Die Strahlentherapie ist neben der Chemotherapie und einer operativen Entfernung die stärkste Waffe für die Bekämpfung bösartiger Tumore in der Krebsmedizin. Nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist Krebs die zweithäufigste Todesursache in der westlichen Welt, wobei Prostatakrebs heutzutage die häufigste, männliche Krebserkrankung darstellt. Trotz technologischer Fortschritte der radiologischen Verfahren kann es noch viele Jahre nach einer Radiotherapie zu einem Rezidiv kommen, was zum Teil auf die hohe Resistenzfähigkeit einzelner, entarteter Zellen des lokal vorkommenden Tumors zurückgeführt werden kann. Obwohl die moderne Strahlenbiologie viele Aspekte der Resistenzmechanismen näher beleuchtet hat, bleiben Fragestellungen, speziell über das zeitliche Ansprechen eines Tumors auf ionisierende Strahlung, größtenteils unbeantwortet, da systemweite Untersuchungen nur begrenzt vorliegen. Als Zellmodelle wurden vier Prostata-Krebszelllinien (PC3, DuCaP, DU-145, RWPE-1) mit unterschiedlichen Strahlungsempfindlichkeiten kultiviert und auf ihre Überlebensfähigkeit nach ionisierender Bestrahlung durch einen Trypanblau- und MTT-Vitalitätstest geprüft. Die proliferative Kapazität wurde mit einem Koloniebildungstest bestimmt. Die PC3 Zelllinie, als Strahlungsresistente, und die DuCaP Zelllinie, als Strahlungssensitive, zeigten dabei die größten Differenzen bezüglich der Strahlungsempfindlichkeit. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden die beiden Zelllinien ausgewählt, um anhand ihrer transkriptomweiten Genexpressionen, eine Identifizierung potentieller Marker für die Prognose der Effizienz einer Strahlentherapie zu ermöglichen. Weiterhin wurde mit der PC3 Zelllinie ein Zeitreihenexperiment durchgeführt, wobei zu 8 verschiedenen Zeitpunkten nach Bestrahlung mit 1 Gy die mRNA mittels einer Hochdurchsatz-Sequenzierung quantifiziert wurde, um das dynamisch zeitversetzte Genexpressionsverhalten auf Resistenzmechanismen untersuchen zu können. Durch das Setzen eines Fold Change Grenzwertes in Verbindung mit einem P-Wert < 0,01 konnten aus 10.966 aktiven Genen 730 signifikant differentiell exprimierte Gene bestimmt werden, von denen 305 stärker in der PC3 und 425 stärker in der DuCaP Zelllinie exprimiert werden. Innerhalb dieser 730 Gene sind viele stressassoziierte Gene wiederzufinden, wie bspw. die beiden Transmembranproteingene CA9 und CA12. Durch Berechnung eines Netzwerk-Scores konnten aus den GO- und KEGG-Datenbanken interessante Kategorien und Netzwerke abgeleitet werden, wobei insbesondere die GO-Kategorien Aldehyd-Dehydrogenase [NAD(P)+] Aktivität (GO:0004030) und der KEGG-Stoffwechselweg der O-Glykan Biosynthese (hsa00512) als relevante Netzwerke auffällig wurden. Durch eine weitere Interaktionsanalyse konnten zwei vielversprechende Netzwerke mit den Transkriptionsfaktoren JUN und FOS als zentrale Elemente identifiziert werden. Zum besseren Verständnis des dynamisch zeitversetzten Ansprechens der strahlungsresistenten PC3 Zelllinie auf ionisierende Strahlung, konnten anhand der 10.840 exprimierten Gene und ihrer Expressionsprofile über 8 Zeitpunkte interessante Einblicke erzielt werden. Während es innerhalb von 30 min (00:00 - 00:30) nach Bestrahlung zu einer schnellen Runterregulierung der globalen Genexpression kommt, folgen in den drei darauffolgenden Zeitabschnitten (00:30 - 01:03; 01:03 - 02:12; 02:12 - 04:38) spezifische Expressionserhöhungen, die eine Aktivierung schützender Netzwerke, wie die Hochregulierung der DNA-Reparatursysteme oder die Arretierung des Zellzyklus, auslösen. In den abschließenden drei Zeitbereichen (04:38 - 09:43; 09:43 - 20:25; 20:25 - 42:35) liegt wiederum eine Ausgewogenheit zwischen Induzierung und Supprimierung vor, wobei die absoluten Genexpressionsveränderungen ansteigen. Beim Vergleich der Genexpressionen kurz vor der Bestrahlung mit dem letzten Zeitpunkt (00:00 - 42:53) liegen mit 2.670 die meisten verändert exprimierten Gene vor, was einer massiven, systemweiten Genexpressionsänderung entspricht. Signalwege wie die ATM-Regulierung des Zellzyklus und der Apoptose, des NRF2-Signalwegs nach oxidativer Stresseinwirkung und die DNA-Reparaturmechanismen der homologen Rekombination, des nicht-homologen End Joinings, der MisMatch-, der Basen-Exzision- und der Strang-Exzision-Reparatur spielen bei der zellulären Antwort eine tragende Rolle. Äußerst interessant sind weiterhin die hohen Aktivitäten RNA-gesteuerter Ereignisse, insbesondere von small nucleolar RNAs und Pseudouridin-Prozessen. Demnach scheinen diese RNA-modifizierenden Netzwerke einen bisher unbekannten funktionalen und schützenden Einfluss auf das Zellüberleben nach ionisierender Bestrahlung zu haben. All diese schützenden Netzwerke mit ihren zeitspezifischen Interaktionen sind essentiell für das Zellüberleben nach Einwirkung von oxidativem Stress und zeigen ein komplexes aber im Einklang befindliches Zusammenspiel vieler Einzelkomponenten zu einem systemweit ablaufenden Programm. / The use of radiotherapy in addition to chemotherapy and surgical removal is the most powerful instrument in the fight against malignant tumors in cancer medicine. After cardiovascular diseases, cancer is the second leading cause of death in the western world, in which prostate cancer is the most frequent male cancer. Despite continuous technological improvements in radiological instruments and prognosis, it may occur a recurrence up to many years after radiotherapy due to a high resistance capability of individual malignant cells of the locally occurring tumor. Although modern radiation biology has studied many aspects of the resistance mechanisms, questions are largely unanswered especially in regards to prognostic terms and time response of tumor cells to ionizing radiation. As cellular models four prostate cancer cell lines with different radiation sensitivities (PC3, DuCaP, DU-145, RWPE-1) were cultured and tested for their ability to survive after exposure to ionizing radiation by a trypane blue and MTT viability assay. The proliferative capacity of the four cell lines was determined using a colony formation assay. The PC3 cell line (radiation-resistant) and the DuCaP cell line (radiation-sensitive) showed the maximal differences in terms of radiation sensitivity. Based on these results the two cell lines were selected to allow identification of potential prognostic marker for predicting the effectiveness of radiation therapy via their transcriptome-wide gene expression. Furthermore, a time series experiment with the radiation-resistant PC3 cell line was performed. At 8 different time points, during the period from 00:00 - 42:53 (hh:mm) after exposure with 1 Gy, the mRNA was quantified by next generation sequencing to investigate the dynamic behavior of time-delayed gene expression and to discover resistance mechanisms. Of 10,966 expressed genes 730 were significant differentially expressed, determined by setting a fold change threshold in conjunction with a P-value < 0.01. Of those 305 were more strongly expressed in PC3 cell line and 425 were more strongly expressed in the DuCaP cell line. Within these 730 genes many known stress-associated genes could be found, such as the two trans-membrane protein genes CA9 and CA12, which are associated with increased radiation resistance. By calculating a network score interesting networks were derived by the GO and KEGG databases. In particular the GO categories aldehyde dehydrogenase [NAD(P)+] activity (GO:0004030) as well as the KEGG pathway of O-glycan biosynthesis (hsa00512) seems to be remarkably relevant. An interaction analysis revealed two promising networks with the transcription factors JUN and FOS as central elements. High expression of the JUN network would be stand as indicator for radiation resistance whereas a high expression of the FOS network is equated with radiation sensitivity. Interesting insights could be achieved by analyzing the 10,840 expressed genes of the PC3 cell line and its expression profile over the 8 time points. Shortly after irradiation (00:00 - 00:30) a transcriptome-wide down-regulation occurred, within the next three, short time periods (00:30 - 01:03; 01:03 - 02:12; 02:12 - 04:38) a predominant increase of gene expression and the activation of protective networks followed, such as the up-regulation of DNA repair systems or the arresting of cell cycle. In the ensuing three time periods (4:38 - 09:43; 09:43 - 20:25; 20:25 - 42:35) a balance between gene induction and suppression was present and the absolute gene expression change was increased. When comparing the gene expression prior to irradiation with the last time point (00:00 - 42:53) 2,670 genes were differentially expressed, suggesting a massive and system-wide change of gene expression. Signaling pathways such as the ATM-regulated cell cycle and apoptosis, the Nrf2 pathway after oxidative stress exposure, the DNA repair mechanisms of homologous recombination, the non-homologous end joining, the mismatch repair, base-excision repair and strand-excision repair play a major role. Very interesting are the high activity of RNA-driven events, especially activities of small nucleolar RNAs and pseudouridine processes. This suggests that these RNA-modifying networks could have a hitherto unknown functional and protective effect on cell survival after exposure to ionizing radiation. All these protective networks and their time-specific interactions are essential for the survival of cells after exposure to oxidative stress and show a complex but consistent interaction of many individual components to a system-wide running program.

