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Development of an optimization framework for complex breeding programs based on the Modular Breeding Program Simulator (MoBPS)
Get PDFThis study was financially supported by BASF Belgium Coordination Center CommV.The aim of this thesis is to develop an optimization framework for complex breeding programs that involve numerous input parameters, auxiliary constraints, and stochastic outputs. Chapter 1 introduces the topic of stochastic simulation and optimization in the context of breeding program designs, and presents the key concepts essential to the subsequent chapters.
In Chapter 2, kernel regression is introduced to manage stochasticity in evaluating objective functions through stochastic simulations. This approach addresses the challenge of optimizing breeding program designs using stochastic simulations, where each run represents only one of many possible outcomes, unlike deterministic methods with predictable results. Consequently, multiple replicates are necessary to enhance result precision. Breeding programs often involve numerous parameters, making it computationally expensive to simulate all possible designs multiple times. This limits optimization using stochastic simulations to a smaller set of scenarios. To address this limitation, a strategy employing kernel regression is proposed to efficiently explore a broader range of scenarios. The optimization process begins with identifying adjustable parameters for the breeding program and defining their feasible value ranges. A preliminary set of breeding designs is then randomly selected from all possible configurations, followed by initial simulations to gather baseline data and insights into potential solutions. Kernel regression is then applied to the data points representing different breeding program designs. This method fits a local regression curve, giving more weight to similar breeding schemes. It refines initial results by filtering noise and revealing underlying patterns, identifying potential optimal regions in the search space. By iteratively focusing on these regions, the search concentrates on the most effective breeding strategies, increasing the likelihood of finding the best design from thousands of possible scenarios.
Although kernel regression has proven effective in optimizing breeding program designs and has been tested extensively across thousands of scenarios, these scenarios can differ in only a few parameters. As the number of parameters increases, the computational resources required for sufficient simulations across the entire search space grow substantially. Moreover, challenges emerged that required manual search space reduction through iterative steps and visual examination of potential optimal regions. To address these issues, Chapter 3 introduces a new evolutionary algorithm optimization framework to reduce the number of required simulations and operate fully automatically. The evolutionary algorithm begins similarly to kernel regression, with a random selection of breeding program designs and initial simulations. It then employs two main operators: selecting the best parameter settings based on their performance relative to the objective function and generating new breeding designs from these selected elite designs by combining two parameter settings or slightly modifying a single parameter setting. Kernel regression is integrated into the evolutionary algorithm to provide localized smoothing and mitigate stochastic effects. This algorithm effectively handles both continuous and class decision variables. The evolutionary algorithm is an iterative process that requires significant computational resources due to the need for multiple simultaneous simulations. To address this, the automation capabilities of the Snakemake workflow management system were integrated into the optimization approach, enabling parallel execution of simulations. The evolutionary algorithm was tested against the kernel regression method to evaluate its robustness. Results showed a 40-fold reduction in the number of simulations required compared to kernel regression, even when starting from a suboptimal search space or incorporating a binary decision variable. These findings highlight the practical advantages of using evolutionary algorithms for optimizing large-scale breeding program designs.
Chapter 4 applies the optimization framework from Chapter 3 to enhance large-scale breeding programs with multiple parameters. The study focuses on two breeding programs modeled to reflect real-world scenarios, starting with a wheat line breeding program that includes six continuous variables, simulated using AlphaSimR. The second program is a complex hybrid wheat breeding program, simulated with MoBPS, involving 16 continuous parameters and one binary variable. Both programs demonstrated significant improvements in resource allocation within a fixed budget, showing that the framework enhances efficiency without requiring additional financial input or changing the core steps of the breeding process. A key strength of this study is that it is the first to apply the optimization framework to complex breeding programs with multiple parameters, including both continuous and class variables. Its application across different breeding programs (line and hybrid) using various simulators highlights the framework's adaptability to diverse breeding scenarios. This framework enables breeders to make informed, data-driven decisions before committing to costly and time-consuming real-world trials, allowing them to weigh alternatives and better predict outcomes.
Chapter 5 summarizes the key highlights and main findings of this research. It discusses the potential applications of the developed algorithm in various aspects of breeding program design, as well as key considerations essential for optimizing breeding programs using stochastic simulations. Additionally, the chapter addresses potential challenges and limitations that may arise during the optimization process.2025-05-2
Winter Hardiness and Freezing Tolerance of Winter Faba Bean (Vicia faba L.): From QTL Identification and Validation to Genome-Wide Predictions of Genotypic Values
No full textDas wachsende Interesse an pflanzenbasierten Proteinen und einem nachhaltigeren Agrarsystem mit erweiterten Fruchtfolgen, reduziertem Düngemitteleinsatz sowie einer höheren Vielfalt an Kulturpflanzen und Fauna hat angesichts des Klimawandels zugenommen. Die Ackerbohne (Vicia faba L.), eine lokal angepasste, kühle-tolerante Leguminose, stellt die beste Alternative zu nicht nachhaltigen Sojaimporten dar. Ihr Anbaugebiet wächst kontinuierlich in europäischen Ländern. Obwohl die im Herbst ausgesäte Winterackerbohne gegenüber der Sommerackerbohne einen deutlichen Ertragsvorteil von bis zu 47% bietet, wird sie derzeit nur in Frankreich und Großbritannien im großen Maßstab angebaut. Der limitierende Faktor ist die unzureichende Winterhärte, wodurch kalte Winter mit Temperaturen unter -12 °C eine ernsthafte Gefahr darstellen und zu schwerwiegenden Ertragsverlusten durch Auswinterung führen können.
