L'objectif principal de ce travail est d’étudier en profondeur certaines techniques biostatistiques avancées en recherche évaluative en chirurgie cardiaque adulte. Les études ont été conçues pour intégrer les concepts d'analyse de survie, analyse de régression avec “propensity score”, et analyse de coûts. Le premier manuscrit évalue la survie après la réparation chirurgicale de la dissection aigüe de l’aorte ascendante. Les analyses statistiques utilisées comprennent : analyses de survie avec régression paramétrique des phases de risque et d'autres méthodes paramétriques (exponentielle, Weibull), semi-paramétriques (Cox) ou non-paramétriques (Kaplan-Meier) ; survie comparée à une cohorte appariée pour l’âge, le sexe et la race utilisant des tables de statistiques de survie gouvernementales ; modèles de régression avec “bootstrapping” et “multinomial logit model”. L'étude a démontrée que la survie s'est améliorée sur 25 ans en lien avec des changements dans les techniques chirurgicales et d’imagerie diagnostique. Le second manuscrit est axé sur les résultats des pontages coronariens isolés chez des patients ayant des antécédents d'intervention coronarienne percutanée. Les analyses statistiques utilisées comprennent : modèles de régression avec “propensity score” ; algorithme complexe d'appariement (1:3) ; analyses statistiques appropriées pour les groupes appariés (différences standardisées, “generalized estimating equations”, modèle de Cox stratifié). L'étude a démontrée que l’intervention coronarienne percutanée subie 14 jours ou plus avant la chirurgie de pontages coronariens n'est pas associée à des résultats négatifs à court ou long terme. Le troisième manuscrit évalue les conséquences financières et les changements démographiques survenant pour un centre hospitalier universitaire suite à la mise en place d'un programme de chirurgie cardiaque satellite. Les analyses statistiques utilisées comprennent : modèles de régression multivariée “two-way” ANOVA (logistique, linéaire ou ordinale) ; “propensity score” ; analyses de coûts avec modèles paramétriques Log-Normal. Des modèles d’analyse de « survie » ont également été explorés, utilisant les «coûts» au lieu du « temps » comme variable dépendante, et ont menés à des conclusions similaires. L'étude a démontrée que, après la mise en place du programme satellite, moins de patients de faible complexité étaient référés de la région du programme satellite au centre hospitalier universitaire, avec une augmentation de la charge de travail infirmier et des coûts. / The main objective of this work is to study in depth advanced biostatistical techniques in adult cardiac surgery outcome research. The studies were designed to incorporate the concepts of survival analysis, regression analysis with propensity score, and cost analysis. The first manuscript assessed survival, and cardiovascular specific mortality, following surgical repair of acute ascending aortic dissection. The statistical analyses included survival analyses with multiphase parametric hazard regression and other parametric (exponential, Weibull), semi-parametric (Cox) or non-parametric models (Kaplan Meier), comparison with the survival of a matched cohort for age, gender and race using State lifetables, and modelization with bootstrapping and multinomial logit models. The study showed that the early and late survival following surgical repair has improved progressively over 25 years in association with noticeable changes in surgical techniques and preoperative diagnostic testing. The second manuscript focused on outcomes following isolated coronary artery bypass grafting in patients with a history of percutaneous coronary intervention. The statistical analyses included multivariable regression models with propensity score, complex matching algorithm (1:3) and appropriate statistical analyses for matched groups (standardized differences, generalized estimating equations, and survival analyses with stratified proportional hazards models). The study showed that remote prior percutaneous coronary intervention more than 14 days before coronary artery bypass grafting surgery was not associated with adverse outcomes at short or long-term follow-up. The third manuscript evaluated the financial consequences and the changes in case mix that occurred at an academic medical center subsequent to the implementation of a satellite cardiac surgery program. The statistical analyses included two-way ANOVA multivariable regression models (logistic, linear or ordinal), propensity score, and cost analyses using Log-Normal parametric models. “Survival” analyses models were also explored, using “cost” instead of “time” as the outcome of interest, and led to similar conclusions. The study showed that, after implementation of the satellite cardiac surgery program, fewer patients of lower complexity came to the academic medical center from the satellite program area, with a significant increase in nursing workload and costs.