Background: Recently high-throughput sequencing (HTS) using next generation sequencing techniques became useful in digital gene expression profiling. Our study introduces analysis options for HTS data based on mapping to miRBase or counting and grouping of identical sequence reads. Those approaches allow a hypothesis free detection of miRNA differential expression. Methods: We compare our results to microarray and qPCR data from one set of RNA samples. We use Illumina platforms for microarray analysis and miRNA sequencing of 20 samples from benign follicular thyroid adenoma and malignant follicular thyroid carcinoma. Furthermore, we use three strategies for HTS data analysis to evaluate miRNA biomarkers for malignant versus benign follicular thyroid tumors. Results: High correlation of qPCR and HTS data was observed for the proposed analysis methods. However, qPCR is limited in the differential detection of miRNA isoforms. Moreover, we illustrate a much broader dynamic range of HTS compared to microarrays for small RNA studies. Finally, our data confirm hsa-miR-197-3p, hsa-miR-221-3p, hsa-miR-222-3p and both hsa-miR-144-3p and hsa-miR-144-5p as potential follicular thyroid cancer biomarkers. Conclusions: Compared to microarrays HTS provides a global profile of miRNA expression with higher specificity and in more detail. Summarizing of HTS reads as isoform groups (analysis pipeline B) or according to functional criteria (seed analysis pipeline C), which better correlates to results of qPCR are promising new options for HTS analysis. Finally, data opens future miRNA research perspectives for HTS and indicates that qPCR might be limited in validating HTS data in detail.

To understand transmissible human diseases, disciplines such as epidemiology and the surveillance of affected cases are as essential as the knowledge about the pathogenesis and the course of a disease. Epidemiologists categorize and estimate factors for public health risks by taking metadata into account including geographic aspects, health and social states to study a disease transmission and prevent further cases. In addition, a focus on the causative agents itself is necessary in order to understand their ecology and hence their virulence traits. The causative agents for a severe pneumonia named Legionnaires’ disease (LD) are bacteria of the genus Legionella. The putative sources of LD infection are any aerosol-generating natural or man-made fresh water systems. Due to this ubiquitous distribution of legionellae, it is difficult to find the source of infection. Therefore, it is necessary to isolate the bacterium from the suffering patients to further characterize it in the laboratory and to compare the clinical isolates with isolates obtained from probable environmental sources. The predominant species isolated from LD patients is Legionella pneumophila serogroup (Sg) 1. Intensive genotyping of L. pneumophila Sg1 isolates by using the current gold standard method, the sequence-based typing scheme (SBT), revealed limitations in the discrimination of several sequence types (ST) which could not be compensated for by additional phenotypic typing scheme. In practical terms, this means that several clones or STs are disproportional frequently found in both, patients and water systems, and cannot be distinguished by current methods. Therefore, a distorted picture of endemic and globally-spread clones is generated and current typing methods cannot add substantial information during the identification of the infectious source. The aim of this thesis is to develop and implement new typing methods for L. pneumophila isolates with a higher resolution than the gold standard methods. A DNA-DNA hybridization based microarray was designed and equipped with probes that target specifically L. pneumophila virulence factors and genes that are involved in the biosynthesis of lipopolysaccharide structures. Legionellae can be subgrouped on the basis of their lipopolysaccharide structures. Here, the usually phenotypic characterization of L. pneumophila Sg1 is successfully transmitted to a DNA-based genotypic method. Furthermore, the detailed validation of the DNA-microarray revealed a higher discriminatory power in comparison to the gold standard methods. It enables previously indistinguishable clones to be subdivided, providing valuable information about probable sources of infection. The second new tool for typing of L. pneumophila is based on the core genome of the bacteria. An extended SBT-scheme was extracted from the core genome and accordingly named core genome multilocus sequence typing (cgMLST). This genome wide gene-by-gene typing approach allows a high genomic resolution of L. pneumophila isolates by retaining epidemiological concordance. A major advantage of this genome-based method is the detection of large recombination events within the analysed genomes, which is, so far, reserved for whole genome sequencing. The population structure of legionellae is largely driven by recombination and horizontal gene transfer rather than by spontaneous mutations. Therefore, the detection of recombination events is essential for typing of L. pneumophila isolates. In addition, the cgMLST-scheme assigns a core genome sequence type to the analysed isolate and allows backwards compatibility with the current SBT-scheme. Both methods proved to be fast, reliable and robust typing methods through their application during outbreak investigations. Furthermore, both systems are particularly suited as routine molecular typing tools for the surveillance of single cases. The raw data are verified and translated into uniform portable codes, which enables the easy transfer and comparison of results. The standardized and portable quality of the results of both methods enables the establishment of a curated global database. This qualifies both methods as potential new gold standard methods for the genotyping of L. pneumophila isolates.

Forschendes Lernen ist darauf gerichtet, Studierende systematisch in die Denk- und Arbeitsweise von Wissenschaftler_innen und Expert_innen aus der Berufspraxis einzuführen und sie an der Bearbeitung realer Lehrund Forschungsfragestellungen zu beteiligen. Gemeinsam mit Masterstudierenden der Wirtschaftspädagogik aus den Universitäten in Dresden und Leipzig entwickeln und erproben wir ein komplexes Lehr-Lern-Arrangement, das forschendes Lernen von Bachelorstudierenden in wirtschaftswissenschaftlichen und wirtschaftspädagogischen Studiengängen unterstützt.

