Technische Universität Dresden: Qucosa
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Regulation of the CD163-HO-1 Pathway in Macrophages of Patients with Abdominal Aortic Aneurysm
No full textAbdominal aortic aneurysms (AAA) denote a pathological dilation of the aorta and a rupture is associated with a high mortality. Currently, surgery is the only treatment option and no medical therapy exists. Development of targeted therapies requires in-depth knowledge of the underlying mechanisms leading to AAA development. Hemorrhage associated with the intraluminal thrombus (ILT) and particularly from leaky neovessels results in hemoglobin release upon hemolysis. Unbound hemoglobin promotes the formation of reactive oxygen species (ROS), contributing to vessel wall degeneration. For detoxification, hemoglobin is bound to haptoglobin and internalized by the scavenger receptor CD163, which is expressed exclusively on monocytes and macrophages. Internalized heme is degraded by heme-oxygenase-1 (HO-1, gene: HMOX1) thereby producing the anti-oxidative mediators biliverdin, carbon monoxide (CO), and ferrous ions. Increased expression of CD163 and HO-1 are hallmarks of MHem macrophages, which are shown to be atheroprotective. However, nothing is known about the role of CD163 and HO-1 in AAA yet. To investigate this, aortic tissue was collected from electively treated patients with AAA, patients with AAA rupture, and patients with arterial occlusive disease that served as controls, and expression of CD163, HMOX1, and further anti-inflammatory genes (NQO1, NFE2L2) was determined. To explore potential differences in monocyte subsets involved in AAA pathogenesis, blood was collected from patients with AAA and patients with varicose veins that served as controls, and circulating monocyte subsets were determined. Moreover, primary monocytes from patients with AAA and varicose controls were differentiated autologously or under stimulation with hemin and analyzed for their CD163 and HMOX1 mRNA expression, ROS formation, lipidperoxidation, migration, phagocytosis, and cytokine secretion. An erythrocytelysate was added to the MHem macrophages to assess the effect of hemorrhage. The regulation of the CD163-HO-1 pathway was studied in vitro using healthy monocytes. The effects of the HO-1 products biliverdin, CO, and iron were investigated. HO 1 was pharmacologically inhibited, while both CD163 and HO-1 were genetically silenced by CRISPR-Cas9. Additionally, the effect of the enzymatically inactive, but gene regulatory truncated version of HO 1 (t-HO-1) was tested in MHem macrophages.
Patients with AAA showed a lower proportion of classical monocytes, whereas non-classical and intermediate monocytes were higher. Non-classical monocytes were associated with AAA volume and diameter, whereas intermediate monocytes correlated with ILT thickness. This illustrates the pronounced role of monocytes and macrophages in AAA pathogenesis. CD163+ cells were localized to hemorrhagic areas in the aortic tissue and showed an inverse correlation with erythrocyte presence. In addition, CD163 mRNA expression showed a positive association with anti-oxidative genes (HMOX1, NQO1, NFE2L2) assuming a protective nature in AAA. However, CD163 mRNA expression was increased in ruptured patients. To assess the effect of hemorrhage, an in vitro experiment was performed which resulted in increased CD163 mRNA upon hemin stimulation, indicating its responsiveness to hemorrhage. Subsequent analysis focused on monocyte-derived macrophages from patients with AAA to study their role in detail. Autologously differentiated macrophages showed an AAA-specific increase in CD163 mRNA, while HMOX1 was unaffected. Interestingly, there was a positive correlation between CD163 and HMOX1 in AAA macrophages. Assessing macrophage functionality revealed a reduced H2O2 release compared to controls. In hemin-differentiated MHem macrophages there was again an AAA-specific increase in CD163 mRNA, while CD163 protein expression was decreased. HO-1 protein was only induced in MHem macrophages from patients with AAA. In addition, these cells showed reduced H2O2 release, immune cell recruitment, and an altered cytokine profile. Hemin was not able to induce the positive correlation between CD163 and HMOX1 mRNA, thus different mediators may be responsible for that. These data suggest an impaired function of MHem macrophages in AAA and a functional interaction between HO-1 and CD163. However, stimulation of MHem macrophages with an erythrocytelysate resulted in increased anti-inflammatory IL10 and decreased pro-inflammatory CCL3 expression, revealing that they are still able to respond to hemorrhage. CD163 mRNA expression not altered by stimulation with erythrocytelysate, whereas HMOX1 was only induced in vehicle-differentiated but not in hemin-differentiated macrophages, suggesting a potential saturation. To investigate the regulation of CD163 and HO 1 in detail, the effects of HO-1 products were analyzed. Biliverdin and iron did not affect CD163 and HO-1, whereas CO induced HMOX1 mRNA in MHem macrophages, but showed no other effects. Given this, none of the HO-1 products appear to be suitable molecular targets. To elucidate the direct regulatory linkage between CD163 and HO-1, the effect of pharmacological and genetic inhibition of both were analyzed. Pharmacological inhibition of HO 1 activity resulted in a compensatory increase of HMOX1 mRNA and HO 1 protein expression, whereas CD163 mRNA and protein expression were decreased. Of importance, pharmacological inhibition of HO-1 activity dramatically decreased the glutathione/glutathione disulphide (GSH/GSSG) ratio, an indicator of oxidative stress. This reflects the importance of HO-1 activity in MHem macrophages. Genetic inhibition revealed that the loss of HO-1 protein did not affect CD163 expression and vice versa. Taken together with the pharmacological inhibition results, this indicates that the downregulation of CD163 requires the presence of HO 1 protein even if its activity is reduced. Notably, the increase in HMOX1 mRNA in HMOX1-deficient macrophages as well as the decrease in CD163 protein following CD163 knock-out only became apparent after hemin stimulation. This corresponds to the findings from the pharmacological inhibition, highlighting an important role of heme accumulation in the regulation of the CD163-HO-1 pathway. Interestingly, after inhibition of HO 1 activity, a second protein band appeared in the Western blot, presumably the truncated variant of HO-1 (t-HO-1). Functional analyses of t-HO-1 showed a partial involvement in the regulation of CD163 and HMOX1 mRNA expression as well as the nuclear localization of HO-1. Furthermore, t-HO-1 regulated NQO1 and NFE2L2 mRNA expression, highlighting its importance in the regulation of anti-oxidative genes.
In conclusion, CD163+ cells were localized to hemorrhagic regions and inversely correlated with erythrocytes in human end-stage AAA. This suggests a potential protective role for CD163+ macrophages. Hemin-differentiated macrophages of patients with AAA exhibit altered expression profiles of HO-1 and CD163, along with limitations in their macrophage-typical function. Nevertheless, they seem to be capable of responding to additional hemorrhage. Further experiments should therefore clarify whether targeted activation of HO-1 or CD163 can achieve an improvement in function that can impede or slow down the progression of AAA. Signaling pathway analysis revealed that the CD163-HO-1 pathway was primarily regulated by heme. Of interest, CD163 expression is regulated downstream of HO-1 activity. The truncated form of HO 1 may present an important contributor, either to HO-1 expression or to the regulation of other anti-oxidant genes. In summary, the CD163-HO 1 pathway represents a promising target for the development of novel treatment options
Mineralized Collagen-Based Drug Delivery Concepts for the Treatment of Bone Defects
No full textThis work aimed to establish a novel protocol for biomimetic mineralization of equine collagen and to develop an advanced scaffold system capable of sustained BMP-2 release. By optimizing scaffold composition, mechanical properties, and sterilization method, as well as incorporating bacteriophage therapy, this study seeks to address key limitations of current bone graft materials.
Based on the biomimetic mineralization approach established by (Bradt et al., 1999; Gelinsky et al., 2008), scaffolds made of bovine and equine collagen type I from tendon were fabricated. The scaffolds with interconnecting porosity were prepared with varying mineral content by blending mineralized and mineral-free collagen suspensions in different ratios. Further modification of the scaffolds included the incorporation of the glycosaminoglycan heparin, mesoporous bioactive glass (MBG), the nanoclay laponite, and the biopolymer alginate in order to modify und sustain the release of growth factors (VEGF, BMP-2) and bacteriophages. Additionally, the integration of a central depot within the scaffolds was investigated to explore its influence on growth factor release. The impact of supercritical CO2 sterilization on growth factor activity was analyzed in comparison to clinically approved γ-sterilization.
The process of biomimetic collagen mineralization of bovine collagen type I was successfully transferred to equine collagen type I. The resulting scaffolds exhibited an interconnecting pore structure with pore sizes and porosity similar to scaffolds made of bovine collagen and suitable for cell ingrowth. The mineral content of scaffolds made of equine and bovine collagen was comparable, closely mimicking the composition of natural bone.
Crosslinking is an essential step in scaffold preparation and was previously performed at our institute with N-(3-dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide-hydrochloride (EDC). Experiments were conducted to assess the necessity of crosslinking in general due to potential toxic effects. Non-crosslinked scaffolds were found to disintegrate in dry state and shrink in wet state, rendering them unsuitable for in vitro or in vivo studies. Additionally, enzymatic crosslinking using bacterial transglutaminase (bTG) was evaluated as an alternative approach. However, bTG crosslinked scaffolds showed lower shape fidelity and lower mechanical properties compared to EDC crosslinked scaffolds and the crosslinking period had to be increased from 2 to 24 h when using bTG. As EDC crosslinking did not induce cytotoxic effects in human pre-osteoblasts, as verified by MTT assay, it was used for equine and bovine scaffold crosslinking for further experiments.
The mineral content of equine and bovine collagen scaffolds could be modified by blending mineralized (MColl) and mineral-free collagen (MFColl). A lower proportion of MColl resulted in reduced mineral content, as confirmed by loss-on-ignition experiments. SEM imaging revealed that a lower mineral content resulted in smoother surfaces. A trend of increased BMP-2 release was observed in scaffolds with lower mineral content, while VEGF release was only slightly affected.
The homogeneous incorporation of heparin into mineralized collagen scaffolds (MColl-Hep) influenced the release kinetics of BMP-2 and VEGF. MColl-Hep scaffolds delayed growth factor release, leading to a lower overall release compared to pure MColl scaffolds. The integration of a freeze-dried MColl-Hep depot of varying sizes, embedded within an MColl matrix, was examined for its potential to induce dual VEGF release. Regardless of depot size, all tested configurations resulted in an intermediate VEGF release profile between MColl and MColl-Hep scaffolds. However, the depot size had minimal impact on release kinetics, and the total release remained comparable across all variations. The expected dual release effect (steep and linear from the matrix followed by flat and linear from the depot) was not observed.
The impact of two sterilization methods on scaffold properties and growth factor activity was critically analyzed. Clinically approved γ-irradiation, widely used for sterilization of medical devices was compared to supercritical CO2 sterilization, an alternative approach known to be gentler on bioactive molecules, potentially preserving the activity of integrated growth factors in mineralized collagen scaffolds (Bernhardt et al., 2015; White et al., 2006). Additives for scCO2 sterilization were first evaluated for their sterilization efficiency and cytotoxicity. The use of 0.3% v/v H2O2 while omitting acetic anhydride, could prevent the formation of potentially cytotoxic peracetic acid. The H2O2-based sterilization process demonstrated effective antimicrobial properties. Protein and growth factor activity after sterilization with scCO2 and γ-sterilization resulted in inconsistent results. While lysozyme activity remained unaffected by scCO2 sterilization, VEGF activity, assessed via HDMEC proliferation, was compromised. Similar results were obtained for bFGF laden scaffolds and activity measurement via hOB proliferation.