La cardiomyopathie ischémique et l’insuffisance cardiaque (IC) sont deux des principales causes de morbidité et de mortalité dans les pays industrialisés. L’IC représente la condition finale résultant de plusieurs pathologies affectant le myocarde. Au Canada, plus de 400 000 personnes souffrent d’IC. Malgré la grande variété de traitements disponibles pour prendre en charge ces patients à haut risque de mortalité, l’évolution et le pronostic clinique de cette population demeurent sombres. Les thérapies de régénération par transplantation cellulaire représentent de nouvelles approches pour traiter les patients souffrant d’IC. L’impact de cette approche cellulaire et les mécanismes qui sous-tendent l’application de ce nouveau mode de traitement demeurent obscurs. Les hypothèses proposées dans cette thèse sont les suivantes : 1) l’évolution à long terme des patients qui se présentent en IC grave est nettement défavorable malgré les techniques actuelles de revascularisation chirurgicale à cœur battant; 2) la thérapie cellulaire et, plus spécifiquement, l’injection intracoronaire précoce de milieu de culture cellulaire, permet d’améliorer la récupération fonctionnelle du ventricule gauche suite à un infarctus aigu du myocarde; et 3) la mobilisation de l’axe cœur-moelle osseuse constitue un mécanisme de réponse important lors de la survenue d’un événement ischémique chronique affectant le myocarde. / Congestive heart failure (CHF) remains a leading cause of mortality in the developed world. There are more than 400,000 diagnosed cases of this pathology in Canada. Despite the numerous treatment options available for patients presenting with left ventricular dysfunction, the evolution of this population is still dismal. Stem cell transplantation is a potential approach to repopulate the injured myocardium, to treat heart failure, and to restore cardiac function. However, the exact mechanisms underlying the beneficial effects of this approach remain to be elucidated. The hypotheses of this thesis are the following: 1) the long-term evolution of patients undergoing coronary artery bypass graft surgery is still poor, even when considering the use of new innovative surgical strategies such as off-pump coronary revascularization; 2) the intracoronary injection of concentrated biologically active factors secreted by stem cells can achieve early protection of the ischemic myocardium and preserve heart function; and 3) the bone marrow/heart interaction in a critical axis is involved in chronic myocardial repair following persistent ischemic injury.

Dans la dysfonction endothéliale, le compartiment endothélial circulant joue simultanément le rôle d’acteur impliqué dans la régénération du tissu lésé et celui d’indicateur de l’état d’altération ou de régénération de l’endothélium. Dans l’artérite oblitérante des membres inférieurs (AOMI), l’un des axes de recherche porte sur le développement d’un produit de thérapie cellulaire capable d’induire la formation de néo-Vaisseaux. Face à la difficulté d’obtenir et d`amplifier des cellules progénitrices endothéliales (CPE) chez l’adulte sain, et a fortiori chez le patient, l’une des hypothèses laisse envisager le recours à d’autres types cellulaires ayant des propriétés vasculogéniques. Chez patients atteints de maladies cardiovasculaires, et d’AOMI en particulier, les cellules mononuclées de moelle osseuse et les CPE montrent des propriétés angiogéniques diminuées. Nous avons mis en évidence la capacité des cellules souches mésenchymateuses (CSM) isolées de patients atteints d’AOMI à induire une reperfusion, par recrutement de cellules endothéliales in situ, avec la même efficacité que celles de donneurs sains. Les CSM ne se différencient pas en cellules endothéliales mais agissent par paracrinie. La seconde hypothèse d’obtention d’un produit de thérapie cellulaire autologue angiogène est de trier des cellules plus immatures que les CPE afin de les différencier secondairement vers la lignée endothéliale à l’image du modèle pathologique de la cellule souche d’hémangiome CD133+ qui laisse envisager les Very Small Embryonic Like stem cells (VSEL), cellules souches multipotentes CD133+, comme un candidat de cellules post-Natales à potentiel vasculaire. Nous avons dérivés, en culture en conditions angiogéniques, des VSEL qui acquièrent un phénotype mésenchymateux mais présentent un profil sécrétoire proche de celui des CPE. Les VSEL favorisent la revascularisation post-Ischémique et acquièrent un phénotype endothélial in vitro et in vivo suggérant que les VSEL peuvent être à l’origine de la lignée endothéliale. Les VSEL se présentent également comme un biomarqueur de la dysfonction endothéliale mobilisé de la moelle osseuse (MO) vers le sang