Die Leber nimmt als Hauptzielorgan des metastasierenden Kolorektalkarzinoms (CRC) eine exponierte Rolle ein; bei mehr als 50 % der betroffenen Patienten werden im Laufe ihrer Tumorerkrankung Lebermetastasen diagnostiziert, die trotz multimodaler Therapiekonzepte immer noch den fatalen Kranksheitsverlauf bestimmen. Zwecks Entwicklung neuer Therapiestrategien ist ein fundiertes Verständnis der Entstehungsmechanismen und des Genexpressionsprofils der Metastasen erforderlich. Makrophagen wird in diesem Kontext ein großer Einfluss auf die Tumorentstehung und -progression zugeschrieben, weshalb von einer klinischen Relevanz der Makrophagenpolarisation auszugehen ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit der CRC Zelllinie CMT-93 ein syngenes, orthotopes Lebermetastasenmodell in C57BL/6N Mäusen etabliert. Basierend auf RNA Sequenzierungsdaten und bioinformatischen Analysemethoden wurde eine Entwicklung und fein abgestimmte Adaptation der CMT-93 Zellen im Zuge ihrer Propagation im hepatischen Milieu nachgewiesen. Diese resultierte in divergierenden Genexpressionsprofilen zwischen Zelllinie und Metastasen. Von insgesamt 3329 differentiell exprimierten Genen wurden mittels einer Selektionsliste 32 signifikant exprimierte Gene identifiziert. Insbesondere Matrix-Metalloproteasen (MMP-2, -7, -9), Chemokinrezeptoren (CXCR2, CXCR4), Zelladhäsionsgene (ITGA6, ITGB3) sowie Wif1 als Feinregulator des kanonischen Wnt Signalweges nehmen eine bedeutende Rolle ein und tragen zum Invasions- und Metastasierungsprofil von CMT-93 Zellen unter dem Einfluss des Lebermilieus bei. Invasive und aggressive Eigenschaften der CMT-93 induzierten Lebermetastasen wurden insbesondere im frühen und späten Metastasierungsstadium nachgewiesen. Hier wurde u.a. die Expression der EMT Marker Vimentin, MMP-7 und CD44, Ki-67, NFkb1 und Stat3 untersucht. Eine Gene Ontology Analyse und RNA Sequenzierungsdaten verschiedener Leberareale zeigten, dass die vielschichtige Interaktion zwischen CMT-93 Zellen und der hepatischen Mikroumgebung u.a. durch immunregulatorische Prozesse gesteuert wird, die in veränderten Genexpressionsprofilen zwischen Zelllinie, Metastase und tumorumgebendem Gewebe resultiert. In Lebermetastasen konnte eine Mischpopulation aus M1 und M2 Makrophagen nachgewiesen werden, die einen tendenziell M2 geprägten Charakter aufweisen. Dieser ist höchstwahrscheinlich an einer Stimulation der invasiven Eigenschaften der Tumorzellen beteiligt. Durch qRT-PCR und immunhistochemische Analysen konnten Hinweise gesammelt werden, dass nicht explizit die Quantität oder spezifische Lokalisation von Makrophagenphänotypen, sondern mutmaßlich eher das Zytokinprofil des Tumors und der Mikroumgebung und damit einhergehend der Polarisationsstatus der Makrophagen zum Metastasierungserfolg beiträgt. Eine Inkubation von CMT-93 Zellen mit konditionierten Medien der verschiedenen Makrophagenphänotypen bestätigte die Rolle sezernierter Faktoren. Eine indirekte Interaktion zwischen Tumorzelle und M2 Makrophagen reicht offensichtlich aus, um tumorstimulierende Eigenschaften, Aggressivität und Proliferationsfähigkeit der Zelllinie zu beeinflussen. Somit wurden Gene und Signalwege identifiziert, die relevant sind für eine erfolgreiche Induktion und Progression von Lebermetastasen infolge der Implantation von CRC-Zellen. Eine Adaptation des Genexpressionsprofils der CMT-93 Zelllinie im Zuge der Leberkolonisation konnte nachgewiesen werden. Das molekulare Profil bzw. die Gensignatur der Metastasen korrelierte dabei in hohem Maße mit der Migrations- und Invasionsfähigkeit der Tumorzellen. Insbesondere die Anwendung bioinformatischer Methoden erwies sich dabei als nützliches Werkzeug zur Analyse von großen Datensätzen, die mittels RNA Sequenzierung generiert wurden. Diese werden nun zur Formulierung prädiktiver Modelle der Metastasierungsvorgänge genutzt, um deregulierte Gene und damit einhergehend die Aggressivität von Tumorzellen gezielt identifizieren und konsekutiv beeinflussen zu können. Eine Analyse der Makrophagenphänotypen und ihrer Interaktion mit Tumorzellen verdeutlichte den durchaus tumorstimulierend geprägten Charakter der CMT-93 induzierten Lebermetastasen und den Einfluss des Zytokinprofils auf die Tumorprogression. Eine weiterführende Untersuchung der Makrophagenpolarisation bedarf jedoch eine rigorose Charakterisierung der Phänotypen anhand weiterer spezifischer Marker. Die subtile Analyse wird Rückschlüsse der organspezifischen Einflüsse des Zytokinprofils auf die kolorektale Karzinogenese erlauben.

The nutrient exchange between plant and fungus is the key element of the arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis. The fungus improves the plant’s uptake of mineral nutrients, mainly phosphate, and water, while the plant provides the fungus with photosynthetically assimilated carbohydrates. Still, the knowledge about the mechanisms of the nutrient exchange between the symbiotic partners is very limited. Therefore, transport processes of both, the plant and the fungal partner, are investigated in this study. In order to enhance the understanding of the molecular basis underlying this tight interaction between the roots of Medicago truncatula and the AM fungus Rhizophagus irregularis, genes involved in transport processes of both symbiotic partners are analysed here. The AM-specific regulation and cell-specific expression of potential transporter genes of M. truncatula that were found to be specifically regulated in arbuscule-containing cells and in non-arbusculated cells of mycorrhizal roots was confirmed. A model for the carbon allocation in mycorrhizal roots is suggested, in which carbohydrates are mobilized in non-arbusculated cells and symplastically provided to the arbuscule-containing cells. New insights into the mechanisms of the carbohydrate allocation were gained by the analysis of hexose/H+ symporter MtHxt1 which is regulated in distinct cells of mycorrhizal roots. Metabolite profiling of leaves and roots of a knock-out mutant, hxt1, showed that it indeed does have an impact on the carbohydrate balance in the course of the symbiosis throughout the whole plant, and on the interaction with the fungal partner. The primary metabolite profile of M. truncatula was shown to be altered significantly in response to mycorrhizal colonization. Additionally, molecular mechanisms determining the progress of the interaction in the fungal partner of the AM symbiosis were investigated. The R. irregularis transcriptome in planta and in extraradical tissues gave new insight into genes that are differentially expressed in these two fungal tissues. Over 3200 fungal transcripts with a significantly altered expression level in laser capture microdissection-collected arbuscules compared to extraradical tissues were identified. Among them, six previously unknown specifically regulated potential transporter genes were found. These are likely to play a role in the nutrient exchange between plant and fungus. While the substrates of three potential MFS transporters are as yet unknown, two potential sugar transporters are might play a role in the carbohydrate flow towards the fungal partner. In summary, this study provides new insights into transport processes between plant and fungus in the course of the AM symbiosis, analysing M. truncatula on the transcript and metabolite level, and provides a dataset of the R. irregularis transcriptome in planta, providing a high amount of new information for future works. / In der arbuskulären Mykorrhiza (AM) Symbiose werden die Wurzeln fast aller Landpflanzen von Pilzen der Abteilung Glomeromycota besiedelt. Der Pilz erleichtert der Pflanze die Aufnahme von Mineralien, hauptsächlich Phosphat, und Wasser. Im Gegenzug versorgt die Pflanze ihn mit Photoassimilaten. Trotz der zentralen Bedeutung der Austauschmechanismen zwischen Pilz und Pflanze ist nur wenig darüber bekannt. Um die molekularen Grundlagen der Interaktion zwischen den Wurzeln der Leguminose Medicago truncatula und dem arbuskulären Mykorrhizapilz Rhizophagus irregularis besser zu verstehen, werden hier die Transportprozesse, die zwischen den Symbiosepartnern ablaufen, näher untersucht. Die zellspezifische Regulation der Transkription potentieller M. truncatula Transporter Gene in arbuskelhaltigen und nicht-arbuskelhaltigen Zellen mykorrhizierter Wurzeln wird bestätigt. Ein Modell zur möglichen Verteilung von Kohlenhydraten in mykorrhizierten Wurzeln, nach dem Zucker in nicht-arbuskelhaltigen Zellen mobilisiert und symplastisch an arbuskelhaltige Zellen abgegeben werden, wird vorgestellt. Die Analyse eines Mykorrhiza-induzierten Hexose/H+ Symporter Gens, MtHxt1, liefert neue Einsichten in die Mechanismen der Kohlenhydratverteilung in mykorrhizierten Pflanzen. Metabolitanalysen von Wurzeln und Blättern einer knock-out Mutante dieses Gens zeigen dessen Einfluss auf den Kohlenhydrathaushalt der ganzen Pflanze und auf die Interaktion mit dem Pilz. Die Metabolitzusammensetzung von M. truncatula wird durch die Mykorrhiza Symbiose signifikant beeinflusst. Darüber hinaus werden durch Transkriptomanalysen die molekularen Grundlagen der AM Symbiose auf der Seite des Pilzes analysiert. Arbuskeln wurden mittels Laser Capture Mikrodissektion direkt aus mykorrhizierten Wurzeln isoliert. Über 3200 pilzliche Transkripte weisen in diesen Arbuskeln im Vergleich zu extraradikalen Geweben ein deutlich verändertes Expressionslevel auf. Unter diesen Transkripten sind auch sechs zuvor unbekannte Gene, die für potentielle Transporter codieren und mit großer Wahrscheinlichkeit eine Rolle im Nährstoffaustausch zwischen Pilz und Pflanze spielen. Während die Substrate von drei potentiellen MFS Transportern noch unbekannt sind, spielen zwei potentiellen Zuckertransporter möglicherweise eine Rolle im Transport von Kohlenhydraten in Richtung des Pilzes. Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einsichten in Transportprozesse zwischen Pilz und Pflanze im Laufe der AM Symbiose. M. truncatula Transkript- und Metabolitlevel werden analysiert und die Transkriptomanalyse von R. irregularis liefert einen umfassenden Datensatz mit einer großen Menge an Informationen zu der noch unzureichend erforschten pilzlichen Seite der Symbiose für folgende Arbeiten.