To address the risk of bacterial infections during or after implantation, bacteriophage-loaded mineralized collagen scaffolds were developed. The release kinetics of bacteriophages (T4 phages, commercial Pyo mix) from MColl scaffolds were compared to scaffolds homogeneously incorporating MBG or laponite as well as scaffolds containing laponite or alginate depots. The integration of MBG, alginate, or laponite into mineralized collagen scaffolds did not significantly alter the release kinetics or antibacterial activity of the phages. However, their beneficial properties towards antibiotics immobilization and bone regeneration could still justify their use in bacteriophage applications for bone defects.
This study provided a comprehensive analysis of scaffolds composed of equine and bovine mineralized collagen, and multiple drug delivery strategies were developed and evaluated. As a next step, the scaffold preparation protocol for equine collagen could be further optimized to reduce batch variability. Following this, the feasibility of scaling up production at the Resorba facility should be assessed.
Beyond single-factor delivery from mineralized collagen scaffolds, future experiments could explore dual delivery approaches, such as combining VEGF and BMP-2 or antibiotics and phages. This would allow for addressing multiple clinically relevant aspects simultaneously.
Additionally, the scCO2 sterilization process could be refined to improve growth factor activity post-sterilization. Potential optimization strategies include increasing humidity within the sterilization container or incorporating osmolytes (such as trehalose) into the growth factor solution.Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuartigen Protokolls zur biomimetischen Mineralisierung von equinem Kollagen sowie die Entwicklung eines fortschrittlichen Scaffoldsystems mit einer kontrollierten und nachhaltigen Freisetzung von BMP-2. Durch die Optimierung der Scaffoldzusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften und der Sterilisationsmethoden sowie die Einbindung der Bakteriophagentherapie soll diese Studie zentrale Einschränkungen aktueller Knochentransplantatmaterialien adressieren.
Basierend auf dem biomimetischen Mineralisierungsansatz von (Bradt et al., 1999; Gelinsky et al., 2008) wurden Scaffolds aus Kollagen Typ I, gewonnen aus Sehnen von Rind und Pferd, hergestellt. Scaffolds mit interkonnektierender Porosität wurden mit unterschiedlichem Mineralgehalt hergestellt, indem mineralisierte und mineralfreie Kollagensuspensionen in verschiedenen Verhältnissen gemischt wurden. Weitere Modifikationen umfassten die Integration des Glykosaminoglykans Heparin, mesoporösen bioaktiven Glases (MBG), des synthetischen Smektits Laponit und des Biopolymers Alginat, um die Freisetzung von Wachstumsfaktoren (VEGF, BMP-2) und Bakteriophagen zu beeinflussen und zu verlängern. Darüber hinaus wurde die Integration eines zentralen Depots innerhalb der Scaffolds untersucht, um dessen Einfluss auf die Freisetzung von Wachstumsfaktoren zu analysieren. Die Auswirkungen der Sterilisation mittels superkritischem CO2 auf die Aktivität der Wachstumsfaktoren wurden im Vergleich zur klinisch zugelassenen γ-Sterilisation untersucht.
Der Prozess der biomimetischen Kollagenmineralisierung konnte erfolgreich von bovinem Kollagen Typ 1 auf equines Kollagen Typ I übertragen werden. Die resultierenden Scaffolds wiesen eine interkonnektierende Porenstruktur auf mit Porengrößen und Porosität, die mit Scaffolds aus bovinem Kollagen Typ I übereinstimmend waren. Auch der Mineralgehalt der Scaffolds aus equinem und bovinem Kollagen war vergleichbar und entsprach dem Verhältnis von Mineral zu Kollagen in menschlichem Knochen.
Die Quervernetzung ist ein essenzieller Schritt bei der Herstellung von Scaffolds und wurde an unserem Institut bisher mit N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid-hydrochlorid (EDC) durchgeführt. Die Notwendigkeit einer generellen Vernetzung der Scaffolds wurde aufgrund potenzieller toxischer Effekte untersucht. Nicht vernetzte Scaffolds zerfielen im trockenen Zustand und schrumpften im feuchten Zustand, wodurch sie sich weder für in vitro- noch für in vivo-Studien eigneten. Zudem wurde eine enzymatische Quervernetzung mittels bakterieller Transglutaminase (bTG) als alternative Methode untersucht. Jedoch zeigten bTG-vernetzte Scaffolds eine geringere Formstabilität und schlechtere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu EDC-vernetzten Scaffolds. Der Prozess der Vernetzung mittels bTG dauerte außerdem deutlich länger als mit EDC (24 Stunden statt 2 Stunden).
EDC-Quervernetzung führte nachweislich nicht zu zytotoxischen Effekten in humanen Präosteoblasten, wie durch MTT-Assays bestätigt wurde, und wurde daher für die Quervernetzung von equinen und bovinen Scaffolds für die weiteren Experimente verwendet.
Der Mineralgehalt von equinen und bovinen Kollagen-Scaffolds konnte durch die Mischung von mineralisiertem (MColl) und mineralfreiem Kollagen (MFColl) angepasst werden. Ein geringerer Anteil von MColl führte zu einem reduzierten Mineralgehalt, was durch Glühverlustexperimente bestätigt wurde. REM-Aufnahmen zeigten, dass ein geringerer Mineralanteil zu glatteren Scaffold-Oberflächen führte. Es wurde ein Trend zu einer erhöhten BMP-2-Freisetzung aus Scaffolds mit geringerem Mineralgehalt beobachtet, während die Freisetzung von VEGF nur geringfügig beeinflusst wurde.
Die homogene Integration von Heparin in mineralisierte Kollagen-Scaffolds (MColl-Hep) beeinflusste die Freisetzungskinetik von BMP-2 und VEGF. MColl-Hep-Scaffolds verzögerten die Freisetzung der Wachstumsfaktoren, was zu einer insgesamt geringeren Freisetzung im Vergleich zu reinen MColl-Scaffolds führte. Die Integration eines gefriergetrockneten MColl-Hep-Depots in verschiedenen Größen, eingebettet in eine MColl-Matrix, wurde auf die Fähigkeit zur dualen VEGF-Freisetzung untersucht. Unabhängig von der Depotgröße zeigten alle getesteten Konfigurationen eine intermediäre VEGF-Freisetzung zwischen MColl- und MColl-Hep-Scaffolds. Die Depotgröße hatte jedoch nur einen geringen Einfluss auf die Freisetzungskinetik, und die Gesamtfreisetzung war für alle Varianten vergleichbar. Das erwartete duale Freisetzungsmuster (steil und linear aus der Matrix gefolgt von flach und linear aus dem Depot) konnte nicht bestätigt werden.
Die Auswirkungen von zwei Sterilisationsmethoden auf Scaffold-Eigenschaften und Wachstumsfaktoraktivität wurden kritisch untersucht. Die klinisch zugelassene γ-Bestrahlung, die weit verbreitet zur Sterilisation medizinischer Geräte eingesetzt wird, wurde mit der überkritischen CO2-Sterilisation verglichen – einem alternativen Verfahren, das als schonender für bioaktive Moleküle gilt und möglicherweise die Aktivität integrierter Wachstumsfaktoren in mineralisierten Kollagen-Scaffolds besser erhält (Bernhardt et al., 2015; White et al., 2006). Zunächst wurden Additive für die scCO2-Sterilisation hinsichtlich ihrer Sterilisationseffizienz und Zytotoxizität untersucht. Durch den Einsatz von 0,3% v/v H2O2 und den Verzicht auf Essigsäureanhydrid konnte die potenziell zytotoxische Bildung von Peressigsäure verhindert werden. Der H2O2-basierte Sterilisationsprozess zeigte eine effektive antimikrobielle Wirkung. Die Protein- und Wachstumsfaktoraktivität nach Sterilisation mit scCO2 und γ-Bestrahlung führte zu inkonsistenten Ergebnissen. Während die Lysozymaktivität durch scCO2-Sterilisation unbeeinflusst blieb, wurde die VEGF-Aktivität, gemessen anhand der HDMEC-Proliferation, reduziert. Ähnliche Ergebnisse wurden für mit bFGF beladene Scaffolds und die Aktivitätsmessung mittels hOB-Proliferation erhalten.
Um bakterielle Infektionen während oder nach der Implantation zu verhindern, wurden mit Bakteriophagen beladene mineralisierte Kollagen-Scaffolds entwickelt. Die Freisetzungskinetik der Bakteriophagen (T4-Phagen, kommerzieller Pyo-Mix) aus MColl-Scaffolds wurde mit Scaffolds verglichen, die homogen MBG oder Laponit enthielten, sowie mit Scaffolds mit Laponit- oder Alginat-Depot. Die Integration von MBG, Alginat oder Laponit in mineralisierte Kollagen-Scaffolds veränderte die Freisetzungs- oder antibakterielle Aktivität der Phagen nicht signifikant. Ihre vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich der Antibiotika-Immobilisierung und Knochenregeneration könnten jedoch dennoch ihren Einsatz in Bakteriophagen-Anwendungen für Knochendefekte rechtfertigen.
Diese Studie lieferte eine umfassende Analyse von Scaffolds aus equinem und bovinem mineralisiertem Kollagen und entwickelte sowie evaluierte verschiedene Strategien zur Wirkstofffreisetzung. Als nächster Schritt könnte das Herstellungsprotokoll für equine Kollagen-Scaffolds weiter optimiert werden, um die Chargenvariabilität zu reduzieren. Anschließend sollte die Skalierbarkeit der Produktion in der Resorba-Anlage bewertet werden.
Über die Einzelwirkstofffreisetzung hinaus könnten zukünftige Experimente duale Freisetzungsansätze untersuchen, wie z. B. die kombinierte Freisetzung von VEGF und BMP-2 oder von Antibiotika und Phagen. Dadurch könnten mehrere klinisch relevante Aspekte gleichzeitig adressiert werden. Zudem könnte der scCO2-Sterilisationsprozess weiter optimiert werden, um die Wachstumsfaktoraktivität nach der Sterilisation zu verbessern. Mögliche Optimierungsstrategien umfassen eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit in der Sterilisationskammer oder die Zugabe von Osmolyten (wie Trehalose) zur Wachstumsfaktorlösung
Charakterisierung der Kraft- und anthropometrischen Parameter der Hand, der Finger und des Armes bei Kindern und Jugendlichen mit dem Hand- und Fingerdynamometer HFD 200 und Evaluation der distalen Muskelkraft als funktioneller Marker bei pädiatrisch-neuromuskulären Erkrankungen
No full textHintergrund: Die Hand- und Fingerbeugekraft, HFK stellt einen wichtigen Funktionsparameter zur Beurteilung der motorischen Leistungsfähigkeit der oberen Extremität dar, welche für die Durchführung alltagsrelevanter, feinmotorischer Tätigkeiten von großer Bedeutung und mit der gesundheitsbezogenen Lebensqualität assoziiert ist. Die HFK steht mit der neurologischen Entwicklung und der Osteogenese im Zusammenhang. Bisher liegen wenige alters- und geschlechtsabhängige Normwerte der HFK und standardisierte Messverfahren im Kindes- und Jugendalter vor, insbesondere keine Datensätze zur Fingerbeugekraft und der Kraftentwickelung der einzelnen Fingerglieder.
