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Low dose rate prostate brachytherapy
No full textDespite the advantages and progress made over the years in the use of radioactive sources for the treatment of prostate cancer, there has been a decline in hospitals able to offer the multidisciplinary treatment modality to prostate cancer patients. The decline is associated not only with challenges faced during the intraoperative procedure but also with the preoperative and postoperative workflows. These challenges include but are not limited to, the complex nature of the multidisciplinary team and workflow, the steep learning curve involved, low reimbursement compared to other modalities such as external beam radiation therapy, and patient selection criteria, especially with regard to prostate size and pubic arch interference.
This study investigated the challenges associated with the multidisciplinary treatment modality of low-dose-rate prostate brachytherapy (LDR-PB). It proposes strategies to address these challenges, optimise the procedure, and investigate their impact on patient outcomes. The results of short-term patient follow-up for biochemical recurrence-free survival demonstrated the importance of a well-coordinated multidisciplinary brachytherapy team. Such a coordinated team approach optimises the workflow and leads to improved patient outcomes. The study also evaluated the approach to shortening the learning curve of hospital brachytherapists during the start-up phase of LDR-PB by incorporating the post-intraoperative planning task into the procedural workflow. Each treated intraoperative plan was retrospectively replanned after the procedure, which was performed outside the operating room. Applying the learning curve model, the study analysed the dosimetric parameters for each plan, the time taken to generate the intraoperative treatment plan in the operating room, and the overall treatment duration. The findings revealed how this approach shortened the learning curve.
Furthermore, LDR-PB components that influence the workflow and dosimetry of the prostate target volume were investigated. The designed in-house rigid template, with the possibility of oblique needle insertion (±30°), was constructed and tested using a Variseed™ treatment-planning system on a phantom. Our results showed that the placement of the inner needles/seeds with the proposed template improved the dosimetry of the retrospective plans. It also enhanced the dosimetry for prostate volumes > 50 ml with a minimal dose to the organs at risk. Consequently, this reduces the risk of radiation toxicity in the genitourinary system.
Finally, a feasibility study on modifying the Quicklink™ loader system was proposed to improve the procedure workflow by integrating a linear charge-coupled device camera into the loader system for seed logistics, seed pattern verification, and seed strength verification during the intraoperative real-time procedure
The ESCRT machinery at stress-induced ER-Golgi contact sites in S. cerevisiae: A study of recruitment mechanism and function
No full textThe endoplasmic reticulum (ER) forms an intricate network of sheets and tubules in eukaryotic cells. It is a highly dynamic organelle and can be remodeled upon demand. The ER for example undergoes extensive morphological changes upon ER stress, a condition caused by the accumulation of misfolded proteins within the ER lumen. Part of this stress-induced remodeling of the ER is mediated by a major ER stress response pathway, the Unfolded Protein Response (UPR). Apart from the UPR-induced ER expansion, membrane contact sites (MCSs) with other organelles are reorganized to maintain vital cellular functions.
A machinery that is involved in membrane remodeling at various cellular membranes is the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) machinery. This multi-subunit complex mediates membrane budding, repair and stabilization in different biological contexts. In S. cerevisiae, the ESCRT-III component Snf7 is recruited to specific regions of the ER, which we termed ER clusters, during ER stress. This recruitment requires the ESCRT-associated protein Bro1p.
In this study, I set out to determine how the ESCRT machinery is recruited to ER clusters and what role it plays at these sites. To identify proteins involved in this process, I used a proximity-dependent biotinylation approach coupled with mass spectrometry (PDB-MS). I showed that proper recruitment of Snf7 to ER clusters requires two Bro1 domain proteins, Bro1p and Rim20p, and that they act partially redundantly in this recruitment. I further found that the second hydrophobic patch and the TPR-like domain within the Bro1 domain of Bro1p are essential for recruitment of Bro1p and Snf7 to the ER, whereas they are dispensable for ESCRT function at multivesicular bodies (MVBs), highlighting a specific role of these features for stress-induced recruitment to the ER.