Bisher war der Zuchtfortschritt zur Verbesserung der Winterhärte begrenzt. Die Selektion im Feld erfordert gut differenzierende Winterbedingungen, die jedoch selten auftreten. Daher wurden künstliche Screening-Methoden zur Erfassung der Frosttoleranz entwickelt, um die Identifizierung von QTLs und eine bessere Selektion zu ermöglichen. Die Frosttoleranz ist die Hauptkomponente der Winterhärte. Obwohl im Genpool der echten Winterackerbohnen eine große genetische Variation für Frosttoleranz und Winterhärte existiert, wurden Forschungs- und Zuchtfortschritte durch das Fehlen geeigneter genomischer Werkzeuge und Methoden erschwert. Daher könnte die QTL-Identifizierung und Entwicklung von SNP-Markern für die Markergestützte Selektion (MAS) den Zuchtfortschritt in der Winterackerbohnenzüchtung erheblich steigern. Das kürzlich veröffentlichte V. faba Referenzgenom sowie kostengünstige Hochdurchsatz-Genotypisierungsplattformen könnten den Zuchtfortschritt weiter beschleunigen, indem sie eine genomweite Vorhersage von genotypischen Werten ermöglichen.
Angetrieben vom Klimawandel werden mildere Winter mit plötzlichen, aber schweren Frost- und Spätfrostereignissen immer wahrscheinlicher. Daher sollte die Toleranz gegenüber Spätfrost ebenso wichtig bewertet werden wie die Toleranz gegen Frost im Winter. Das Ziel dieser Dissertation war es daher, die quantitativen genetischen Ursachen der Winterfrost- und Spätfrosttoleranz in europäischen Winterackerbohnen mittels modernster genomischer Methoden zu entschlüsseln.
In Kapitel 2 wurde die genetische Variation für Spätfrosttoleranz bei Winterackerbohnen untersucht. Hierfür musste die Screening-Methode, die zur Untersuchung der Winterfrosttoleranz entwickelt wurde, angepasst werden, um eine ausreichende Enthärtung und somit eine genaue Erfassung der Spätfroststressreaktion zu ermöglichen. Die untersuchten 188 Winterackerbohnenlinien zeigten in den sieben Experimenten unter Spätfrostbehandlung eine signifikante genetische Variation für Spätfrosttoleranz. Diese Variation bietet die Möglichkeit auf eine verbesserte Spätfrosttoleranz zu züchten. Die hohe, jedoch nicht perfekte Korrelation zwischen den drei untersuchten frostrelevanten Submerkmalen sowie die mittels GWAS identifizierten QTLs verdeutlichen die stark quantitativen Eigenschaften der Spätfrosttoleranz. Trotzdem konnten einige QTLs mit großen Effekten identifiziert werden, was darauf hindeutet, dass MAS für diese Merkmale in Züchtungsmaterial erfolgreich angewendet werden könnte. Insbesondere die Identifikation von mindestens zwei pleiotropen QTLs, die mehrere frostrelevante Submerkmale beeinflussen, erscheint vielversprechend. Darüber hinaus erwies sich die Vorhersage der genotypischen Werte basierend auf geschätzten Marker-Effekten als effektiver Ansatz für eine Multi-Marker-basierte MAS, wobei Vorhersagegenauigkeiten (`prediction ability´) von bis zu 0,57 erreicht wurden.
In Kapitel 3 wurde die genetische Architektur der Frosttoleranz weiter untersucht, indem insgesamt 13 frostrelevante Submerkmale sowie zusätzliche morphologische Merkmale für Winter- und Spätfrosttoleranz analysiert wurden. Zur detaillierten Untersuchung dieser Merkmale wurde auf bereits veröffentlichte phänotypische Daten zurückgegriffen, um einen umfassenden Vergleich der beiden Toleranzeigenschaften in denselben 188 Inzuchtlinien zu ermöglichen. Die Identifikation von identischen QTLs in beiden Frostbehandlungen, deutet drauf hin, dass sowohl Winter- als auch Spätfrosttoleranz teilweise von denselben Genen beeinflusst werden. Allerdings wurde der überwiegende Teil der phänotypischen Variation von behandlungsspezifischen QTLs erklärt, was darauf schließen lässt, dass die Winterfrosttoleranz in gehärteten Pflanzen und Spätfrosttoleranz in enthärteten Pflanzen größtenteils von unterschiedlichen Genen beeinflusst wird. Zudem wurde festgestellt, dass sowohl Frostschäden, wie Turgor- und Farbverlust der Blätter, als auch das Überleben nach starkem Frost durch spezifische sowie pleiotrope QTLs beeinflusst werden. Die Validität der GWAS-Ergebnisse wurde mittels eines zweistufigen Validierungsansatzes in einer unabhängigen Stichprobe von 64 Winterackerbohnenlinien überprüft, die ebenfalls auf ihre Winter- und Spätfrosttoleranz hin phänotypisiert wurden. Mehrere QTLs konnten in dieser Validierung bestätigt werden, was sie als vielversprechende Ziele für eine Kandidatengensuche ausweist. Tatsächlich wurden innerhalb der wichtigsten pleiotropen QTLs vielversprechende Kandidatengene mit Bezug zur Vernalisation gefunden, die auch frühere Erkenntnisse aus anderen Leguminosen bestätigen. Gleichzeitig zeigte die Validierung jedoch auch die Grenzen der GWAS auf und unterstrich die Notwendigkeit einer Validierung in unabhängigen genetischen Hintergründen, wie beispielsweise in Zuchtmaterial.