In der letzten Dekade ist ein zunehmender Einsatz neuer, zielgerichteter Therapien (engl. targeted therapies) bei neurologischen Erkrankungen zu verzeichnen. Die Beurteilung der Effizienz und das Monitoring der neuen Therapien bedarf der Charakterisierung von neuen, standardisierten und untersucherunabhängigen Funktionsparametern. Insbesondere in der Kinderheilkunde sollten Funktionsparameter schnell, einfach und nicht-invasiv ermittelt werden können.
Fragestellung: Ziele dieser Arbeit sind die i) Charakterisierung von physiologischen Normwerten anthropometrischer Parameter der oberen Extremität und der maximalen willkürlichen HFK unter definierten biomechanischen Messbedingungen mit dem Hand- und Fingerdynamometer HFD 200 bei Kindern und Jugendlichen. ii.) Vergleich der alters- und geschlechtsabhängigen Referenzwerte mit den anthropometrischen Parametern und der maximalen willkürlichen HFK von Kindern, Jugendlichen mit genetischen neuromuskulären Erkrankungen, NME. iii.) Korrelation der HFK von Kindern und Jugendlichen mit NME mit der Krankheitsschwere und dem klinischen Verlauf anhand verschiedener Parameter und Charakterisierung von krankheitsrelevanten Prognosefaktoren iv.) im Rahmen einer Pilotstudie erstmalige longitudinale Untersuchung des Einflusses einer neuen zielgerichteten Therapie auf die HFK einer seltenen NME, der 5q-Spinalen Muskelatrophie, SMA im Kindes- und Jugendalter, und Charakterisierung der HFK als möglichen standardisierten, sensitiven Funktionsparameter.
Material und Methode: Die HFK wird mit dem HFD 200 gemessen. Das HFD 200 ermöglicht die separate Messung der Hand- und Fingerkraft sowie der Kraft der einzelnen Fingerglieder. Die Messung erfolgt isometrisch an definierten Messpunkten der End- und Mittelglieder. Die monozentrische prospektive Studie ist unterteilt in drei Studienabschnitte. 1. In der ersten Querschnittsanalyse wird die HFK unter standardisierten, isometrischen und biomechanischen Bedingungen bei 233 gesunden Kindern und Jugendlichen (Altersspanne 5 – 18 Jahre, n = 116 Mädchen und n = 117 Jungen) gemessen. 2. In der zweiten Querschnittsanalyse wird die HFK von 33 Kindern und Jugendlichen (Altersspanne 7 – 18 Jahre, n = 12 Mädchen und n = 21 Jungen) mit NME gemessen und mit klinischen und anthropometrischen Parametern, motorischen- und Fragebogen-Scores korreliert. 3. In einem longitudinalen Studiendesign wird als Pilotstudie die HFK von 7 Kindern und Jugendlichen (Alterspanne 7 – 17 Jahre, n = 3 Mädchen, n = 4 Jungen) mit der seltenen NME, der SMA, in standardisierten Zeitintervallen vor und unter der zielgerichteten Therapie mit Nusinersen untersucht und mit den standardisierten klinischen Motor-Scores verglichen.
Ergebnisse: Die Untersuchung der HFK mit dem HFD 200 ist ab einem Alter von 5 Jahren effizient durchführbar. Die physiologische Entwicklung der HFK ist alters- und geschlechtsabhängig. Es ist ein signifikanter und altersabhängiger (p < 0,001) Anstieg der HFK und aller anthropometrischen Messwerte nachweisbar. Auch die physiologische Entwicklung aller anthropometrischen Messwerte ist geschlechtsabhängig, Jungen weisen größere Werte auf als Mädchen. Die physiologische Entwicklung der HFK korreliert signifikant mit der Veränderung aller anthropometrischen Messwerte (p < 0,001, Rho 0,28 - 0,54). Die HFK (p < 0,001; Effektstärke r = 0,22 – 0,26) und alle anthropometrischen Messwerte der oberen Extremität (p < 0,001; Effektstärke r = 0,31 - 0,42) weisen eine Seitendifferenz in Größe und Länge zugunsten rechts auf. Bei den Probanden ist eine Kraftverteilung zwischen End- und Mittelgliedern nachweisbar. Die Mittelglieder weisen signifikant (p < 0,001) höhere Kraftwerte auf als die Endglieder.
Die Entwicklung der anthropometrischen Messwerte der oberen Extremität bei Patienten mit NME ist unabhängig vom Geschlecht, aber korreliert mit dem Lebensalter. Bei den Patienten ist eine Seitendifferenz der Messwerte von Unterarm- und Handlänge (p < 0,05; r = 0,4) zugunsten rechts nachweisbar. Eine Seitendifferenz der HFK zugunsten rechts ist bei den Patienten mit NME nur für die HFK der Mittelglieder nachweisbar (p < 0,001; Effektstärke r = 0,80 – 0,81). Bei den Patienten mit NME besteht ein heterogenes krankheitsspezifisches Muster der Verteilung der HFK. Die HFK der Patienten ist signifikant kleiner als die der alters- und geschlechtsgematchten gesunden Kontrollpersonen (p < 0,001). Die Kraftverteilung zwischen End- und Mittelgliedern ist bei den Patienten nur für die rechte Hand nachweisbar. Diese Kraftverteilung zugunsten der Mittelglieder ist an der rechten Hand bei den Patienten aber signifikant größer als bei den Probanden (p < 0,05; Effektstärke r = 0,15 - 0,19). Die HFK der Kinder und Jugendlichen mit NME weist signifikante Korrelationen (Rho 0,453 – 0,821; p < 0,05 – p < 0,001) mit respiratorischen Messwerten, standardisierten klinisch-motorischen Testungen und Fragebogen Scores bzgl. motorischer Funktion der oberen Extremitäten auf.
In der longitudinalen Analyse kann bei Kindern und Jugendlichen mit SMA zwei Monate nach Beginn der Therapie mit Nusinersen eine signifikante Zunahme der Fingerbeugekraft des Mittelfingers nachgewiesen werden (p < 0,05, r = 0,75 – 0,9). Diese Veränderung der Kraft kann in den standardisierten Motor Scores nicht dargestellt werden.
Schlussfolgerungen: Das HFD 200 kann die maximale willkürliche HFK ab einem Alter von 5 Jahren bei kognitiv altersentsprechend entwickelten i.) gesunden und ii.) Kindern und Jugendlichen mit NME sensitiv erfassen. Durch die Charakterisierung von alters- und geschlechtsspezifischen Referenzwerten von HFK und anthropometrischen Daten der oberen Extremität kann die HFK zur Definition von Therapie- und Rehabilitationszielen eingesetzt werden. Die HFK stellt einen validen Funktionsmarker für den Schweregrad der muskulären Schwäche einer NME dar und ermöglicht prognostische Einschätzungen, da die HFK mit den standardisierten klinischen Verlaufsparametern, motorischen- und Fragebogen Scores korreliert. In der longitudinalen Analyse unter Einsatz einer zielgerichteten Therapie bei der SMA kann die HFK als sensitiver Funktionsmarker identifiziert werden. Perspektivisch kann die HFK bei weiteren progredienten neurologischen Erkrankungen zum Monitoring neuer Therapien und in der pädiatrischen (Neuro-)Rehabilitation eingesetzt werden. Die HFK ist einfach und non-invasiv messbar und hat für Patienten eine hohe funktionelle Bedeutung. Bei neuromuskulären Erkrankungen mit proximalem Beginn der Muskelschwäche kann die HFK lange im Krankheitsverlauf gemessen werden. Die Messung der HFK mit dem HFD 200 ermöglicht für jeden Patienten, abhängig von der Restfunktion der Hände und der einzelnen Finger, die Definition eines individuellen Funktionsmarkers. Die HFK ist ein sensitiver Funktionsmarker mit diagnostischer, prognostischer und prädiktiver Bedeutung bei neuromuskulären Erkrankungen im Kindes- und Jugendalter.:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 7
1.1 Die Bedeutung der Messung von Muskelkraft in der Pädiatrie 7
1.2 Physiologische und molekulare Grundlagen der Muskelfunktion 9
1.2.1 Myogenese 9
1.2.2 Einfluss des Alters auf die Entwicklung der Muskulatur 10
1.2.3 Einfluss des Geschlechts auf die Entwicklung der Muskulatur 10
1.2.4 Assoziation zwischen Muskulatur und kardiorespiratorischer Funktion 12
1.2.5 Kontraktion, Muskelmechanik und -energetik 12
1.3 Funktionelle Anatomie und Biomechanik der Hand 19
1.4 Grundlagen der Muskelkraftmessung 23
1.4.1 Physikalische Grundlagen 23
1.4.2 Biomechanische Grundlagen 23
1.4.3 Etablierte Messtechniken zur Messung der Beugekräfte der Hand 24
1.4.4 Das Hand- und Fingerdynamometer HFD 200 nach Weber 27
1.5 Neuromuskuläre Erkrankungen im Kindes- und Jugendalter 31
1.5.1 Spinale Muskelatrophie (SMA) 32
1.5.2 Hereditäre motorisch sensible Neuropathien – Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung (CMT) 34
1.5.3 Muskeldystrophien 35
1.5.4 Andere neuromuskuläre Erkrankungen 37
2 Zielstellung der Arbeit 39
3 Material und Methoden 41
3.1 Studiendesign 41
3.2 Charakterisierung der Probanden und Patienten 42
3.2.1 Kohorte gesunde Probanden 42
3.2.2 Kohorte der Patienten mit genetisch definierter neuromuskulärer Erkrankung 44
3.3 Messung der Hand- und Fingerbeugekräfte mit dem HFD 200 45
3.4 Messung der anthropometrischen Daten 49
3.4.1 Körpergröße 49
3.4.2 Körpergewicht 50
3.4.3 Body Mass Index 50
3.4.4 Unterarmlänge 50
3.4.5 Unterarmumfang 51
3.4.6 Handlänge 51
3.4.7 Handbreite 52
3.5 Messung der Herz- und Lungenfunktion 53
3.5.1 Parameter der Herzfunktion: Ejektionsfraktion (EF) und Verkürzungsfraktion (fractional shortening, FS) 53
