The liver is the major detoxifying organ, clearing the blood from drugs and other xenobiotics. The extent of hepatic clearance (CL) determines drug exposure and hence, the efficacy and toxicity associated with exposure. Drug-drug interactions (DDIs) that alter the hepatic CL may cause more or less severe outcomes, such as adverse drug reactions. Accurate predictions of drug CL and DDI risk from in vitro data are therefore crucial in drug development. Liver CL depends on several factors including the activities of transporters involved in the hepatic uptake and efflux. The work in this thesis aimed at developing new in vitro and in silico methods to predict hepatic transporter-mediated CL and DDIs in vivo. Particular emphasis was placed on interactions involving the hepatic uptake transporters OATP1B1, OATP1B3, and OATP2B1. These transporters regulate the plasma concentration-time profiles of many drugs including statins. Inhibition of OATP-mediated transport by 225 structurally diverse drugs was investigated in vitro. Several novel inhibitors were identified. The data was used to develop in silico models that could predict OATP inhibitors from molecular structure. Models were developed for static and dynamic predictions of in vivo transporter-mediated drug CL and DDIs. These models rely on a combination of in vitro studies of transport function and mass spectrometry-based quantification of protein expression in the in vitro models and liver tissue. By providing estimations of transporter contributions to the overall hepatic uptake/efflux, the method is expected to improve predictions of transporter-mediated DDIs. Furthermore, proteins of importance for hepatic CL were quantified in liver tissue and isolated hepatocytes. The isolation of hepatocytes from liver tissue was found to be associated with oxidative stress and degradation of transporters and other proteins expressed in the plasma membrane. This has implications for the use of primary hepatocytes as an in vitro model of the liver. Nevertheless, by taking the altered transporter abundance into account using the method developed herein, transport function in hepatocyte experiments can be scaled to the in vivo situation. The concept of protein expression-dependent in vitro-in vivo extrapolations was illustrated using atorvastatin and pitavastatin as model drugs.

The clinical introduction of proton therapy requires an extensive analysis of its benefits compared to conventional radiotherapy and a detailed analysis of possible uncertainties which might have serious consequences for patient treatment. In the first part of the presented thesis, the expected toxicities were evaluated for a treatment of head and neck cancer patients using a biologically adapted dose escalation schedule with photon and proton therapy. The feasibility of the dose escalation schedule could be demonstrated for both photon and proton therapy, since only a small increase in toxicity risk occurred for most toxicities. However, the expected toxicity risks were in most cases smaller with proton therapy. Furthermore, a higher benefit was found for patients with primary tumour locations in the upper head and neck area, who thus might be preferably referred to proton therapy. In the second part of this thesis, an extensive analysis of the impact of tumour motion in lung cancer treatment with active-scanning proton therapy was conducted. It could be shown, that dose degradations were small for tumour motion amplitudes below 5 mm. Parameters like the target volume concept, the optimisation approach, changes in the motion pattern and application sequence times had additional impact on the dose degradation. However, their magnitude was patient specific. Since not all parameters can be assessed before treatment, e.g. the motion pattern during treatment, prospective estimations should be supplemented by retrospective analyses. / Die Einführung der Protonentherapie in die klinische Praxis erfordert umfassende Analysen ihrer Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie sowie detaillierte Untersuchungen der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Therapieapplikation. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die zu erwartenden Nebenwirkungen bei der Behandlung von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren mit einem biologisch-adaptierten Fraktionierungsschema inklusive Dosiseskalation mit Photonen- und Protonentherapie evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dosiseskalation sowohl mit Photonen- als auch Protonentherapie angewandt werden kann, da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkungen in den meisten Fällen kaum erhöht wurde. Weiterhin wurden die Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten mit der Protonentherapie im Vergleich zur Photonentherapie reduziert. Dies war vor allem für Patienten mit Tumoren im oberen Kopf-Hals-Bereich der Fall. Diese könnten daher bevorzugt zur Protonentherapie überwiesen werden. Darüber hinaus wurde im zweiten Teil der Arbeit eine umfassende Analyse des Einflusses der Tumorbewegung auf die Dosisverteilung bei Behandlung von Lungentumoren mit aktiver Protonenstrahlformierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dosisdegradierungen bei Bewegungsamplituden unter 5mm gering sind. Parameter wie das Zielvolumenkonzept, Veränderungen des Bewegungsmusters oder der Applikationszeiten nehmen zusätzlich Einfluss auf die Dosisdegradierung, allerdings in unterschiedlichem Maß für individuelle Patienten. Da nicht alle Parameter vor Behandlung bekannt sein können, sollten prospektive Dosisabschätzungen durch retrospektive Analysen ergänzt werden.

The clinical introduction of proton therapy requires an extensive analysis of its benefits compared to conventional radiotherapy and a detailed analysis of possible uncertainties which might have serious consequences for patient treatment. In the first part of the presented thesis, the expected toxicities were evaluated for a treatment of head and neck cancer patients using a biologically adapted dose escalation schedule with photon and proton therapy. The feasibility of the dose escalation schedule could be demonstrated for both photon and proton therapy, since only a small increase in toxicity risk occurred for most toxicities. However, the expected toxicity risks were in most cases smaller with proton therapy. Furthermore, a higher benefit was found for patients with primary tumour locations in the upper head and neck area, who thus might be preferably referred to proton therapy. In the second part of this thesis, an extensive analysis of the impact of tumour motion in lung cancer treatment with active-scanning proton therapy was conducted. It could be shown, that dose degradations were small for tumour motion amplitudes below 5 mm. Parameters like the target volume concept, the optimisation approach, changes in the motion pattern and application sequence times had additional impact on the dose degradation. However, their magnitude was patient specific. Since not all parameters can be assessed before treatment, e.g. the motion pattern during treatment, prospective estimations should be supplemented by retrospective analyses. / Die Einführung der Protonentherapie in die klinische Praxis erfordert umfassende Analysen ihrer Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie sowie detaillierte Untersuchungen der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Therapieapplikation. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die zu erwartenden Nebenwirkungen bei der Behandlung von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren mit einem biologisch-adaptierten Fraktionierungsschema inklusive Dosiseskalation mit Photonen- und Protonentherapie evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dosiseskalation sowohl mit Photonen- als auch Protonentherapie angewandt werden kann, da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkungen in den meisten Fällen kaum erhöht wurde. Weiterhin wurden die Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten mit der Protonentherapie im Vergleich zur Photonentherapie reduziert. Dies war vor allem für Patienten mit Tumoren im oberen Kopf-Hals-Bereich der Fall. Diese könnten daher bevorzugt zur Protonentherapie überwiesen werden. Darüber hinaus wurde im zweiten Teil der Arbeit eine umfassende Analyse des Einflusses der Tumorbewegung auf die Dosisverteilung bei Behandlung von Lungentumoren mit aktiver Protonenstrahlformierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dosisdegradierungen bei Bewegungsamplituden unter 5mm gering sind. Parameter wie das Zielvolumenkonzept, Veränderungen des Bewegungsmusters oder der Applikationszeiten nehmen zusätzlich Einfluss auf die Dosisdegradierung, allerdings in unterschiedlichem Maß für individuelle Patienten. Da nicht alle Parameter vor Behandlung bekannt sein können, sollten prospektive Dosisabschätzungen durch retrospektive Analysen ergänzt werden.