Einleitung: Aliarcobacter (A.) cryaerophilus und Aliarcobacter butzleri gelten weltweit als lebensmittelbedingte und zoonotische Krankheitserreger, die vorrangig über kontaminierte Lebensmittel oder Trinkwasser übertragen werden. Beim Menschen stellt sich die Infektion meist als selbstlimitierende Enteritis dar, wohingegen sie bei Tieren neben gastrointestinalen Erkrankungen mit Mastitiden, Aborten und Reproduktionsstörungen assoziiert wird. Aufgrund der engen Verwandtschaft mit den thermophilen Campylobacter spp., deren antimikrobielle Resistenz in den letzten Jahren einen starken Anstieg verzeichnet, ist es wichtig, das Resistenz- und Virulenzprofil dieser beiden Spezies zu untersuchen. Ziel der Untersuchungen: Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der phänotypischen und genotypischen Antibiotikaresistenz sowie die Ermittlung der Virulenzprofile von Aliarcobacter cryaerophilus- und Aliarcobacter butzleri-Stämmen, die aus Kotproben von Wassergeflügel aus Thüringen isoliert worden waren. Tiere, Material und Methoden: In die Untersuchung gingen insgesamt 250 Kotproben von 135 Gänsen, 45 Flugenten, 40 Mularden und 30 Pekingenten ein, die in den Jahren 2016 und 2017 von zehn verschiedenen Wassergeflügel-Betrieben in Thüringen, Deutschland, gesammelt und auf Aliarcobacter spp. untersucht wurden. Die mit MALDI-TOF MS und multiplex-PCR identifizierten Aliarcobacter-Isolate wurden anschließend mithilfe des Epsilometertest (E-Test) auf ihre antimikrobielle Empfindlichkeit gegenüber acht verschiedenen Antibiotika getestet. Nach der DNA-Isolierung und Gesamtgenom-Sequenzierung wurde die phylogenetische Verwandtschaft sowie die Anwesenheit von potentiellen Resistenz- und Virulenzgenen mit Hilfe bioinformatischer Programme untersucht. Ergebnisse: Aus 55 Aliarcobacter-positiven Kotproben wurden mittels MALDI-TOF MS und multiplex-PCR 27 A. cryaerophilus- und 47 A. butzleri-Isolate identifiziert. Die hier untersuchten A. cryaerophilus-Stämme gehören dem Cluster I und somit dem Genomovar A. cryaerophilus gv. pseudocryaerophilus an. Zusätzlich wurde durch die phylogenetischen Untersuchungen deutlich, dass beide Aliarcobacter-Spezies eine hohe genetische Diversität aufweisen. Gleichzeitig bildeten einige A. cryaerophilus- und A. butzleri-Isolate Untergruppen. In diesen waren die einzelnen Bakterienstämme, welche zum Teil aus unterschiedlichen Betrieben stammten, nur wenige Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) voneinander entfernt. Die Bestimmung der phänotypischen antimikrobiellen Empfindlichkeit offenbarte, dass allen 74 Aliarcobacter-Isolaten die Cefotaxim-Resistenz gemein war. Ferner waren mehr als drei Viertel der Aliarcobacter-Stämme resistent gegen Streptomycin. Die 27 A. cryaerophilus-Stämme zeichneten sich durch eine Empfindlichkeit gegenüber Erythromycin, Gentamicin sowie Ampicillin und somit durch ein homogenes Resistenzprofil aus. Im Gegensatz dazu zeigten die 47 A. butzleri-Stämme ein heterogenes Resistenzprofil. Während die A. butzleri-Stämme eine deutlich höhere Resistenzrate gegenüber den Tetracyclinen aufwiesen, waren die A. cryaerophilus-Stämme vermehrt gegen Ciprofloxacin resistent. In beiden Aliarcobacter-Spezies wurde ein großes Arsenal an potentiellen Resistenzgenen identifiziert. Neben mehreren Effluxpumpen wurden verschiedene β-Laktamase-Gene sowie die bekannte Ciprofloxacin-Resistenz vermittelnde Punktmutation an Position 254 in der Chinolon-Resistenz-bestimmenden Region im gyrA-Gen detektiert. Des Weiteren wurde eine Vielzahl an potentiellen Virulenzgenen in beiden Aliarcobacter-Spezies ermittelt. Zum Repertoire gehören unter anderem ein komplettes Chemotaxis-System, ein Urease-Cluster, mehrere Flagellum-Gene sowie ein Lipid-A-Cluster. Schlussfolgerungen: Obwohl die untersuchten Isolate auf eine Region (Thüringen), einen bestimmten Wirtstyp (Wassergeflügel) und eine kurze Studienzeit (2 Jahre) begrenzt waren, deuten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit auf ein hohes Maß an genetischer Diversität unter den A. cryaerophilus- und A. butzleri-Stämmen hin. Dabei ist die Stammdiversität innerhalb beider Spezies unabhängig von der geographischen Lage, dem Ursprung der Isolate und der Wirtsart. Aliarcobacter-Isolate, die aus dem selben Betrieb stammen, wurden aufgrund ihrer klonalen Verwandtschaft der gleichen Untergruppe zugeordnet. Die Existenz phylogenetisch ähnlicher Stämme aus mehreren Betrieben, weist auf eine mögliche epidemiologische Verbindung zwischen den einzelnen Betrieben hin. Durch die Untersuchungen wurde deutlich, dass auf die Bestimmung der phänotypischen antimikrobiellen Empfindlichkeit zugunsten der genotypischen Resistenzbestimmung nicht verzichtet werden kann, da der Genotyp nur in einem beschränken Umfang mit der phänotypischen Charakterisierung übereinstimmt. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Anwesenheit einer bekannten Mutation im gyrA-Gen und der phänotypischen Ciprofloxacin-Resistenz konnte nur bei den A. butzleri-Stämmen festgestellt werden. Die im Rahmen dieser Studie erstellte Resistenz- und Virulenzdatenbank, ermöglicht eine unkomplizierte Bestimmung des genotypischen Resistenz- und Virulenzprofiles von A. butzleri-Stämmen.