3.5.2 Lungenfunktionsparameter 53
3.6 International standardisierte Scores zur Erfassung der motorischen Fähigkeiten von Kindern mit neuromuskulären Erkrankungen 54
3.6.1 North Star Ambulatory Assessment (NSAA) 54
3.6.2 Revised Upper Limb Module für SMA (RULM) 54
3.6.3 Hammersmith Functional Motor Scale Expanded für SMA (HFMSE) 54
3.7 Erhebung soziodemographischer und funktioneller Daten von Probanden und Patienten 55
3.7.1 Eigenanamnese 55
3.7.2 Fragebogen zur Erfassung der Alltagsbewältigung und Handfunktion 55
3.8 Statistische Analyse 57
4 Ergebnisse 58
4.1 Anthropometrische Parameter 58
4.1.1 Einfluss des Geschlechtes auf die anthropometrischen Parameter 58
4.1.2 Einfluss des Alters auf die anthropometrischen Parameter 59
4.1.3 Einfluss der Händigkeit auf die anthropometrischen Parameter 60
4.1.4 Einfluss monogenetischer neuromuskulärer Erkrankungen auf die anthropometrischen Parameter 61
4.1.5 Zusammenfassung der Analyse der anthropometrischen Daten im Kindes- und Jugendalter 62
4.2 Hand- und Fingerbeugekräfte 63
4.2.1 Kraftverteilung zwischen End- und Mittelgliedern 63
4.2.2 Einfluss des Geschlechtes auf Hand- und Fingerbeugekraft 65
4.2.3 Einfluss des Alters auf die Hand- und Fingerbeugekraft 67
4.2.4 Einfluss der Händigkeit auf die Hand- und Fingerbeugekraft 68
4.2.5 Einfluss des Genotyps neuromuskulärer Erkrankungen auf die Hand- und Fingerbeugekraft 69
4.2.6 Korrelation zwischen Handkraft und anthropometrischen Parametern 74
4.2.7 Zusammenfassung der Analyse der Hand- und Fingerbeugekraft im Kindes- und Jugendalter 74
4.3 Korrelation der Hand- und Fingerbeugekraft mit klinischen Verlaufsparametern 75
4.3.1 Korrelation der Handkraft mit motorischen Scores bei Kindern und Jugendlichen mit neuromuskulären Erkrankungen 75
4.3.2 Korrelation der Handkraft mit respiratorischen und kardialen Verlaufsparametern 76
4.4 Analyse des modifizierten COPM-Fragebogens bei Kindern und Jugendlichen mit NME 77
4.4.1 Einfluss der Entität der neuromuskulären Erkrankung auf die Ergebnisse des COPM 77
4.4.2 Korrelation der Ergebnisse des modifizierten COPM mit der Handkraft 78
4.4.3 Unterschiede einzelner Parameter des modifizierten COPM 80
4.5 Einfluss einer zielgerichteten Therapie auf die Hand- und Fingerbeugekraft bei Patienten mit Spinaler Muskelatrophie 80
5 Diskussion 83
5.1 Charakterisierung der anthropometrischen Daten und der Hand- und Fingerbeugekraft bei gesunden Kindern und Jugendlichen in Abhängigkeit von Geschlecht und Alter 83
5.2 Einfluss monogenetischer neuromuskulärer Erkrankungen auf die anthropometrischen Daten und Parameter der Hand- und Fingerbeugekraft im Kindes- und Jugendalter. 90
5.3 Vergleich der Hand- und Fingerbeugekraft mit klinischen Verlaufsparametern und kardiorespiratorischen Parametern 96
5.4 Charakterisierung der Hand- und Fingerbeugekraft als funktioneller Marker und Verlaufsparameter für eine genmodifizierende Therapie bei Kindern und Jugendlichen mit SMA 99
5.5 Methodendiskussion 100
5.6 Limitationen der Studie 102
6 Schlussfolgerungen und Ausblick 102
7 Zusammenfassung 104
8 Literaturverzeichnis 109
9 Anhang 129
9.1 Abbildungsverzeichnis 129
9.2 Tabellenverzeichnis 131
9.3 Abkürzungsverzeichnis 132
9.4 Publikationen und Drittmittel 133
9.4.1 Stipendium 133
9.4.2 Kongressbeiträge – Posterpräsentationen 133
9.4.3 Publikation 133
9.4.4 Patent 133
9.5 Zusätzliche Tabellen 135
9.6 Modifizierter COPM-Fragebogen 140
9.7 Standardisierter Fragebogen zur Anamneseerhebung 146Background: Hand and finger flexion strength (HFS) is an important functional parameter for the assessment of motor performance of the upper extremity and is associated with health-related quality of life. HFS is associated with neurological development and osteogenesis. There are few age- and gender-dependent norm values for HFS and standardised measurement procedures in childhood and adolescence, in particular no data on finger flexion strength and the strength development of the individual phalanges.
In the last decade, there has been an increasing use of new, targeted therapies for neurological diseases. The assessment of the efficiency and monitoring of new therapies requires the characterisation of new, standardised and examiner-independent functional parameters. Especially in paediatrics, functional parameters should be determined quickly, easily and non-invasively.
Objectives: The objectives of this study are i) to characterise physiological standard values of anthropometric parameters of the upper extremity and the maximum voluntary HFS under defined biomechanical measurement conditions using the hand and finger dynamometer HFD 200 in children and adolescents. ii) to compare the age- and sex-dependent reference values with the anthropometric parameters and the maximum voluntary HFS of children and adolescents with genetic neuromuscular diseases, NMD. iii.) Correlation of the HFS of children and adolescents with NMD with disease severity and clinical course using various parameters and characterisation of disease-relevant prognostic factors iv.) As a pilot study, first longitudinal investigation of the influence of a new targeted therapy on the HFS of a rare NMD, 5q-spinal muscular atrophy, SMA in childhood and adolescence, and characterisation of HFS as a possible standardised, sensitive functional parameter.
Material and method: HFS is measured with the HFD 200. The HFD 200 enables the separate measurement of hand and finger strength as well as the strength of the individual phalanges. The measurement is isometric at defined measuring points on the end and middle phalanges. The monocentric prospective study is divided into three sections. 1. in the first cross-sectional analysis, HFS is measured under standardised, isometric and biomechanical conditions in 233 healthy children and adolescents (age range 5 - 18 years, n = 116 girls and n = 117 boys). 2. in the second cross-sectional analysis, HFS of 33 children and adolescents with NMD (age range 7 - 18 years, n = 12 girls and n = 21 boys) is measured and correlated with clinical and anthropometric parameters, motor and questionnaire scores. 3. in a longitudinal design, HFS of 7 children and adolescents (age range 7 - 17 years, n = 3 girls, n = 4 boys) with the rare NMD, SMA, is examined in standardised time intervals before and during targeted therapy with nusinersen and compared with the standardised clinical motor scores.
Results: The examination of the HFS with the HFD 200 can be carried out efficiently from the age of 5 years. There is a significant, sex- and age-dependent (p < 0.001) increase in HFS and all anthropometric measurements. The physiological development of HFS correlates significantly with the change in all anthropometric measurements (p < 0.001, Rho 0.28 - 0.54). HFS (p < 0.001; effect size r = 0.22 - 0.26) and all anthropometric measurements of the upper extremity (p < 0.001; effect size r = 0.31 - 0.42) show a difference in size and length in favour of the right. A force distribution between the end and middle phalanges is detectable in controls. Middle phalanges exhibit significantly (p < 0.001) higher strength values than end phalanges.
The development of anthropometric measurements of the upper extremity in patients with NMD is independent of sex, but correlates with age. In patients, a side difference of forearm and hand length (p < 0.05; r = 0.4) in favour of the right is detected. A side difference of HFS in favour of the right is only detectable for the HFS of the middle phalanges in patients (p < 0.001; effect size r = 0.80 - 0.81). In patients, there is a heterogeneous disease-specific pattern in the distribution of HFS. HFS in patients is significantly lower than in age- and sex-matched healthy controls (p < 0.001). The force distribution between end and middle phalanges is only detectable in the patients for the right hand. However, this force distribution in favour of the middle phalanges is significantly greater in patients than in controls (p < 0.05; effect size r = 0.15 - 0.19). The HFS of patients with NMD shows significant correlations (Rho 0.453 - 0.821; p < 0.05 - p < 0.001) with respiratory measurements, standardised clinical motor tests and questionnaire scores regarding motor function of the upper extremities.
In the longitudinal analysis, a significant increase in finger flexion strength of the middle finger is demonstrated in children and adolescents with SMA two months after starting treatment with nusinersen (p < 0.05, r = 0.75 - 0.9). This change in strength is not shown in the standardised motor scores.