Da ein Großteil der phänotypischen Varianz trotz der Identifikation von großen QTLs weiterhin unerklärt geblieben ist, befasst sich Kapitel 4 mit der Evaluierung des Potenzials genomischer Vorhersagen. Mittels genomischer Vorhersage kann die Notwendigkeit von Signifikanztests der Marker-Merkmal Assoziationen und die QTL-Identifikation umgangen werden. Neben den frostrelevanten Submerkmalen wurden auch mehrere agronomisch bedeutende Merkmale, einschließlich Ertrag, auf der Basis eines 16-jährigen historischen Feldversuchsdatensatzes untersucht. Dies ist besonders relevant, da Genomische Selektion bisher kaum in der Ackerbohnenzüchtung erforscht wurde. Die Anwendung eines einfachen GBLUP-Modells ergab bereits bei relativ kleinen Trainingspopulationen Vorhersagegenauigkeiten von über 0,35 für nahezu alle frostrelevanten Submerkmale und agronomischen Merkmale. Diese Ergebnisse unterstreichen das hohe Potenzial der Genomischen Selektion für die (Winter-)Ackerbohnenzüchtung. Die Anzahl der SNPs im Vorhersagemodell hatte bis zu einer Untergrenze von 5000 SNPs nur einen geringen Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit. Allerdings zeigte sich deutlich, dass eine abnehmende genetischen Verwandtschaft zwischen der Trainingspopulation und den vorherzusagenden Genotypen die Vorhersagegenauigkeit erheblich beeinträchtigen kann. Diese Ergebnisse liefern somit wertvolle Anhaltspunkte für die praktische Umsetzung in der Züchtung. Darüber hinaus erwies sich die Vorhersage von Genotypen in unbekannten Umwelten, also Umwelten, die nicht im Trainingsdatensatz enthalten waren, als besonders schwierig. Die spezifischen Genotyp-Umwelt-Interaktionen sowie die Heritabilität der Merkmale hatten einen starken Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit in diesen Szenarien. Abschließend zeigte eine vorläufige Evaluierung eines indirekten Genomischen Selektionsansatzes, dass frostrelevante Submerkmale als Proxy für die Winterhärte im Feld genutzt werden können, um den Zuchtfortschritt für diese in der Winterackerbohnenzüchtung zu beschleunigen.
Zusammenfassend leistet diese Dissertation einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der genetischen Architektur der Frosttoleranz bei Winterackerbohnen. Hierbei erwies sich die Erfassung der Frosttoleranz unter künstlichen, kontrollierten Bedingungen als erfolgreich. Allerdings bringt diese Methode sowohl für die Forschung als auch für die Züchtung spezifische Vor- und Nachteile mit sich, die in Kapitel 5 diskutiert werden. Darüber hinaus ermöglichte die Nutzung genomweiter Marker eine QTL-Identifikation für Frosttoleranz mit einer bisher unerreichten Auflösung in der Ackerbohne. Es konnte eine Vielzahl validierter Marker identifiziert werden, die sowohl für die Kandidatengensuche als auch für MAS genutzt werden können. Allerdings hat die Anwendung von GWAS-basierten Markern in der MAS auch seine Grenzen, die berücksichtigt werden müssen. Die Kombination aus GWAS und Genomischer Selektion eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung der Selektion in der (Winter-)Ackerbohnenzüchtung. In Kapitel 5 werden daher Konzepte und Ideen zur Verbesserung der genomischen Vorhersage durch Integration validierter Marker in Vorhersagemodelle sowie zur effizienten Implementierung der Genomischen Selektion in ein Ackerbohnenzuchtprogramm zur Beschleunigung des Zuchtfortschritts erläutert.The growing interest in plant-based proteins and a more sustainable agricultural system, with wider crop rotations, reduced fertilizer input, and increased crop and fauna diversity, has intensified in response to climate change. Faba bean (Vicia faba L.), as locally adapted cool-season grain legume, is a viable alternative to unsustainable soybean imports, and its cultivation area is continuously increasing in Europe countries. Although autumn sown winter faba bean offers a significant yield advantage of up to 47% over spring faba bean, large scale cultivation is currently limited to France and the UK. The primary constraint is insufficient winter hardiness, as cold winters with frost below -12 °C pose a serious risk, often resulting in winterkill and substantial yield losses.
To date, breeding progress for improved winter hardiness has been limited. Field-based selection depends on well-differentiating winters, which are rare. Consequently, artificial screening methods for assessing freezing tolerance have been developed to facilitate QTL identification and support selection decisions. Freezing tolerance is the major component of winter hardiness. Despite the broad genetic variation for freezing tolerance and winter hardiness present in the genuine winter faba bean gene pool, research and breeding efforts have been hindered by a lack of genomic tools and methods. Accordingly, QTL identification and SNP marker development for marker-assisted selection (MAS) could markedly enhance genetic gain for these traits in winter faba bean breeding. The recently published V. faba reference genome, along with the availability of low-cost, high-density genotyping platforms, could further accelerate genetic gain by enabling genome-wide predictions of genotypic values.
As climate change progresses, milder winters with less predictable but severe frosts and late-frost events are likely to become more frequent. Therefore, tolerance to late-frost should be considered equally important as tolerance to frost in winter. The objective of this dissertation was to decipherer the quantitative genetic architecture of winter-frost and late-frost tolerance in European winter faba bean using state-of-the-art genomic approaches and methods.