Furthermore, the hits of the PDB-MS experiment indicated that ER clusters are located at the ER-Golgi interface. I showed that several COPI coat components colocalize with ER clusters and established Cop1p as a suitable Golgi marker at these sites. I discovered that the ER-tether Nvj2p colocalized with Snf7 and Cop1p at ER clusters during stress and contributed to the finding that ESCRT recruitment to ER clusters was essential for the proper localization of another ER-tether, Tcb3p, to these sites. Nvj2p and Tcb3p were shown to play a role in non-vesicular ceramide transfer at stress-induced ER-Golgi contact sites, suggesting that ER clusters represent ER-Golgi contacts. As my findings showed that Nvj2p and Tcb3p were not essential for the establishment of these contacts, they possibly play a downstream role in ceramide transfer. The ESCRT machinery might further be involved in stabilization of these putative stress-induced ER-Golgi contact sites.
Taken together, I identified several determinants for ESCRT recruitment to ER clusters during ER stress and defined a novel site of action of the ESCRT machinery at stress-induced ER-Golgi contact sites. My study advances our understanding of the versatile ESCRT machinery, as well as the stress-induced remodeling of the ER in yeast
Identification of Novel Germline Genetic Variants Associated with Pancreatic Cancer Risk by Using Genome-Wide Studies
No full textPancreatic cancer, whose most common form is pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), is one of the most aggressive and fatal cancers, with minimal progress in early detection and treatment. While genome-wide association studies (GWAS) have identified several common germline variants, a large proportion of PDAC heritability remains unexplained. In this thesis project, I applied post-GWAS and secondary analysis strategies to uncover novel genetic risk factors, specifically focusing on regulatory regions, rare variants, and genes involved in cognition network.
In the first part of the study, I explored polymorphisms in transcription factor binding sites (TFBS) and enhancers. Through meta-analyses across independent cohorts, I identified rs2472632 near CCDC34 as a candidate regulatory variant, supported by enhancer signals and transcription factor motif overlap. This finding highlights a potential mechanism of PDAC risk originating from non-coding genomic elements. The second part of the project focused on genome-wide rare variant association analyses. Using both annotation-weighted and unweighted gene-based tests, I discovered significant associations in several genes, including RIPK2, PTPRT, CLU, and PARD3, that are functionally linked to cell signaling, immune regulation, and epithelial structure. These genes provide promising leads for understanding the role of rare germline variation in PDAC. Finally, I investigated a novel hypothesis connecting cognition-related genes to PDAC risk. I identified significant associations in genes such as RP11-255M2.3, LGR4, RORA and LINC00907 across two large datasets. This supports the intriguing possibility that neurogenetic factors may contribute to cancer susceptibility through stress response or neuroendocrine regulation.
By combining large-scale datasets with advanced post-GWAS methods, this thesis reveals overlooked layers of genetic risk in PDAC. Despite challenges such as dataset heterogeneity and replication of rare variants, the findings offer new perspectives and lay the groundwork for future functional and translational studies in cancer genomics
Der Einfluss indizierter Stressprävention im Jugendalter
No full textStress betrifft circa jeden zweiten Jugendlichen in Deutschland und kann sich negativ
auf gesunde Entwicklungsverläufe bis ins Erwachsenenalter hinein auswirken. Diese
Folgen betreffen unter anderem Veränderungen hinsichtlich der Gehirnentwicklung,
erhöhte Risiken für die Entwicklung psychischer und körperlicher Erkrankungen,
schlechtere schulische Leistungen sowie die Verfestigung dysfunktionaler Stressverarbeitungsmuster.