Conclusions: The HFD 200 can sensitively record HFS from the age of 5 years in cognitively age-appropriately developed i.) healthy and ii.) children and adolescents with NMD. By characterising age- and gender-specific reference values of HFS and anthropometric data of the upper extremity, HFS can be used to define therapy and rehabilitation goals. HFS represents a valid functional marker for the severity of muscular weakness of NMD and enables prognostic assessments, as HFS correlates with standardised clinical progression parameters, motor and questionnaire scores. In longitudinal analyses using targeted therapy for SMA, HFS can be identified as a sensitive functional marker. HFS can be used in other progressive neurological diseases to monitor new therapies and in paediatric (neuro-) rehabilitation. HFS can be measured easily and non-invasively and is of great functional importance for patients. In NMD with proximal onset of muscle weakness, HFS can be measured long in the course of disease. Measuring HFS with the HFD 200 enables to define an individual functional marker for each patient, depending on the residual function of hands and individual fingers. HFS is a sensitive functional marker with diagnostic, prognostic and predictive significance in NMD in childhood and adolescence.:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 7
1.1 Die Bedeutung der Messung von Muskelkraft in der Pädiatrie 7
1.2 Physiologische und molekulare Grundlagen der Muskelfunktion 9
1.2.1 Myogenese 9
1.2.2 Einfluss des Alters auf die Entwicklung der Muskulatur 10
1.2.3 Einfluss des Geschlechts auf die Entwicklung der Muskulatur 10
1.2.4 Assoziation zwischen Muskulatur und kardiorespiratorischer Funktion 12
1.2.5 Kontraktion, Muskelmechanik und -energetik 12
1.3 Funktionelle Anatomie und Biomechanik der Hand 19
1.4 Grundlagen der Muskelkraftmessung 23
1.4.1 Physikalische Grundlagen 23
1.4.2 Biomechanische Grundlagen 23
1.4.3 Etablierte Messtechniken zur Messung der Beugekräfte der Hand 24
1.4.4 Das Hand- und Fingerdynamometer HFD 200 nach Weber 27
1.5 Neuromuskuläre Erkrankungen im Kindes- und Jugendalter 31
1.5.1 Spinale Muskelatrophie (SMA) 32
1.5.2 Hereditäre motorisch sensible Neuropathien – Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung (CMT) 34
1.5.3 Muskeldystrophien 35
1.5.4 Andere neuromuskuläre Erkrankungen 37
2 Zielstellung der Arbeit 39
3 Material und Methoden 41
3.1 Studiendesign 41
3.2 Charakterisierung der Probanden und Patienten 42
3.2.1 Kohorte gesunde Probanden 42
3.2.2 Kohorte der Patienten mit genetisch definierter neuromuskulärer Erkrankung 44
3.3 Messung der Hand- und Fingerbeugekräfte mit dem HFD 200 45
3.4 Messung der anthropometrischen Daten 49
3.4.1 Körpergröße 49
3.4.2 Körpergewicht 50
3.4.3 Body Mass Index 50
3.4.4 Unterarmlänge 50
3.4.5 Unterarmumfang 51
3.4.6 Handlänge 51
3.4.7 Handbreite 52
3.5 Messung der Herz- und Lungenfunktion 53
3.5.1 Parameter der Herzfunktion: Ejektionsfraktion (EF) und Verkürzungsfraktion (fractional shortening, FS) 53
3.5.2 Lungenfunktionsparameter 53
3.6 International standardisierte Scores zur Erfassung der motorischen Fähigkeiten von Kindern mit neuromuskulären Erkrankungen 54
3.6.1 North Star Ambulatory Assessment (NSAA) 54
3.6.2 Revised Upper Limb Module für SMA (RULM) 54
3.6.3 Hammersmith Functional Motor Scale Expanded für SMA (HFMSE) 54
3.7 Erhebung soziodemographischer und funktioneller Daten von Probanden und Patienten 55
3.7.1 Eigenanamnese 55
3.7.2 Fragebogen zur Erfassung der Alltagsbewältigung und Handfunktion 55
3.8 Statistische Analyse 57
4 Ergebnisse 58
4.1 Anthropometrische Parameter 58
4.1.1 Einfluss des Geschlechtes auf die anthropometrischen Parameter 58
4.1.2 Einfluss des Alters auf die anthropometrischen Parameter 59
4.1.3 Einfluss der Händigkeit auf die anthropometrischen Parameter 60
4.1.4 Einfluss monogenetischer neuromuskulärer Erkrankungen auf die anthropometrischen Parameter 61
4.1.5 Zusammenfassung der Analyse der anthropometrischen Daten im Kindes- und Jugendalter 62
4.2 Hand- und Fingerbeugekräfte 63
4.2.1 Kraftver
Qualitätsindikatoren für das Monitoring der Multiplen Sklerose
No full textHintergrund. Die Qualität der Versorgung ist ein zentrales Ziel der Gesundheitspolitik und erfordert standardisierte Methoden zur Bewertung und Überwachung. Insbesondere im Kontext chronischer Erkrankungen, wie der Multiplen Sklerose (MS), ist Qualitätsmessung entscheidend, um Versorgungsleistungen nachvollziehbar zu dokumentieren und Optimierungspotenziale zu identifizieren. MS ist mit einer weltweiten Prävalenz von 2,8 Millionen eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen junger Erwachsener. Aufgrund der individuell stark variierenden Symptome, Krankheitsverläufe und Therapieansprechen sowie des derzeit fehlenden Heilansatzes liegt der Fokus der Behandlung auf der Reduktion von Krankheitsaktivität und -progression. Der chronisch-progrediente Verlauf der MS erfordert eine lebenslange, individuelle angepasste Therapieplanung auf Basis regel-mäßiger Verlaufsbeobachtungen und umfassender Datenerfassung. Die strukturierte und kontinuierliche Verlaufsbeobachtung – das sogenannte Monitoring – ist essenziell, um Krankheitsaktivität und -progression frühzeitig zu erkennen, Therapieerfolge zu bewerten und Behandlungsstrategien gezielt anzupassen. Bisher fehlen jedoch einheitliche Standards zur Umsetzung und Bewertung dieser Prozesse. Zwar enthalten bestehende Leitlinien Empfehlungen, diese sind jedoch häufig nicht ausreichend in Bezug auf Prozessgestaltung und Versorgungsqualität. Insbesondere fehlen standardisierte Protokolle und Handlungsempfehlungen für ein strukturiertes Monitoring. Dies führt in der klinischen Praxis zu erheblichen Unterschieden in Bezug auf Umfang, Frequenz und Inhalte des Monitorings, was die Versorgungsqualität potenziell beeinträchtigen kann. Klare Standards sind daher notwendig, um Krankheitsaktivität und -progression verlässlich zu erfassen, Therapieentscheidungen zu optimieren und die Versorgungsqualität einrichtungsübergreifend vergleichbar zu machen. Eine systematische Standardisierung des Monitorings, ergänzt durch geeignete Maßnahmen zur Qualitätssicherung und -kontrolle, könnte diese Herausforderungen effektiv adressieren. Dies würde nicht nur die objektive Bewertung der Versorgung ermöglichen, sondern auch klinische Abläufe harmonisieren und langfristig sowohl die Versorgungsqualität als auch die Ergebnisse für PatientInnen verbessern.
Fragestellungen. Vor diesem Hintergrund verfolgte die vorliegende Arbeit das Ziel, auf Grundlage bestehender Leitlinien und Empfehlungen sowie im Konsens mit MS-ExpertInnen transparente, nachvollziehbare und messbare Qualitätsindikatoren (QI) für den Monitoring-Prozess im Rahmen des MS-Managements in Deutschland zu entwickeln. Im Mittelpunkt der Arbeit standen folgende Forschungsfragen: (1) Welche Qualitätsindikatoren und -empfehlungen für die MS-Versorgung existieren bereits in der Literatur? (2) Wie können diese systematisch strukturiert und kategorisiert werden? und (3) Welcher Konsens besteht unter ExpertInnen hinsichtlich der Relevanz und Praktikabilität einzelner QI?
Material und Methoden. Die Entwicklung der QI folgte einem mehrstufigen, systematisch aufgebauten Mixed-Methods-Ansatz. Dieser beinhaltete zunächst eine umfassende Literaturanalyse zur Identifikation existierender QI und Qualitätsempfehlungen für MS. Darauf aufbauend wurden im zweiten Schritt strukturierte Expertenkonsultationen zur Validierung und Strukturierung der gefundenen QI durchgeführt. Schließlich wurde im dritten Schritt eine Expertenbefragung zum Konsens bezüglich relevanter QI durchgeführt. Im Zentrum stand dabei ein modifiziertes Delphi-Verfahren, bei dem ausgewählte MS-ExpertInnen aus dem deutschsprachigen Raum in zwei anonymisierten Befragungsrunden die entwickelten QI nach den Kriterien Relevanz, Wissenschaftlichkeit und Praktikabilität bzw. Bedeutsamkeit für PatientInnen sowie optional in Freitextkommentaren bewerteten. Die Ergebnisse der ersten Befragungsrunde wurden quantitativ und qualitativ ausgewertet und den ExpertInnen in aggregierter Form in der zweiten Befragungsrunde zur Verfügung gestellt. Dieser Prozess ermöglichte eine schrittweise Konsensfindung und kontinuierliche Verfeinerung der QI unter Wahrung der Anonymität der Teilnehmer und Vermeidung der Dominanz einzelner Meinungen. Abschließend erfolgte eine Gesamtauswertung der Ergebnisse und die Finalisierung der entwickelten QI.
Ergebnisse. Die erste Forschungsfrage untersuchte vorhandene QI und Qualitätsempfehlungen für die MS-Versorgung. Ein Scoping Review identifizierte aus 756 Publikationen neun relevante Studien mit 883 potenziellen QI; nach Bereinigung verblieben 110, die gemäß der Donabedian-Klassifikation in Struktur-, Prozess- und Ergebnisindikatoren eingeteilt wurden. Die zweite Forschungsfrage zielte auf die systematische Strukturierung dieser QI. In einem mehrstufigen Expertenprozess entstand das sogenannte „Monitoring Work-Up“ mit fünf Prozessschritten: (1) Anamnese und Symptomabfrage (QI 01-18) inklusive Dokumentation von Medikation und Komorbiditäten sowie individueller Versorgungsaspekte mittels Checklisten, (2) standardisierte neurologische Untersuchung (QI 19) mit der EDSS, (3) bildgebende Verfahren (QI 20-21) wie zerebrale und spinale MRTs nach MAGNIMS-Protokollen, (4) optionale Zusatzdiagnostiken (QI 22) wie Funktionstests, Ganganalysen, OCT und neuropsychologische Tests sowie (5) Ergebnisbewertung und Kommunikation (QI 23-24) mit Dokumentation aller Befunde und gemeinsamer Entwicklung von Handlungsempfehlungen. Kontrolluntersuchungen sollten mindestens jährlich, idealerweise halbjährlich erfolgen, wobei bei Verschlechterungen zusätzliche Untersuchungen erforderlich sind. Das finale Set umfasst 24 QI, davon 20 Prozess-, drei Struktur- und ein Ergebnisindikator. Der hohe Anteil von Prozessindikatoren ist besonders hervorzuheben. Sie messen die Qualität ärztlicher Maßnahmen direkt im Versorgungsprozess und können somit gezielt Verbesserungspotenziale aufzeigen. Die dritte Forschungsfrage untersuchte den Expertenkonsens zur Relevanz und Praktikabilität der QI. Die schrittweise Evaluation und Konsensfindung durch das Expertenkollektiv (Rücklaufquote 45-50%, Durchschnittsalter 53 Jahre, durchschnittliche Berufserfahrung 25 Jahre) anhand der Bewertungskriterien ergab hohe Zustimmungswerte von meist 85-96 %, die in der zweiten Runde weiter anstiegen. Zentrale QI wie EDSS (QI 19), MRT-Monitoring (QI 20, 21) und PatientInnen-Einbindung (QI 23) wurden als „notwendig“ eingestuft, andere wie die Versorgungs-Checkliste (QI 18) und die Monitoring-Frequenz (QI 24) als „wünschenswert“ für die Versorgung. Patienten-Empowerment wurde besonders bei QI 23 als wichtig erachtet. In den Freitextkommentaren wurden Standardisierungsbedarf und Umsetzungsbarrieren hervorgehoben. Die ExpertInnen plädierten für ein ganzheitliches Vorgehen, das auch nicht-neurologische Faktoren einbezieht, und wiesen auf Ressourcenengpässe sowie die Notwendigkeit klarer Aufgabenverteilungen hin. Die Rückmeldungen führten zu inhaltlichen Ergänzungen, klareren Abgrenzungen und einer stärkeren Fokussierung der QI auf individuelle Patientenbedürfnisse und Krankheitsverläufe.
Schlussfolgerung. Diese Arbeit entwickelte ein konsentiertes Set von 24 QI für das MS-Monitoring und liefert damit eine standardisierte Grundlage für ein qualitätsgesichertes MS-Management. Die Forschungsfragen zu bestehenden QI, ihrer Strukturierung und zum Expertenkonsens konnten beantwortet werden. Die finalen QI stellen einen strukturierten Ansatz für die Dokumentation, Überwachung und Optimierung der Qualität des Monitorings im Rahmen der Versorgung von MS-PatientInnen bereit. Sie basieren auf dem aktuellen Stand der Literatur und auf fachlich praktischer Expertise, wodurch eine theoretische Fundierung als auch die praktische Anwendbarkeit gewährleistet ist. Das QI-Set deckt zentrale Aspekte der MS-Versorgung ab und kann von NeurologInnen, Einrichtungen und Fachgesellschaften genutzt werden, um Monitoring-Standards zu etablieren und Real-World-Daten systematisch einzubinden. Es bietet zudem einen Rahmen für individualisierte Behandlungsstrategien. Eine Pilotphase in neurologischen Zentren wird empfohlen, um die Praxistauglichkeit zu prüfen. Das Modell ist auch auf andere chronische Erkrankungen übertragbar. Langfristig sollte die Implementierung der QI national und international erfolgen. Ein durchgängiges Qualitätsmanagementsystem, welches neben der Ergebnisqualität insbesondere die Versorgungsqualität (Prozessqualität) transparent macht, kann einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, Optimierungspotenziale in der MS-Versorgung sichtbar zu machen. Eine kontinuierliche Sicherung und transparente Darstellung der Versorgungsqualität würden zur Akzeptanz, Finanzierbarkeit und zum konkreten Nutzen für alle Beteiligten beitragen.
