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Lightweight, transparent, and uncertainty-aware deep learning for diabetic retinopathy grading
No full textUntersuchung des Einflusses dreidimensionaler Kultivierung auf Neuronen und Schweißdrüsenzellen mit Fokus auf elektrophysiologischer Funktionalität
No full textIn many areas of clinical research, tissue engineering and innovative culture methods have the potential to lead to new types of therapy. That includes pain research with the exploration of new drug targets, as well as regeneration and skin reconstruction. The microenvironment of in vitro cultured cells is a crucial point regarding their differentiation and function. In this work, it has been investigated if three-dimensional (3D) culturing using multicellular spheroids has an effect on tissue-specific differentiation of the neuronal cell line F11 and human sweat gland derived stem cells (hSGSCs). To generate multicellular spheroids, cells were cultured using two different media while applying the liquid overlay technique and using micromoulds made of agarose, leading to spontaneous aggregation in both cell types. Gene expression was examined on mRNA levels with reverse transcriptase real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR) using cell type-specific gene panels focusing on differentiation and electrophysiological activity. For F11 cells, a differential expression in the 3D-culture could be observed for the neurostructural protein Neurofilament M (Nefm) and the calcium sensory protein Synaptotagmin 1 (Syt1). The expression of further markers of differentiation and ion channels was not affected by the type of culture. To specifically analyze the electrophysiological functionality of the cells, automated patch clamping was used. Patch clamp measurements were possible in dissociated F11-cells from 2D culture, while measurements including spheroids were unsuccessful. In hSCSCs, the expression of important functional markers of secretory sweat gland cells could be shown in 2D-culture. 3D culture had a distinct effect on some of these markers. Decreased expression levels of the muscarinic acetylcholine receptor M3 (CHRM3) and the calcium controlled calcium channel ORAI1 could be observed, whereas expression of the calcium controlled chloride channel Anoctamine 1 (ANO1, also TMEM16A) was increased. These findings imply an altered functionality of hSGSCs cultured in multicellular spheroids. In patch clamping experiments, only single, dissociated cells could be measured, congruent with the results of F11 cells. Calcium imaging experiments were used for further investigation, where significant differences in the maximum increase of calcium concentration under stimulation with methyl-acetylcholine could not be observed. The ratio of cells reacting to the stimuli was also not significantly different between 2D and 3D cultures.Tissue-Engineering und innovative Kulturmethoden haben das Potential, in vielen Bereichen der klinischen Forschung zu neuen Therapiemöglichkeiten zu führen. Dazu gehören unter anderem die Schmerzforschung mit der Suche nach molekularen Zielen für Medikamente, sowie der Forschungsbereich der Wundheilung und Hautrekonstruktion. Die Umgebung der in vitro kultivierten Zellen ist dabei ein essentieller Faktor für deren Differenzierung und Funktion. In der vorliegenden Arbeit wurde für die kommerzielle neuronale Zelllinie F11, sowie für humane Schweißdrüsen-abgeleitete Stammzellen (sweat gland derived stem cells, hSGSCs), untersucht, ob die 3D-Kultivierung in Form von multizellulären Sphäroiden einen Einfluss auf die gewebsspezifische Differenzierung hat. Um multizelluläre Sphäroide zu erzeugen, wurden die Zellen mit der liquid overlay Methode in Mikromulden aus Agarose kultiviert, was bei beiden Zelltypen zu einer spontanen Aggregation führte. Beide Zelltypen wurden in verschiedenen Medien in 2D und 3D kultiviert. Mittels RT-qPCR wurden auf mRNA-Ebene zelltypspezifische Genpanels analysiert, die Differenzierungsstatus und elektrophysiologische Aktivität ausgerichtet waren.
Für die F11-Zellen zeigte sich bei zwei untersuchten Differenzierungsmarkern eine deutlich veränderte Expression. Das neuronale Strukturprotein Neurofilament M (Nefm) wurde in der 3D-Kultur vermehrt exprimiert, der Ca2+-Sensor Synaptotagmin 1 (Syt1) hingegen vermindert. Die Expression der weiteren Differenzierungsmarker sowie der untersuchten Ionenkanäle zeigte keine Unterschiede zwischen 2D- und 3D-Kultur. Diese Ergebnisse lassen nicht auf eine veränderte Funktionalität der Zellen durch 3DKultivierung in Sphäroiden schließen. Um die elektrophysiologische Funktionalität der Zellen zu untersuchen, wurde automatisiertes Patch-Clamping angewendet. An dissoziierten F11-Zellen konnten erfolgreich Messungen durchgeführt werden, die Sphäroide jedoch ließen sich mit dieser Methode nicht analysieren. Die Frage nach einer veränderten elektrophysiologischen Funktionalität durch 3D-Kultivierung konnte somit nicht abschließend geklärt werden.