Background: Recently high-throughput sequencing (HTS) using next generation sequencing techniques became useful in digital gene expression profiling. Our study introduces analysis options for HTS data based on mapping to miRBase or counting and grouping of identical sequence reads. Those approaches allow a hypothesis free detection of miRNA differential expression. Methods: We compare our results to microarray and qPCR data from one set of RNA samples. We use Illumina platforms for microarray analysis and miRNA sequencing of 20 samples from benign follicular thyroid adenoma and malignant follicular thyroid carcinoma. Furthermore, we use three strategies for HTS data analysis to evaluate miRNA biomarkers for malignant versus benign follicular thyroid tumors. Results: High correlation of qPCR and HTS data was observed for the proposed analysis methods. However, qPCR is limited in the differential detection of miRNA isoforms. Moreover, we illustrate a much broader dynamic range of HTS compared to microarrays for small RNA studies. Finally, our data confirm hsa-miR-197-3p, hsa-miR-221-3p, hsa-miR-222-3p and both hsa-miR-144-3p and hsa-miR-144-5p as potential follicular thyroid cancer biomarkers. Conclusions: Compared to microarrays HTS provides a global profile of miRNA expression with higher specificity and in more detail. Summarizing of HTS reads as isoform groups (analysis pipeline B) or according to functional criteria (seed analysis pipeline C), which better correlates to results of qPCR are promising new options for HTS analysis. Finally, data opens future miRNA research perspectives for HTS and indicates that qPCR might be limited in validating HTS data in detail.:Background; Methods; Results; Discussion; Conclusions

Glioblastome machen etwa 47% aller intrinsischen Tumore des zentralen Nervensystems aus. Sie sind durch ein aggressives und invasives Wachstumsverhalten gekennzeichnet. Als erster wegweisender Schritt zur Therapie der Glioblastome gilt die frühe und möglichst vollständige Resektion, gefolgt von einer simultanen Radiochemotherapie. Dennoch sind Tumorrezidive binnen weniger Monate die Regel und es bestehen trotz intensiver Forschung bis heute kaum alternative Behandlungsoptionen. Das Verständnis für die Pathogenese der Glioblastome erfuhr in den letzten Jahren tiefgreifende Änderungen. Nach Berücksichtigung der molekularen Marker in der WHO- Klassifikation, wurden Glioblastome in zwei molekulare Gruppen unterteilt: die IDH-Wildtyp (95% der Fälle) und die IDH-mutierten Glioblastome. IDH-Wildtyp Glioblastome treten bei Patienten mit einem medianen Alter von 64 Jahren auf und gehen mit einer ungünstigen Prognose (medianes Überleben 14,2 Monate) einher. IDH-mutierte Glioblastome kommen vor allem bei jüngeren Patienten mit einem medianen Alter von 45 Jahren vor und weisen eine vergleichsweise bessere Prognose mit einem medianen Überleben von 4-5 Jahren auf. Bei IDH-Wildtyp Glioblastomen wurden am häufigsten TERTp-, und PTEN-Mutationen sowie EGFR-Amplifikationen beschrieben. Dabei stellt die TERTp-Mutation die häufigste somatische Alteration im Genom der IDH-Wildtyp Glioblastome dar. Die oben genannten molekularen Marker bieten eine solide Grundlage für die molekulare Diagnose der IDH- Wildtyp Glioblastome. Dennoch bleibt die Frage unbeantwortet, warum IDH-Wildtyp Glioblastome vor allem bei älteren Patienten auftreten und jüngere Patienten eine bessere Prognose besitzen. Unter der Annahme, dass IDH-Wildtyp Glioblastome ein altersspezifisches molekulargenetisches Profil aufweisen, welches wohlmöglich die Prognose beeinflusst, wurden daher die Tumor- und korrespondierenden Blutproben von 55 Patienten mittels Whole Exome Sequencing untersucht. Nach Filterung der Rohdaten wurden verschiedene Mutationen und Copy Number Variations identifiziert. Zur Validierung der Methode wurde zum einen ein Literaturabgleich der detektierten Alterationen durchgeführt und zum anderen einzelne Kandidatengene mittels Sanger Sequenzierung manuell bestätigt. Insgesamt wurden 1841 Mutationen auf 1544 verschiedenen Genen detektiert. Obwohl viele der 1544 Mutationen ohne Relevanz für die Pathogenese waren, konnte eine enorme Vielzahl an verschiedenen Treibermutationen nachgewiesen werden. Die manuell sequenzierte TERTp-Mutation war mit 76,4% am häufigsten aufgetreten. Weitere Treibermutationen, beispielsweise EGFR, TP53, PTEN, PI3K-Gruppe, NF1 und PDGFRA zeigten mit der Literatur vergleichbare Prävalenzen und betonten die Validität der Methode. Die aufgetretenen Copy Number Variations belegten sowohl auf chromosomaler (Chromosom 7-Amplifikation und Chromosom 10-Deletion), als auch auf genspezifischer Ebene (EGFR-, CDK6-, MET-, PDGFRA-Amplifikation und CDKN2A/B-, und PTEN-Deletion) die molekulargenetischen Charakteristika des IDH-Wildtyp Glioblastoms. Über eine Clusterung dieser Alterationen und Gegenüberstellung mit klinischen Eigenschaften konnten die typischen, publizierten Glioblastomsignaturen (proneural, klassisch, mesenchymal) beschrieben und mit dem Erkrankungsalter in Verbindung gebracht werden. Besonders eindrücklich zeigten unsere Daten, übereinstimmend mit der Literatur, dass eine proneurale Signatur mit einem jungen Erkrankungsalter und günstiger Prognose assoziiert war. Unerwartet zeigte ein Patient mit pädiatrischer Signatur und hohem Erkrankungsalter dennoch ein überdurchschnittlich vorteilhaftes Überleben, verglichen mit seiner Altersgruppe. Unabhängig von molekulargenetischen Alterationen, war ein junges Erkrankungsalter alleinstehend mit einer günstigeren Prognose verknüpft. Für einzelne molekulargenetische Alterationen konnte kein Zusammenhang mit dem Erkrankungsalter oder dem (Progressionsfreien-) Überleben hergestellt werden. Ein alterspezifisches, prognosebeeinflussendes Mutationsmuster konnte demnach nicht identifiziert werden. Limitierend muss dabei die geringe Kohortengröße (n=55) angemerkt werden. Eine Vergrößerung der Studienpopulation war aufgrund der geringen Inzidenz von jungen Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastomen in diesem Studiendesign nicht möglich und könnte perspektivisch in einem multizentrischen Ansatz oder einer langen Akquirierungsphase verwirklicht werden. Die Fülle an identifizierten Treibermutationen verdeutlichte nichtsdestotrotz die große intratumorale Heterogenität des Glioblastoms. Zusätzlich ermöglichte die enorme diagnostische Tiefe der verwendeten Methode die Identifikation der bisher nicht im Zusammenhang mit dem IDH-Wildtyp Glioblastom beschriebenen TET1-Deletion. Obwohl die detaillierte Rolle der TET1-Deletion für das Glioblastom nicht verstanden ist, liefern unsere Daten einen vielversprechenden Hinweis, dass ein Funktionsverlust des TET1-Enzyms, in Kombination mit EGFR-Amplifikation oder Deletion von PTEN oder CDKN2A/B, eine Auswirkung auf die Pathogenese des IDH-Wildtyp Glioblastoms besitzt und die Prognose negativ beeinflusst. Zukünftige molekulargenetische Sequenzierungen sind indiziert, um die Rolle der TET1- Deletion zu bestätigen und darüber hinaus die Pathogenese des Glioblastoms auf molekulargenetischer Ebene noch besser zu verstehen und weitere individualisierte Therapieansätze abzuleiten.:Abkürzungsverzeichnis 5 1 Einleitung 8 1.1 Klinische Grundlagen des Glioblastoms 8 1.1.1 Epidemiologie/Ätiologie 8 1.1.2 Symptomatik und Diagnostik 9 1.1.3 Therapie 10 1.1.4 Prognose 12 1.2 Pathologie und Molekulargenetische