Diese Konsequenzen verdeutlichen die Notwendigkeit geeigneter
Maßnahmen zur Prävention von Stress. Verglichen mit dem Erwachsenenbereich gibt
es diesbezüglich noch wenig Forschung zu Jugendlichen, insbesondere nicht im Bereich
indizierter Prävention. Diese richtet sich an Individuen, die von erhöhtem Stress
betroffen sind und somit ein gesteigertes Risiko für die Entwicklung von Folgeerkrankungen
aufweisen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Wissen über Stress sowie
über geeignete Präventionsansätze bei Jugendlichen zu erweitern und darüber hinaus
ein neues Stresspräventionsmanual zu entwickeln und wissenschaftlich zu evaluieren.
Bei Artikel 1 handelt es sich um eine systematische Übersichtsarbeit und Metaanalyse
zu dem Einsatz der „Akzeptanz- und Commitment Therapie“ (ACT) zur Prävention und
Behandlung von Stress im Kindes- und Jugendalter. Die ACT ist ein moderner, störungsübergreifender
Ansatz aus dem Bereich der Verhaltenstherapie. Im Mittelpunkt
steht das Erreichen psychischer Flexibilität durch die Akzeptanz von als aversiv erlebten
Gedanken, Gefühlen und Körperempfindungen bei gleichzeitiger Ausrichtung auf
individuell gewählte Werte. ACT führte in der untersuchten Altersgruppe zu einer signifikanten
Reduktion des Stresserlebens mit einer kleinen Effektstärke. Die gegenwärtige
Forschungslage ist jedoch hinsichtlich der Anzahl einschlägiger Studien sowie deren
methodischer Qualität noch ungenügend, sodass es zukünftig weiterer Forschung
bedarf, um diesen Befund zu untermauern. Das in Artikel 2 vorgestellte Stresspräventionsmanual
setzt an diesem Ergebnis an. Das Konzept „Indizierte Stressprävention
bei Jugendlichen im Gruppensetting - Manual für einen Akzeptanz- und Commitment-
Therapie-basierten Ansatz“ wird detailliert beschrieben und therapeutische Erfahrungen
in der Umsetzung des Konzepts reflektiert. Neben Interventionen aus dem Bereich
der ACT beinhaltet es Elemente aus der kognitiven Verhaltenstherapie sowie kunsttherapeutische
Bausteine. Bei Artikel 3 handelt es sich um eine randomisiert-kontrollierte
Studie mit einem Wartelistenkontrollgruppen-Design. Untersucht wurde die Wirksamkeit
der oben beschriebenen Gruppenintervention, die sich an Jugendliche im Alter
von 13 bis 18 Jahren mit einem erhöhten Stresslevel richtet. Die multimodale Datenerhebung
umfasste Fragebögen, Ecological Momentary Assessment (EMA) sowie die
Biomarker Herzratenvariabilität und Haarcortisol. Primäres Zielkriterium war der wahrgenommene
Stress zum Post-Interventions-Messzeitpunkt, an dem die Interventionsgruppe
(ACT), nicht aber die Wartelistenkontrollgruppe (WLC) das Training bereits absolviert
hatte. Die Auswertung bestätigte die Wirksamkeit des Trainings zur Reduktion
von wahrgenommenem Stress mit einer mittleren bis großen Effektstärke. Darüber
hinaus zeigte sich das Training als geeignet zur Reduktion von Schulburnout sowie
von körperlichen stressassoziierten Beschwerden.