In den untersuchten hSGSCs konnte die Expression von wichtigen funktionellen Markern sekretorischer Schweißdrüsenzellen gezeigt werden. Die 3D-Kultivierung hatte einen deutlichen Effekt auf einige dieser Marker. Der muskarinerge Acetylcholinrezeptor M3 (CHRM3) und der calciumgesteuerte Calciumkanal ORAI1 wurden in 3D-Kultur verringert exprimiert, der calciumgesteuerte Chloridkanal Anoctamin 1 (ANO1, auch TMEM16A) wurde verstärkt exprimiert. Die Ergebnisse der Expressionsanalyse ließen auf eine veränderte Funktionalität in 3D- gegenüber 2D-Kultur schließen. Im PatchClamping konnten, wie bei F11-Zellen, nur Einzelzellen analysiert werden. Zur weiteren Untersuchung der Funktionalität wurde ein Calcium-Imaging-Assay durchgeführt. Dabei konnten keine signifikanten Unterschiede in der maximalen Calciumkonzentrationszunahme beobachtet werden. Der Anteil an stimulierbaren Zellen unterschied sich ebenfalls nicht signifikant voneinander. Die Kultivierung in einem Differenzierungsmedium führte bei hSGSCs zu einer erhöhten CHRM3-Expression in der Zellpopulation sowie einem erhöhten Anteil an MCH-reaktiven Zellen
Charakterisierung der PDE4-Inhibition im immunisierungs-induzierten Mausmodell des Schleimhautpemphigoids und in vitro
No full textAuswirkungen der Druckerholung auf die Beurteilung der Funktion des pulmonalen Homotransplantats nach Ross-OP mittels Doppler-Ultraschall
No full textIn vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dass eine relevante Druckerholung die funktionelle Öffnungsfläche der stenotischen Aortenklappe vergrößert und die Belastung des linken Ventrikels verringert. Die Bedeutung der Druckerholung in der Pulmonalarterie war jedoch bisher wenig erforscht. In der hier vorgelegten Studie wurde daher die Auswirkung der Druckerholung mittels 2D-Echokardiografie in der Lungenarterie distal des Homotransplantats bei Patienten nach Ross-Operation untersucht.
Die vorliegende Arbeit basiert auf der Untersuchung von 92 Patienten mit pulmonalem Homograft mittels Doppler-Echokardiografie. Die Druckerholung wurde dabei in Abhängigkeit vom Durchmesser der Lungenarterie gemessen, der mittels Computertomographie-Angiografie bestimmt wurde. Die Homograft-Öffnungsfläche, der Klappenwiderstand und die transvalvuläre Schlagarbeit wurden sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung der Druckerholung berechnet.
Die Druckerholung nahm mit zunehmendem Pulmonalarteriendurchmesser ab. Im Durchschnitt betrug die Druckerholung 41,5 ± 7,1% des vom Doppler abgeleiteten Druckgradienten, was zu einer deutlich vergrößerten, funktionellen Homograft-Öffnungsfläche führte: Der ermittelte Energy-Loss-Index wies unter Berücksichtigung der Druckerholung eine funktionelle Öffnungsfläche des Homotransplantats von 1,3 ± 0,4 cm2/m2 auf, wohingegen der effektive Öffnungsflächenindex unter Vernachlässigung der Druckerholung deutlich geringer war und nur 0,9 ± 0,4 cm2/m2 betrug. Die Berücksichtigung der Druckerholung bewirkte eine signifikante Reduktion des Homograft-Widerstandes und der transvalvulären Schlagarbeit. Unter Einbeziehen dieser Druckerholung verbesserten sich die Korrelationen der verwendeten Parameter signifikant und 11 von 18 Patienten (≙ 61%) in der Gruppe mit schwerer Homograftstenose (gemäß EOAI <0,6 cm2/m2) konnten als moderate Stenose neu klassifiziert werden.
Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Dopplermessungen den Schweregrad der Homograftstenose und damit die rechtsventrikuläre Belastung bislang überschätzt haben, wenn die Druckerholung in der Pulmonalarterie vernachlässigt wurde. Dopplermessungen, die die Druckerholung außer Acht lassen, führen demnach möglicherweise zu einer falschen Klassifizierung der Homograftstenose. Die Berücksichtigung der Druckerholung hingegen kann dazu beitragen, verfrühte Operationen zu vermeide
A Fourier-analytical approach for field-free-point magnetic particle imaging
No full textDie Magnetpartikelbildgebung ist ein auf Tracern basierendes medizinisches Bildgebungsverfahren, das die räumliche Verteilung von superparamagnetischen Nanopartikeln misst. In der Magnetpartikelbildgebung werden wechselnde Magnetfelder mit unterschiedlichen Anregungssequenzen zur Messung der Nanopartikelverteilung in einem Scanner verwendet. In einer ersten Annäherung wird normalerweise das vereinfachte Langevin-Modell des Paramagnetismus als Approximation für das komplizierte nichtlineare Magnetisierungsverhalten von Nanopartikeln genutzt. Obwohl das modifizierte Langevin-Modell des Paramagnetismus bei eindimensionaler Anregung geeignete Bildrekonstruktionen liefern kann, ist die Situation bei höherdimensionaler Anregung komplizierter, da mehrere Aspekte nicht vollständig durch das Modell erklärt werden können. Ein bekanntes Beispiel ist die räumliche Ähnlichkeit der Frequenzkomponenten der Systemfunktion mit Tensorprodukten von Tschebyscheff-Polynomen. Dies wurde für eine höherdimensionale Anregung vom Lissajous-Trajektorie-Typ beobachtet und war fast zehn Jahre lang unbewiesen. Mit dem Ziel, solche Beobachtungen mathematisch erklären zu können, leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zu den mathematischen Grundlagen der Magnetpartikelbildgebung. Zu diesem Zweck wird die auf dem Langevin-Modell basierende raum-zeitliche Systemfunktion mit Hilfe verschiedener Konzepte der Fourier-Analyse in den Frequenzbereich transformiert. Die wissenschaftlichen Beiträge der neu entwickelten mathematischen Beschreibung ist vielfältig. Unter anderen ist das entwickelte Modell in der Lage, die scannerabhängige Anregung vom Partikelmagnetisierungsmodell zu trennen, was eine bessere Nutzung des Bildgebungsoperators ermöglicht, so dass schnellere Rekonstruktionsmethoden entwickelt werden können. Außerdem ist es nun einfacher, sowohl den Effekt des Magnetisierungsmodells als auch den der Anregungssequenz im Abbildungsmodell separat zu untersuchen. Daher wird in dieser Arbeit ein erweitertes Gleichgewichtsmagnetisierungsmodell eingeführt und eine Reihendarstellung dafür entwickelt. Darüber hinaus wird die exakte Beziehung zwischen den Frequenzkomponenten der Systemfunktion und den Tensorprodukten von Tschebyscheff-Polynomen für Anregungen vom Lissajous-Trajektorien-Typ gezeigt. Schließlich werden mit Hilfe der entwickelten mathematischen Methoden die Frequenzdarstellungen verschiedener aus der Literatur bekannter Anregungssequenzen berechnet, was die Anwendbarkeit des Modells für die Magnetpartikelbildgebung weiter erhöht.Magnetic particle imaging is a tracer-based medical imaging technique that measures the spatial distribution of superparamagnetic nanoparticles. Alternating magnetic fields with different excitation sequences are used to measure the nanoparticle distribution in a scanner. Usually, the simplified Langevin model of paramagnetism is used as a first approximation for the complicated nonlinear magnetization behavior of nanoparticles. Although the modified Langevin model of paramagnetism can provide suitable image reconstructions for one-dimensional excitation, the situation is more complicated for higher-dimensional excitation, as several aspects cannot be fully explained by the Langevin model. A well-known example is the spatial similarity of the frequency components of the system function with tensor products of Chebyshev polynomials. This was observed for a higher-dimensional excitation of the Lissajous trajectory type and was unproven for almost ten years. With the aim of explaining such observations mathematically, this thesis makes an important contribution to the mathematical foundations of magnetic particle imaging. To this end, the spatio-temporal system function based on the Langevin model is transformed into the frequency domain using various concepts of Fourier analysis. The scientific contribution of the newly developed mathematical framework is manifold. Firstly, the developed model is able to separate the scanner-dependent excitation from the particle magnetization model, allowing better utilization of the imaging operator so that faster reconstruction methods could be developed. Secondly, it is now easier to investigate both the effect of the magnetization model and that of the excitation sequence in the imaging model separately. Thus, an extended equilibrium magnetization model is introduced in this thesis and a series representation is developed for it. Furthermore, the exact relationship between the frequency components of the system function and the tensor products of Chebyshev polynomials is shown for excitations of the Lissajous trajectory type. Finally, using the developed mathematical framework, the frequency representations of various excitation sequences known from the literature are calculated, which further increases the applicability of the model for magnetic particle imaging
Exom-Sequenzierung als moderne Diagnosemethode für Kinder mit unklaren neurologischen Entwicklungsstörungen
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