulier le dysfonctionnement nasal neurovégétatif qui restait un diagnostic d’élimination. J’ai montré que la compliance nasale, mesurée par rhinométrie acoustique, est perturbée dans les deux causes les plus fréquentes de rhinite chronique, d’une part, et est utile au diagnostic de dysfonctionnement nasal neurovégétatif, d’autre part.2. A l’échelle cellulaire, en m’intéressant à la cellule ciliée de l’épithélium respiratoire. J’ai étudié les avantages et les limites de l’étude ciliaire par microscopie électronique à transmission pour le diagnostic de dyskinésie ciliaire primitive. A l’aide de la vidéomicroscopie numérique à haute vitesse, j’ai développé des paramètres objectifs permettant de caractériser précisément le battement ciliaire. J’ai montré que ces paramètres étaient utiles pour le diagnostic de dyskinésie ciliaire primitive, pour étudier les cils respiratoires au cours de l’amaurose congénitale de Leber ou pour étudier le rôle de la protéine BUG22 dans le battement ciliaire de la paramécie. / Chronic nasal obstruction (CNO) is a common symptom and corresponds to diseases affecting bones, cartilages and/or mucosa of the nose. Objective monitoring of nasal patency is useful for identifying the etiology of CNO and for evaluating its effects on the mucosa.My research is guided by the numerous challenges encountered through my clinical practice of rhinology. I have developed new objective tools for exploring obstructive nasal diseases:1. At tissue level, I focused on chronic rhinitis, especially the neurovegetative nasal dysfunction which remained a diagnosis of exclusion so far. Using acoustic rhinometry, I have shown that the nasal compliance was abnormal in the two most common causes of chronic rhinitis and was a useful measure for the diagnosis of neurovegetative nasal dysfunction.2. At cell level, I focused on the ciliated cell of the respiratory epithelium. I studied the advantages and limits of transmission electron microscopy analysis of cilia for the diagnosis of primary ciliary dyskinesia. Using digital high-speed videomicroscopy, I have established objective parameters that precisely characterize ciliary beating. I have shown that these parameters were useful for diagnosing primary ciliary dyskinesia, for studying respiratory cilia of patients affected by Leber congenital amaurosis or for studying the role of BUG22 protein in ciliary beating of paramecia.

This study compared a manual program for liver volumetry with a semiautomated software. The hypothesis was that the software would be faster, more accurate and less dependent on the evaluator’s experience. Materials and Methods: Ten patients undergoing hemihepatectomy were included into this IRB approved study after written informed consent. All patients underwent a preoperative abdominal CTScan, which was used for whole liver volumetry and volume prediction for the liver part to be resected. Two different softwares were used: 1) manual method: borders of the liver had to be defined per slice by the user; 2) semiautomated software: automatic identification of liver volume with manual assistance for definition of Couinaud-segments. Measurements were done by six observers with different experience levels. Water displacement volumetry immediately after partial liver resection served as gold standard. The resected part was examined with a CT-scan after displacement volumetry. Results: Volumetry of the resected liver scan showed excellent correlations to water displacement volumetry (manual: ρ=0.997; semiautomated software: ρ=0.995). Difference between the predicted volume and the real volume was significantly smaller with the semiautomated software than with the manual method (33 % vs. 57 %, p=0.002). The semiautomated software was almost four times faster for volumetry of the whole liver. Conclusion: Both methods for liver volumetry give an estimated liver volume close to the real one. The tested semiautomated software is faster, more accurate in predicting the volume of the resected liver part, gives more reproducible results and is less dependent on the user’s experience. / Ziel dieser Studie war es, eine manuelle Methode zur Lebervolumetrie mit einer halbautomatischen Software zu vergleichen. Die zu prüfende Hypothese war eine Überlegenheit der halbautomatischen Software hinsichtlich Schnelligkeit, Genauigkeit und Unabhängigkeit von der Erfahrung des Auswerters. Material und Methoden: Die Studie wurde von der Ethikkommission geprüft und es lagen Einverständniserklärungen aller Patienten vor. In die Studie wurden zehn Patienten eingeschlossen, die eine Hemihepatektomie erhielten. Es wurde präoperativ ein CT-Scan angefertigt, der sowohl für die Volumetrie der gesamten Leber als auch zur Bestimmung des Resektatvolumens verwendet wurde. Für die Volumetrie wurden zwei verschiedene Programme genutzt: 1) eine manuelle Methode, wobei die Lebergrenzen in jeder Schicht vom Auswerter definiert werden mussten 2) eine halbautomatische Software mit automatischer Erkennung des Lebervolumens und manueller Definition der Lebersegmente nach Coinaud. Die Messungen wurden von sechs Auswertern mit unterschiedlicher Erfahrung vorgenommen. Als Goldstandard diente eine Verdrängungsvolumetrie des Leberresektats, die direkt nach der Resektion im Operationssaal durchgeführt wurde. Anschließend wurde zusätzlich ein CT-Scan des Resektats angefertigt. Ergebnisse: Die Ergebnisse des postoperativen CT-Scans korrelierten hochgradig mit den Ergebnissen der Verdrängungsvolumetrie (manuell: ρ=0.997; halbautomatische Software: ρ=0.995). Mit der halbautomatischen Software fielen die Unterschiede zwischen dem vorhergesagten und dem tatsächlichen Volumen signifikant kleiner aus (33 % vs. 57 %, p=0.002). Zudem lieferte die halbautomatische Software die Volumina der Gesamtleber 3.9mal schneller. Schlussfolgerung: Beide Methoden erlauben eine sehr gute Abschätzung des Lebervolumens. Die getestete halbautomatische Software kann das Lebervolumen jedoch schneller und das Resektatvolumen genauer vorhersagen und ist zusätzlich unabhängiger von der Erfahrung des Auswerters.