Veränderungen des Glioblastoms 12 1.2.1 Treibergene 13 1.2.2 Subgruppen 17 1.3 Fragestellung 18 2 Materialien 19 3 Methoden 23 3.1 Patientenrekrutierung 23 3.1.1 Erweiterte Einschlusskriterien 25 3.1.2 Ausschlusskriterien 25 3.2 Kohortendesign 25 3.3 Klinische Daten 26 3.4 Materialgewinnung 27 3.4.1 Proben-Lagerung 27 3.4.2 DNA-Extraktion 27 3.5 Sanger Sequenzierung Prä-WES 29 3.5.1 Primer-Design 29 3.5.2 Polymerase Kettenreaktion 29 3.5.3 Elektrophorese 31 3.5.4 Aufreinigung PCR-Produkt 33 3.5.5 Sequenzierreaktion 35 3.6 WES 38 3.6.1 Datensatz 41 3.6.2 CNV-Analyse 42 3.7 Sanger Sequenzierung Validierung 42 3.8 Statistische Auswertung 45 4 Ergebnisse 47 4.1 Deskriptive klinisch-pathologische Beschreibung der Kohorte 47 4.1.1 Klinisch-pathologische Zusammenhänge 54 4.2 TERTp-Sequenzierung 58 4.3 Datensatz WES 58 4.3.1 Somatische Mutationen 59 4.3.2 CNV-Analyse 67 4.4 Altersbezogene molekulargenetische Unterschiede 74 4.5 Zusammenhang zwischen Genotyp und OS sowie PFS 77 4.5.1 Somatische Mutationen 77 4.5.2 CNV-Analyse 78 5 Diskussion 82 5.1 Klinische Charakteristika von Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastom 82 5.2 Der prognostische Stellenwert von Tumoreigenschaften 84 5.3 Molekulargenetisches Profil des IDH-Wildtyp Glioblastoms 85 5.3.1 Somatische Mutationen und Copy Number Variations 85 5.3.2 Chromosomale Aberrationen 94 5.4 10q21.3-Deletion 95 6 Zusammenfassung 97 6.1 Deutsch 97 6.2 Englisch 99 Anlagen 101 Darstellung zur Geschlechtsneutralität im geschriebenen Wort 101 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahren 102 Erklärung zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 104 Anhang 105 Literaturverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 125 Tabellenverzeichnis 127 Danksagung 128 / Glioblastomas account for approximately 47% of all intrinsic central nervous tumors. They are characterized by an aggressive and invasive growth pattern. Early and, if possible, complete resection followed by simultaneous radiochemotherapy is crucial for treatment success. However, tumor recurrence within a few months are very frequent. Despite intensive research, there are still hardly any alternative treatment options. The understanding of the pathogenesis of glioblastomas underwent profound changes in recent years. After considering molecular markers in the WHO classification, glioblastomas have been divided into two molecular groups: IDH-wild-type (95% of cases) and IDH-mutated glioblastomas. IDH-wild-type glioblastomas occur in patients with a median age of 64 years and are associated with an unfavorable prognosis (median survival 14.2 months). On the other hand, IDH-mutated glioblastomas are mainly associated with young patients with a median age of 45 years and have a rather good prognosis with a median survival of 4-5 years. In IDH- wild-type glioblastomas, TERTp-, and PTEN-mutations as well as EGFR-amplifications have been described most frequently. Among them, TERTp-mutation represents the most frequent somatic alteration in the genome of IDH-wild-type glioblastomas. The above molecular markers provide a solid basis for molecular diagnosis of IDH-wild-type glioblastomas. To date, however, the reason why IDH-wild-type glioblastomas appear primarily in older patients with younger patients having a better prognosis remains unclear. Assuming that IDH-wild-type glioblastomas have an age-specific molecular signature with possible impact on the outcome, we analyzed tumor and corresponding blood samples from 55 patients by whole exome sequencing. After filtering the raw data, various mutations and copy number variations were identified. To validate the method, a literature review as well as Sanger Sequencing of selected candidate genes was performed. A total of 1841 mutations on 1544 different genes were detected. Although many mutations appeared to be background mutations with no relevance to pathogenesis, an enormous number of different driver mutations remained. The manually sequenced TERTp-mutation was the most abundant at 76.4%. Other driver mutations, for example EGFR, TP53, PTEN, PI3K group, NF1 and PDGFRA showed prevalence comparable to published data and emphasized the validity of the method. The copy number variations that occurred concurred previously described molecular genetic characteristics of IDH wild-type glioblastoma at both chromosomal (chromosome 7 amplification and chromosome 10 deletion) and gene-specific levels (EGFR-, CDK6-, MET-, PDGFRA-amplification and CDKN2A/B-, and PTEN-deletion). Via clustering of these alterations and juxtaposition with clinical features, the typical glioblastoma signatures (proneural, classic, mesenchymal) could be described and related to age of diagnosis. In line with the literature, our data showed that a proneural signature was associated with younger patients and favorable prognosis. Unexpectedly, a patient with a pediatric signature and high age of diagnosis, showed a survival above average compared with his age group. Regardless of molecular alterations, young age was an independent characteristic of favorable prognosis. For individual genetic alterations, no association with age of diagnosis or (progression-free) survival could be established. Thus, an age-specific mutational pattern could not be identified. The relatively small cohort size (n=55) must be noted as a limiting factor. An increase of the study population was not possible in this study design due to the low incidence of young patients with IDH wild-type glioblastoma and could be realized in a multicenter approach or a long acquisition phase in the future. Nevertheless, the abundance of identified driver mutations highlighted the large intratumoral heterogeneity of glioblastoma. In addition, the tremendous diagnostic depth of the method used enabled the identification of the TET1-deletion not previously described in the context of IDH wild-type glioblastoma. Although the detailed role of TET1-deletion in glioblastoma is not yet understood, our data provides promising evidence that loss of function of the TET1-enzyme in combination with EGFR-amplification or deletion of PTEN or CDKN2A/B has an impact on the pathogenesis of IDH wild-type glioblastoma and negatively affects prognosis. Future genetic sequencing is indicated to confirm the role of TET1-deletion and moreover to get further understanding of the genomic pathogenesis of glioblastoma with the aim to derive individualized therapeutic approaches.:Abkürzungsverzeichnis 5 1 Einleitung 8 1.1 Klinische Grundlagen des Glioblastoms 8 1.1.1 Epidemiologie/Ätiologie 8 1.1.2 Symptomatik und Diagnostik 9 1.1.3 Therapie 10 1.1.4 Prognose 12 1.2 Pathologie und Molekulargenetische Veränderungen des Glioblastoms 12 1.2.1 Treibergene 13 1.2.2 Subgruppen 17 1.3 Fragestellung 18 2 Materialien 19 3 Methoden 23 3.1 Patientenrekrutierung 23 3.1.1 Erweiterte Einschlusskriterien 25 3.1.2 Ausschlusskriterien 25 3.2 Kohortendesign 25 3.3 Klinische Daten 26 3.4 Materialgewinnung 27 3.4.1 Proben-Lagerung 27 3.4.2 DNA-Extraktion 27 3.5 Sanger Sequenzierung Prä-WES 29 3.5.1 Primer-Design 29 3.5.2 Polymerase Kettenreaktion 29 3.5.3 Elektrophorese 31 3.5.4 Aufreinigung PCR-Produkt 33 3.5.5 Sequenzierreaktion 35 3.6 WES 38 3.6.1 Datensatz 41 3.6.2 CNV-Analyse 42 3.7 Sanger Sequenzierung Validierung 42 3.8 Statistische Auswertung 45 4 Ergebnisse 47 4.1 Deskriptive klinisch-pathologische Beschreibung der Kohorte 47 4.1.1 Klinisch-pathologische Zusammenhänge 54 4.2 TERTp-Sequenzierung 58 4.3 Datensatz WES 58 4.3.1 Somatische Mutationen 59 4.3.2 CNV-Analyse 67 4.4 Altersbezogene molekulargenetische Unterschiede 74 4.5 Zusammenhang zwischen Genotyp und OS sowie PFS 77 4.5.1 Somatische Mutationen 77 4.5.2 CNV-Analyse 78 5 Diskussion 82 5.1 Klinische Charakteristika von Patienten mit IDH-Wildtyp Glioblastom 82 5.2 Der prognostische Stellenwert von Tumoreigenschaften 84 5.3 Molekulargenetisches Profil des IDH-Wildtyp Glioblastoms 85 5.3.1 Somatische Mutationen und Copy Number Variations 85 5.3.2 Chromosomale Aberrationen 94 5.4 10q21.3-Deletion 95 6 Zusammenfassung 97 6.1 Deutsch 97 6.2 Englisch 99 Anlagen 101 Darstellung zur Geschlechtsneutralität im geschriebenen Wort 101 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahren 102 Erklärung zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben 104 Anhang 105 Literaturverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 125 Tabellenverzeichnis 127 Danksagung 128