Der Beitrag der vorliegenden Arbeit besteht neben einer Übersicht zu dem noch wenig
beforschten Bereich der Stressprävention bei Jugendlichen auf Basis von ACT insbesondere
in Vorstellung von Daten aus der – nach Kenntnisstand der Autorin- ersten
randomisiert-kontrollierten Studie mit einer ausreichend großen Stichprobe zu indizierten
Stressprävention bei Jugendlichen. Der hier vorgestellte Ansatz zeigte sich auf
Basis hoher methodischer Standards als empirisch effektiv zur Reduktion von Stresserleben
Reconstructing Neural Dynamics Underlying Cognitive Flexibility Using Parameter-Evolving RNNs
No full textUnderstanding the dynamic principles that enable the brain to flexibly adapt behavior in changing environments remains a central challenge in neuroscience. In
this thesis, I address this question through the lens of dynamical systems reconstruction. I use a reconstruction method, specifically targeted for non-autonomous
neural dynamics from multiple single-unit recordings in the rodent medial prefrontal
cortex (mPFC) during a probabilistic rule-learning task. To this end, I employ a
parameter-evolving piecewise-linear recurrent neural network (pePLRNN), which
explicitly incorporates time-dependent changes in the underlying dynamical system
(DS). This approach enables the reconstruction of non-autonomous DSs from nonstationary data to characterize of how the neural dynamics evolve across learning.
The approach was first validated on benchmark systems and task-trained RNNs,
where it successfully reconstructed the underlying DS. When trained on the hidden
state trajectories of RNNs solving artificial rule-learning tasks, the pePLRNN uncovered the dynamic mechanisms by which these networks implemented the learning
process.
Applied to electrophysiological recordings from the mPFC of rats, the model successfully reconstructed the non-stationary neural dynamics underlying rule learning.
The trained model-generated neural trajectories that exhibited the same decoding
properties as the original data. Change points (CP) detected in model-generated trajectories aligned with those observed in the recorded activity. Simulations of neural
trajectories under experimental conditions reproduced the behavioral distributions
of animals for both rule types.
Analyzing the trained pePLRNN as a functional surrogate model revealed that
both rules were implemented via a single stimulus-dependent attracting region that
guided neural transients toward the correct decision. During learning, this attracting region, along with the trial-specific parameters and latent neural trajectories,
exhibited abrupt changes that preceded the behavioral change point.
This work establishes a principled framework for reconstructing non-autonomous
DS directly from empirical data and demonstrates how their analysis as surrogate
models can reveal dynamic principles underlying the neural computations supporting
cognitive flexibility
Auswirkungen epileptischer Anfälle auf Zellexpressionsmarker und Plasmaproteom sowie dessen Assoziation zu postiktaler Blut-Hirn-Schrankenstörungen
No full textVeränderungen des Immunsystems in Folge eines neuronalen Zelluntergangs wurden bereits von vielen verschiedenen Studien untersucht und bereits im Rattenmodell für das Krankheitsbild der Eplepsie nachgewiesen. Ebenso ist die postiktale Blut-Hirn-Schrankenstörugn durch Zytokinexpression ein aktuelles Thema der medizinischen Forschung.
Durch die wissenschaftlichen Erkenntnisse der letzten Jahre ist die These einer postiktalen immunsuppressiven Reaktion des Organismus in den Vordergrund gerückt. In dieser Arbeit wurden die peripheral blood mononuclear cells (PBMC) der Patienten, welche einen epileptischen Anfall erlitten mit denen von gesunden Patienten durch eine Blutentnahme gewonnene Probe mittels Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS) verglichen.
In der Analyse wurden spezifische T-Zell-Populationen sowie myeloide Zellen und deren Subpopulationen detailliert untersucht, um Unterschiede in der Expressionsmuster postiktal und in gesunden Kon- trollen zu identifizieren. Insbesondere wurde auf Marker geachtet, die auf eine immunologische Er- schöpfung (T-cell exhaustion) hindeuten könnten, da diese möglicherweise eine Rolle in der postikta- len Immunmodulation spielen. Weiterhin wurden inflammatorische und anti-inflammatorische Zytokine im Plasmaproteom der Patienten mittels massenspektrometrischer Methoden untersucht, um das Ausmaß und die Art der Immunantwort zu erfassen.