In Chapter 2, the genetic variation for late-frost tolerance in winter faba bean was investigated. For this purpose, the screening method, which was developed for the investigation of winter-frost tolerance, had to be adapted to enable sufficient dehardening and thus an accurate assessment of the late-frost stress response. A set of 188 winter faba bean inbred lines was studied in a series of seven late-frost treatment experiments, revealing significant genetic variation for late-frost tolerance. This genetic variance provides opportunities for breeding to enhance the level of late-frost tolerance in winter faba bean. The high but incomplete correlation among the three freezing-related sub-traits, combined with the trait-specific marker-trait associations identified via GWAS, confirmed the highly quantitative nature of late-frost tolerance. However, large-effect QTLs were identified, suggesting the potential for substantial genetic gain through MAS when applied in breeding populations for selection or allele introgression. In this regard, identification of at least two pleiotropic QTLs affecting multiple freezing-related sub-traits offers promising MAS targets. Moreover, prediction of genotypic values based on GWAS-estimated marker effects proved effective for multi-marker-based MAS, achieving prediction abilities of up to 0.57.
To further dissect the genetic architecture of freezing tolerance, the comprehensive set of 13 freezing-related sub-traits and additional morphological traits were investigated for both late-frost tolerance and winter-frost tolerance in Chapter 3. Previously published detailed phenotypic data on winter-frost tolerance were used to facilitate an in-depth comparison of these traits in the same set of 188 inbred lines. Several large-effect QTLs were identified as treatment-unspecific, indicating their involvement in both winter-frost and late-frost tolerance. However, most of the phenotypic variance for winter-frost and late-frost tolerance was explained by treatment-specific QTLs. Apparently, tolerance to winter-frost, i.e., in hardened plants, is controlled by both distinct and overlapping genetic mechanisms as the tolerance to late-frost, i.e., in dehardened plants. Furthermore, both frost stress symptoms, such as loss of turgor and color in leaves, and the survival under severe frost seem to be affected by a combination of trait-specific and major pleiotropic QTLs. In addition, the reliability of GWAS results was evaluated through a two-step validation approach in an independent set of 64 winter faba bean lines, which were also phenotyped for winter-frost and late-frost tolerance. Several marker-trait associations were verified in this independent dataset, highlighting associated QTLs as high-confidence targets for candidate gene identification. Indeed, credible candidate genes for freezing tolerance involved in vernalization were identified within the major pleiotropic QTLs, corroborating previous findings in other legumes. However, the two-step validation approach also exposed limitations of the GWAS study design and emphasized the need for validating GWAS results in independent genetic background such as a breeding population.
Despite the identification of numerous large-effect QTLs based on high-quality phenotypic data, a substantial proportion of the observed phenotypic variance for both winter-frost and late-frost tolerance remained unexplained. To circumvent the need for significance testing of marker-traits associations and QTL identification, the potential of genomic prediction for marker-based selection for freezing tolerance was evaluated in Chapter 4. This evaluation also includes several agronomically important traits, such as yield, derived from a comprehensive 16-year historical field trial dataset, as genomic prediction has not yet been extensively studied in faba bean. A simple genomic best linear unbiased prediction (GBLUP) model achieved reasonable prediction abilities (>0.35) for almost all freezing-related sub-traits and agronomic traits, even with relatively small training population sizes. These results suggest a high potential for implementing genomic selection in (winter) faba bean breeding. The number of SNPs used in the prediction model had only limited effect on the prediction ability if not reduced below 5,000 SNPs. However, a clear decline in prediction ability was observed when genetic relatedness between the training population and the predicted genotypes decreased. Both findings provide important information for consideration of practical implementation. Additionally, predicting a genotype’s performance in "new" environments (i.e., environments not included in the training dataset) remains a major challenge, as genotype-by-environment interactions and limited heritability values significantly affect prediction ability in such "across-cycle" prediction scenarios. Finally, genomic prediction of freezing-related sub-traits could also be integrated into an indirect genomic selection strategy, using these sub-traits as proxies for winter hardiness in the field. Preliminary evaluations of this indirect genomic selection approach predicted a promising acceleration of genetic gain for winter hardiness.
In conclusion, this dissertation represents a significant contribution to the understanding of the genetic architecture of freezing tolerance in winter faba bean. Artificial screening for freezing tolerance played a key role in this research. Nevertheless, its advantages and limitations for both research and breeding were critically discussed in Chapter 5. In addition, utilization of genome-wide markers enabled QTL identification for freezing tolerance at a resolution which has not been possible in faba bean before. A large set of verified high-confidence markers was identified, offering valuable resources for candidate gene search and MAS. However, application of GWAS-derived markers in MAS has certain limitations that should be considered. With both GWAS and genomic prediction now available, the optimal integration of these approaches into (winter) faba bean breeding programs must be evaluated to drive genetic gain. Chapter 5 provides an outlook on how the performance of genomic prediction could be improved by integrating the verified marker into the prediction model. Additionally, several concepts and ideas for effectively incorporating genomic prediction into a line breeding program are proposed to enable accelerating genetic gain in (winter) faba bean breeding.2025-06-1
Eine randomisierte prospektive Kohortenstudie: Präventiver Effekt verschiedener Hangboardtrainingsmethoden zur Stärkung des muskuloskelettalen Systems der Hand