périphérique (PB) chez les patients souffrant d’AOMI. Les biomarqueurs cellulaires circulants représentent non seulement des marqueurs non invasifs de l’endothélium mais peuvent également apporter des informations utiles pour le diagnostic, le pronostic et le suivi thérapeutique des patients souffrant de pathologies associées à une dysfonction endothéliale. Une modification du nombre de CPE et de cellules endothéliales circulantes (CEC) dans la circulation a été rapportée dans différentes situations pathologiques respectivement associées à une régénération et une altération endothéliale telle l’augmentation du taux de CEC chez des patients présentant une hypertension artérielle pulmonaire (HTAP). La technique de référence pour le dénombrement des CEC dans le sang périphérique est l’immunoséparation magnétique (IMS). Cette méthode non automatisée et chronophage, repose sur l’énumération par microscopie à fluorescence des cellules CD146+ préalablement isolées. Bien que reproductible, cette numération est soumise à de nombreux biais de quantification, difficile à mettre en oeuvre et sujette à interprétation. La mise au point d’une méthode de détection automatisée des CEC par cytométrie à focalisation acoustique (AFC) s’est montrée fiable et robuste, dans une cohorte de patients atteints d’HTAP traitée ou non, constituant une alternative pertinente à l’analyse par microscopie. L’ensemble de ces travaux ouvre donc de nouvelles perspectives dans la détection des biomarqueurs cellulaires circulants impliqués dans la dysfonction endothéliale, proposant les VSEL comme nouvel acteur vasculogénique. / In endothelial dysfunction, circulating endothelial compartment simultaneously plays the role of actor involved in the regeneration of injured tissue and reflects endothelium state. In peripheral arterial disease (PAD), one of the research areas is the development of a cellular therapy product capable of inducing the formation of neo-Vessels. Faced with the difficulty to obtain and amplify endothelial progenitor cells (EPC) in adults, one of the assumptions lets consider the use of other cell types with vasculogenic properties. In patients with cardiovascular disease, and PAD in particular, bone marrow mononuclear cells and EPC show reduced angiogenic properties. We have demonstrated the ability of isolated mesenchymal stem cells (MSCs) from PAD patients to induce reperfusion by recruitment of endothelial cells in situ, with the same efficiency as that of healthy donors MSCs. MSCs do not differentiate into endothelial cells but act by paracrine. The second hypothesis of obtaining an autologous angiogenic cell therapy product is to sort cells more immature than the CPE and to differentiate them secondarily into endothelial lineage as the pathological cell model of hemangioma stem cells CD133 + which lets consider the Very Small Embryonic like stem cells (VSEL), CD133 + multipotent stem cells as a potential candidate of postnatal vascular cell. We have derived and cultured in angiogenic conditions VSEL that acquired a mesenchymal phenotype but exhibited a secretory profile similar to that of EPC. VSEL promote post-Ischemic revascularization and acquire an endothelial phenotype in vitro and in vivo suggesting that VSEL may be responsible for the endothelial lineage. VSEL also appear as a biomarker of endothelial dysfunction mobilized from bone marrow (BM) to peripheral blood (PB) in patients with PAD. Cellular circulating biomarkers are not only non-Invasive markers of endothelium but can also provide useful information for the diagnosis, prognosis and therapeutic monitoring of patients with endothelial dysfunction associated pathologies. Changing the number of EPC and circulating endothelial cells (CEC) in the circulation has been reported in different pathological situations respectively associated with endothelial regeneration and alteration such as the increase of CEC in patients with pulmonary arterial hypertension (PAH). The reference technique for the enumeration of CEC in peripheral blood is magnetic immunoseparation (IMS). This non-Automated and time-Consuming method, based on the enumeration by fluorescence microscopy of CD146 + cells isolated. Although reproducible, this count is subject to many through quantification, difficult to implement and subject to interpretation. The development of an acoustic focusing cytometry (AFC) method for automated detection of CEC has proved reliable and robust results, in a cohort of patients with PAH treated or not, constituting a relevant alternative analysis to microscopy. All of this work opens new perspectives in the detection of cellular circulating biomarkers involved in endothelial dysfunction, suggesting VSEL as new vasculogenic actor.