Zusätzlich zu den zellulären Veränderungen wurde die Integrität der Blut-Hirn-Schranke durch die Analyse spezifischer Marker für Barrierestörungen und die Messung der Konzentration von Serumpro- teinen, die üblicherweise im ZNS vorkommen, untersucht. Ziel war es, eine Korrelation zwischen den beobachteten Immunveränderungen und der Blut-Hirn-Schranken-Dysfunktion herzustellen, die häufig nach einem Anfall auftritt und zum Verständnis der postiktalen Immunreaktion beiträgt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Einblicke in die immunologischen und zellulären Veränderungen nach einem epileptischen Anfall und tragen zu einem besseren Verständnis der Rolle des Immunsystems bei der Entstehung von postiktalen Komplikationen bei. Sie unterstützen die Hypothese einer komplexen Interaktion zwischen immunologischen Prozessen und der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke nach neuronaler Schädigung und stellen eine Grundlage für mögliche therapeuti- sche Ansätze dar, die auf die Modulation dieser Prozesse abziele
Whisker somatosensation in the mouse superior colliculus: pathways and behaviour
No full textAnimals can react quickly to stimuli in their environment, e. g. orienting towards a stimulus or escaping a threat. The superior colliculus(SC) is a phylogenetically old midbrain brain structure producing swift orientation and defence movements to enhance the individual’s survival. However, these movements could be wasteful without adaptation or even modulation. Mice rely on their whiskers to perceive and interact with their environment. The whisker-related connectivity to SC, involving the layer 5 (L5) of motor cortex (MC) and barrel field cortex (BC), and the brainstem (Bs), as well as from collicular recipient neurons (RNs) was described by different viral strategies, including an intersectional viral approach, revealing novel long-range projections from SC. I developed a behavioural paradigm to quantify mice’s SC-dependent evoked behaviour upon an unpredictable whisker puff. Pharmacologically blocking the SC reduced the puff evoked behaviour and showed that SC is an important node in the orientation circuit of the brain. Building on the collicular whisker network, the cortical influence to modulate and adapt SC-mediated orientation behaviours was tested by a. optogenetically manipulating cortical axons in SC, and b. optogenetically manipulating RNs directly. Modelling of the sensorimotor transformation showed that the SC performs part of the computation for orientation movements and that activation of a specific RNs population is a likely candidate for modulating and even adapting SC-dependent behaviour. My results reveal that top-down modulation of SC-dependent behaviour is achieved through specific neural populations in SC, controlled by L5-MC inputs and reflects the high level of natural alertness mice need to escape predators and feed
Die Wertigkeit von 2D-Tumormodellen für die individuelle Therapie solider Tumore
No full textEinleitung: Das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) ist ein hochmaligner Tumor mit aggressivem Wachstum und begrenzten Behandlungsoptionen, insbesondere durch die Herausforderungen der Resektabilität. Trotz moderner Therapiekonzepte gibt es bisher keine signifikante Verbesserung der Überlebensraten. Die molekulargenetische Heterogenität des Pankreaskarzinoms erklärt das unterschiedliche Ansprechen auf Therapien, was die Notwendigkeit einer individuellen Tumortherapie betont. Die Forschungsgruppe von Prof. Tuveson bestätigte die Eignung biologischer Avatare zur Vorhersage des Ansprechens auf Zytostatika. Die vorliegende Studie vom Chirurgischen Forschungslabor der Universitätsmedizin Mannheim zielt darauf ab, neue primäre 2D-Pankreaskarzinomzelllinien zu isolieren und zu charakterisieren. Diese sollen nicht nur zur Verfügung gestellt, sondern auch als biologische Tumormodelle für die individuelle Tumortherapie und zur Prädiktion des Chemotherapieansprechens in der klinischen Routine evaluiert werden.
Material und Methoden: Es wurden alle Patienten eingeschlossen, welche in der Zeit von 2019 bis 2022 an der Chirurgischen Klinik der Universitätsmedizin Mannheim (UMM) aufgrund eines Pankreaskarzinoms behandelt wurden (Einschluss- und Ausschlusskriterien). Die Zelllinien wurden mittels verschiedener molekularbiologischer und funktionaler Tests im Hinblick auf die Behandlung mit Chemotherapeutika charakterisiert.