No full textImproving climbing performance strongly depends upon effective training methods. Hangboard training is one of the most popular approaches to increase finger and forearm strength. Training protocols are based on maximizing weight or minimizing edges. We aimed to evaluate which of these protocols was superior. We prospectively analyzed 30 intermediate to advanced climbing athletes [Union Internationale des Associations d’Alpinisme (UIAA) VI–VIII] and randomized them into three groups: control group C (Control, normal climbing training), hangboard group HE (Hang endurance, grips to hold for a determined time decreased every week), and hangboard group HW (Hang weight, + 1.25 kg weight were added each week to hold for a determined time). As endpoints, we measured the grip strength before and after an 8-week training protocol in seven different pinches. Over the 8-week training period, HW hangboard training significantly improved the climbers’ grip strength compared to C [p = 0.032, effect size (ES) 0.36]. Maximizing weight improved the strength in I/II + III, I/ II + III + IV and fist significantly. HW was superior compared to C in terms of grip strength improvement in three out of seven pinches and overall grip strength. The overall changes in the HE group did
not differ significantly from the C group. An 8-week training protocol with increasing weights (HW) significantly improved overall grip strength more than a regular climbing training without the use of a hangboard.2025-08-0
Klinisches outcome nach adjuvanter Radiotherapie bei Patienten mit oralem Plattenepithelkarzinom unter besonderer Berücksichtigung der Ablehnung der adjuvanten Therapie
Get PDFAdjuvant radio- or radiochemotherapy is considered an effective means of improving the overall survival or disease-free survival of patients with oral squamous cell carcinoma. Despite the advantage of adjuvant therapy, some patients reject it. The results of the present study provide an indication of whether these patients are at a disadvantage in terms of outcome. There was no statistical significance for the overall survival results, but a negative correlation between the rejection of adjuvant therapy and the outcome can be seen in the Kaplan-Meier curves. The outcome was tested in two groups. On the one hand, patients who refused adjuvant therapy, and on the other hand, patients who received adjuvant therapy.2025-02-0
Assessment of Risk Scores for Early Prediction of Post-Polypectomy-Bleeding in the Gastrointestinal Tract: A Retrospective Study
No full textPost-Polypektomie-Blutungen (PPB) sind eine häufige und klinisch bedeutende Komplikation nach gastrointestinaler Polypektomie. Ihre Schwere reicht von leichten bis zu lebensbedrohlichen Ereignissen. Trotz ihrer Relevanz bleibt die präzise Vorhersage im klinischen Alltag eine Herausforderung. Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung von Risiko-Scoringmodellen, die eine differenzierte Risikostratifizierung für nicht-schwerwiegende und schwerwiegende sowie nicht schwerwiegende PPB ohne Penalisierung ermöglichen.
In einer retrospektiven Analyse wurden die Dokumentationen von N=1166 Patienten geprüft, wovon N=1159 die Einschlusskriterien erfüllten. Es wurden 212 Parameter erfasst und mittels deskriptiver Statistik sowie multivariater Analyse ausgewertet. Als primäre Endpunkte wurden die Häufigkeit und Schwere von PPB betrachtet, während sekundäre Endpunkte Risikofaktoren für Blutungen umfassten.
Es wurde eine PPB-Rate von 12,6 % (n=146) festgestellt, unterteilt in nicht-schwerwiegende 8,5% (n= 98) und schwerwiegende PPB 4,1% (n= 48). Risikofaktoren für nicht-schwerwiegende PPB waren Endoskopische Submukosa Dissektion (ESD), Zangenverfahren, tubulo-villöse Morphologie, high-grade Dysplasie, Ibuprofen und Polypengröße >15 mm. Für schwere PPB waren ESD, Endoskopische Mukosa Resektion (EMR), Zangenverfahren, hyperplastische Morphologie, high-grade Dysplasie und Herzinsuffizienz signifikant. Nicht-schwerwiegende PPB ohne Penalisierung bildeten: ESD, EMR, Polypengröße > 15mm.
Die entwickelten Risikoscores integrierten bis zu sechs hochsignifikante Variablen und zeigten das Potenzial zur klinischen Implementierung. Eine multizentrische prospektive Validierung ist jedoch notwendig, um die Scores zu präzisieren und damit die Sicherheit der Indikationsstellung der besten Methode sowie der endoskopischen Interventionen weiter zu erhöhen.Post-polypectomy bleeding (PPB) is a common and clinically relevant complication following gastrointestinal polypectomy. Their severity ranges from mild to severe events. Nervertheless, accurate prediction in clinical practice remains a challenge. The aim of this Study was to develop risk scoring models that enable a differentiated risk stratification for non-severe and severe as well as non-severe PPB without penalization.
In this retrospective analysis, the documentation of N=1166 patients was reviewed, of which N=1159 met the inclusion criteria. 212 parameters were recorded and analyzed using descriptive statistics and multivariate analysis. The primary endpoints considered were the incidence and severity of PPB, while secondary endpoints included risk factors for bleeding.
A PPB rate of 12.6% (n=146) was found, divided into non-severe 8.5% (n= 98) and severe PPB 4.1% (n= 48). Risk factors for non-severe PPB were endoscopic submucosal dissection (ESD), forceps procedure, tubulo-villous morphology, high-gra2026-01-1
Evaluation of the disease progression of patients with type 2 diabetes at the diabetes outpatient department of UMG based on laboratory and clinical parameters – A retrospective analysis of the period 2014 to 2021
No full textThe aim of this doctoral thesis was to investigate the disease progression and treatment courses of patients with type 2 diabetes at the diabetes outpatient department of University Medical Center Göttingen between the periods 2014–2015 (t0) and 2019–03/2021 (t1).
Since the mid-2010s, several major studies have been published showing the benefits of SGLT2 inhibitors (e.g. EMPA-REG OUTCOME for empagliflozin) and GLP-1 receptor agonists (GLP-1 RA) (e.g. LEADER for liraglutide) concerning key cardiovascular outcomes for patients with type 2 diabetes and elevated cardiovascular risk. Therefore, these drug classes gained increasing importance in guideline recommendations for type 2 diabetes. This thesis aimed to assess how the treatment regimens of patients in this outpatient department evolved in light of these new therapeutic recommendations over the aforementioned periods. In the second step, changes in key clinical and laboratory parameters (insulin requirements, BMI, HbA1c, renal values) were evaluated. A secondary aspect involved investigating cardiovascular risk and lipid-lowering therapy in the context of LDL cholesterol target levels.