Effects of a deoxynivalenol contaminated diet on feed intake and health status in horses.

Abdominelle Komplikationen, zu denen auch das akute Leberversagen nach Einsatz der Herz-Lungen-Maschine und systemischer Hypothermie nach herzchirurgischen Korrekturoperationen neugeborener Patienten zählt, sind seltene, aber dennoch erst zu nehmende unerwünschte Folgen. Die Untersuchungen erfolgten an neugeborenen Schweinen, die in 4 Gruppen eingeteilt wurden: Eine Gruppe wurde mit extrakorporaler Zirkulation in moderater Hypothermie (32°C) operiert (CPB), die zweite Gruppe wurde in tiefer Hypothermie (18°C) und totalem Kreislaufstillstand operiert (DHCA). In der dritten Gruppe (Sham) erfolgte die Instrumentation nach Sternotomie und ohne Einsatz der Herz-Lungen-Maschine. Die Tiere der vierten Gruppe waren unbehandelte Kontrolltiere. Es zeigte sich, dass das Entstehen der Inflammation wesentlich abhängig von der Anwendungsdauer der Herz-Lungen-Maschine ist. Tiefe systemische Hypothermie scheint einen protektiven Effekt auf die Inflammation und Apoptose zu haben. Im Gegensatz dazu verursacht tief-hypothermer Kreislaufstillstand vermehrt die Bildung eines hepatozellulären Ödems. Bei allen untersuchten Aspekten (Inflammation, hepatozelluläres Ödem, Apoptose) zeigt sich deutlich, dass der operative EIngriff selbst Veränderungen an der Leber hervorruft. Insbesondere für das Auftreten von Apoptose ist das chirurgsiche Trauma von größter Bedeutung.

Ideally, tumors that might cause morbidity and mortality should be treated, preferably early, with proven, convincing, and effective therapy to prevent tumor progression or recurrence, while maintaining a favorable risk-benefit profile for the individual patient. For patients with colorectal cancer (CRC), this diagnostic, prognostic, and therapeutic precision is currently impossible. Despite significant improvements in diagnostic procedures, a sizable number of patients with CRC have liver metastases either at presentation or will subsequently develop it. And in many parts of the world, most cancer-related deaths are still due to metastases that are resistant to conventional therapy. Metastases to the liver occur in more than 50% of patients with CRC and represent the major determinant of outcome following curative treatment of the primary tumor. Liver resection offers the best chance of cure for metastases confined to the liver. However, due to a paucity of randomized controlled trials, its timing is controversial and a hotly debated topic. This article reviews some of the main controversies surrounding the surgical management of colorectal cancer liver metastases (CRLM).

Es wurden 44 Hunde mit einem kongenitalen Portosystemischen Shunt präoperativ hinsichtlich ihrer Leberzellintegrität (ALT, AP, GLDH, GGT) und ihrer hepatischen Synthese- (Harnstoff, Cholesterin, Albumin) bzw. Metabolisierungsrate (Ammoniak) untersucht. Die hepatische Durchblutungs- und Resorptionsrate wurde anhand des Verlaufs der Serumgallensäuren im Gallensäuren-Stimulationstest mit Ceruletid (0,3µg/kg KM i.v.)vor und 30 min nach Stimulation (FSBA; PSBA) beurteilt. Eine Verlaufsuntersuchung erfolgte bei den Hunden, bei denen das Shuntgefäß in zwei Operationen verschlossen worden war. Die Untersuchungen wurden jeweils prae operationem, am zweiten, vierten und siebten Tag post operationem sowie abschließend mindestens 120 Tage nach vollständigem Verschluss des Shuntgefäßes durchgeführt. Es wurden die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungstage untereinander mit Hilfe des gepaarten t-Tests sowie mit einer Kontrollgruppe (63 lebergesunde Hunde)unter Anwendung des unpaaren t-Tests verglichen. / The hepatic enzymes: alanine aminotransferase (ALT), alkaline phosphatase (AP), glutamat dehydrogenase (GLDH), gamma-glutamyl transferase (GGT); the hepatic synthetic (urea, cholesterol, albumin) and metabolic activity (ammonia) and the hepatic blood flow (serum bile acid stimulation test) were determined in 44 dogs with congeintal portosystemic shunt and in 63 healthy dogs. After determination of fasting serum bile acids (FSBA), the gallbladder contraction was induced by administration of 0,3µg/kg iv ceruletide (Takus). Blood samples of the poststimulatin serum bile acids (PSBA) were taken 30 minutes post administration. The portosystemic shunt was first attenuated (surgery 1) and 4 weeks later completely ligated (surgery 2). All dogs treated with this surgical procedure were examined with the described laboratory design before surgery, the second, the fourth, the seventh day after surgery and approxiamtely 120 days after complete ligation in a follow up study. To compare the developmentof the biochemical and hepatic alterations the paired and unpaired t-test were used.