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In der vorliegenden Arbeit wurde die venöse Revaskularisation bei Vorliegen einer Mikro- und Makroangiopathie untersucht. Die Zielgruppe dieser Methodik sind Patienten, die aus kardiologischer und herzchirurgischer Sicht austherapiert sind, für die weder ein Stent noch eine konventionelle Bypassoperation in Frage kommt. Das betrifft Patienten mit disseziierten Gefäßen, mit schwerer diffuser koronarer Herzerkrankung oder small vessel disease. Für diese Patienten ist derzeit keine optimale Therapie vorhanden. Es handelt sich somit um eine ultima ratio-Therapie. Zur Prüfung der Effektivität der Methode bei beschriebenem Krankheitsbild wurde in Minipigs eine Mikroangiopathie durch Injektion von Mikrosphären (Durchmesser 100µm) in den linken Hauptstamm erzeugt. Nach 7 Wochen Krankheitsentwicklung der Mirkoangiopahtie wurde eine hochgradige Stenose des Ramus interventricularis anterior (RIVA) hervorgerufen, welches die Makroangiopathie simulieren sollte. Anschließend wurden die Tiere der Therapiegruppe mit einem Bypass von der Arteria mammaria auf die Begleitvene des RIVA versorgt. Dabei wurde die Begleitvene proximal der Anastomose ligiert. Die Kontrollgruppe blieb ohne Therapie. Die Stenose und der Bypass wurden angiographisch dargestellt. Nach 17 Wochen wurde bei allen Tieren eine Herzkatheteruntersuchung durchgeführt, um die Stenose und den Bypass zu beurteilen. Als Maß für die Herzleistung wurde zu allen 3 Versuchsteilen die Ejektionsfraktion bestimmt. Anhand der Ejektionsfraktion konnte die Überlegenheit der venösen Revaskularisation als Therapie gezeigt werden. 7 Wochen nach Injektion der Mikrosphären fielen die Werte der Ejektionsfraktion beider Gruppen ab. Nach 17 Wochen nahm die Ejektionfraktion der Therapiegruppe, die in der Zwischenzeit mit einem Bypass versorgt wurden, wieder deutlich zu und die der Kontrollgrupppe sank weiter ab. Zusätzlich wurden die entnommenen Herzen histologisch untersucht. Dabei zeigte sich ein Umbau des Gefäßsystems im Bereich der angeschlossenen Vene.:1. Einleitung 7 1.1. Patienten ohne therapeutische Option 7 1.2. Das therapeutische Dilemma bei gleichzeitigem Vorliegen einer Mikro- und Makroangiopathie 8 1.3. Therapieoption - venöse Revaskularisation 10 1.4. Vorversuch 12 1.5. Fragestellung 14 2. Methodik 15 2.1. Versuchskonzept 15 2.2. Versuchsbeschreibung 16 2.2.1. Vorgehensweise vor der Operation 16 2.2.1.1. Vorbereitung 16 2.2.1.2. Narkose 17 2.2.2. Medikation 17 2.2.3. Versuchsprotokoll 19 2.2.3.1. Versuchsteil 1: Induktion der Mikroangiopathie durch Mikropsphären 19 2.2.3.2. Versuchsteil 2: Herzinfarkt, venöse Revaskularisation (Therapiegruppe) 20 2.2.3.3. Versuchsteil 3: Herzkatheteruntersuchung, Herzexplantation 24 2.3. Erhobene Parameter und Untersuchungen 26 2.3.1. Echokardiographie 26 2.3.2. Herzkatheteruntersuchung 27 2.3.3. Ultraschallflussmessung 28 2.3.4. Bestimmung der Enzyme 29 2.3.5. Elektrokardiographie 29 2.3.6. Messung des mittleren arteriellen Blutdrucks 29 2.3.7. Blutgasanalyse 30 2.3.8. Entnahme Herz 30 2.4. Histologische Methodik und Auswertung 30 2.4.1. Herstellung der histologischen Schnitte 30 2.4.2. Protokoll der Hämatotoxilin Eosin- Färbung für Paraffinschnitte 31 2.4.3. Auswertung Histologie 31 2.5. Lyse 32 2.6. Statistik 33 3. Materialien 34 3.1. Versuche 34 3.1.1. Minipigs 34 3.1.2. Medikamente 34 