Spinale Meningeome machen ca. 30% von allen intradural-extramedullären Läsionen aus. Die Literatur, die sich mit spinalen Meningeomen beschäftigt hat, ist rar. Bisher ist nur wenig über das molekulare Profil von spinalen Meningeomen und seine klinischen Auswirkungen bekannt. Fragestellung: 1. Was sind die Prädilektionsstellen für spinale Meningeome und korrelieren diese mit dem postoperativen neurologischen Status? 2. Was sind die Risikofaktoren für die Entstehung eines Tumorrezidivs? 3. Welche Faktoren minimieren die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Resektion der spinalen Meningeome? 4. Lassen sich Meningeome anhand ihres molekularen Profils klassifizieren? Material und Methoden: Diese retrospektive Arbeit befasste sich mit Patienten, welche an einem spinalen Meningeom im Zeitraum von 1993 bis 2020 in der Klinik für Neurochirurgie am Universitätsklinikum „Carl Gustav Carus“ operiert wurden. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die klinischen und genomischen Merkmale der spinalen Meningeome gelegt. Insgesamt wurden 101 Patienten mit 104 spinalen Meningeomen in diese Untersuchung eingeschlossen. Deren Krankenakten systematisch erfasst und statistisch ausgewertet wurden. Klinisch, bildmorphologische sowie histopathologische Daten wurden analysiert. Des Weiteren wurden klinische Parameter mit Sequenzierungsergebnissen in einer gut charakterisierten Kohorte von 47 Patienten korreliert. Ergebnisse: Das mediane Alter aller Patienten in dieser Arbeit betrug 69 Jahre. Die Mehrheit der Tumore in dieser Studie war in der Brustwirbelsäule lokalisiert (56,7%). Die häufigsten neurologischen Symptome waren sensomotorische Defizite und Gangstörungen. Meningeome der BWS gingen am häufigsten mit präoperativen neurologischen Defiziten einher (p=0,005). Lediglich bei einem Patienten (0,9 %) wurde eine permanente, chirurgisch-bedingte, neurologische Verschlechterung beobachtet. Es ließ sich feststellen, dass Foramen magnum-Meningeome im Vergleich mit Meningeomen anderer Lokalisationen am häufigsten mit postoperativen neurologischen Defiziten assoziiert waren (p=0,01). Insgesamt konnte eine Verbesserung des funktionellen Outcomes durch die chirurgische Intervention gezeigt werden (67 von 104, p=0,00001). Damit profitieren die Patienten von einer Operation. Unabhängig vom präoperativen Status ist postoperativ mit einer Verbesserung des Outcomes zu rechnen. Es ließ sich in dieser Arbeit kein Einfluss von Resektionsgrad, histologischen Grad und Subtyp sowie Lokalisation des Tumors auf das Rezidiv nachweisen. Ein Ki-67-Index > 5% hat sich in dieser Untersuchung als einziger Prädiktor für ein Rezidiv spinaler Meningeome bewährt (p=0,0436). Die molekulare Untersuchung von 47 Patienten mit verfügbarem Material zeigt, dass AKT1-Mutationen ein häufiges genomisches Ereignis bei spinalen Meningeomen darstellen. Die Mehrzahl der AKT1-mutierten Meningeome trat bei männlichen Patienten auf (p=0,0175), war in der Halswirbelsäule, ventral des Rückenmarks lokalisiert (p=0,0304 bzw. p=0,0044) und wies eine meningotheliale Histologie auf (p=0,0339). Bezüglich der NF2-mutierten spinalen Meningeome konnte gezeigt werden, dass diese vor allem in der Brustwirbelsäule lokalisiert sind. Sie waren alle AKT1-Wildtyp-Meningeome und traten ausschließlich bei weiblichen Patienten auf. Ein bisher nicht beschriebenes Merkmal ist, dass alle verkalkten Meningeome in unserer Kohorte eine NF2-Mutation aber keine AKT1-Mutation aufwiesen (p=0,0061). Diese Ergebnisse zeigen abermals eine starke Korrelation zwischen den klinischen und genomischen Parametern spinaler Meningeome. Schlussfolgerung: Die Prognose der Patienten mit spinalen Meningeomen nach vollständiger Resektion ist sehr gut. Die Resektion spinaler Meningeome geht mit niedrigen Komplikationsraten sowie einem guten langfristigen funktionellen Ergebnis einher. Diese Studie verbessert unser Verständnis der Pathobiologie spinaler Meningeome und kann das Design klinischer Studien optimieren. Darüber hinaus kann die ungünstige Lokalisation und Konsistenz häufig die vollständige Resektion behindern, was bei einigen Autoren als ein unabhängiger Risikofaktor für ein Tumorrezidiv gilt. Angesichts dieser chirurgischen Herausforderungen könnte die Aufnahme betroffener Patienten in Studien, in denen die Wirksamkeit von AKT-Inhibitoren (z.B. Afuresertib, ClinicalTrials.gov NCT02523014) untersucht wird, sinnvoll sein. Ein solcher Ansatz erfordert das Screening spinaler Meningeomen auf AKT1-Mutationen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Großteil spinaler Meningeome eine AKT1-Mutation und eine weitere, noch größere Gruppe, eine NF2-Mutation aufweisen und daher möglicherweise einer zielgerichteten Therapie zugänglich sind. Weitere Studien sind erforderlich, um den Einfluss relevanter Mutationen auf das Rezidivverhalten zu untersuchen und Meningeompatienten zu identifizieren, die den größtmöglichen Nutzen aus gezielten Therapiestrategien ziehen können.:INHALTSVERZEICHNIS III 1 EINLEITUNG 9 1.1 Definition 9 1.2 Epidemiologie 9 1.3 Lokalisation und Ursprung 9 1.4 Ätiologie 11 1.5 Klinisches Erscheinungsbild 11 1.6 Bildgebung 13 1.7 Klassifizierung und Subtypen 14 1.7.1 WHO-Grad 1 15 1.7.2 WHO-Grad 2 15 1.7.3 WHO-Grad 3 16 1.8 Meningeomwachstum und -rezidiv 16 1.9 Therapie spinaler Meningeome 17 1.9.1 Chirurgische Therapie 17 1.9.2 Radiotherapie 18 1.9.3 Chemotherapie 18 1.10 Verlaufskontrolle 18 1.11 Molekulare Alterationen in Meningeomen 19 1.11.1 NF2-Mutation 20 1.11.2 AKT1E17K-Mutation 20 2 ZIELSETZUNG UND BEDEUTUNG DER STUDIE 22 3 METHODIK 23 3.1 Studientyp 23 3.2 Patientenpopulation und Gewebeproben 23 3.3 Diagnostik und Klassifizierung 23 3.4 Prä- und postoperativer klinischer Zustand 24 3.5 Operation 24 3.6 Nachsorge 25 3.7 Neuropathologische Untersuchung 25 3.8 DNA-Sequenzierung und molekulare Charakterisierung 25 3.9 Statistische Analyse 27 4 ERGEBNISSE 28 4.1 Beschreibung der Patientenkohorte 28 4.2 Demographische Daten 28 4.2.1 Geschlechtsverteilung 28 4.2.2 Patientenzahl / Alter 29 4.2.3 Nebenerkrankungen 30 4.3 Bildgebung 32 4.4 Tumorlokalisation 33 4.4.1 Lokalisation nach Wirbelsäulenabschnitten 33 4.4.2 Lokalisation in Bezug auf das Myelon 34 4.4.3 Lokalisation in Bezug auf die Dura 34 4.5 Beispiele von spinalen Meningeomen 34 4.5.1 Fall 1 35 4.5.2 Fall 2 36 4.5.3 Fall 3 37 4.6 Chirurgische Therapie 37 4.6.1 