A total of 132 patients were included. In addition to a longitudinal analysis of the entire cohort, a subgroup analysis was also conducted. The subgroup classification was based on whether a patient received an SGLT2 inhibitor, a GLP-1 RA, a combination of both drug classes, or none of these medications over the course of treatment. Statistical analysis was conducted using IBM® SPSS (t-test, sign test, McNemar test).
The results showed that, over time, more patients were treated with SGLT2 inhibitors and/or a GLP-1 RA (from 19 to 80 patients), while prescriptions of DPP-4 inhibitors decreased (from 54 to 23 patients). Average insulin requirements (from 76 to 57 IU) and BMI (from 32.7 to 31.5 kg/m²) decreased, with patients receiving the combined SGLT2 inhibitor and GLP-1-RA therapy showing the greatest reductions in both parameters. This combination therapy was also associated with a reduction in HbA1c levels (from 7.9 % to 7.3 %), whereas patients who were not treated with a SGLT2 inhibitor oder GLP-1 RA showed an increase in HbA1c levels (from 7.05 % to 7.41 %). HbA1c target levels were generally achieved. Renal function declined across all patient groups. The majority of patients in this cohort (124 patients) belonged to the "very-high-risk" group for cardiovascular events. Despite an improvement in lipid parameters (e.g. average LDL-C levels decreased from 99 to 86 mg/dL), only about 19 % of patients in the "very-high-risk" group achieved their individual LDL-C target levels.2025-03-1
The role of glycinergic neurons and the Asc-1 transporter in the modulation of glutamatergic NMDA receptor-mediated synaptic transmission at the nucleus nervi hypoglossi
No full textDas Ziel dieser Arbeit war es die Rolle und Funktion glyzinerger Neurone und des Asc-1 Transporters bei der Modulation der glutamatergen, NMDA-Rezeptor vermittelten synaptischen Transmission an Motoneuronen des Nucleus Nervi hypoglossi zu untersuchen.
Hierfür wurden Hirnstammschnitte neonataler Mäuse genutzt.
Versuche mEPSCs am NMDA-R durch optogenetische oder elektrische Stimulation zu modulieren zeigten in dieser Arbeit keine signifikanten Veränderungen, weswegen das Versuchsmodell auf das Ein- und Auswaschen von Agonisten/Antagonisten bei einem anliegenden HP von -70 mV umgestellt wurde.
In der Auswertung der Ergebnisse konnten bereits bekannte Fakten, wie die Funktion von Glyzin und D-Serin als Co-Agonist am NMDA-Rezeptor gezeigt werden. Eine gezielte Blockade des Asc-1 Transporters mit BMS-466442 resultierte in einer Potenzierung von mEPSCs am NMDA-R. Allerdings war ein Rückschluss auf den verantwortlichen Co-Agonisten Glyzin oder D-Serin in dieser Versuchsreihe nicht möglich. Daraufhin wurden weitere Versuche mit Zugaben von Glyzin oder D-Serin zu einer bestehenden Asc-1 Transporterblockade durchgeführt, mit dem Ziel der Differenzierung welcher Co-Agonist mEPSCs am NMDA-R stärker moduliert. Die Zugabe von Glyzin zeigte Potenzierungen NMDAR-vermittelter mEPSCs, was mit hinzugefügtem D-Serin nicht nachgewiesen werden konnte. Bereits in den Versuchen ohne die Asc-1 Transporterblockade ließen sich nach Verabreichung von Glyzin im Gegensatz zu D-Serin Potenzierungen von mEPSCs am NMDA-R in allen Messungen aufzeigen, was die Hypothese, das D-Serin ein schwächerer Co-Agonist im Vergleich zu Glyzin am NMDA-R an Motoneuronen des Nucleus Nervi Hypoglossi sein könnte, aufstellt.The aim of this thesis was to investigate the role and function of glycinergic neurons and the Asc-1 transporter in the modulation of glutamatergic NMDA receptor-mediated synaptic transmission in motoneurons of the hypoglossal nerve nucleus.
Brainstem slices from neonatal mice were used for this purpose.
Attempts to modulate miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) at the NMDA-R by optogenetic or electrical stimulation showed no significant changes in this thesis, which is why the experimental model was rearranged to a wash-in and wash-out of agonists/antagonists at an applied holding potential of -70 mV.
The evaluation of the results revealed already known facts, such as the function of glycine and D-serine as co-agonists at the NMDA receptor. Targeted blockade of the Asc-1 transporter with BMS-466442 resulted in a potentiation of mEPSCs at the NMDA-R. However, in this series of experiments it was not possible to draw conclusions about the co-agonists glycine or D-serine that are responsible for this. Therefore, further experiments were carried out with the addition of glycine or D-serine to an existing Asc-1 transporter blockade, with the aim of differentiating which co-agonist modulates mEPSCs at the NMDA-R more strongly. The addition of glycine showed potentiation of NMDAR-mediated mEPSCs, whereas this could not be demonstrated by adding D-serine. The experiments without the Asc-1 transporter blockade already showed the potentiation of mEPSCs at the NMDA-R in all measurements after administration of glycine in contrast to D-serine, which supports the hypothesis that D-serine could be a more disorganized co-agonist compared to glycine at the NMDA-R on motor neurons of the nucleus nervi hypoglossi.2025-02-1
Development of a perfusion CT-based vasospasm score for the prediction of long-term clinical outcome after aneurysmal subarachnoid hemorrhage
No full textIntroduction: Aneurysmal subarachnoid hemorrhage (aSAH) is associated with high mortality and morbidity rates. The high morbidity is primarily due to delayed neurological deficits, which are exacerbated by the occurrence of (micro)vasospasms. In this study, a CTP-based score was developed to predict long-term clinical outcomes. Additionally, it aims to serve as a diagnostic tool to identify patients who could benefit from interventional therapy for angiographic vasospasms.