Phosphodiesterase 2 (PDE2) als potenzielles Target in der Herzinsuffizienz-Therapie: Bedeutung des PDE2A-Knockout für die intrazelluläre Calcium-Regulation in murinen Kardiomyozyten unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen
No full textHintergrund
Die Herzinsuffizienz ist eine häufige Erkrankung, deren Prognose trotz umfassender pharmakologischer Behandlungsmöglichkeiten weiterhin schlecht ist. Daher ist die Entwicklung neuer Therapien notwendig. Dabei könnte die Modulation der Phosphodiesterase 2 (PDE2) einen vielversprechenden Ansatz darstellen. Als dual-spezifische PDE hydrolysiert die PDE2 die zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP. Unter den kardialen PDEs hat die PDE2 zudem die einzigartige Eigenschaft, durch ihr Substrat cGMP allosterisch aktiviert zu werden, was zu einer Steigerung der cAMP-Hydrolyse führt. Infolgedessen vermittelt die PDE2 einen negativen Crosstalk zwischen den Signalwegen von cGMP und cAMP und ist wesentlich an der intrazellulären Regulation der second messenger beteiligt.
Bei fortgeschrittener Herzinsuffizienz ist die Expression und Aktivität der PDE2 in Kardiomyozyten deutlich erhöht. Durch Antagonisierung übermäßiger β-adrenerger Stimulation könnte dies im Myokard einen Schutzmechanismus gegenüber chronischem adrenergem Stress darstellen. Übereinstimmend wurde im Mausmodell mit kardialer PDE2A-Überexpression nachgewiesen, dass eine gesteigerte PDE2-Aktivität kardioprotektiv wirkt und unter pathophysiologischen Bedingungen vor Arrhythmien schützt.
Bislang existiert noch kein spezifischer pharmakologischer PDE2-Stimulator. Einen alternativen Ansatz zur Steigerung der PDE2-Aktivität stellt die, durch das C-Typ natriuretische Peptid (CNP) vermittelte, allosterische Aktivierung mit cGMP dar. Für CNP wurden bereits kardioprotektive und antiarrhythmische Wirkungen beschrieben, deren zugrundeliegende Mechanismen allerdings unzureichend verstanden sind.
Für die Pathophysiologie der Herzinsuffizienz sind Störungen des Calcium-Haushaltes in den Kardiomyozyten von zentraler Bedeutung. Die intrazelluläre Calcium-Homöostase wird durch komplexe cAMP- und cGMP-abhängige Signalwege reguliert. Durch ihre Schlüsselfunktion in der Regulation der zyklischen Nukleotide hat die PDE2 daher möglicherweise einen bedeutenden Einfluss auf die intrazelluläre Calcium-Regulation in Kardiomyozyten.
Fragestellung
Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der PDE2 auf die Calcium-Regulation in Kardiomyozyten zu untersuchen, um die klinische Relevanz der PDE2 als Target in der Herzinsuffizienz-Therapie besser beurteilen zu können. Im Mausmodell mit Kardiomyozyten-spezifischem PDE2A-Knockout (PDE2A-KO) sollten dazu Parameter des intrazellulären Calcium-Haushaltes unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen untersucht werden. Mithilfe des PDE2A-KO-Modells sollte zudem aufgeklärt werden, ob CNP möglicherweise PDE2-abhängig kardioprotektive Effekte vermittelt. Darüber hinaus sollte die Veränderung der Expression und Phosphorylierung zentraler Calcium-regulierender Proteine durch die PDE2A-Deletion bestimmt werden.
Material und Methoden
Die Versuche wurden an isolierten linksventrikulären Kardiomyozyten von Mäusen der Linie PDE2A_flox_αMHC_cre im Alter von 3 Monaten (10 – 14 Wochen) durchgeführt. Die Entwicklung des Kardiomyozyten-spezifischen PDE2A-KO erfolgte mithilfe des Rekombinationssystem cre/loxP unter Verwendung des Kardiomyozyten-spezifischen α-MHC-Promotors. Als Kontrollen dienten Mäuse mit genetischer flox-Markierung (WT) sowie mit alleiniger cre-Expression (cre). Mittels Calcium Imaging wurden Fluoreszenz-basiert wichtige Parameter des intrazellulären Calcium-Stoffwechsels (intrazelluläre Calcium-Transienten, Calcium-Freisetzungsgeschwindigkeit, Calcium-Wiederaufnahmegeschwindigkeit, spontane Calcium-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR), SR-Calcium-Speicherkapazität, fraktionelle Calcium-Freisetzung) unter basalen Bedingungen, β-adrenerger Stimulation mit Isoprenalin (ISO, 10 nM) sowie kombinierter ISO- und CNP-Stimulation (ISO, 10 nM + CNP, 1µM) untersucht. Die Expression und Phosphorylierungen der Calcium-regulierenden Proteine wurden in Western Blots bestimmt. Die Versuche wurden sowohl in gesunden Mäusen als auch nach chronischer adrenerger Stimulation mit ISO über osmotische Minipumpen (14 Tage, 30 mg/kg/d) durchgeführt.
Ergebnisse
Es wurde erstmals der intrazelluläre Calcium-Haushalt im Mausmodell mit kardialem PDE2A-KO charakterisiert. Die basale intrazelluläre Calcium-Regulation war in gesunden Mäusen mit PDE2A-KO im Vergleich zu den Kontrollgruppen nicht signifikant verändert. Unter ISO-Stimulation waren hingegen die Calcium-Transienten im PDE2A-KO aufgrund gesteigerter systolischer Calcium-Spiegel wesentlich höher. Darüber hinaus waren unter β-adrenerger Stimulation die Freisetzungsgeschwindigkeit sowie Wiederaufnahmegeschwindigkeit des Calciums im PDE2A-KO beschleunigt (positiv lusitroper Effekt). Im PDE2A-KO traten unter akutem β-adrenergem Stress deutlich mehr arrhythmogene spontane Calcium-Wellen als Marker für eine gesteigerte spontane Calcium-Freisetzung aus dem SR auf.
Die Stimulation mit CNP hatte unter gleichzeitiger β-adrenerger Stimulation im WT interessanterweise keine signifikanten Effekte auf die intrazelluläre Calcium-Regulation. Im Rahmen dieser Arbeit konnten daher keine kardioprotektiven Effekte von CNP im Calcium Imaging nachgewiesen werden, während weitere Versuche unserer Arbeitsgruppe eine antiarrhythmische Wirkung des CNP zeigten (Cachorro et al., 2023). Im PDE2A-KO wurden die Calcium-Transienten (Feldstimulation mit 1 Hz) sowie die Calcium-Speicherkapazität des SR unter gleichzeitiger ISO- und CNP-Stimulation im Vergleich zur alleinigen ISO-Stimulation weiter gesteigert. Darüber hinaus ließen sich keine signifikanten Auswirkungen der CNP-Inkubation auf den intrazellulären Calcium-Haushalt in Kardiomyozyten mit PDE2A-KO bestimmen.
Unter pathophysiologischen Bedingungen war die basale Calcium-Regulation im Modell der ISO-induzierten Hypertrophie durch die PDE2A-Deletion nicht signifikant verändert. Unter adrenerger Stimulation zeigte sich sowohl im PDE2A-KO als auch im WT eine ausgeprägte β-Rezeptor-Desensibilisierung mit einem reduzierten Ansprechen auf ISO. Jedoch unterschieden sich die Parameter des intrazellulären Calcium-Haushaltes auch unter ISO-Stimulation nicht signifikant zwischen PDE2A-KO und WT.
Auf molekularer Ebene führte die PDE2A-Deletion sowohl unter physiologischen Bedingungen als auch nach chronischer ISO-Stimulation zu einer Hyperphosphorylierung von Phospholamban (PLB) an der CaMKII-abhängigen Phosphorylierungsstelle PLB pThr17, während die Expression und Phosphorylierung weiterer Calcium-regulierender Proteine unverändert blieben.