Ergebnisse: 52 Patienten der Chirurgischen Klinik der UMM, die ein Pankreaskarzinom operiert hatten, wurden in die Studie eingeschlossen. Sechs pankreatische Zelllinien (MaPac-107, MaPac-155, MaPac-159, MaPac-165, MaPac-167 und MaPac-197) wurden erfolgreich isoliert. Nach der Explantmethode kam es in 42% der Fälle zu Auswüchsen, von denen 27% zu erfolgreich etablierten Zellkulturen führten. In 23% der Fälle traten Kontaminationen auf. Die Zellmorphologie der vier ausgewählten Zelllinien zeigte typische Charakteristika eines Pankreaskarzinoms. Die Chemosensitivitätstestung mittels MTT-Assay offenbarte unterschiedliche Reaktionen auf Chemotherapeutika, mit signifikanten Unterschieden nach 48 Stunden Inkubation. Die Chemotherapie-Resistenztestung zeigte, dass die Mehrheit der Zellen resistent gegenüber den Zytostatika ist. Der Scratch-Assay demonstrierte unterschiedliche Migrationsfähigkeiten unter Einfluss von Chemotherapeutika. Die Messung mit reaktivem Sauerstoffspezies-Sensor zeigte eine erhöhte ROS-Produktion und oxidativen Stress nach Zytostatikabehandlung. Bei der Proteinanalyse zeigten sich insbesondere bei MaPac-107 und MaPac-165 wesentliche Merkmale der Epithelial-mesenchymalen Transition (EMT). Beim Migrationsverhalten mittels Invasion Assay ergab sich in der Gemcitabin-Gruppe bei MaPac-155 eine signifikante Abnahme der Invasivität um 30% im Vergleich zur Kontrollgruppe (p < 0,0001).
Diskussion: Es ist uns erfolgreich gelungen, sechs primäre Zelllinien des Pankreaskarzinoms aus frischen Gewebeproben nach einer Operation zu isolieren und diese erfolgreich zu kultivieren. Diese Zelllinien zeigen typische Charakteristika und weisen, wie vermutet, eine Heterogenität auf. Sowohl die Bereitstellung dieser Zelllinien für andere Forschungsgruppen als neue 2D-Tumormodelle als auch ihre Verwendung in der Erforschung der Tumorentstehung und der Entwicklung neuer klinischer Therapieansätze sind von großer Bedeutung für die Grundlagenforschung. Die Analyse von Chemotherapeutika an diesen Zelllinien verdeutlicht, dass eine personalisierte Tumortherapie entscheidend ist, um das Pankreaskarzinom effektiv zu behandeln. Die Tumorzellen zeigten in verschiedenen Experimenten unterschiedliche Reaktionen auf die spezifischen Chemotherapeutika. Eine klinische Prüfung der Tumorzellen auf mögliche Resistenzentwicklungen kann eine gezielte Herangehensweise ermöglichen, um den Patienten eine optimale Behandlungsstrategie anzubieten und die Nebenwirkungen systemischer Therapien bestmöglich zu minimieren
Generalised Elements on Sheaves and Applications in Spectral Domain Decomposition
No full textThis thesis introduces a unified abstract framework for spectral domain decomposition methods, enabling multilevel solvers for a wide range of partial differential equations. By formalizing the notion of suitable presheaves—generalized function spaces capturing local structure—it defines generalized elements that naturally form a recursive hierarchy. This yields a systematic foundation for multilevel spectral methods, including generalized variants of GenEO and MS-GFEM.
The framework encompasses continuous and discontinuous finite element discretizations and provides a rigorous convergence analysis for additive and hybrid Schwarz methods. Numerical experiments for heterogeneous diffusion, linear elasticity, and Helmholtz problems confirm robustness, scalability, and theoretically predicted convergence behavior