Methods/Results: Perfusion CT maps for cerebral blood flow (CBF), cerebral blood volume (CBV), and mean transit time (MTT) were analyzed for 70 patients following aSAH using a score system for the territories of the anterior cerebral artery (ACA), middle cerebral artery (MCA), posterior cerebral artery (PCA), and basal ganglia. The evaluation was conducted qualitatively and visually. In addition, clinical data such as the Hunt and Hess scale, Fisher scale, and modified Rankin scale, as well as imaging data such as the severity of vasospasms in CTA and DSA, were collected. The group with vasospasms showed significantly higher CBV and MTT values compared to the group without vasospasms, while the CBF score did not show a significant difference. In the interventional group, the score values for CBF, CBV, and MTT were significantly higher than in the non-intervention group, but the diagnostic accuracy was insufficient. Furthermore, significant differences in the degree of vessel narrowing in the CTA and TCD acceleration were observed between patients with vasospasms and those receiving interventions.The CTP score, the degree of vessel narrowing in CTA, and TCD acceleration, however, showed no predictive value for long-term outcomes and had limited sensitivity and specificity.
Discussion: The significant differences in CBV and MTT scores in the vasospasm group suggest that microcirculatory impairment is already present. The higher CBF, CBV, and MTT scores in the interventional group indicate that patients with clinically relevant vasospasms can be identified. However, the diagnostic accuracy of the CTP score is not sufficient to make clinical decisions based solely on this information. Further investigations in a larger prospective study are needed.2025-03-1
Changes in the ultrastructure of the axonal cytoskeleton during acute axonal degeneration
No full textDie Ultrastruktur des Zytoskeletts von Axonen weist ein periodisch angeordnetes sub-plasmalemmales Membranskelett auf. Es wird durch ringförmig angeordnete Aktinfilamente sowie assoziierte Membran-Proteine gebildet und durch Spektrin-Tetramere verbunden. Die Erstbeschreibung gelang durch super-resolution microscopy, deren Einsatz lichtmikroskopische Auflösungen und dynamische Bildgebung unterhalb der Beugungsgrenze ermöglicht.
Axonale Degeneration ist ein zentrales Phänomen zahlreicher neurologischer Erkrankungen, einschließlich entzündlichen, chronisch degenerativen oder traumatischen Ursprungs. Dabei handelt es sich nicht um einen geteilten Pathomechanismus, sondern um verschiedene Formen der axonalen Degeneration je nach Art und Ort der Schädigung. So zeigen sich deutliche Unterschiede im zentralen- und peripheren Nervensystem oder im Vergleich des distalen- und proximalen Axons nach traumatischer Läsion. Während dabei der Untergang des distalen Axons, über Wallersche Degeneration, überwiegend physiologisch und obligat ist, unterliegt der proximale Anteil des Axons nach Axotomie einem anderen komplexen Degenerationsprogramm, der Akuten axonalen Degeneration, dessen genaue Mechanismen bisher unzureichend verstanden sind.
Zur Charakterisierung der dynamischen Veränderungen des axonalen Zytoskeletts während der traumatischen Akuten axonalen Degeneration, analysierten wir in dieser in vitro-Studie das axonale membrane periodic skeleton in kortikalen Neuronenkulturen von Ratten in einem mikrofluidischen Kammersystem nach traumatischer Axotomie durch Vakuumaspiration. Die Bildgebung erfolgte mittels stimulated emission depletion-Mikroskopie, einer hochauflösenden Lichtmikroskopietechnik in Nanometer-Größenordnung. Die 11 Tage alten Axone in vitro wurden in immunzytochemischer Färbung gegen das membrane periodic skeleton-Protein βII-Spektrin sowie gegen βIII-Tubulin, als Bestandteil der axoskelettalen Mikrotubuli, markiert. In den untersuchten Messzeitpunkten von 5 Minuten bis 72 Stunden nach Axotomie zeigt sich ein bereits nach wenigen Minuten einsetzendender Verlust der Spektrin-Membranperiodizität, ausgehend von der Läsion. Dieser Effekt wird zeitlich-örtlich proximal, entlang des Axonsverlaufs fortgeleitet, sodass nach 72 h eine Affektion des nahezu gesamten membrane periodic skeleton zu beobachten ist. Es ist wahrscheinlich, dass dieser Degeneration ein aktiver Propagationsprozess zugrunde liegt, der durch die kalziumabhängige Protease Calpain beeinflusst wird. Unsere Ergebnisse stützen damit eine dying-back Hypothese, laut der ein früher Verlust des membrane periodic skeleton einer Fragmentierung des Axons und der Apoptose des Neurons vorausgeht.