Schlussfolgerung
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen im PDE2A-KO eine gesteigerte Sensibilität des intrazellulären Calcium-Haushaltes gegenüber β-adrenergem Stress, die mit positiv inotropen und positiv lusitropen Effekten sowie einer Zunahme arrhythmogener Ereignisse assoziiert war. Die PDE2 ist daher maßgeblich an der sympathisch vermittelten Regulation des Calcium-Stoffwechsels in Kardiomyozyten beteiligt. Dadurch stellt die Modulation der PDE2 einen interessanten Ansatz dar, um bei Herzinsuffizienz den intrazellulären Calcium-Haushalt zu stabilisieren und Arrhythmien vorzubeugen. Diese Ergebnisse fügen sich in den aktuellen Stand der Forschung ein und können für die Entwicklung neuartiger Therapiestrategien zur Behandlung der Herzinsuffizienz genutzt werden.:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Physiologie der Herzfunktion 2
1.1.1 Elektromechanische Kopplung in Kardiomyozyten 2
1.1.2 Modulation der Herzaktion 4
1.1.2.1 β-adrenerge Signalkaskade 5
1.1.2.2 cAMP/PKA-Signalweg 5
1.1.2.3 Calcium/Calmodulin-abhängige Kinase II (CaMKII) 8
1.1.2.4 Exchange Proteins Activated by cAMP (EPAC) 9
1.1.2.5 cGMP/PKG-Signalweg 10
1.1.2.6 Natriuretische Peptide 10
1.2 Herzinsuffizienz 11
1.2.1 Epidemiologie 12
1.2.2 Ätiologie und Klinik 12
1.2.3 Pathophysiologie der chronischen Herzinsuffizienz 13
1.2.3.1 Neurohumorale Aktivierung 14
1.2.3.2 Pathologische Veränderungen der intrazellulären Calcium-Homöostase 15
1.2.4 Pharmakologische Therapie und Prognose 16
1.3 Bedeutung kardialer Phosphodiesterasen 17
1.3.1 PDE2 als potenzielles pharmakologisches Target 19
1.3.2 cGMP-abhängige Aktivierung der PDE2 durch CNP 20
1.4 Mausmodell mit Kardiomyozyten-spezifischem PDE2A-Knockout 21
1.5 Zielsetzung 22
2 Methoden und Material 24
2.1 Tiere 24
2.2 Isolation von Kardiomyozyten aus Mäuseherzen 24
2.3 Calcium Imaging 26
2.3.1 Theoretische Grundlagen 26
2.3.2 Probenvorbereitung 27
2.3.3 Messung intrazellulärer Calcium-Signale 27
2.3.4 Auswertung 29
2.4 Proteinanalyse 29
2.4.1 Lyse der Kardiomyozyten und Proteinisolation 29
2.4.2 Proteinkonzentrationsbestimmung nach Bradford 30
2.4.3 SDS-Page 30
2.4.4 Western Blot 31
2.5 Chronische Stimulation mit ISO mittels osmotischer Minipumpen 33
2.6 Experimentelles Design 33
2.7 Statistische Auswertung 35
2.8 Verwendete Materialien 35
2.8.1 Medien, Puffer, Lösungen 35
2.8.2 Antikörper 38
2.8.3 Enzyme 39
2.8.4 Chemikalien 39
2.8.5 Kits und Marker 41
2.8.6 Geräte und Hilfsmittel 41
2.8.7 Software 43
3 Ergebnisse 44
3.1 Einfluss des PDE2A-KO auf den Calcium-Haushalt in Kardiomyozyten unter physiologischen Bedingungen 44
3.1.1 Intrazellulärer Calcium-Transient 44
3.1.2 Spontane Calcium-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum 46
3.1.3 Calcium-Speicherkapazität des SR und fraktionelle Calcium-Freisetzung 49
3.1.4 Calcium-Haushalt unter Stimulation mit CNP und ISO 50
3.1.5 Expression von Calcium-regulierenden Proteinen 54
3.2 Einfluss des PDE2A-KO auf den Calcium-Haushalt in Kardiomyozyten im Hypertrophie-Modell 59
3.2.1 Intrazellulärer Calcium-Transient 59
3.2.2 Spontane Calcium-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum 61
3.2.3 Calcium-Speicherkapazität des SR und fraktionelle Calcium-Freisetzung 62
3.2.4 Expression von Calcium-regulierenden Proteinen 63
4 Diskussion 65
4.1 Bedeutung des PDE2A-KO für die Calcium-Regulation in Kardiomyozyten 66
4.1.1 Der PDE2A-KO beeinflusst die basale intrazelluläre Calcium-Regulation nicht 66
4.1.2 Unter β-adrenerger Stimulation sind die Amplituden der Calcium-Transienten im PDE2A-KO gesteigert 67
4.1.3 Unter β-adrenerger Stimulation ist die spontane arrhythmogene Calcium-Freisetzung im PDE2A-KO gesteigert 69
4.2 CNP hat unter β-adrenerger Stimulation keinen Einfluss auf die intrazelluläre Calcium-Regulation 70
4.3 Die PDE2A-Deletion vermittelt eine Hyperphosphorylierung von Phospholamban 73
4.4 Bedeutung des PDE2A-KO für die Calcium-Regulation nach chronischer β-adrenerger Stimulation 77
4.5 Limitationen 80
4.5.1 PDE2A-KO-Mausmodell 80
4.5.2 Hypertrophie-Modell 81
4.5.3 Methodische Betrachtungen 82
4.6 Klinische Relevanz der PDE2 in der Therapie der Herzinsuffizienz 83
4.7 Ausblick 85
5 Zusammenfassung 87
6 Abstract 90
7 Danksagung 93
8 Literaturverzeichnis 94
9 Anhang 106
9.1 Abbildungsverzeichnis 106
9.2 Tabellenverzeichnis 107
9.3 Abkürzungsverzeichnis 108
9.4 Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 112
9.5 Anlage 2: Bestätigung über die Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben 11
Reassessing Electrolyte Design for Non-Aqueous Magnesium Batteries
No full textNon-aqueous magnesium (Mg) batteries have attracted considerable attention as a promising next-generation energy storage technology, owing to the high Mg resource abundance and good safety. Nevertheless, the development of efficient non-aqueous electrolytes remains a critical challenge that hinders the practical deployment of Mg batteries. This review provides a comprehensive analysis of recent advances, ongoing challenges, and future directions for non-aqueous electrolytes in Mg batteries, emphasizing both chlorine-containing and chlorine-free electrolytes. Furthermore, it discusses how these electrolyte systems influence the Mg stripping/plating process, particularly in terms of compatibility with the Mg metal anode, and evaluates their electrochemical stability, including the applicable voltage window. Chlorine-containing electrolytes exhibit high ionic conductivities and reversibility but present challenges related to corrosion and limited electrochemical stability. In contrast, chlorine-free electrolytes offer a more eco-friendly alternative, though often with lower ionic conductivity and limited compatibility with Mg metal anodes. This review examines electrolyte design strategies, atomistic structures, and performance optimization to outline the advantages and drawbacks of each electrolyte type. Emerging methodologies for advanced electrolyte development are also discussed. This comprehensive analysis highlights the pivotal role of electrolyte innovation in realizing the full potential of non-aqueous Mg batteries and advancing sustainable, high-performance energy storage solutions
Phänotypisierung und Charakterisierung von Gangprofilen bei Menschen mit Multipler Sklerose
No full textHintergrund: Gangstörungen gehören zu den häufigsten und funktionell relevantesten Symptomen bei Patient:innen mit Multipler Sklerose (PmMS). Sie beeinträchtigen nicht nur die Lebensqualität, sondern gelten auch als wichtiger Marker für die Krankheitsprogression. Die Gangabweichungen sind heterogen, da sie durch unterschiedlich stark ausgeprägte Dysfunktionen verschiedener neurologischer Funktionssysteme wie der pyramidalen, zerebellären oder sensorischen Bereiche verursacht werden. Diese funktionellen Beeinträchtigungen führen zu charakteristischen Gangmustern - etwa spastisch-paretischen, ataktischen oder sensorischen Gangbildern - deren differenzierte Erfassung klinisch wie therapeutisch von hoher Relevanz ist. Trotz dieser Bedeutung wird die Gangbeeinträchtigung in der klinischen Routine häufig nur unzureichend differenziert erfasst. Klinisch funktionelle Tests wie der Timed 25-Foot Walk Test (T25FWT), der 2-Minute-Walk-Test (2MWT) oder patient-reported Outcomes sind zwar etabliert und bilden funktionelle Einschränkungen ab, reichen jedoch nicht aus, um spezifische Gangphänotypen präzise voneinander abzugrenzen. Damit bleiben wichtige Unterschiede zwischen klinischen Gangmustern und potenzielle therapeutische Ansatzpunkte häufig unberücksichtigt. Vor diesem Hintergrund rückt die instrumentierte Ganganalyse stärker in den Fokus. Sensorbasierte Verfahren erlauben eine objektive Beurteilung spatiotemporaler Gangparameter in definierten Gangdomänen wie der Geschwindigkeit, dem Rhythmus, der Variabilität oder der Asymmetrie und ermöglichen eine standardisierte, quantitative Charakterisierung individueller Gangmuster. Die Expanded Disability Status Scale (EDSS) als klinischer Goldstandard in der MS-Beurteilung bildet zwar verschiedene Funktionssysteme ab, bleibt jedoch in Bezug auf Gangstörungen begrenzt sensitiv und subjektiv. Die Verknüpfung klinischer EDSS-Funktionssysteme mit digitalisierten Gangparametern bietet daher die Chance, funktionell relevante Gangmuster differenzierter zu erfassen und gezielter therapeutisch anzugehen.
Fragestellungen: Ziel dieser Arbeit war es, spezifische Gangmuster bei PmMS auf Grundlage neurologischer Funktionseinschränkungen (pyramidal, zerebellär, sensorisch) differenziert zu beschreiben und hinsichtlich klinisch relevanter Unterschiede systematisch zu analysieren. Mittels standardisierter, sensorbasierter Ganganalyse unter variierenden Gehbedingungen sollten objektive spatiotemporale Gangparameter erfasst werden, um differenziertere Aussagen zu funktionellen Defiziten und pathologischen Gangmustern zu ermöglichen. Die Ergebnisse sollen als Grundlage für eine individualisierte, datenbasierte Therapieplanung dienen und durch visuelle Aufbereitung zur besseren klinischen Anwendbarkeit beitragen.
Material und Methoden: Im Rahmen einer Querschnittsstudie zwischen Mai 2018 und März 2023 wurden am Multiple Sklerose Zentrum des Universitätsklinikums Dresden 204 PmMS sowie 237 gesunde Kontrollpersonen untersucht. Einschlusskriterien umfassten eine gesicherte MS-Diagnose gemäß den revidierten McDonald-Kriterien von 2017, eine selbstständige Gehfähigkeit ohne Hilfsmittel (EDSS ≤ 5,5) sowie die eindeutige Zuweisung zu einem der drei Gangmustern - pyramidal, zerebellär oder sensorisch - basierend auf der neurologischen Funktionssystembeurteilung des EDSS. Ausschlusskriterien waren orthopädische oder internistische Begleiterkrankungen, die den Gang maßgeblich beeinflussen könnten. Die Klassifikation in Gangmustergruppen erfolgte anhand spezifischer Subscores des EDSS, wobei ausschließlich Beeinträchtigungen der unteren Extremitäten berücksichtigt wurden. Ergänzend wurden klinisch funktionelle Tests (T25FWT, 2MWT und 3 Meter Backwards Walking Test (3MBWT)) sowie patient-reported Outcomes (Twelve Item Multiple Sclerosis Walking Scale (MSWS-12) und Early Mobility Impairment Questionnaire (EMIQ)) eingesetzt, um die subjektive Wahrnehmung der Gehfähigkeit zu erfassen. Zur objektiven Ganganalyse wurde das validierte, drucksensorbasierte GAITRite-System verwendet. Alle Studienteilnehmer:innen absolvierten ein standardisiertes Gangprotokoll mit drei Bedingungen: selbstgewähltes Gehen, schnelles Gehen sowie Gehen unter Dual Task Bedingungen. Spatiotemporale Gangparameter wurden anschließend domänenspezifisch zugeordnet (z. B. Pace, Variability, Rhythm, Asymmetry) und statistisch mittels Generalized Linear Models ausgewertet. Zur besseren klinischen Anwendbarkeit wurden die Ergebnisse mit Hilfe von Radarplots visualisiert. Die normierten Z-Scores der MS-Subgruppen wurden dabei im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe grafisch gegenübergestellt, um typische Muster innerhalb der Gangphänotypen differenzierbar darzustellen.