3.1.3. Materialien 35 3.1.4. Geräte 35 3.2. Histologische Aufarbeitung 36 3.2.1. Materialien 36 3.2.2. Geräte 36 3.3. Lyse 37 3.3.1. Materialien 37 3.3.2. Geräte 37 3.4. Statistische Datenanalyse 37 4. Ergebnisse 38 4.1. Allgemeine Charakteristika der Versuchstiere 38 4.1.1. Vergleich Therapiegruppe und Kontrollgruppe 38 4.1.2. Komplikationen/Ausfälle 39 4.2. Funktionelle Ergebnisse 40 4.2.1. Auswertung Mikroangiopathie 40 4.2.1.1. Herzkatheteruntersuchung 40 4.2.1.2. Funktionelle Befunde 43 4.2.1.3. Ergebnisse Lyse 43 4.2.2. Echokardiographie - Ejektionsfraktion 44 4.2.3. Herzkatheteruntersuchung - Auswertung Makroangiopathie 45 4.2.4. Ultraschallflussmessung 45 4.2.5. Enzymbestimmung 45 4.2.6. Elektrokardiographie und hämodynamische Parameter 47 4.2.6.1. Elektrokardiographie – ST-Veränderungen 47 4.2.6.2. Herzfrequenz 48 4.2.6.3. Mittlerer arterieller Blutdruck 49 4.2.6.4. Systolischer und diastolischer Blutdruck 49 4.3. Histologische Ergebnisse 51 4.3.1. Vergleich Gefäße in verschiedenen Bereichen des Herzens 51 4.3.2. Nicht klassifizierter Gefäßtyp 53 5. Diskussion 58 5.1. Versuchsmodell 58 5.1.1. Auswahl der Versuchstiere 58 5.1.2. Mikroangipathie 58 5.1.3. Makroangiopathie 59 5.1.4. Operationskonzept 60 5.1.4.1. Auswahl des Bypassgrafts 60 5.1.4.2. Beating heart Chirurgie 61 5.1.5. Auswertung der Ergebnisse 62 5.2. Umbau des Gefäßsystems 67 5.3. Limitationen des Modells 71 5.3.1. Anzahl Versuchstiere 71 5.3.2. Methodik und funktionelle Parameter 72 5.4. Mögliche klinische Anwendungen der Operationstechnik 74 6. Zusammenfassung der Arbeit 77 7. Literaturverzeichnis 79 8. Anhang 87 9. Danksagung 92 / Objective: Many patients with significant arterioclerosis of the heart cannot benefit from a coronary artery bypass and other methods because they have macroangiopathy combined with microangiopathy. We evaluated the efficiency of venous revascularization in minipigs with macroangiopathy combined with microangiopathy in a chronic model of 3 months. Histological analysis of arterial and venous vessels of the heart was conducted. Methods: In left anterior descending artery (LAD) microspheres (diameter 100µm) were injected in 24 minipigs (12 control group, 12 therapy group). 7 weeks later a stenosis of the LAD was performed in both groups with an average of 84,6 ± 4,3%. In therapy group left internal thoracic artery was anastomosed to the concomitant vein of the LAD in beating heart surgery. The flow of bypass was proved in angiography and the flow rate was measured by ultrasound. 10 weeks later bypass of therapy group and stenosis of both groups were verified in angiography. At the beginning of every part of the experiment the ejection fraction in both groups was evaluated with echocardiography. Hemodynamic monitoring was performed throughout the experiment. In histological analysis arterial and venous vessels in left atrium, right atrium, septum and area of anastomosis were evaluated in the thickness of wall and area of lumen. Results: In ejection fraction a significant difference between control and therapy group was seen. After performing the bypass, the ejection fraction in therapy group increased, while it decreased in control group in the same period of time of 10 weeks. In the histological analysis a non-classifiable type of vessel was found only in the area of the anastomosis. The vessel had a a large area of lumen