Zugangsarten 38 4.6.2 Resektionsgrad 39 4.7 Histologie 39 4.8 Perioperative Komplikationen und Mortalität 40 4.9 Prä- und postoperativer neurologischer Zustand 41 4.9.1 Klinischer Zustand in Korrelation mit der Lokalisation des Meningeoms 43 4.10 Follow-up 49 4.10.1 Einfluss der Meningeomlokalisation auf das progressionsfreie Überleben (PFS) 51 4.10.2 Einfluss der Operationsradikalität und der Histologie auf die Rezidivrate 53 4.10.3 Einfluss des Proliferationsindex Ki-67 auf das Rezidiv 56 4.11 AKT1-Mutation 60 4.12 NF2-Mutation 62 5 DISKUSSION 65 5.1 Klinische Analyse 65 5.2 Molekulare Analyse 72 6 ZUSAMMENFASSUNG 76 7 SUMMARY 79 8 LITERATURVERZEICHNIS 81 9 DANKSAGUNG 91 / Spinal meningiomas account for approximately 30% of all intradural extramedullary lesions. The literature dealing with spinal meningiomas is scarce. Little is known about the molecular profile of spinal meningiomas and its clinical implications. This retrospective study describes the clinical and genomic characteristics of patients with spinal meningioma. Particular attention was given to the clinical and genomic characteristics of spinal meningiomas. Question: 1. What are the predilection sites for spinal meningiomas and how do they correlate with the postoperative neurological status? 2. What are the risk factors for tumor recurrence? 3. What factors minimize the likelihood of complete resection of spinal meningiomas? 4. Can NF2 and AKT1 mutant meningiomas be distinguished from each other on the basis of clinical or histological features? Material and Methods: A total of 101 patients with 104 spinal meningiomas, who underwent surgery in the period from 1993 to 2020 in the Department of Neurosurgery at the University Hospital 'Carl Gustav Carus' were included in this study. Their medical records were systematically reviewed and statistically evaluated. Clinical, image morphological and histopathological data were analyzed. Furthermore, clinical parameters were correlated with sequencing results in a well-characterized cohort of 47 patients. Results: The median age of all patients in this work was 69 years. The majority of tumors in this study were located in the thoracic spine (56.7%). The most common preoperative neurological symptoms were sensorimotor deficits and gait disturbances. Meningiomas of the thoracic spine were most frequently associated with preoperative neurological deficits (p=0.005). Consequently, permanent surgery-related neurological deterioration was rarely observed in this series (0.9% of cases), while surgical intervention significantly improved patients’ functional outcome (67 out of 104 patients p=0.00001). Regardless of the preoperative status, an outcome improvement can be expected postoperatively. In this work, neither the degree of resection, nor the histological degree or tumor localization influenced tumor recurrence, while a Ki-67 index of > 5% was the only predictor for recurrence in spinal meningiomas (p=0.0436). Furthermore, we correlated clinical parameters with the molecular status in a subset of 47 patients. Herein we show that AKT1 mutations are a common genomic event in spinal meningiomas (21.2%). The majority of AKT1-mutated meningiomas occurred in male patients (p=0.0175), were located in the cervical spine and anterior to the spinal cord (p=0.0304 and p=0.0044, respectively), and had meningothelial histology (p=0.0339). In contrast, NF2-mutated spinal meningioma were all located in the thoracic spine and occurred only in female patients. Moreover, all calcified meningiomas were NF2-mutant (p=0.0061). Our results show a significant correlation between the AKT1/NF2 mutation status with the histological subtype and the meningioma localization. Conclusion: The prognosis of a spinal meningioma patients treated with complete resection is very good, with low complication rates and a good long-term functional outcome. This study improves our understanding of the pathobiology of spinal meningiomas and may optimize designing clinical trials. In addition, the unfavorable location and consistency can often impede complete resection, which some authors consider to be an independent risk factor for tumor recurrence. Given these surgical challenges, enrolling affected patients in trials evaluating the efficacy of AKT inhibitors (e.g. afuresertib, ClinicalTrials.gov NCT02523014) of clinical interest. Such an approach requires the screening of spinal meningiomas for AKT1 and NF2 mutations. Taken together, we have identified two predominant molecular subgroups in WHO-grade 1 SM, characterized by AKT1 and NF2 mutations. Both mutations are mutually exclusive and are associated with distinct patient characteristics and tumor features. AKT1-mutant meningiomas originate in the cervical spine ventrally to the spinal cord, are almost exclusively associated with meningothelial histology and exhibit no calcifications on imaging. In contrast, NF2-mutant meningiomas show strong female gender predominance, arise with a wider anatomic distribution, although most frequently in the thoracic spine dorsally to the spinal cord, and can be calcified while displaying variable histologic subtypes. Further studies are needed to investigate the impact of relevant mutations on recurrence and to identify patients who can derive maximum benefit from targeted therapy strategies.:INHALTSVERZEICHNIS III 1 EINLEITUNG 9 1.1 Definition 9 1.2 Epidemiologie 9 1.3 Lokalisation und Ursprung 9 1.4 Ätiologie 11 1.5 Klinisches Erscheinungsbild 11 1.6 Bildgebung 13 1.7 Klassifizierung und Subtypen 14 1.7.1 WHO-Grad 1 15 1.7.2 WHO-Grad 2 15 1.7.3 WHO-Grad 3 16 1.8 Meningeomwachstum und -rezidiv 16 1.9 Therapie spinaler Meningeome 17 1.9.1 Chirurgische Therapie 17 1.9.2 Radiotherapie 18 1.9.3 Chemotherapie 18 1.10 Verlaufskontrolle 18 1.11 Molekulare Alterationen in Meningeomen 19 1.11.1 NF2-Mutation 20 1.11.2 AKT1E17K-Mutation 20 2 ZIELSETZUNG UND BEDEUTUNG DER STUDIE 22 3 METHODIK 23 3.1 Studientyp 23 3.2 Patientenpopulation und Gewebeproben 23 3.3 Diagnostik und Klassifizierung 23 3.4 Prä- und postoperativer klinischer Zustand 24 3.5 Operation 24 3.6 Nachsorge 25 3.7 Neuropathologische Untersuchung 25 3.8 DNA-Sequenzierung und molekulare Charakterisierung 25 3.9 Statistische Analyse 27 4 ERGEBNISSE 28 4.1 Beschreibung der Patientenkohorte 28 4.2 Demographische Daten 28 4.2.1 Geschlechtsverteilung 28 4.2.2 Patientenzahl / Alter 29 4.2.3 Nebenerkrankungen 30 4.3 Bildgebung 32 4.4 Tumorlokalisation 33 4.4.1 Lokalisation nach Wirbelsäulenabschnitten 33 4.4.2 Lokalisation in Bezug auf das Myelon 34 4.4.3 Lokalisation in Bezug auf die Dura 34 4.5 Beispiele von spinalen Meningeomen 34 4.5.1 Fall 1 35 4.5.2 Fall 2 36 4.5.3 Fall 3 37 4.6 Chirurgische Therapie 37 4.6.1 Zugangsarten 38 4.6.2 Resektionsgrad 39 4.7 Histologie 39 4.8 Perioperative Komplikationen und Mortalität 40 4.9 Prä- und postoperativer neurologischer Zustand 41 4.9.1 Klinischer Zustand in Korrelation mit der Lokalisation des Meningeoms 43 4.10 Follow-up 49 4.10.1 Einfluss der Meningeomlokalisation auf das progressionsfreie Überleben (PFS) 51 4.10.2 Einfluss der Operationsradikalität und der Histologie auf die Rezidivrate 53 4.10.3 Einfluss des Proliferationsindex Ki-67 auf das Rezidiv 56 4.11 AKT1-Mutation 60 4.12 NF2-Mutation 62 5 DISKUSSION 65 5.1 Klinische Analyse 65 5.2 Molekulare Analyse 72 6 ZUSAMMENFASSUNG 76 7 SUMMARY 79 8 LITERATURVERZEICHNIS 81 9 DANKSAGUNG 91