Ergebnisse: Insgesamt wurden 204 PmMS (durchschnittliches Alter: 42,11 Jahre; BMI: 25,07; Krankheitsdauer: 10,31 Jahre; medianer EDSS: 2,0) sowie 237 gesunde Kontrollpersonen in die Analyse eingeschlossen. Basierend auf den funktionellen Einschränkungen des EDSS wurden die PmMS in drei Gangmustergruppen eingeteilt: 57,8 % (n = 118) wiesen ein sensorisches Gangmuster auf, 27,9 % (n = 57) ein pyramidales und 14,2 % (n = 29) ein ataktisches Gangmuster. Zwischen den Gruppen zeigten sich keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich Geschlecht oder BMI. Die sensorische Gruppe war jedoch signifikant jünger (p = 0,001) und wies einen geringeren Behinderungsgrad auf (EDSS: p < 0,001) als die beiden anderen Gruppen. Auch in den patient-reported Outcomes (MSWS-12 und EMIQ) berichteten Patient:innen mit sensorischem Muster signifikant geringere Einschränkungen als jene mit ataktischem oder pyramidalem Gangbild. Zwischen der ataktischen und der pyramidalen Gruppe zeigten sich in den patient-reported Outcomes keine signifikanten Unterschiede, obwohl die objektive Ganganalyse für die ataktische Gruppe ausgeprägtere motorische Beeinträchtigungen aufzeigte. In der sensorbasierten Ganganalyse zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen den Gangmustern über alle drei Gehbedingungen hinweg, insbesondere in den Domänen Pace und Variability. Beim Gehen mit selbstgewählter Geschwindigkeit ergaben sich signifikante Gruppenunterschiede (p < 0,001), mit Unterschieden zwischen sensorisch vs. ataktisch (p < 0,001), sensorisch vs. pyramidal (p = 0,007) sowie ataktisch vs. pyramidal (p = 0,035). Das ataktische Gangmuster war durch eine deutlich reduzierte Gehgeschwindigkeit und eine erhöhte Variabilität der Step - und Stride Length gekennzeichnet. Das sensorische Gangmuster zeigte demgegenüber die höchste Gehgeschwindigkeit, größere Step- und Stride Length sowie eine gesteigerte Kadenz im Vergleich zu den anderen beiden Gruppen. Das pyramidale Muster lag funktionell zwischen den beiden und ähnelte dem ataktischen Phänotyp in mehreren spatiotemporalen Parametern. Beim schnellen Gehen zeigten sich jedoch signifikante Unterschiede in der Pace-Domäne zwischen der pyramidalen und ataktischen Gruppe (Velocity: p = 0,040; Step Length: p = 0,029; Stride Length: p = 0,032).
Schlussfolgerungen: Die vorliegenden Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der multidimensionalen Ganganalyse als zentrales Werkzeug in der personalisierten MS-Versorgung. Die differenzierte Erfassung von Gangmustern bei PmMS zeigt, dass spezifische funktionelle Einschränkungen mit charakteristischen spatiotemporalen Veränderungen einhergehen, die durch klassische klinische Assessments nur unzureichend erfasst werden. Die objektive Quantifizierung dieser Defizite mittels sensorbasierter Ganganalyse ermöglicht eine präzisere Charakterisierung individueller Gangmuster und schafft eine fundierte Grundlage für gezielte Therapieentscheidungen. Besonders in Kombination mit klinisch funktionellen Tests und patient-reported Outcomes erlaubt dieser multidimensionale Ansatz eine umfassende Mobilitätsbeurteilung, die über etablierte Skalen hinausgeht. Die Integration und visuelle Aufbereitung dieser Daten unterstützt nicht nur die klinische Entscheidungsfindung, sondern ermöglicht auch eine strukturierte Integration in standardisierte, alltagsnahe und patientenzentrierte Versorgungskonzepte
Role of Th17 Cells in the Pathogenesis of Amyotrophic Lateral Sclerosis
No full textAmyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating neurodegenerative disorder characterized by the progressive loss of motor neurons, yet its underlying pathogenic mechanisms remain incompletely understood. Increasing evidence suggests that neurodegeneration in ALS is not solely neuron-intrinsic but is critically shaped by immune dysregulation. This doctoral thesis investigates the role of adaptive immune responses, particularly T helper 17 (Th17) cells, in the pathogenesis and progression of ALS. Using a comprehensive and systematic immunophenotyping approach, this work characterizes peripheral and central immune profiles in a well-defined cohort of ALS patients. Through flow cytometry and cytokine analyses of peripheral blood mononuclear cells and cerebrospinal fluid, the thesis demonstrates a pronounced shift toward a pro-inflammatory immune state in ALS, marked by elevated Th1 and Th17 cells and a concomitant reduction in anti-inflammatory Th2 and regulatory T cells. Importantly, these immune alterations correlate with clinical disease severity and progression, underscoring their potential relevance as biomarkers. Building on these patient-derived findings, the dissertation further explores the direct neurotoxic effects of Th17 cells and their signature cytokine interleukin-17 (IL-17) using human induced pluripotent stem cell–derived motor neuron models. Co-culture experiments reveal that Th17 cells and IL-17 signaling impair motor neuron survival, providing mechanistic insight into how peripheral immune activation may directly contribute to motor neuron degeneration in ALS. Together, this work establishes a functional link between systemic immune imbalance and neurodegeneration in ALS, highlighting Th17-mediated inflammation as a key pathogenic driver and a promising therapeutic target. By integrating clinical immunology with human stem cell–based disease modeling, the dissertation advances our understanding of ALS as a systemic neuroinflammatory disease and lays the groundwork for immune-modulatory strategies in future ALS treatment.:1. Introduction
1.1 Amyotrophic Lateral Sclerosis
1.1.1 Epidemiology, phenotype, and clinical characteristics
1.1.2 Genetics
1.1.3 Histopathology
1.1.4 Pathophysiology
1.2 Role of immune system in ALS
1.2.1 Glial cells as critical contributors to ALS pathogenesis
1.2.2 Role of peripheral immune cells in ALS pathogenesis
1.2.3 Correlation of immune system activation to clinical characteristics in ALS
1.2.4 Proinflammatory immune response caused by repetitive damage to neurons
1.3 Th17 cells and ALS
1.3.1 Definition and Differentiation of Th17 Cells
1.3.2 Th17 Cells and Their Role in Immune Response
1.3.3 Th17 cells in ALS
1.4 Modeling ALS with human induced pluripotent stem cells (hiPSCs)
2. Aim
3. Original research
3.1 Peripheral proinflammatory Th1/Th17 immune cell shift is linked to disease severity in amyotrophic lateral sclerosis (2020)
3.2 Interleukin17 and Th17 Lymphocytes Directly Impair Motoneuron Survival of Wildtype and FUSALS Mutant Human iPSCs (2021)
4. DISCUSSION
5. Summary
6. Zusammenfassung
Reference
Acknowledgment
Quantitative Beurteilung der Echodichten der Aortenklappentaschen in der transösophagealen Echokardiographie als Maß für deren Verkalkungsgrad
No full textHintergrund: Die Aortenklappenstenose (AS) ist eine häufige Klappenerkrankung im westlichen Kulturkreis, deren Häufigkeit aufgrund der steigenden Lebenserwartung weiter zunehmen wird.
Die häufigste Form der AS ist die senile, kalzifizierende AS. Klinisch präsentiert sich die AS oft mit Belastungsdyspnoe und Angina pectoris oder Synkopen, kann aber auch lange Zeit klinisch asymptomatisch verlaufen. Diagnostisch spielt die Echokardiographie eine Schlüsselrolle zur Beurteilung der Klappenanatomie, Blutflussparameter, linksventrikulären Funktion und Myokarddicke.
Für eine vollständige Diagnostik und insbesondere bei diskrepanten echokardiographischen Befunden wird eine Quantifizierung der Klappenverkalkung mittels Kalkscore durchgeführt, für die eine computertomographische Untersuchung notwendig ist. In dieser Arbeit soll untersucht werden, ob sich aus einer Beurteilung der Echodichten der Aortenklappentaschen in der transösophagealen Echokardiographie (TEE) Rückschlüsse auf deren Verkalkungsgrad ziehen lassen und inwieweit sich diese mit dem Goldstandard, dem CT-Kalkscore, vergleichen lassen.:Tabellenverzeichnis V
Abbildungsverzeichnis VI
Abkürzungsverzeichnis VIII
1 Einleitung 1
1.1 Epidemiologie der Aortenklappenstenose 1
1.2 Morphologie und Anatomie der Aortenklappe 1
1.3 Ätiologie und Pathophysiologie der Aortenklappenstenose 2
1.4 Diagnostik der Aortenklappenstenose 2
1.4.1 Klinik 2
1.4.2 Paraklinische Werte (Laborparameter) 3
1.4.3 Echokardiographie 3
1.4.4 CT-Kalkscore 6
1.4.5 Invasive Beurteilung 7
1.5 Klassifikation der Aortenklappenstenose 7
1.6 Therapie der Aortenklappenstenose 8
1.6.1 Konservativ 9
1.6.2 Chirurgisch 10
1.6.3 Perkutan 10
2 Ziele der Arbeit 12
3 Material und Methoden 13
3.1 Zusammensetzung der Studiengruppe 13
3.2 Echokardiographie 15
3.2.1 Technische Voraussetzungen 15
3.2.2 Vermessung der Aortenklappe 15
3.2.3 Untersuchung des Einflusses der Gainstärke auf die Echodichte 17
3.2.4 Festlegung des Referenzpunktes zur Normierung der Echodichtewerte 18
3.3 Computertomographie 19
3.4 Statistik 20
4 Ergebnisse 22
4.1 Untersuchung des Einflusses der Gainstärke auf die Echodichte 22
4.2 Charakterisierung der Studiengruppe 23
4.3 Deskriptive Statistik der erhobenen Messwerte 26
4.4 Korrelationsanalyse 28
4.5 Reliabilitätsanalyse 32
III
5 Diskussion 34
5.1 Charakteristika der Patientengruppe 34
5.2 Einfluss des Gains 35
5.3 Echokardiographische Bildakquisition 36
5.4 Analyse der Echodichten und Korrelation mit der Referenzmethode 37
5.5 Computertomographische Methodik 41
6 Schlussfolgerungen 42
7 Limitationen 43
8 Ausblick 44
9 Anhang 45
9.1 Statistische Tabellen 45
10 Zusammenfassung 48
Literaturverzeichnis 5
Doped Helium Droplets: Snowballs, Supersolidity and Droplet-Dressed Rydberg Molecules
No full textIn this thesis, we investigate the formation process of snowballs (solid-like ordered helium atoms) when embedding ions within helium droplets. This is achieved through a semi-classical methodology, namely the Gaussian-Imaginary Time-dependent Hartree approach. Subsequently, we propose a modified Density Functional, built upon the well-established Orsay-Trento functional, to better capture the primary effects of the snowball on the surrounding helium droplet. In such systems, a local supersolid layer emerges in the transition region between the snowball (near the ion) and the superfluid (far from the ion). We also investigated Rydberg atoms embedded in helium droplets. These atoms were modeled as an ionic core with a weakly bound electron. In this case, the helium density profile arranges similarly to that observed for ionic impurities, as the perturbation induced by the highly excited Rydberg electron on the droplet is negligible. At the same time, the energy spectrum associated with the Rydberg electron undergoes significant modifications. To better capture the perturbation of the Rydberg electron's states induced by the helium droplet, we introduce the droplet-dressed hydrogenic states. These states incorporate the average effect of the droplet on the highly excited electronic states, significantly reducing the computational effort. We propose a standard methodology that employs these states as a basis for efficiently describing Rydberg electrons in both discrete- and continuous-density environments. Furthermore, we demonstrate the existence of droplet-dressed Rydberg molecules, in which a Rydberg atom located at the center of the droplet binds to a ground-state atom located beyond the droplet's surface via the Rydberg electron. In this context, the helium droplet itself acts as an environment that promotes the stability of such molecular structures and enhances some of its properties like bond length and electric dipole moment