and a thick wall due to media hyperplasia. Conclusion: Venous revascularization of the concomitant vein of the LAD via bypass of the left thoracic artery in a chronic model improves cardiac funcion and is therefore an effective method when having microangiopathy and macroangiopathy combined. The non-classifiable type of vessel are most likely arterialized veins which underwent a structural change of the wall due to the arterial blood pressure.:1. Einleitung 7 1.1. Patienten ohne therapeutische Option 7 1.2. Das therapeutische Dilemma bei gleichzeitigem Vorliegen einer Mikro- und Makroangiopathie 8 1.3. Therapieoption - venöse Revaskularisation 10 1.4. Vorversuch 12 1.5. Fragestellung 14 2. Methodik 15 2.1. Versuchskonzept 15 2.2. Versuchsbeschreibung 16 2.2.1. Vorgehensweise vor der Operation 16 2.2.1.1. Vorbereitung 16 2.2.1.2. Narkose 17 2.2.2. Medikation 17 2.2.3. Versuchsprotokoll 19 2.2.3.1. Versuchsteil 1: Induktion der Mikroangiopathie durch Mikropsphären 19 2.2.3.2. Versuchsteil 2: Herzinfarkt, venöse Revaskularisation (Therapiegruppe) 20 2.2.3.3. Versuchsteil 3: Herzkatheteruntersuchung, Herzexplantation 24 2.3. Erhobene Parameter und Untersuchungen 26 2.3.1. Echokardiographie 26 2.3.2. Herzkatheteruntersuchung 27 2.3.3. Ultraschallflussmessung 28 2.3.4. Bestimmung der Enzyme 29 2.3.5. Elektrokardiographie 29 2.3.6. Messung des mittleren arteriellen Blutdrucks 29 2.3.7. Blutgasanalyse 30 2.3.8. Entnahme Herz 30 2.4. Histologische Methodik und Auswertung 30 2.4.1. Herstellung der histologischen Schnitte 30 2.4.2. Protokoll der Hämatotoxilin Eosin- Färbung für Paraffinschnitte 31 2.4.3. Auswertung Histologie 31 2.5. Lyse 32 2.6. Statistik 33 3. Materialien 34 3.1. Versuche 34 3.1.1. Minipigs 34 3.1.2. Medikamente 34 3.1.3. Materialien 35 3.1.4. Geräte 35 3.2. Histologische Aufarbeitung 36 3.2.1. Materialien 36 3.2.2. Geräte 36 3.3. Lyse 37 3.3.1. Materialien 37 3.3.2. Geräte 37 3.4. Statistische Datenanalyse 37 4. Ergebnisse 38 4.1. Allgemeine Charakteristika der Versuchstiere 38 4.1.1. Vergleich Therapiegruppe und Kontrollgruppe 38 4.1.2. Komplikationen/Ausfälle 39 4.2. Funktionelle Ergebnisse 40 4.2.1. Auswertung Mikroangiopathie 40 4.2.1.1. Herzkatheteruntersuchung 40 4.2.1.2. Funktionelle Befunde 43 4.2.1.3. Ergebnisse Lyse 43 4.2.2. Echokardiographie - Ejektionsfraktion 44 4.2.3. Herzkatheteruntersuchung - Auswertung Makroangiopathie 45 4.2.4. Ultraschallflussmessung 45 4.2.5. Enzymbestimmung 45 4.2.6. Elektrokardiographie und hämodynamische Parameter 47 4.2.6.1. Elektrokardiographie – ST-Veränderungen 47 4.2.6.2. Herzfrequenz 48 4.2.6.3. Mittlerer arterieller Blutdruck 49 4.2.6.4. Systolischer und diastolischer Blutdruck 49 4.3. Histologische Ergebnisse 51 4.3.1. Vergleich Gefäße in verschiedenen Bereichen des Herzens 51 4.3.2. Nicht klassifizierter Gefäßtyp 53 5. Diskussion 58 5.1. Versuchsmodell 58 5.1.1. Auswahl der Versuchstiere 58 5.1.2. Mikroangipathie 58 5.1.3. Makroangiopathie 59 5.1.4. Operationskonzept 60 5.1.4.1. Auswahl des Bypassgrafts 60 5.1.4.2. Beating heart Chirurgie 61 5.1.5. Auswertung der Ergebnisse 62 5.2. Umbau des Gefäßsystems 67 5.3. Limitationen des Modells 71 5.3.1. Anzahl Versuchstiere 71 5.3.2. Methodik und funktionelle Parameter 72 5.4. Mögliche klinische Anwendungen der Operationstechnik 74 6. Zusammenfassung der Arbeit 77 7. Literaturverzeichnis 79 8. Anhang 87 9. Danksagung 92