Es besteht ein großer Bedarf an einer Therapie für Krebserkrankungen mit diffusen, nicht operablen Metastasen an vitalen Organen. Bei Metastasenbildung werden die Patienten im Allgemeinen nicht für eine Transplantation mit Spenderorganen vorgesehen. Das bedeutet, bei Nichtansprechen einer Chemotherapie gibt es derzeit keine Therapiealternative für diese Patienten. Wenn eine Transplantation der betroffenen Organe möglich ist, besteht eine Chance für die Anwendung eines neuen therapeutischen Konzeptes. Dieses Konzept basiert auf der Bestrahlung des isolierten Organs (Autotransplantation) mittels der Bor-Neutronen-Einfang-Therapie (BNCT). Das betreffende Organ des Patienten wird dabei zeitweise explantiert und in diesem Zeitraum einer Bestrahlungstherapie unterzogen. Diese Therapieform erfordert kein Spenderorgan und es kann dementsprechend auch zu keinen Abstoßungsreaktionen des Immunsystems durch körperfremdes Gewebe kommen. Erstmalig wurde dieses Verfahren im Dezember 2001 an der Universität Pavia an einem Patienten erfolgreich durchgeführt und damit die prinzipielle Machbarkeit belegt. Bis heute wurde in Pavia noch ein weiterer Patient mit diesem Verfahren behandelt. Nach diesen ersten Heilungsversuchen ist es jetzt erforderlich den therapeutischen Nutzen der Methode reproduzierbar nachzuweisen und diese dann für die Routineanwendung verfügbar zu machen. Das ist eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Einführung dieser Therapieform. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine für diese Therapieform optimierte Bestrahlungseinrichtung entwickelt werden. Als Referenzorgan wird die Leber betrachtet, aufgrund ihrer hohen Wahrscheinlichkeit für eine Metastasenbildung, des Mangels an Spenderorganen und fehlender Therapiealternativen. Als geeignete Referenzneutronenquelle bietet sich der TRIGA-Reaktor an. Für diesen Reaktortyp wird die Bestrahlungseinrichtung mit technischen Details und Abmessungen konzipiert.

Aim: To analyze differences in patients’ clinical course, we compared two regimes of either preemptive therapy or prophylaxis after liver transplantation. Methods: This retrospective study was reviewed and approved by the institutional review board of the University of Leipzig. Cytomegalovirus (CMV) prophylaxis with valganciclovir hydrochloride for liver transplant recipients was replaced by a preemptive strategy in October 2009. We retrospectively compared liver transplant recipients 2 years before and after October 2009. During the first period, all patients received valganciclovir daily. During the second period all patients included in the analysis were treated following a preemptive strategy. Outcomes included one year survival and therapeutic intervention due to CMV viremia or infection. Results: Between 2007 and 2010 n = 226 patients underwent liver transplantation in our center. n = 55 patients were D+/R- high risk recipients and were excluded from further analysis. A further 43 patients had to be excluded since CMV prophylaxis/preemptive strategy was not followed although there was no clinical reason for the deviation. Of the remaining 128 patients whose data were analyzed, 60 received prophylaxis and 68 were treated following a preemptive strategy. The difference in overall mortality was not significant, nor was it significant for one-year mortality where it was 10% (95%CI: 8%-28%, P = 0.31) higher for the preemptive group. No significant differences in blood count abnormalities or the incidence of sepsis and infections were observed other than CMV. In total, 19 patients (14.7%) received ganciclovir due to CMV viremia and/or infections. Patients who were treated according to the preemptive algorithm had a significantly higher rate risk of therapeutic intervention with ganciclovir [n = 16 (23.5%) vs n = 3 (4.9%), P = 0.003)].