Weiter konnten wir die Bildung von ovalen axonalen Schwellungen, sogenannten Bulbs, während der Akuten axonalen Degeneration in unmittelbarer Nähe der Läsion nachweisen. Genau wie der frühe Verlust der βII-Spektrin-Membranperiodizität beginnt die Bildung von Bulbs bereits wenige Minuten nach der Axotomie. Bulbs können unterteilt werden in axonal endständige, solitäre retraction-bulbs oder multiple degeneration-bulbs entlang der Axone, deren Auftreten durch kalziumabhängige Proteolyse und sowie durch einen defizienten axonalen Transport begünstigt wird. Aufgrund der zeitlichen Dynamik gehen wir auch bei der Entwicklung der Bulbs von einem aktiv propagierten Prozess, ähnlich der Degeneration des membrane periodic skeleton aus. Bulbs lassen sich positiv gegenüber βII-Spektrin oder βIII-Tubulin in der Immunzytochemie anfärben, wobei die Anzahl der βIII-Tubulin-positiven Bulbs, insbesondere nach 24 Stunden überwiegt. Eine wahrscheinliche Erklärung dafür ist, dass es sich bei diesen vielen, kleinen Bulbs um debris handelt: vom Axon losgelöste ovale Konglomerate aus Bruchstücken der degenerierenden Axone. Bulbs durchlaufen dynamische morphologische Veränderungen und nehmen innerhalb von 6 Stunden nach Axotomie deutlich an Umfang und Anzahl zu, die meisten Bulbs bilden sich dann aber innerhalb von 24 Stunden wieder zurück. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass es zu einer Akkumulation von Mitochondrien innerhalb der Bulbs kommt, was einerseits als Zeichen einer akuten zellulären Stress-Antwort interpretiert werden kann, andererseits aber vielleicht auch eine Folge des gestörten axonalen und mitochondrialen Transports darstellt.
Zusammenfassend gelang in dieser Arbeit eine detaillierte mikroskopische Aufschlüsselung der dynamischen Veränderungen innerhalb der Ultrastruktur des Zytoskeletts von Axonen im Modell der traumatischen Akuten axonalen Degeneration. Sie stellt damit einen weiteren Baustein in der Grundlagenforschung zur Neurodegeneration dar, um perspektivisch die zugrundeliegenden biomolekularen Mechanismen zu entschlüsseln und zukünftige therapeutische Ziele zu definieren.The ultrastructure of the cytoskeleton of axons shows a periodically arranged sub-plasmalemmal membrane skeleton. It is formed by ring-shaped actin filaments and associated membrane proteins and is connected by spectrin tetramers. It was first described using super-resolution microscopy, which enables light microscopic resolution and dynamic imaging below the diffraction limit.
Axonal degeneration is a central phenomenon in many neurological diseases, including inflammatory, chronic degenerative or traumatic origin. This does not imply a shared pathomechanism, but rather different forms of axonal degeneration depending on the type and location of the damage. There are clear differences in the central and peripheral nervous system or in the comparison of the distal and proximal axon after a traumatic lesion. While the destruction of the distal axon, via Wallerian degeneration, is predominantly physiological and obligatory, the proximal part of the axon undergoes a different complex degeneration program after a2025-03-2
Optogenetic characterization of targeting-optimized Chronos and f-Chrimson variants for auditory encoding in mice
No full textHertha Sponer College of the Multiscale Bioimaging Cluster of Excellence GöttingenElse-Kröner-Fresenius-Promotionskolleg für Medizinstudierende GöttingenElectrical cochlear implants bypass the physiological micromechanics and synaptic sound encoding by sensory hair cells in the cochlea and provide state-of-the-art treatment of sensorineural hearing loss. To overcome the bottlenecks of this neuro-prosthesis (e.g. limited frequency discrimination due to spread of electrical excitation, limited intensity resolution due to low dynamic ranges, overly synchronized activation of the auditory nerve), the future optical cochlear implant provides an innovative alternative by directly stimulating spiral ganglion neurons with light. For clinical translation to succeed, adequate optogenetic stimulus specifications have to be identified, integrated in proper coding strategies and customized for suitable channelrhodopsins. To those ends, here, the light encoding of targeting-optimized Chronos, f-Chrimson, vf-Chrimson and targeting-optimized vf-Chrimson has been characterized after performing gene-therapy on mice by injecting virus-mediated cell-type specific vectors. In vivo juxtacellular single cell recordings from spiral ganglion neurons and anteroventral cochlear nucleus neurons were conducted employing a deterministic and a newly introduced semi-stochastic stimulation paradigm to rapidly arrive at the input-output function from stimulation to neural firing. By varying the light pulse duration, gradual activation of the first and second order neuron of the auditory pathway could be achieved in a similar manner as achieved with different intensities of acoustic clicks at constant duration. Maximum light encoding for targeting-optimized Chronos was observed at 1.6 ms as this light pulse duration showed the highest percentage of responsive neurons, the highest spike rate, a significantly lower adaptation ratio (at maximal light intensity, ~35 mW) and the largest interval of encoded intensities at 100 pps. Meeting the requirements for energy-saving optical medical devices operating with brief light pulses, the energy threshold for spiral ganglion neurons transduced with targeting-optimized Chronos decreased with lower pulse durations. Without reaching the range of encodable intensities achieved with acoustic stimulation, the single cell dynamic range of spiral ganglion neurons expressing blue-shifted targeting-optimized Chronos appeared to be higher than that mediated by the tested red-shifted channelrhodopsins except f-Chrimson. For low stimulation rates (≤ 100 pps), the temporal precision of light-induced firing was higher for neurons expressing targeting-optimized Chronos than for acoustic stimulation at the level of single cells. When considering an artificial population of spiral ganglion neurons, however, the temporal precision increased to near-physiological levels. For lower stimulation rates, this overcomes the problem of overly synchronized activation of the auditory nerve in current electrical cochlear implants. At higher repetition rates (> 300 pps), all characterized channelrhodopsins revealed declining spike rates. By assessing the recovery time needed to regain light-induced action potentials in spiral ganglion neurons expressing targeting-optimized Chronos after adaptation, we postulate a neural depolarization block to be responsible for interim spike failure. By that, this work informs the preclinical development and design of coding strategies of the prospective optical cochlear implant.2025-02-2